可移动式红花收获装置的设计

梁丹丹，李帅波，王立强，葛 云

（新疆理工学院机电工程学院，新疆 温宿843100）

0 引言

红花主要在河南、四川、新疆、浙江等地种植[1]。红花既可以养生保健，又可以治疗心血管疾病。红花提取的红花色素广泛应用在食品、化妆品、染料、医药等行业，红花籽油具有治疗心血管疾病和脂肪肝的奇特功效，发展前景十分广阔[2]。新疆是全国最大的红花种植区，种植面积达5.33 万hm2左右，是新疆主要的经济作物之一[3-4]。目前红花主要依靠人工采摘，劳动强度高，工作环境差，受天气影响较为严重，红花采摘过早或过晚，都会影响花丝和红花籽油质量，造成经济损失。新疆地区红花成熟期一般为7～9 月，采收期只有20 天左右，高强度的劳动制约了红花产业的发展[5]。

目前，国内外关于红花收获机已经研究并取得了一定成果，但是市场上并没有成熟的红花收获机械推广使用[6]。

本文提出的可移动式红花收获装置，结合气力输送和对辊式采摘系统，提高了花丝采摘质量，降低了果球的破坏率，采用可移动式机架，降低了劳动强度。

1 结构与工作原理

可移动式红花收获装置主要由采摘系统、气力输送系统、传动系统、动力系统、行走系统等组成，如图1。

图1 可移动式红花收获装置结构示意

工作过程中，可移动式红花收获装置由人力推动前进，从红花植株上方跨骑通过。可两人同时手持采摘头对准红花花丝，利用胶辊相向旋转与红花摩擦产生的吸附力、摩擦力等将红花花丝喂入、采摘，实现花丝与果球的分离。被采摘下的红花花丝在输花管内受到负压风机产生的吸气流的作用，随气流被输送至储花室内，在滤网作用下，红花花丝暂时储存在储花室内，实现气物分离。可移动式红花收获装置可一次性完成花丝的采摘、输送和存储工作。当储花室集满花丝后，打开储花室将花丝卸下，装入运输车[7-8]。

2 关键部件的设计

2.1 采摘系统的设计

采摘系统主要由胶辊、轴承、齿轮等组成，是可移动式红花收获装置的关键部件之一。采摘系统主要通过对辊高速旋转产生的吸附力对花丝进行梳理，利用花丝与对辊间的摩擦力完成花丝的采摘工作，其结构如图2。

图2 采摘系统示意

采摘系统中胶辊的尺寸、对辊间隙、材质、转速与采摘性能息息相关，是整个装置的关键组成部分。采摘系统的各项数据通过采摘系统性能试验台（图3）经过大量试验所得。

图3 采摘系统性能试验台

根据课题组试验得出：直径35 mm、材质为聚氨酯、相向转速为1 400 r/min 的胶辊采摘性能好。壳体采用塑料POM 材质既可以保证采摘系统质量轻，又能保证在工作过程中不受齿轮振动而破裂，人手抓握处外径为24mm，壳体厚度3 mm，符合人机工程。透气盖的小孔影响采摘系统内部流场的变化，上方均布4 个小孔，采摘系统的采摘、输送和梳理性能好[9]。

2.2 气力输送系统的设计

气力输送系统主要由输花管道、储花室等组成（图4）。输花管采用塑料材质的波纹U 形管，其结构尺寸为内径26 mm，外径28 mm，与储花室进气口连接处法兰尺寸外径为36 mm，内径为34 mm，与输花管连接部分外径为28 mm，内径为30 mm。

储花室的尺寸结构主要根据花丝的物料特性确定。花丝易破碎，含有一定水分，一旦堆积过多，花丝间相互摩擦挤压，容易使花丝破碎、水分流失并粘连成块。红花收获季节温度较高，花丝容易变色霉烂产生异味，降低花丝品质，因此储花室的结构尺寸不宜过大。

储花室的结构尺寸：储花室采用圆锥—圆柱形结构，总长为600 mm，圆台小径为0.5 mm，带锥体部分长度为150 mm，后部圆柱体半径为250 mm，进气口、出气口半径为34 mm，长度为50 mm。

通过计算得出存储花丝质量为21.87 kg。查阅资料得出花丝产量为10～20kg/667m2，可移动式红花收获装置每采一亩红花，可清理一次储花室。

图4 气力输送系统结构示意

2.3 传动系统的设计

传动系统主要包括软轴、联轴器和传动箱等部件，计算采摘系统所需功率和工作条件，选取联轴器，根据采摘头数量、传动比和各个零部件的布局设计传动箱以及传动箱内部齿轮参数、分布情况。

动力传输系统，主要由汽油机、风机、联轴器、传动箱组成（图5）。动力主要由汽油机提供，带动风机，为可移动式红花收获装置气力输送提供负压。在金属联轴的作用下，将动力传送至传动箱，经过软轴连接带动采摘系统进行新鲜花丝的采摘，其中软轴与传动箱和采摘系统的连接方式均采用螺纹连接。

图5 传动箱结构示意

2.4 动力系统的设计

动力系统主要包括风机和汽油机，汽油机提供风机产生负压气流，对采摘后的花丝进行输送和存储，计算风机的功率选取风机型号。通过计算软轴、风机和传动箱的功率和机械效率计算汽油机的使用功率，选择满足使用要求的汽油机型号，对动力系统进行合理布局。

联轴器需要功率为0.736 kW，风机需要的功率为1.026 kW，共计1.762 kW，机械传动效率为0.95，那么汽油机功率至少为1.85kW才符合使用要求。根据上述计算数据，电机选择GX100T汽油发动机，其功率为2.2kW，外形结构尺寸长×宽×高为266×306×402 mm，符合要求。

2.5 行走系统的设计

行走系统主要包括机架和地轮（图6），机架的结构尺寸参数根据红花植株物料特性和红花种植模式确定。地轮根据可移动式红花收获装置工作时的土地情况确定，要求红花收获装置在各种土壤中不受影响。

图6 机架结构示意

机架外形结构尺寸：长1 200 mm、宽900 mm、高963 mm，两轮距离为1 100 mm，考虑到机架承受的各个零部件的重量和前进过程中颠簸受力情况，机架的材料选取Q235-A热轧等边角钢，其余固定部位采用厚度为5mm加强板，机架扶手采用橡胶材料。