梳夾式紅花采收裝置機(jī)組凸輪安裝角度參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

楊雙平，曹衛(wèi)彬，李樹峰，麻平，安亮亮

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣站，新疆 烏魯木齊 830000)

紅花是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，其花絲可以作為藥材、油料及天然色素等，具有活血通經(jīng)、散瘀止痛的功效[1-3].在我國北部地區(qū)已經(jīng)大面積種植，尤其在新疆紅花產(chǎn)量已占全國的80%以上.目前紅花的播種與最終花籽的采收，都已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但對于紅花絲的機(jī)械化采收難度較大，主要原因?yàn)榛ㄇ蛟谥仓晟戏植疾辉谕桓叨?，在采收花絲時(shí)要求不能損傷花球，因此當(dāng)前仍以人工采收為主[4-8].但紅花開花期短，人工采收效率低，阻礙了紅花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此亟待紅花絲的機(jī)械化采收.

目前國內(nèi)外對于采收紅花，還沒有較為成型的機(jī)械，主要可分為氣吸式、切割式和氣吸-切割式，氣吸式主要用于采收干花絲，利用負(fù)壓對已經(jīng)過了最佳采收期的紅花絲進(jìn)行采收.切割式和氣吸-切割式主要用于采收鮮花絲，利用刀具切割花絲，后對切割下來的花絲進(jìn)行負(fù)壓收集[9-11].上述機(jī)械均為人力輔助類裝置，需要人工干預(yù)對點(diǎn)采摘，雖提高了采摘效率，但并未從根本上降低勞動(dòng)力成本.

本課題組提出一種梳夾式紅花采收裝置[12-18]，利用端面凸輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)齒與定齒的分離，利用彈簧實(shí)現(xiàn)動(dòng)齒與定齒的閉合，即對花絲的夾緊，利用主軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對花絲的拉拔，完成對花絲的采收.通過在豎直方向布置多個(gè)梳夾式采摘頭，覆蓋紅花花球的開花區(qū)域，旨在實(shí)現(xiàn)對花絲的機(jī)械化盲采.

本文針對梳夾式采收裝置中梳夾式采摘頭的端面凸輪工作情況，根據(jù)花球在紅花植株的分布狀態(tài)，合理確定各高度位置梳夾式采摘頭對應(yīng)的端面凸輪安裝角度.通過試驗(yàn)分析梳夾式采收裝置中四組梳夾式采摘頭對應(yīng)端面凸輪的安裝角度等關(guān)鍵參數(shù)對整株采凈率、掉落率和采摘質(zhì)量度的影響程度，分析影響梳夾式采收裝置性能指標(biāo)的主次因素，以期為梳夾式采收裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù).

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 梳夾式采摘裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，梳夾式采摘頭3安裝在側(cè)邊安裝擋板5上，側(cè)邊安裝擋板5上開有腰型孔，可以調(diào)節(jié)各梳夾式采摘頭5對應(yīng)端面凸輪的安裝角度.氣吸罩6安裝在梳夾式采摘頭3的后方，用于收集采摘完成的花絲.

1：車架；2：鏈輪；3：梳夾式采摘頭；4：電機(jī)；5：側(cè)邊安裝擋板；6：氣吸罩.

1.2 梳夾式采摘工作原理

梳夾式采摘頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，在端面凸輪升程段，推桿被頂開，彈簧被壓緊，安裝在推桿上的動(dòng)齒與安裝在主軸上的定齒分離.主軸旋轉(zhuǎn)到下方，即端面凸輪回程段時(shí)，花絲進(jìn)入動(dòng)齒與定齒間隙，在彈簧預(yù)緊力的作用下，動(dòng)齒與定齒閉合，花絲被夾緊.主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，夾緊的花絲被拉拔下來，到端面凸輪升程段時(shí)，動(dòng)齒與定齒分離，在離心力和氣吸的作用下，花絲掉落，在氣吸罩內(nèi)完成收集過程.

1：主軸；2：擋板；3：彈簧；4：推桿；5：定齒；6：動(dòng)齒；7：端面凸輪.

紅花為頂生類植物，花球大都分布在植株頂部.由于紅花在植株上呈傘形分布，單個(gè)梳夾式采摘頭不能滿足采摘要求，因此設(shè)計(jì)在豎直方向分布四組梳夾式采摘頭，實(shí)現(xiàn)對花絲的機(jī)械化盲采.

從圖3采收工作原理可知，端面凸輪的安裝角度決定了梳夾式采摘頭何時(shí)對花絲進(jìn)行夾取，不同高度花球分布狀態(tài)不同，梳夾式采摘頭在不同高度采收時(shí)端面凸輪的安裝角度不同.

θ1為第一個(gè)梳夾式采摘頭的安裝角度，(°)；θ2為第二個(gè)梳夾式采摘頭的安裝角度，(°)；θ3為第三個(gè)梳夾式采摘頭的安裝角度，(°)；θ4為第四個(gè)梳夾式采摘頭的安裝角度，(°).

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

以新疆‘裕民無刺紅花’為試驗(yàn)對象，平均植株高度為1 m，花球在空間呈傘形分布，半徑約為0.6 m，高度差約為0.5 m.花球從植株頂部開始高度越低，花球越傾斜，即花絲在花球上沿著花莖與豎直方向的夾角越大.試驗(yàn)樣本選取植株頂部80%以上花球開花后1～5 d的紅花(含水率≥44.6%)[11]，試驗(yàn)裝置如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)間為2018年11月10日至15日，試驗(yàn)地點(diǎn)為石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站.

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)因素 如圖5所示，端面凸輪在側(cè)邊擋板上的安裝位置，即凸輪安裝角θ大小決定了梳夾式采摘頭采摘效果.若凸輪安裝角度過小，花絲在進(jìn)入齒縫前，動(dòng)齒、定齒就已閉合，不能實(shí)現(xiàn)夾取，若凸輪安裝角度過大，花絲在掃過齒縫后，動(dòng)齒、動(dòng)齒才開始加緊動(dòng)作，也不能實(shí)現(xiàn)對花絲的夾取.因此選取凸輪安裝角度為試驗(yàn)因素，提高梳夾式采摘裝置的采摘效果，通過前期試驗(yàn)可知，梳夾式采摘頭在采摘花絲時(shí)，花絲在花球上沿著花莖方向與端面凸輪安裝角度一致時(shí)，即梳齒閉合時(shí)花絲在梳齒中間位置，花絲夾取成功率高.

圖4 梳夾式采收裝置樣機(jī)

θ為端面凸輪安裝角，(°)；α為紅花花絲中線與豎直方向的夾角，(°).

如圖5-B所示，花絲在花球上沿著花莖與豎直方向的夾角α與凸輪安裝角度θ相一致.如圖6所示，紅花在植株上呈傘形分布，從頂部至花球分布最低處，花莖與主干的夾角，即花莖與豎直方向的夾角α逐漸增大.

單個(gè)梳夾式采摘頭直徑為0.15 m，因此在豎直方向布局4組梳夾式采摘頭即可完成對紅花分布區(qū)域的覆蓋.花球在植株上分布與豎直方向的夾角約為45°，均布4組梳夾式采摘頭端面凸輪安裝角度，則有從頂部開始四個(gè)端面凸輪安裝角分別為θ1=0°，θ2=15°，θ3=30°，θ4=45°.

圖6 紅花植株

為提高梳夾式采摘裝置的工作性能，現(xiàn)將四組梳夾式采摘頭的凸輪安裝角度擴(kuò)充為一定范圍，在該范圍內(nèi)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證選取最佳參數(shù)組合.從頂部開始四個(gè)端面凸輪安裝角分別有θ1為-10°～10°，θ2為5°～25°，θ3為20°～40°，θ4為35°～55°.

2.2.2 響應(yīng)函數(shù) 按照梳夾式紅花采收裝置性能要求及紅花花絲的藥性價(jià)值，選用整株采凈率y1、掉落率y2和采摘質(zhì)量度y3作為其效果評價(jià)指標(biāo)[11,19].

1) 整株采凈率y1.梳夾式采摘裝置對單個(gè)紅花植株采摘過一次后，采摘下來的紅花質(zhì)量與植株上參與采摘的花球紅花質(zhì)量的百分比為整株采凈率.其計(jì)算公式為：

(1)

式中，m1為收集箱內(nèi)收集到的紅花質(zhì)量，g；m2為掉落損失的紅花質(zhì)量，g；m3為紅花植株上參與采摘的花球上殘留的紅花質(zhì)量，g.

2) 掉落率y2.采收過程中，參與采摘過程的花球上因采摘?jiǎng)幼鞫袈湮幢皇占降幕ńz質(zhì)量與參與采摘過程的花球上花絲總質(zhì)量的百分比.其計(jì)算公式為：

(2)

3) 采摘質(zhì)量度y3.根據(jù)梳夾式紅花采收裝置工作性能，指定裝置對植株采收一次后，在紅花植株不同高度范圍內(nèi)紅花采凈率的綜合指標(biāo)為采摘質(zhì)量度.如圖7所示將紅花植株的花球分布分成A、B、C 3個(gè)等高區(qū)域，在各區(qū)域上的紅花采凈率為該區(qū)域上收集到的紅花質(zhì)量與該區(qū)域上參與采摘花球紅花質(zhì)量的百分比.其計(jì)算公式為：

(3)

式中，u代指A、B、C 3個(gè)等高區(qū)域，m5為該區(qū)域內(nèi)參與采摘的紅花上殘留的紅花質(zhì)量，g；m6為收集箱內(nèi)標(biāo)記該區(qū)域顏色的紅花質(zhì)量，g.

圖7 紅花植株分層區(qū)域

由于紅花在植株頂部光照充足，花絲質(zhì)量好，開花程度高[20-23]，因此根據(jù)梳夾式紅花采收裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)定采摘質(zhì)量度其判斷方法與具體指標(biāo)為：

表1 當(dāng)yA≥80%時(shí)的采摘質(zhì)量度y3評價(jià)表

2.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用四因素五水平正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法[24-27]，試驗(yàn)方案如表5～6所示，共進(jìn)行30組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取3次測試結(jié)果的均值作為試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析應(yīng)用Design Expert 10(32-bit)軟件完成.

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果與回歸性分析

得到結(jié)果如表6所示，通過Design Expert 10(32-bit)軟件進(jìn)行方差分析，得到分別以整株采凈率y1、掉落率y2和采摘質(zhì)量度y3為響應(yīng)函數(shù)，以各影響因素為自變量的編碼回歸數(shù)學(xué)模型.

表2 當(dāng)80%>yA≥70%時(shí)的采摘質(zhì)量度y3評價(jià)表

表3 當(dāng)70%>yA≥60%時(shí)的采摘質(zhì)量度y3評價(jià)表

表4 當(dāng)yA<60%時(shí)的采摘質(zhì)量度y3評價(jià)表

表5 紅花采收試驗(yàn)因素的水平編碼表

表6 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表6 Continuedtable6試驗(yàn)序號No.試驗(yàn)因素及水平Factorsandlevelθ1/(°)θ2/(°)θ3/(°)θ4/(°)響應(yīng)指標(biāo)Responseindexy1/%y2/%y3/%6510354074.122.960.87-520354071.373.220.68520354074.523.120.79-510255075.543.170.710510255074.872.970.811-520255071.463.240.612520255072.723.210.713-510355072.813.120.614510355073.122.960.815-520355071.163.230.616520355072.213.210.717-1015304570.163.440.4181015304571.773.210.61905304573.152.970.820025304571.613.140.621015204576.822.720.922015404572.823.040.723015303576.922.730.924015305574.212.910.825015304574.852.740.826015304575.762.760.827015304575.682.830.828015304575.142.770.829015304574.832.710.730015304575.772.750.8

y1為整株采凈率，%；y2為掉落率，%；y3為采摘質(zhì)量度，%.

y1is the removal rate of the whole plant,%;y2is the drop rate,%;y3is the harvest quality,%.

表7 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

通過試驗(yàn)以及對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對響應(yīng)函數(shù)影響的回歸模型，回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表7所示.3個(gè)模型擬合度均是極顯著的(P<0.01)，失擬項(xiàng)P均大于0.05，說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素存在.對于整株采凈率，第1個(gè)和第3個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x1·x3)的P值、第2個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x2·x4)的P值、第3個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x3·x4)的P值以及第3個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角的二次項(xiàng)(x32、x42)的P值均大于0.05，剔除不顯著因素后的回歸模型如式(5).

y1=75.34+0.6x1-0.75x2-0.84x3-0.62x4+0.39x1X2-0.46x1X4+0.43x2x3-1.07x12-0.71x22

(5)

對于掉落率，第1個(gè)和第3個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x1·x3)的P值、第1個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x1·x4)的P值、第2個(gè)和第3個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x2·x3)的P值以及第2個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x2·x4)的P值均大于0.05，剔除不顯著因素后的回歸模型如式(6).

y2=2.76-0.059x1+0.066x2+0.058x3-0.059x4+0.033x1x2-0.056x3x4+0.15x12+0.083x22+0.039x32+0.024x42

(6)

對于采摘質(zhì)量度，第1個(gè)和第2個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x1·x2)的P值，第1個(gè)和第3個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x1·x3)的P值、第1個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x1·x4)的P值、第2個(gè)和第3個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x2·x3)的P值、第2個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用(x2·x4)的P值以及第3個(gè)凸輪安裝角的的二次項(xiàng)(x32)的P值均大于0.05，剔除不顯著因素后的回歸模型如式(7).

y3=0.78+0.054x1-0.046x2-0.038x3-0.029x4+0.019x3x4-0.07x12-0.02x22+0.018x42

(7)

式中，x1、x2、x3、x4分別為第一、二、三、四個(gè)凸輪安裝角的編碼值.

4.2 試驗(yàn)因素對整株采凈率的影響結(jié)果分析

如圖8-A所示，當(dāng)?shù)?和第4個(gè)凸輪安裝角不變時(shí)，第1和第2個(gè)凸輪安裝角的交互作用對整株采凈率的影響規(guī)律：隨著第1個(gè)凸輪安裝角度的減小，整株采凈率在第1個(gè)凸輪安裝角度約為0°之前從74%先增大到約75%，之后逐漸減小到73%；隨著第2個(gè)凸輪安裝角度的減小，整株采凈率從72%逐漸增大到75%后趨于平緩.在試驗(yàn)范圍內(nèi)，適當(dāng)減小第2個(gè)凸輪安裝角有利于提高整株采凈率，分析原因在于植株頂部花球傾斜角相對較小.

如圖8-B所示，當(dāng)?shù)?和第3個(gè)凸輪安裝角不變時(shí)，第1和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用對整株采凈率的影響規(guī)律：第1個(gè)凸輪安裝角度增大時(shí)，整株采凈率在第1個(gè)凸輪安裝角度約為0°之前從73%先增大到76%，之后逐漸平緩；隨著第4個(gè)凸輪安裝角度的減小，整株采凈率從73%逐漸增大.在試驗(yàn)范圍內(nèi)，適當(dāng)減小第4個(gè)凸輪安裝角有利于提高整株采凈率，分析原因在于植株底部的花球向光生長，花球逐漸向上，傾斜度仍然較小.

A:第三個(gè)凸輪安裝角為30°，第四個(gè)凸輪安裝角為45°；B：第二個(gè)凸輪安裝角為15°，第三個(gè)凸輪安裝角為30°；C：第一個(gè)凸輪安裝角為0°，第四個(gè)凸輪安裝角為45°.

如圖8-C所示，當(dāng)?shù)?和第4個(gè)凸輪安裝角不變時(shí)，第2和第3個(gè)凸輪安裝角的交互作用對整株采凈率的影響規(guī)律：隨著第2和第3個(gè)凸輪安裝角度的減小，整株采凈率從73%逐漸增大.分析原因在于花球生長均存在向光性，向上生長，因此花絲傾斜度相對較小.

4.3 試驗(yàn)因素對掉落的率影響結(jié)果分析

如圖9-A所示，當(dāng)?shù)?和第4個(gè)凸輪安裝角不變時(shí)，第1和第2個(gè)凸輪安裝角的交互作用對掉落率的影響規(guī)律：隨著第1個(gè)凸輪安裝角度的減小，掉落率在第1個(gè)凸輪安裝角度約為0°之前先減小，后增大；隨著第2個(gè)凸輪安裝角度的減小，掉落率在第2個(gè)凸輪安裝角度約為15°之前先減小，后趨于平緩.分析原因在于凸輪安裝角決定著梳齒閉合的位置，梳齒閉合過早，花絲未進(jìn)入梳齒間隙，容易被切斷，造成花絲掉落；梳齒閉合過晚，花絲未夾緊，也容易造成花絲掉落.

如圖9-B所示，當(dāng)?shù)?和第2個(gè)凸輪安裝角不變時(shí)，第3和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用對掉落率的影響規(guī)律：隨著第3和第4個(gè)凸輪安裝角度的減小，掉落率逐漸降低.分析原因在于植株底部花球向上生長，花絲傾斜度減小，與之對應(yīng)的凸輪安裝角相應(yīng)的變小.

A：第三個(gè)凸輪安裝角為30°，第四個(gè)凸輪安裝角為45°；B：第一個(gè)凸輪安裝角為0°，第二個(gè)凸輪安裝角為15°.

4.4 試驗(yàn)因素對采摘質(zhì)量度的影響結(jié)果分析

如圖10-A所示，當(dāng)?shù)?和第2個(gè)凸輪安裝角不變時(shí)，第2和第4個(gè)凸輪安裝角的交互作用對采摘質(zhì)量度的影響規(guī)律：隨著第3和第4個(gè)凸輪安裝角度的減小，采摘質(zhì)量度逐漸增大.分析原因在于植株底部花球向上生長，花絲傾斜度減小，減小底部梳夾式采摘頭的凸輪安裝角，有助于提高采摘質(zhì)量度.

5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

經(jīng)過響應(yīng)面分析試驗(yàn)可知，利用本文設(shè)計(jì)的梳夾式紅花采收裝置通過預(yù)處理分別調(diào)節(jié)單個(gè)梳夾式采摘頭凸輪安裝角采收紅花時(shí)，整株采凈率達(dá)到70.16%～77.45%，掉落率達(dá)到2.71%～3.44%，采摘質(zhì)量度為0.4～0.9.此外，還發(fā)現(xiàn)采摘質(zhì)量度較好時(shí)，整株采凈率較高，因此進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)，以采摘質(zhì)量度為主要優(yōu)化目標(biāo).

第一個(gè)凸輪安裝角為0°，第二個(gè)凸輪安裝角為15°.

應(yīng)用Design Expert 10(32-bit)軟件對建立的3個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為：1)目標(biāo)函數(shù)：y1[max]；y2[min]；y3[max]；2)影響因素約束條件：第1個(gè)凸輪安裝角為-10°～10°，第2個(gè)凸輪安裝角為5°～25°，第3個(gè)凸輪安裝角為20°～40°，第4個(gè)凸輪安裝角為35°～55°.設(shè)定整株采凈率大于77%，含雜率小于2.7%，采摘質(zhì)量度大于0.9，且在第3個(gè)凸輪安裝角為25°，第4個(gè)凸輪安裝角為40°時(shí)，優(yōu)化后得出影響因素最佳組合區(qū)域如圖11所示.

以采摘質(zhì)量度為主要優(yōu)化目標(biāo)，選取滿意度最高的組合，并將各因素水平取整得出最佳參數(shù)組合：從頂部開始至機(jī)組底部四組凸輪安裝角分別為2°，10°，25°，40°，模型預(yù)測的整株采凈率為77.34%，掉落率為2.64%，采摘質(zhì)量度為0.9.

為驗(yàn)證參數(shù)匹配的可行性，采用已選出的最佳參數(shù)組合，選植株頂部80%以上花球開花后1～5 d的新疆裕民無刺紅花(含水率≥44.6%)，取每組5株進(jìn)行5次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果取平均值得出：整株采凈率為77.27%，掉落率為2.62%，采摘質(zhì)量度為0.9，與理論預(yù)測值絕對誤差均低于5%，說明最佳參數(shù)方案可行.

圖11 響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的覆蓋圖

6 結(jié)論

1) 根據(jù)響應(yīng)面二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)理論進(jìn)行梳夾式采收裝置采收紅花試驗(yàn)結(jié)果得出：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，適當(dāng)減小第2個(gè)凸輪安裝角，整株采凈率增大；適當(dāng)減小第3個(gè)和第4個(gè)凸輪安裝角，整株采凈率增大，掉落率降低，采摘質(zhì)量度增大.

2) 通過Design Expert 10(32-bit)軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，得到梳夾式采摘裝置凸輪安裝角度的最佳參數(shù)組合：從頂部開始至機(jī)組底部四組凸輪安裝角分別為2°，10°，25°，40°，在該參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出整株采凈率為77.27%，掉落率為2.62%，采摘質(zhì)量度為0.9，與理論預(yù)測值絕對誤差均低于5%，說明最佳參數(shù)方案效果顯著.