第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
红花是一种可作为药材、食用染料和油料的经济作物[1-4]。红花花丝的主要成分为查耳酮类化合物红花黄色素，具有免疫调节、镇痛镇静、耐疲劳、抗应激等作用，对闭经、痛肿、跌打损伤等症状具有较好的疗效。红花花丝中含有天然色素，可用于服装和食品染料。随着红花在医药、保健行业作用的不断开发[5-7]，其需求量正在稳步上涨，红花系列产品的发展具有广阔的市场前景。
红花为长日照作物，由于其独特的抗逆性，适合在干旱地区和贫瘠的土地种植，在国内的云南、四川、新疆等地均有种植[5]。新疆由于其日照长、土地盐碱含量大，非常符合红花的生长习性，是国内红花的主要种植地区，2015 年塔城地区和昌吉州东部地区两地的红花种植面积已超过 2.67 万 hm2，其总产值占到全疆的 80%。新疆地区种植的红花质量好，颜色纯正，亚油酸含量高, 是目前市场上较为畅销的品种。截止到 2017 年新疆塔城、昌吉和伊犁地区的红花播种总面积约 3 万 hm2左右，占全国种植总面积 90%以上，红花籽年产量 2 万吨左右。
红花花球在生长周期内，一般可开出 3 批花序，每一批次间隔 3～5 d，单次花序持续时间一般为 15～20 d，即单个花球在生长周期内，可重复开花 3 次左右，一次开花时间可持续 15～20 d。在这种情况下，若不及时采收已经处于采收期的红花花丝，花丝败落会抑制花球二次开花。同时红花在花败后易产生粘结现象，造成花丝质量的下降[3]。
新疆种植的红花规模大，质量高，光照充足，但红花开花期持续较短且采收时间约在 6～7 月，与疆内主要农作物成熟时间相同，雇佣人工采收困难，采收成本持续上涨等问题日益突出，致使红花产量降低，种植农户收益下降。以红花主要种植地区裕民县为例，红花种植面积可达 17 万亩，采收期采收红花丝需要采花劳动力约 5000 人[5]，人工成本约为每人 630 元/亩，一亩地红花丝可产生的平均效益值约为 1000 元左右，仅人工采收成本就为 10710 万元，占红花丝总效益值的 63%左右，农户收益大幅度降低。因红花开花期较短，雇佣采收人员困难，每年有大量红花丝未能在正常采收期完成采收，残留在花球上，造成直接经济损失近 2000 多万元。因此严重打击了农户大面积种植红花的积极性，导致农户减少种植，限制了红花的产业化发展。因此，实现红花丝机械化采收是推动红花产业发展亟待解决的问题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 红花采摘装置研究现状
2003 年，印度的 NARI（Nimbakar Agricultural research Institute）研制出了一种气力肩负式红花丝采收机[8]（如图 1-1 所示）。该采收机利用风机气吸作用采收含水率较低的干花丝，具有较高的采收效率，大约是人工采摘的两倍，但由于动力源为蓄电池，作业时长有限，总机集成于一体，工作时需要人工背负，不适宜长时间大面积作业，且需要人工干预对花丝进行辅助定位，在一定程度上并未减轻劳动力。
2004 年，NARI 改进了气力肩负式红花丝采收机，发明了一种气力手推式红花丝采收机[12]（如图 1-2 所示），该采收机由农药喷雾器改装而来，由发动机提供动力，有六位工人同时操作六根软管对干花丝进行气吸采摘，该机型总体效率较高，但人均采摘效率并不理想，且气吸采收能耗较高，依旧需要人工辅助软管对花丝进行定位，劳动力成本仍然较高，未能实现全程机械化盲采，并未从根本上降低劳动力。
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第二章 红花物料特性分析
2.1 红花种植模式
新疆地区为红花主要种植地区，2018 年 4 月在新疆裕民县调研红花种植模式，通过与农户交流得知，新疆地区红花种植主要为行距 15 公分条播器进行播种，针对宽窄行要求，农户根据自己的经验进行设定，一般为 15×15×45 mm 的宽窄行，其横截面如图2-1 所示。
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2.2 植株形态测定
选取新疆地区种植的主要品种裕民无刺红花为测量对象，测量时间为 6 月到 7 月，为红花采收期，花丝成熟度高，贴近实际采收状况。在测量前，将整行种植的红花进行预处理，即去除单行中相邻种植的红花，使得测量的单株红花之间没有外力造成的折弯和断枝等情况。测量结果如下表 2-1。
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3.1 采摘需求分析 .......................................... 18
3.2 梳夹式采摘头组件整体结构 ......................................... 18
第四章 梳夹式采摘头组件流场仿真优化 ............................... 26
4.1 花丝输送气吹口流场仿真 ...................................... 26
4.1.1 花丝受力分析 ................................. 26
4.1.2 花丝输送气吹口流场模拟准备 .............................. 27
第五章 梳夹式采摘头组件试验 ........................................ 38
5.1 试验准备 ...................................... 38
5.1.1 试验仪器 ................................ 38
5.1.2 试验材料 ............................... 38
第五章 梳夹式采摘头组件试验
5.1 试验准备
5.1.1 试验仪器
实验室自制梳夹式红花收获试验台，如图 5-1 所示，在试验开始前安装后盖板，封闭梳夹式采摘头组件，在组件尾部出口处连接通风射流管，收集采收完成的花丝。SPS402F 精密电子天平（美国 Ohaus Scout Pro，量程 0～400 g，精度 0.01 g），DT-2234C 数字式转速表（中国 TondaJ，量程：2.5～999 99 r/min，分辨力：0.1 r/min），MA45 快速水分测定仪（德国 Sartorius，量程 0～45 g，精度 0.001 g）。
5.1.2 试验材料
以新疆裕民无刺红花为试验材料，平均株高约为 1000 mm，花球分布高度最低位置约为 500 mm，花球主要集中在植株顶部，在空间内呈伞状分布，分布半径约为 530 mm。试验样本选取植株顶部 80%以上开花后 1~5 天的红花（含水率≥44.6%）[11]，对不同高度的花球花丝进行着色预处理，试验时间为 2018 年 11 月，试验地点：石河子大学农学试验站。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文以裕民无刺红花为研究对象，以单个梳夹式采摘头采收为研究基础，根据红花种植模式、花球在植株的分布状况，结合实际采收要求，设计了梳夹式红花采摘头组件整体结构，并对关键部件进行设计。根据花丝在梳夹式采摘齿上受力情况，得到使得花丝脱离采摘齿的最小风速，运用 CFD 流场模拟对花丝输送气吹口、组件腔体进行分析验证了梳夹式红花采摘头组件收集方案的可行性，并进行优化。通过试验分析影响梳夹式红花采摘头组件采收性能的关键参数，得到最优参数组合，提高了梳夹式红花采摘头组件的性能。主要结论如下：
（1）对裕民无刺红花形态进行测定分析，结果表明，红花植株平均高度为 1000 mm，花球分布最低位置约为 500 mm，花球在空间内呈伞状分布，分布半径约为 600 mm。红花植株边缘处花球分布呈抛物线型，以植株顶部花球为坐标原点，建立坐标系，运用MATLAB/cftool 工具箱对边缘处花球分布进行曲线拟合，得到植株边缘处花球分布模型。边缘处不同高度下花球倾角不同，从高到低，植株上的花球倾角 α 依次增大，曲线拟合后得到外侧花球高度与倾角拟合模型。通过试验分析测定裕民无刺红花所能允许的最低触碰高度为 250 mm，单个梳夹式采摘头在等高度采收时，其限位杆与采摘头之间的间隙值为 3 mm，梳夹式采摘头转速为 83 r/min 时，采收效果理想。
（2）根据红花采收需求及花球形态特性，结合相关作物采摘方案，设计了梳夹式红花采摘头组件整体结构，并对关键部件进行了具体参数设计。据建立的红花花球外侧形态特性模型，设计呈弧形布置的四组梳夹式采摘头覆盖红花植株，从上往下梳夹式采摘头安装位置为 A(0，0)，B(200，-105)，C(400，-235)，D(600，-500)，对应的凸轮安装角度为 0°、15°、30°、45°。根据前期测定试验，通过理论分析，设计护罩上槽口大小为 15 mm，槽口间距为 5 mm，距离采摘头间隙为 3 mm，与采摘头正下方向后偏转 8°，设计花丝输送气吹口出风口规格为 440×3 mm，与竖直方向夹角为 80°。
参考文献（略）