范浩杰，亞森江·白克力，宋 玲

（新疆農業(yè)大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

萬壽菊（菊科）屬一年生草本植物，是重要的經濟花卉，其葉黃素有“植物黃金”之美譽[1]。新疆地區(qū)萬壽菊種植面積為1.33萬hm2，莎車縣種植面積達1萬hm2[2]。人工采摘是整個萬壽菊產業(yè)鏈的成本占比最大的部分，是制約萬壽菊產業(yè)發(fā)展的重要因素。

目前國內萬壽菊采摘主要依靠人工采摘，機械化采摘也主要采用小型便攜式（手提式、背負式等）采摘機，難以實現大面積、規(guī)?；鳂I(yè)，對萬壽菊增收減負效果不明顯。2014年湖南省寧遠縣農業(yè)技術人員歐解利公開了一種便攜式機械采摘萬壽菊的摘花機專利[3]，該機器結構緊湊、靈活輕巧、使用方便，與手工作業(yè)相比效率大幅提高，且成本較低。2014年佳木斯大學梁秋艷等人發(fā)明了一種便攜背負式萬壽菊雙臂采摘機，該產品不需隨身攜帶電源，使用方便[4]。2015年劉瑞德設計了一種結構簡單、使用方便的萬壽菊采摘器，采摘全程無需用手接觸萬壽菊，可以有效解決萬壽菊采摘工人易過敏的問題[5]。目前國內的采摘機研究主要集中于便攜式、剪切式的手持或背負小型采摘機，然而這些采摘機在采摘的過程中需要將采摘機構對準每一朵花，采收效率提高不顯著，反而在一定程度上增加了勞動強度，并且由于其摘凈率低、破損率高，采摘效果不佳，并未得到廣泛地推廣應用。

萬壽菊的機械化采摘是萬壽菊產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，本文針對南疆莎車縣的實際情況，以解決萬壽菊采摘過程中花朵喂入困難、采摘效率低、花朵損傷嚴重等問題為目的設計了一種萬壽菊梳齒式采摘機。該機采用旋轉梳齒和液壓伸縮桿克服了花朵采摘困難的問題，利用梳齒跟刀降低了對花朵的損傷，解決了花梗殘留的問題，利用卸料輥、輸送皮帶和收集箱實現了對萬壽菊的連續(xù)采摘，提高了采摘效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 萬壽菊物料特性

南疆種植的萬壽菊（圖1）株高60～100cm，花莖7～10 cm，莖直立、粗壯且有分株，花瓣羽狀且密集，花冠半球有分枝頂端，花色金黃，花期7～10月，喜光，適應性強，管理簡單，含有豐富的葉黃素和黃素脂肪酸酯[3]，平均一年要采摘2～3茬。

圖1 南疆萬壽菊形態(tài)

1.2 采摘機結構

根據萬壽菊采摘的實際情況，參考國內外現有的菊科類采摘裝置，對萬壽菊采摘裝置進行總體方案設計，如圖2。整機包括機架、梳齒、卸料輥、輸送皮帶、防堵塞梳齒和收集箱等核心部件。其中梳齒位于機架前方，卸料輥位于梳齒上方并與其相向旋轉，輸送皮帶則安裝在梳齒下方，收集箱位于輸送皮帶之后的機架尾部。

圖2 萬壽菊采摘機結構

1.3 工作原理

萬壽菊的采摘原理對于獲取高質量的花卉、提高凈收獲率以及采后花頭的收集至關重要。在菊科采摘中存在兩種原則：一是基于直線和旋轉運動相結合的方案；另一種則是基于一對旋轉的刷子之間的嚙合。水平直線運動主要涉及梳理植物和割取花頭，并且最佳狀態(tài)為消除有莖花頭，以免其影響葉黃素的質量。旋轉運動主要涉及花頭的撕裂和斷裂以及采后花頭的傳遞和收集，因此萬壽菊的采摘過程主要依賴于第一種采摘原則。

拖拉機通過牽引裝置與采摘機相連接，梳齒式采摘頭旋轉至田間，梳齒梳理萬壽菊使其脫落，卸料輥將萬壽菊引導至輸送皮帶上，最終輸送至位于尾部的收集箱中。當采摘機行駛一定距離后，只需打開收集箱并進行裝卸即可持續(xù)進行萬壽菊的采摘作業(yè)。

2 關鍵部件的設計

根據對新疆莎車縣萬壽菊種植模式的測量，該田間作業(yè)行距為300mm，株距在150～200mm之間。本研究擬采用單次采收作業(yè)，每行分別采摘兩個行距為700mm和500mm的區(qū)域，株距為200mm，擬定萬壽菊采摘機的作業(yè)幅寬為1400mm。

2.1 采摘梳齒的設計

采摘是萬壽菊收獲過程中的關鍵步驟，其主要作用為使萬壽菊與植株分離。采摘效果的優(yōu)劣直接影響著萬壽菊采收的品質和收成，同時決定了采凈率。本設計采用梳齒式采摘，每根梳齒根部安裝跟刀，在梳齒旋轉的同時進行切割，不易損傷植株本身，如圖3。

圖3 齒式采摘頭結構示意

梳齒式采摘頭由分為3排的96個均布的梳齒和跟刀固定在采摘軸外表面，采摘轉軸兩端鉸接在機架上，機架與液壓桿相連接，可控制梳齒式采摘頭上下移動，在梳齒轉軸端部配備了液壓馬達用以提供動力。

采摘轉軸直徑Φ=60mm、梳齒高度L=160mm，采摘轉軸長度為1480mm。3排梳齒采摘可適應實際作業(yè)需求，每個梳齒采用2個相切的圓弧，相鄰兩梳齒夾角為120°。梳齒采用可拆卸結構縮減加工成本，便于后期維護。同排相鄰2個梳齒間隙為40mm，既適應實際采摘需求，又具有較好的結構力學性能。

梳齒式采摘頭摘取萬壽菊時，花冠在相鄰兩梳齒間的受力情況如圖4。

圖4 梳齒式萬壽菊采摘垂直截面受力示意

要滿足花冠被摘下的條件，有如下要求：

式中Fi—梳齒對花冠的沖擊力萬垂直方向分力，N；T—花柄對花托的拉力，N；Fy—風力在花柄方向的垂直分力，N；F—梳齒對花冠沖擊力，N；α—F與花柄方向的夾角，°；d—兩梳齒之間的距離，mm；L—花冠重心到梳齒斷面的距離，mm；β—梳齒切線與垂直方向間的夾角，°；Ff—梳齒沿花冠展開方向的分力，N。

其中Fi和α的計算公式為：

因此，花冠被摘下的條件為：

梳齒工作時存在兩個運動，即自身的旋轉運動和隨機具前進的直線運動，梳齒上任一位置的運動為這兩種運動在空間坐標系內的合成[5]，梳齒上任意一點的運動軌跡如圖5。

圖5 梳齒頂點運動軌跡

為滿足植株上的萬壽菊能全部被采摘，梳齒的外徑R0應滿足：

式中R—梳齒上的一點與主動軸之間的距離，mm；H—采摘頭主軸安裝高度，mm。

采摘速度v的大小決定了梳齒對萬壽菊采摘作用力的大小，對萬壽菊采摘質量有重要影響。當機具作業(yè)前進速度vm為0.6～0.8m/s時，由上式確定梳齒轉速為340r/min。

2.2 卸料輥的設計

設計中需要綜合考慮卸料方式，卸料方式決定了采摘萬壽菊的含雜率。對比反向防夾持卸料和相向防夾持卸料的結構形式，其中反向夾持卸料會出現萬壽菊花朵被擠壓破碎的情況，故在設計中采用相向防夾持卸料方式，如圖6。

圖6 卸料輥結構示意

卸料輥由轉軸、防堵塞梳齒和毛輥刷組成。為將萬壽菊輸送至采摘機構后方的橫向輸送皮帶中，在梳齒外側設計一組平行于梳齒的卸料輥，卸料軸具有結構簡單、重量輕、對花朵損傷較小的特點。毛輥刷絲采用尼龍610，刷絲采用纏繞式方式進行固定，即先將刷絲捆綁在金屬條上，然后再將金屬條纏繞至輥刷軸芯。

卸料輥的轉軸直徑為30mm、尼龍610高度60mm，轉軸長1480mm。刷絲長度直接影響卸料性能，根據目前輥刷加工工藝要求，刷絲長度越短，梳刷能力越強[5]，刷絲數量為每厘米刷絲密度和刷絲長度乘積，確定輥刷刷絲長度為60mm。為保證萬壽菊落到輸送帶能夠及時輸送至收集箱中不發(fā)生堆積，考慮輸送帶的寬度、長度、傾斜角度以及萬壽菊堆積角（30～45°）等因素，輸送帶傳動軸轉速為280 r/min，故卸料輥轉速為716r/min。

3 整機傳動裝置的設計

3.1 配套動力

本研究選用東方紅SG400型拖拉機作為動力配備，該拖拉機小巧靈活，能夠在側向牽引情況下進入萬壽菊田完成采摘、收集等田間作業(yè)，擬定作業(yè)速度為2.8km/h。本結構方案的主要優(yōu)點在于能夠滿足萬壽菊的種植農藝要求。傳動系統(tǒng)采用皮帶傳動，其結構簡單可靠且能夠完成大中心距的動力傳輸。

3.2 皮帶輪傳動設計

采摘梳齒的轉速為340r/min，輸送皮帶主動軸轉速n=280r/min。為保證萬壽菊收集裝置的性能，優(yōu)先選擇輸送帶輪和卸料輥帶輪的直徑，卸料輥帶輪的直徑為125 mm，因分配給輸送皮帶驅動軸的轉速要降低，依據傳動比及傳動效率配比，設計輸送帶輪直徑為200mm，又因卸料輥所需轉速要高于采摘梳齒轉速，此狀態(tài)下軸心高度使皮帶輪和機架不出現干涉。

3.3 軸的設計

主動軸傳遞功率不大、轉速也不高，故該軸頭的材料可選擇45鋼，經調質處理，許用應力[σ1]b=60 MPa，硬度217～255 HBS，強度極限σb=650 MPa，已知該軸的轉速為480r/min，輸入功率約為2.1kW。

根據《機械設計手冊》[11]得出軸徑應大于20.6mm，設計軸徑最小處d=22mm，此時主動軸傳遞的扭矩T=404.1 N/m。以a=0.6計算彎扭組合強度條件，校核軸的強度，此時σca＜[σ-1]=60 MPa，主動軸安全符合要求。選定軸承的使用壽命為8000h，已選軸承的型號為UCP205，基本額定動載荷Cr=16.2kN，本額定靜載荷C0r=10.5 kN，當量動載荷Fa1=Fa2=0[11]，可得軸承壽命Lh=8332h，滿足軸承壽命需求。

4 采摘裝置仿真分析

為驗證梳齒式采摘頭工作可靠性，對其受力情況進行仿真分析，經計算采摘頭在采摘過程中所承受的靜載荷大小為200N。選擇鋁合金為梳齒材料，建立有限元模型，將采摘頭固定在底部平臺上并施加一個向下的力，模擬花朵對采摘頭的壓力。利用有限元軟件進行計算，得到采摘頭在加載情況下的應力分布情況（圖7）。

圖7 采摘頭應力云圖

研究結果顯示，采摘頭的齒槽存在應力集中現象，這將導致該部位更容易出現損壞。為了提高采摘頭的可靠性，進一步對采摘頭的設計進行了優(yōu)化，增加了齒槽間的支撐結構，改變了齒槽的形狀，經驗證減小了該處應力值，此時材料的屈服應力為220MPa，根據靜力分析所得到的采摘頭最大應力為100MPa，因此安全系數最小值為2.2，該安全系數下承載能力安全可靠，不會發(fā)生過載破壞的情況。

5 結語

本研究介紹了一種新型的菊花采摘機。該機集成了采摘、輸送和收集等功能，通過增強梳齒和刀具有效提高了采摘效率，成功解決了強力拔取造成的殘留花梗問題。通過采用3排采摘梳齒的設計進一步提高了萬壽菊的凈采摘率。