孫胃嶺 ,曹衛(wèi)彬,古樂樂,劉姣娣,王崧浩
(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)
紅花為菊科植物,干燥管狀花,是一種名貴的中藥材和油料作物。紅花每個(gè)種球一般發(fā)出花序3批,每一批次間隔3~5天,從開始出現(xiàn)花序至開花結(jié)束一般為15~20天;花敗后采摘,花序粘結(jié)[1], 花絲內(nèi)的羥基紅花黃色素A和黃酮含量顯著降低[2],采收不及時(shí)將嚴(yán)重影響紅花的品質(zhì)。目前,研發(fā)的機(jī)型多為切割式、氣吸式、切割-氣吸式,這些機(jī)型必須精準(zhǔn)對(duì)花,效率不高且噪聲大,未得到推廣[3]。葛云等通過對(duì)輥的旋轉(zhuǎn)吸附以及摩擦、擠壓和拔取作用,完成采收,至今仍處于研發(fā)階段[7],目前紅花仍以人工采摘為主。由于人工采摘花絲勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,紅花花絲不能適時(shí)采摘成為制約紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此,紅花亟待實(shí)現(xiàn)機(jī)械化盲采,本課題組提出了一種梳夾式紅花花絲采摘機(jī)構(gòu)。
紅花花絲夾持采摘的力學(xué)特性是紅花花絲梳夾式采摘至關(guān)重要的前提,目前已有對(duì)紅花植株各部分的抗拉力及花絲懸浮特性的研究[4-6],未涉及花絲夾持采摘力學(xué)特性。為保證紅花不漏采且減少夾持損傷程度,綜合考慮花絲抗拉力與各因素的關(guān)系及不同夾持力對(duì)花絲損傷程度的影響,為梳夾式紅花花絲采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。為此,以新疆區(qū)域主栽品種無刺紅花為試驗(yàn)對(duì)象,測(cè)試分析了與夾持采摘相關(guān)的力學(xué)特性,并通過對(duì)采摘過程中花絲的受力分析及夾持參數(shù)理論模型得到采摘機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù),構(gòu)造一種梳夾式花絲采摘機(jī)構(gòu)。同時(shí),通過應(yīng)變測(cè)力系統(tǒng)分析采摘樣機(jī)的理論設(shè)計(jì)可靠性,以期提出最佳采摘齒間隙,并驗(yàn)證其采摘效果。
試驗(yàn)于2016年7月1日在石河子大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。所選用的試驗(yàn)對(duì)象為新疆區(qū)域主栽品種無刺紅花,紅花株高70~100cm,最低分枝高度35~40cm,一次有效分枝7~10個(gè),二次有效分枝7~10個(gè),全株花球10~30個(gè),單個(gè)花球花絲根數(shù)為40~107根[7]。
通過田間統(tǒng)計(jì)及含水率測(cè)定:紅花開花1~4天,含水率為65%~80%;開花6~8天,含水率為20%~30%。含水率隨開花天數(shù)逐漸減少,在開花4~6天含水率急劇降低,該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與葛云等[8]統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。開花1~4天花絲直立,開花3~4天,花絲由黃轉(zhuǎn)紅為最佳采摘時(shí)間[8-9],開花5天以后,花絲粘結(jié)且品質(zhì)嚴(yán)重下降。
試驗(yàn)儀器為高特威爾伺服控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)GT-7001-LS,精度為±1%),MA35水質(zhì)分析儀(賽多利斯MA系列)。圖1為力學(xué)測(cè)試對(duì)象。
1.2.1抗拉力試驗(yàn)及結(jié)果分析
初見種球開花到大部分種球盛開只需2~3天,在田間同一時(shí)間采摘花絲時(shí)其含水率波動(dòng)范圍不大。即在實(shí)際采摘中,根據(jù)采摘時(shí)間的不同其含水率可得到有效控制,作為可控因素,研究含水率對(duì)抗拉力的影響具有實(shí)際意義。選取含水率、拉拔速度及花絲夾持根數(shù)作為試驗(yàn)因素,以花絲與種球之間的抗拉力作為響應(yīng)值,進(jìn)行兩水平正交試驗(yàn)。根據(jù)前期因子篩選試驗(yàn)及單因素試驗(yàn),以開花3天和開花5天的紅花作為試樣,以開花3天和開花5天的平均含水率范圍作為含水率因素的兩個(gè)水平,從每朵花中取部分花絲測(cè)量含水率,從中挑選滿足試驗(yàn)所要求的含水率范圍內(nèi)的紅花,將選好的紅花分類放入保鮮盒,以防止水分流失?;ńz細(xì)小,質(zhì)地柔軟,試驗(yàn)時(shí)用鑷子分離花絲,用紙條纏繞在被分離的花絲外部,拉伸探頭緩慢夾持,以減少夾持部位花絲的機(jī)械損傷;夾持后,通過調(diào)節(jié)拉伸探頭兩側(cè)的擰緊螺母,增大夾緊力確保探頭與花絲在拉伸過程無相對(duì)位移,提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性;夾具夾住莖稈,豎直向上拉伸花絲,直至花絲斷裂[10-12]。
1.花絲 2.花序 3.種球 4.莖稈圖1 力學(xué)測(cè)試對(duì)象Fig.1 Objects of mechanical properties test
逐一編碼3個(gè)影響因素,安排兩水平正交試驗(yàn),分析各因素及交互作用對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響。編碼值及實(shí)驗(yàn)因素如表1所示,方差分析結(jié)果如表2所示。由表2可知:在顯著性下,夾持根數(shù)F比值89.76,含水率F比值43.66,大于F0.90(1,1)=39.86,即因子夾持根數(shù)及因子含水率對(duì)指標(biāo)有顯著影響;各因子的交互作用的F比值均小于F0.90(1,1)=39.86,即各因子的交互作用對(duì)響應(yīng)值無顯著影響,故不再進(jìn)行討論;拉拔速度的F比值小于F0.90(1,1)=39.86,拉拔速度對(duì)抗拉力的影響不顯著。以抗拉力為響應(yīng)值,花絲夾持根數(shù)、含水率為響應(yīng)因子,安排混合水平正交試驗(yàn)。其中,以采摘期不同開花天數(shù)的平均含水率(開花3天,開花4天,開花5天)作為含水率的不同水平,夾持根數(shù)以梳夾式采摘機(jī)構(gòu)不同夾持參數(shù)可喂入的花絲數(shù)量作為不同水平,混合水平正交試驗(yàn)因素編碼值如表3所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析如表4所示。
表1 二水平正交試驗(yàn)-因素及編碼值
表3 混合水平正交試驗(yàn)-因素及編碼值
表4 混合水平正交試驗(yàn)-方差分析表
F0.9(2,14)=2.73 F0.95(2,14)=3.74。
由表4可知:在置信水平95%的條件下,夾持根數(shù)、含水率及其交互作用對(duì)抗拉力影響作用顯著,且顯著性依次降低。運(yùn)用MatLab軟件擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù),由圖2可知:相同夾持根數(shù)水平下,含水率在60%~75%范圍內(nèi),隨含水率的增加,抗拉力最大增幅為1.2N,最小增幅為-0.2N;相同含水率水平下,在花絲夾持根數(shù)5~25根范圍內(nèi),隨夾持根數(shù)的增加,抗拉力最大增幅為2N,最小增幅為0.8N;抗拉力沿含水率方向變化較慢,沿夾持根數(shù)方向變化較快,可見夾持根數(shù)對(duì)花絲抗拉力的影響要比含水率的影響顯著。
圖2 夾持根數(shù)及含水率對(duì)抗拉力的影響Fig.2 Effect of the number of gripping and the moisture content on tensile strength
通過MatLab試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,分析抗拉力與各因素的擬合方程,在置信度95%的條件下,其調(diào)整R2=0.938 7,擬合優(yōu)度很好;其剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.188 1,剩余平方和為0.636 7,系數(shù)顯著,說明擬合方程與實(shí)際情況具有良好的擬合關(guān)系,具有實(shí)際意義。其擬合方程為
FL=1.909+0.00472xy-0.1123x-
0.03169y-0.00496x2
(1)
其中,F(xiàn)L為抗拉力(N);x為夾持根數(shù);y為含水率(%)。
1.2.2壓損試驗(yàn)及結(jié)果分析
夾持采摘花絲時(shí),夾持力過大則會(huì)損傷花絲,其內(nèi)部有效成分流失,從而影響紅花的品質(zhì),因此對(duì)紅花的梳夾式采摘必須考慮夾持時(shí)花絲的機(jī)械損傷??紤]到花絲夾持后的變形量微小,無法直接通過數(shù)學(xué)建模來描述花絲的損傷程度,因此通過壓損試驗(yàn)來模擬不同夾持力下花絲的損傷程度。試驗(yàn)材料選取開花3天的紅花,該花期的紅花為適時(shí)采摘時(shí)含水率最高且花絲表面組織最脆弱的時(shí)間,夾持采摘時(shí)最易損傷。試驗(yàn)方法為從剪下的花絲中選取單根花絲放在白色宣紙上,探頭以恒力下移,抵達(dá)同一位移時(shí)探頭返回;對(duì)宣紙上花絲沁出的黃色汁液的染色面積處理后,用PhotoshopCs5 計(jì)算染色面積,以染色面積作為中間量,建立夾持力與損傷程度的關(guān)系。
探頭分別施加20、30、40、50、60、70、80、90、100N的力,探頭與宣紙距離0.1mm時(shí)探頭返回。每組試驗(yàn)取1根花絲,每組重復(fù)5次取平均值。各夾持力下的平均染色面積依次為4.15、9.21、23.01、24.21、46.02、53.71、82.15、85.03mm2,定義花絲表面不同破損程度為花絲損傷程度,無損傷為花絲表面完整無汁液沁出;中度損傷為1/3長(zhǎng)度的花絲出現(xiàn)空管現(xiàn)象;重度損傷為2/3長(zhǎng)度的花絲出現(xiàn)空管現(xiàn)象空管。經(jīng)試驗(yàn)觀察,隨著夾持力的不斷增大至到60N時(shí),全部測(cè)試花絲處于中度損傷及中度損傷水平以上,夾持力為90N時(shí),花絲已嚴(yán)重?fù)p傷,采摘后無使用價(jià)值。因此,采摘花絲時(shí)為保證花絲的品質(zhì)其最大夾持力不應(yīng)超過20N。
2.1.1 夾持采摘受力分析
在夾持采摘過程中,由于紅花特殊的力學(xué)特性,花序與種球的軸線始終保持在同一方向,該軸線與地面之間的夾角因滾筒轉(zhuǎn)速的不同而有所不同,但夾持采摘瞬時(shí)花絲的拉拔方向豎直向上,如圖3(a)所示?;ńz夾持后在采摘齒的夾持分布主要分為3種情況,依次是單根花絲雙側(cè)與齒面接觸;單根花絲單側(cè)與齒面接觸,另一側(cè)與采摘齒內(nèi)的花絲接觸;單根花絲兩側(cè)與均與采摘齒內(nèi)的花絲接觸。夾持采摘時(shí),動(dòng)、定齒對(duì)花絲兩側(cè)的夾持力應(yīng)保證夾持拉拔時(shí)花絲與齒面、花絲與花絲相對(duì)靜止,即采摘過程花絲無滑脫。考慮到花絲之間的摩擦因數(shù)與花絲與齒面之間摩擦因數(shù)的不同,對(duì)不同夾持分布下的花絲進(jìn)行受力分析,如圖4所示[13-14]。
(a) 采摘過程示意圖 (b) 采摘部分設(shè)計(jì)圖
(c) 凸輪運(yùn)動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)角 1.選裝滾筒 2.采摘齒 3.紅花莖稈 4.螺紋安裝孔圖3 采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of gripping pick structure
(a) 花絲雙側(cè)與齒面接觸的受力分析 (b) 花絲單側(cè)與齒面接觸的受力分析 (c) 花絲雙側(cè)與花絲接觸的受力分析 FJ1、FJ2、FJ3.夾持1、2、3根花絲時(shí)的齒面夾持力 Ff1、Ff2、Ff3.夾持1、2、3根花絲時(shí)花絲與齒面的摩擦力 Fb、Fc.夾持2、3.根花絲時(shí)花絲間的摩擦力圖4 花絲不同夾持分布下的受力分析Fig.4 Force analysis of filaments under different gripping distribution
FJ≥FL/2μ1
(2)
不同含水率下的最小摩擦因數(shù)稱為安全夾持摩擦因數(shù),記為μmin。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定,其中μ1min=0.23。在拉拔方向上FL,成功采摘時(shí)采摘力應(yīng)能克服花絲與種球之間的抗拉力,同時(shí)夾持力不宜過大或過小,避免花絲的夾持損傷或夾持力度達(dá)不到要求。由式(1)和式(2)聯(lián)立可得式(3),克服花絲與種球的抗拉力的夾持力FL取決于花絲的夾持根數(shù)x、含水率y,以及安全夾持摩擦因數(shù)μ1min,則
FL=
(3)
2.1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
花絲夾持采摘機(jī)構(gòu)為滾筒式,將采摘齒通過螺紋孔安裝在動(dòng)齒軸和定齒軸上,將安裝好采摘齒的動(dòng)、定齒軸裝配體插入旋轉(zhuǎn)滾筒的安裝孔中,定齒軸兩側(cè)與選裝滾筒通過螺紋連接固定,動(dòng)齒軸兩端分別安裝有壓縮彈簧和端面凸輪。安裝在動(dòng)齒軸上的采摘齒稱為動(dòng)齒,同理可得定齒。動(dòng)齒通過端面凸輪和壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)相對(duì)于定齒的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)花絲的夾緊與分離拋送;定齒、動(dòng)齒均通過螺紋孔與定齒軸、動(dòng)齒軸按一定齒間隙排列安裝,可方便調(diào)整齒間隙,帶輪驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng),如圖5所示。
1.帶輪 2.旋轉(zhuǎn)滾筒 3.動(dòng)齒軸 4.定齒軸 5.壓縮彈簧 6.旋轉(zhuǎn)主軸 7.采摘齒 8.端面凸輪圖5 夾持采摘機(jī)構(gòu)Fig.5 Structure of gripping pick
所設(shè)計(jì)的夾持采摘機(jī)構(gòu)其采摘齒插入花序,通過動(dòng)、定齒的開合動(dòng)作,及隨旋轉(zhuǎn)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)花絲的夾持采摘與分離拋送。因花絲細(xì)小,其采摘齒尖端設(shè)計(jì)有一定錐度,且齒厚較薄,以便采摘齒可插入花序。除此之外,本設(shè)計(jì)為無須逐朵對(duì)花的機(jī)械化盲采,其動(dòng)、定齒之間的齒間隙應(yīng)小于紅花莖稈的最小直徑,避免莖稈進(jìn)入齒間隙從而摟落種球。其夾持采摘過程示意如圖3(a)所示,單個(gè)采摘齒如圖3(b)所示。
壓縮彈簧和端面凸輪是夾持采摘機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件,完成采摘齒的開合動(dòng)作。根據(jù)采摘作業(yè)要求,壓縮彈簧常壓實(shí)現(xiàn)采摘齒的閉合,端面凸輪推動(dòng)動(dòng)齒實(shí)現(xiàn)花絲的分離拋送。凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖3(c)所示。
紅花最細(xì)莖稈直徑為3mm,因此動(dòng)、定齒齒間隙應(yīng)小于3mm,避免莖稈喂入齒間。單根花絲平均直徑為0.8mm,因此相鄰齒間隙應(yīng)大于0.8mm,故齒間隙取值為0.8~3mm。通過齒間隙為因子的單因素試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)齒間隙為2.5mm時(shí)花絲喂入效果最佳,平均喂入花絲數(shù)量為19根,因此調(diào)整采摘機(jī)構(gòu)齒間隙為2.5mm。夾持力由式(3)計(jì)算時(shí)含水率取開花3~4天的整株紅花中最新鮮的花絲測(cè)量,以計(jì)算最大夾持力作為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的夾持力參數(shù)。由壓縮彈簧的壓力和動(dòng)、定齒往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力決定,在三維造型軟件NX9.0中設(shè)定機(jī)構(gòu)各部分的材料并確定相對(duì)于定齒滑動(dòng)的動(dòng)齒及裝配零件總重力為21N,查表得鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)為0.15,通過摩擦力計(jì)算公式得到往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力為3.15N。選擇彈簧剛度為1.15N/mm的ICM120H08號(hào)#302不銹鋼的壓縮彈簧,其負(fù)荷33.4N,自由高度為40mm,通過調(diào)節(jié)壓縮彈簧的壓縮長(zhǎng)度調(diào)整夾持力。齒間隙2.5mm時(shí),試驗(yàn)結(jié)果與夾持參數(shù)如表5所示。
表5 夾持參數(shù)計(jì)算結(jié)果
根據(jù)理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)試制物理樣機(jī)。采用應(yīng)變測(cè)力系統(tǒng)檢測(cè)夾持采摘機(jī)構(gòu)夾持花絲的夾持特性。方法是將應(yīng)力應(yīng)變片粘貼在采摘齒上,獲取花絲夾持過程中夾持變形所得的應(yīng)變信號(hào),應(yīng)變片接入電橋,經(jīng)信號(hào)調(diào)理器輸入到應(yīng)變放大器進(jìn)行處理,最后由數(shù)據(jù)采集儀記錄夾持力數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)變測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。分析不同加載量與輸出電壓的關(guān)系,經(jīng)多次加載試驗(yàn),經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析測(cè)力系統(tǒng)相對(duì)誤差低于5%,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。按照表5進(jìn)行采摘齒間隙2.5mm條件下的夾持采摘試驗(yàn),試驗(yàn)對(duì)象均為開花3~4天的紅花植株。試驗(yàn)方法:將田間紅花移栽至土槽試驗(yàn)臺(tái),用兩根鋁棒將所有種球固定在同一平面,樣機(jī)固定,土槽與樣機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng),端面凸輪旋轉(zhuǎn)1/4周,僅實(shí)現(xiàn)夾持拉拔動(dòng)作,避免測(cè)力系統(tǒng)接線纏繞。
試驗(yàn)中,被采摘齒夾緊但未拉拔成功的花絲視為漏絲,于是花絲夾持拉拔成功率S定義為
式中NL—齒間漏絲數(shù)量;
NW—齒間花絲喂入數(shù)量。
在滾筒轉(zhuǎn)速40r/min的情況下,進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)力系統(tǒng)測(cè)試所得的夾持力數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的夾持力進(jìn)行單樣本τ檢驗(yàn),以0.05為顯著性水平,自由度是29,經(jīng)數(shù)據(jù)分析,τ統(tǒng)計(jì)量的值是1.356,小于臨界值。對(duì)于檢驗(yàn)值為6.36(測(cè)量夾持力均值)而言,95% 的置信區(qū)間是(-0.043 3,0.240 8) ,由式(3)計(jì)算的理論計(jì)算夾持力6.36N臨界置信水平為 0.186,大于0.05。這說明試驗(yàn)測(cè)得的夾持力數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的夾持力無顯著性差別,驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可靠性。從表6可以看出:齒間隙2.5mm時(shí),對(duì)含水率范圍為60%~70%,開花3~4天的紅花植株進(jìn)行采摘,所設(shè)計(jì)的夾持采摘機(jī)采摘效果較好,其漏絲數(shù)量較少,成功率為80.2%。夾持采摘時(shí)夾持力均小于壓損試驗(yàn)得到的可靠夾持力20N,觀察夾持采摘后的花絲,其表面完整無損傷,采摘齒面清潔無花絲內(nèi)部沁出的汁液。
表6 夾持性能測(cè)試結(jié)果
1)通過紅花夾持采摘力學(xué)特性試驗(yàn),得到了花絲抗拉力與花絲夾持根數(shù)及含水率的關(guān)系,以及花絲夾持所能承受的最大夾持力。
2)基于花絲的夾持采摘力學(xué)特性的分析,對(duì)夾持采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),并對(duì)花絲夾持后在采摘齒內(nèi)進(jìn)行受力分析,得到采摘齒的夾持力與花絲夾持根數(shù),含水率及最小摩擦因數(shù)的理論模型。
3)通過應(yīng)變測(cè)力系統(tǒng)對(duì)花絲夾持力進(jìn)行了測(cè)試,通過單樣本τ檢驗(yàn),得到夾持力測(cè)試數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無顯著差別,驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可靠性。當(dāng)齒間隙為2.5mm時(shí),夾持拉拔成功率為80.2%,花絲無壓損。
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