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Measurement and Analysis of Harvest Characteristics During Safflower Picking Period

HU Ji-bang1，23，SHANG Hui-xiang1，SUNQian-tao2tal（1.ChangyuanBranchofHenanAcademyofAgriculturalScienes，han gyuan，Henan45340O;.SameniacadeyofAgicuuralSienes，Sanmenia，Henan4720o0;3SholofMechaicaladlectrical Engineering，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou，Henan ）

AbstractInvioflackofeseahoepicalchracteristfafoerhestthepyalaractestisofsforat weresystematicallymeasudandaldeaidimesioalcaracestcsoffoerfaentsadloerbudsuringesteas ured by professional measuring equipment. The results showed that： corolla diameter gt; ball diameter gt; necking diameter，and the dispersion degree of each major dimension was：corolla height gt; necking diameter gt; corolla diameter gt; ball diameter. The tensile strength test results showthathesileregthofthfilamentdecreassiththeceaseoforlldmet，nddceassihtheiceseoftsileagle， andthemaxiumtsilgthis4.21nvieoftdiultyineasuingtsarfoefloerneoged type material shear force test platform was designed. Safflower plants from the 3rd to 8th day of opening were selected as test objects，and the mechanicalrelatioshipetweeopeningdaysandtesharfreresistanceasaalyed.Theresultsshowedasfollows：theshearstregthof saflowerilicasdiicsefogdtdto6thisaassrtrgthofloild the maximum valueof 23.88 Non the 6th day.The shear strength gradually decreased from the7th to the 8th day.

Key wordsSafflower;Harvest characteristics;Measurement;Analysis

紅花為菊科紅花屬植物，又名草紅花，是一種一到兩年生的草本植物。紅花兼具藥用、食用價值，同時也可以作為染料使用[1]。紅花絲可以入藥，具有治療婦科疾病、緩解腹部絞痛、活血化瘀、疏通經(jīng)絡、抗血小板凝聚、促進組織供氧氣、降低心肌損傷等功能[2-3]。紅花籽可以用來榨油，紅花籽油亞油酸含量約高達 80% ，具有預防心腦血管疾病、降低冠心病發(fā)病概率、預防心律失常等作用[4-5]。紅花苗可以作為蔬菜食用，是一種食藥同源的佳品[6-7]。紅花在我國已有2000多年的種植歷史[8]，河南省的紅花種植區(qū)域主要分布在新鄉(xiāng)、安陽、商丘等地區(qū)[9]

紅花開花時間較集中，花期短，錯過花期就會造成大量的浪費。近年來，隨著新品種、新技術(shù)的推廣，紅花產(chǎn)量逐年上升，河南省紅花種植面積不斷擴大，且有逐年增加趨勢[10-11]。目前，國內(nèi)外學者對紅花機械化采摘進行了相關(guān)研究[12-16]，但對紅花采摘期植株的主要尺寸特征和花絲收獲的力學特性研究尚顯不足。因此，該研究對紅花植株尺寸特征、花絲含水率和花絲收獲力學特性等進行測量與分析，以期為后續(xù)紅花機械化采收設備的設計提供理論支撐。

1試驗材料與測量設備

1.1試驗材料選取河南省農(nóng)業(yè)科學院長垣分院試驗田衛(wèi)紅花（白紅2號）為試驗對象，該品種具有種植范圍廣、抗旱與抗寒能力強、土壤要求不嚴格等特性，屬跨年生草本植物[9]，試驗田如圖1所示。試驗時選取優(yōu)良紅花植株為測試樣本，為確保測試樣本可靠性，于試驗田隨機抽取樣本，并由人工進行現(xiàn)場收集送回實驗室進行測量分析。

圖1紅花種植試驗田

Fig.1Safflowerplanting experimental field

1.2測量設備測量紅花形狀特征參數(shù)采用游標卡尺（精度為 0.02mm ），測量紅花絲含水率采用MB27型數(shù)顯式水分測定儀，測量花絲懸浮速度采用物料懸浮速度測試設備，測量花絲抗拉力采用WDW-IE微機控制電子萬能拉力試驗機，測量紅花絲抗剪切力采用電磁推桿式物料剪切力試驗平臺，其中，花絲抗拉力和抗剪切力測量裝置可實時動態(tài)顯示載荷變量數(shù)值與加載速度等試驗狀況并自動記錄試驗結(jié)果，通過PC端進行顯示。

2紅花主要物理特性測量與分析

2.1花絲與花球形狀尺寸測量與分析 紅花花絲早期為黃色，后期轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色；花絲為管狀，頭部分為五瓣，單個果球生長的花絲數(shù)目為40～80根，不同植株之間會有差異。為了便于對紅花花球進行測量統(tǒng)計（將紅花球視為扁圓球形狀），測量工具為游標卡尺，樣本數(shù)為50個，對紅花球與紅花絲按圖2標注進行測量，結(jié)果如表1所示。

圖2花絲與花苞測量位置

表1紅花植株主要物理特性

Table1Main physical characteristicsof safflower plants

由表1可知，花球直徑 （D） 范圍為 26.67～31.26mm ，平均值為 28.52mm ，標準差為1.21，變異系數(shù)為4.24；花冠直徑 （L） 范圍為 39.21～44.51mm ，平均值為 41.74mm ，標準差為1.96，變異系數(shù)4.69；花冠高度（ H） 范圍為 19. 02～ 23.51mm ，平均值為21. 30mm ，標準差為1.38，變異系數(shù)6.48;縮頸直徑（S）范圍為 6. 89～8. 22mm ，平均值為7.42mm ，標準差為0.40，變異系數(shù)為5.55。結(jié)果表明，花冠直徑 gt; 花球直徑 gt; 縮頸直徑，離散程度為：花冠高度 gt; 縮頸直徑 gt; 花冠直徑 gt; 花球直徑；分析可知，花球與花絲主要尺寸特性差異較為明顯。

2.2花絲含水率測量與分析 測量時，于紅花集中采摘期的每日09：00和14：00分別從隨機選取的50棵紅花植株上拔取紅花花絲，每日測量2次，且進行掛牌處理，結(jié)果取平均值，測量結(jié)果如圖3所示。實施方法：用鑷子取出單個花球上的紅花絲放入水分測試儀內(nèi)部托盤上，設置固定溫度100^°C 對紅花絲烘干處理，對花絲烘干前、后的質(zhì)量分別進行讀取和記錄，數(shù)值精確到 0.001g_? 。計算公式為：

式中：S為物料含水率， %;m 為待測花絲總質(zhì)量， g;m_s 為待測花絲烘干后的質(zhì)量， g 。

圖3紅花開放天數(shù)與含水率變化趨勢

Fig.3Variation trend of safflower opening days and water content

由圖3可知，含水率隨著開放天數(shù)延長而降低，開放第2天含水率最大，第3天開始含水率逐漸降低。分析其原因可知：開放第1天花絲成熟度較低花絲量比較少，單位重量內(nèi)含水率相對較高；第2天含水率達到最高值；第3天花絲成熟度最高，此時單位體積內(nèi)含水率開始降低；3天以后花絲有逐漸變干的跡象，隨著開放時長的增加含水率逐漸降低。

2.3懸浮速度測量與分析測量物料懸浮速度是開發(fā)研究氣力輸送方式的一個重要研究參數(shù)[17-18]。該試驗懸浮速度測量設備結(jié)構(gòu)如圖4所示。為便于觀察測量紅花絲懸浮速度最佳值，錐形管選取可視有機玻璃，且下部安裝有編織石棉網(wǎng)。測試時將智能風壓測試儀固定于錐形管內(nèi)部，對其氣流速度進行測量。具體方法：將待測量紅花花絲通過投放口放入底部石棉網(wǎng)上端，啟動可調(diào)速風機，通過風機轉(zhuǎn)速控制旋鈕改變風機風量，直至可視錐形管內(nèi)紅花絲處于較佳懸浮工況為止。讀取紅花絲在可視錐形管內(nèi)的最大值 H_max 與最小值 H_min ，通過公式（2）計算出任意斷面紅花絲的懸浮速度值。

紅花絲在錐形管內(nèi) L 處氣流速度計算公式[19]為：

T=[D/（D/+2Hsinγ）]²V

式中： T 為錐形管任意斷面氣流速度， m/s;D 為錐形管小端注：1.風機，2.風門，3.穩(wěn)壓桶，4.收斂管，5.風速測量口，6.待測物料入口，7.錐形管。

圖4物料懸浮速度測量裝置結(jié)構(gòu)示意

Note：1.Fan；2.Damper;3.Pressureregulator barrel;4.Convergence tube;5.Wind speed measuring port;6. Inlet for materials to be tested;7. Tapered pipe.

直徑， m;L 為紅花絲在錐形管內(nèi)漂浮的位置， m;V 為紅花絲在錐形管下部的氣流速度， m/s;γ 為錐形管的錐度，°。

試驗測得紅花花絲懸浮速度如圖5所示。由圖5可知，含水率和懸浮速度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著含水率的升高，懸浮速度逐漸升高。分析其原因可知：紅花花絲懸浮速度主要受花絲形狀、尺寸、含水率、位置狀態(tài)等因素的影響，觀察發(fā)現(xiàn)同一種形態(tài)的花絲尺寸、位置狀態(tài)等因素差別不大，懸浮速度主要的影響變量是花絲含水率。即含水率決定了單位體積紅花的質(zhì)量，單位體積內(nèi)紅花花絲質(zhì)量越高，含水率越高，懸浮速度越大。

圖5紅花絲含水率與懸浮速度變化曲線

Fig.5Curve of changes in water content and suspension velocityof safflowersilk

2.4紅花絲抗拉力試驗測量與分析

2.4.1試驗條件。試驗于河南省農(nóng)業(yè)科學院長垣分院智能農(nóng)機裝備實驗室進行。為保證花絲采摘經(jīng)濟效益最大化，一般待紅花開放第3天進行采摘，此時花絲量最飽滿；待紅花花絲開放第4天后，部分花絲有逐漸變干的跡象，此時采摘較為困難[20-21]。拉伸試驗對象取樣于2024年6月15日的09：00和16：00（晴天，紅花開放第3天），取樣時紅花植株生長狀況正常，采用五點取樣法，每次試驗分別選取紅花主莖5株、側(cè)枝5株。

2.4.2紅花抗拉力測量與分析。試驗時結(jié)合紅花采摘時間和圖3試驗數(shù)據(jù)，取紅花花絲含水率為 60%～70% 。紅花絲抗拉力與含水率關(guān)系前人已經(jīng)做過相關(guān)研究[22]，該試驗只考慮花冠直徑和采摘角度（參考傳統(tǒng)的人工撕扯采摘過程中存在采摘角度問題）對采摘力的影響，為此根據(jù)花冠直徑尺寸大小將其分為大花（花冠直徑為 37～40mm 、中花（花冠直徑為 34～36mm ）、小花（花冠直徑為 28～33mm ），采摘角度取 0^°，30^°，45^° 分別進行拉伸試驗。測量時取加載速度為5mm/min ，每組試驗選取5個樣本做重復測量，結(jié)果取平均值。測量現(xiàn)場如圖6所示，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖6拉伸試驗現(xiàn)場 Fig.6Tensile test site

由圖7可知，抗拉力隨著花冠直徑的減小而減小，隨著拉伸角度的增大而減小。當拉伸角度為 0^° 時，3種花冠直徑花絲最大拉斷力分別為大花 14.21N. 中花 11.36N， 小花8.18N，平均拉斷力為大花12.13N，中花9.22N，小花7.15N;當拉伸角度為 30^° 時，3種花的最大拉斷力分別為大花 12.33N 中花 9.01N， 小花6.44N，平均拉斷力為大花10.13N 中花 7.57N 小花5.13N；當拉伸角度為 45^° 時，3種花的最大拉斷力分別為大花 11.14N 中花 7.26N， 小花5.25N，平均拉斷力為大花 7.24N 中花 5.15N 、小花4.02N 。進一步分析可知，隨著試驗中拉伸角度的變化，3種花冠直徑的紅花在不同拉伸角度下拉斷力變化趨勢相同，均為 0^°"時不同花冠直徑大小的花絲拉斷力最大、 .30^°"時次之、45^°"時最小。分析原因可知，當拉伸角度為 0^°"時拉伸過程中所有的花絲同時受力，使得花絲拉斷力較大，當拉伸角度為30^°"和 45^°"時拉伸過程開始時只有部分花絲受力，當這部分花絲被拉斷后剩下的花絲逐漸開始受力，即拉伸角度越大，花絲抗拉力越小。

圖7花冠尺寸與拉伸角度對紅花采摘過程力學性質(zhì)的影響

2.4.3紅花抗剪切力測量與分析。該試驗設計了一種電磁推桿式物料切力試驗平臺，主要由電磁推桿、剪切割刀、量程為 5kg 的壓力傳感器、輸花筒、繼電器、PC端等構(gòu)成，其中壓力傳感器被固定在刀頭和電磁鐵之間，試驗數(shù)據(jù)采集和記錄在DAQ測量系統(tǒng)，如圖8所示。

為精簡試驗步驟，選取紅花開放后第3～8天的紅花植株為試驗對象。試驗時將紅花球絲放入輸花桶內(nèi)，驅(qū)動電磁推桿電源開關(guān)，當電磁鐵工作時帶動刀頭切割插入到花絲套筒中的紅花，此時壓力傳感器會檢測到一個瞬時的切割力并傳送到變送器，變送器將信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳遞給PC端由DAQ測量系統(tǒng)采集和記錄，試驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

注：1.電磁推桿，2.壓力傳感器，3.剪切割刀，4.輸花桶，5.紅花枝干，6.PC端。

Note：1.Electromagnetic push rod;2.Pressure sensor;3. Shear cutter; 4.Flowerbarrel;5.Red flower stem;6.PC end.

圖8紅花絲瞬時剪切試驗裝置

Fig.8Experimental device for instantaneous cutting of safflower silk

由圖9可知，紅花開放第3～6天紅花絲瞬時剪切力呈正相關(guān)逐漸增大趨勢，到第6天紅花絲瞬時剪切力達到最大值23.88N，分析原因可知，隨著開放天數(shù)的增加，紅花絲飽滿程度逐漸增加，但此時紅花絲含水率逐漸減小的同時，花絲油性呈增大趨勢，造成剪切困難，抗剪切力逐漸增大；紅花開放第7～8天，花絲有逐漸變干趨勢，含水率和油性逐漸減小，使得剪切力逐漸減小。

圖9不同紅花開花天數(shù)與抗剪切力

Fig.9Flowering days and shear resistance of different safflower flowers

3結(jié)論與討論

（1）測量了采摘期紅花花苞和花絲的主要形態(tài)尺寸特征參數(shù)，并對其進行了統(tǒng)計試驗分析，結(jié)果表明，花冠直徑 gt; 花球直徑gt;縮頸直徑，各主要尺寸的離散程度為：花冠高度 gt; 縮頸直徑 gt; 花冠直徑 gt; 花球直徑。測量了紅花不同開花期花絲含水率與開放天數(shù)的變化規(guī)律，即隨著開放天數(shù)的增加花絲含水率降低；測量了紅花絲懸浮速度與含水率的變化關(guān)系，即隨著含水率的升高紅花絲懸浮速度升高。

（2）針對紅花花球大小不均一現(xiàn)狀，根據(jù)花冠直徑尺寸特性差異，將花球分為大、中、小尺寸，采摘角度分別取 0^° 30^°，45^° ，測量了含水率為 60%～70% 的花絲抗拉力值，結(jié)果表明：紅花絲抗拉力隨著花冠直徑的減小而減小，隨著拉伸角度的增大而減小。

（3）針對紅花抗剪切力難以測量現(xiàn)狀，設計了一種電磁推桿式物料剪切力試驗平臺。選取開放第3～8天的紅花植株為試驗對象，測得了紅花不同開放天數(shù)與抗剪切力間的關(guān)系，結(jié)果表明：紅花開放第3～6天紅花絲瞬時剪切力隨著開放天數(shù)的增加而增大，第6天紅花絲瞬時剪切力達到最大值，到第7～8天，抗剪切力逐漸減小。該試驗結(jié)果可為后續(xù)紅花機械化采摘裝置設計與研發(fā)提供技術(shù)參數(shù)支撐。

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