氣力-切割組合式紅花絲采摘器氣流場力學特性分析

黃　勇，葛　云，張立新，谷家偉，錢　營，梁丹丹

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000)

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氣力-切割組合式紅花絲采摘器氣流場力學特性分析

黃勇，葛云，張立新，谷家偉，錢營，梁丹丹

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000)

摘要：針對目前采用氣力-切割組合式紅花絲采摘器收獲時破碎率高的問題，提出在切割分離前增加梳理整形環(huán)節(jié)的思路，使粘附在果球上的冠狀紅花絲在負壓氣流場中豎立懸浮，顯露出紅花縮頸切割部位，便于準確切割，從而減少紅花絲破碎率。利用空氣動力學理論，以提高吸附效率為優(yōu)化目標，建立紅花絲在氣流場作用下梳理整形過程的動力學模型，揭示氣流的流動變化規(guī)律。試驗測得裕民無刺紅花花絲最大迎風面積為11～40mm2，當負壓氣流速度大于2.78 m/s時，即可完成紅花絲的梳理整形。

關(guān)鍵詞：紅花；采收；梳理整形；氣流場

0引言

紅花(Safflower)為一年生油藥兼用植物，根據(jù)地域和氣候不同，采收時間一般在6月底-9月初[1-2]。目前，紅花絲的收獲主要靠人工徒手采摘，由于采收期短、效率低、勞動強度大，因此亟需實現(xiàn)紅花采收機械化。

一般紅花開花后的第 3 天采收，黃色素和腺苷含量最高[3]， 藥用價值最高。紅花開放3天以后，花絲含水率迅速下降、萎蔫，粘貼在瘦果之上，無論人工還是目前的采收機械都很難采收。因此，不論從藥用價值還是采收難度考慮，都應盡快盡早采收鮮花。

目前，紅花絲的機械化采收主要有采收鮮花絲的切割式機械和采收干花絲的氣力式機械[4-5]。前者效率高、紅花破碎率大；后者雖破碎率小，適應性廣，但因負壓氣室內(nèi)氣流場分布影響因素多、受負壓吸力所限，采摘效率低。本文在上述兩種采摘機理的基礎(chǔ)上，增加負壓梳理整形環(huán)節(jié)[6-7]，提出一種新的氣力-切割組合式紅花絲采摘方式。在紅花絲采收過程中，利用負壓進行梳理整形可提高紅花絲的采摘效率和質(zhì)量。

為此，針對氣力-切割組合式紅花絲采摘器氣流梳理整形環(huán)節(jié)，建立紅花絲在氣流場作用下梳理整形的動力學模型，揭示氣流場的梳理整形機理和氣流的流動變化規(guī)律。

1組成和工作原理

氣力-切割組合式紅花絲采摘器主要由花絲整理裝置、回轉(zhuǎn)切割裝置、花絲收集裝置，以及外殼、手柄和傳動部分組成，如圖1所示。其中，花絲梳理整形裝置包括果球定位口、吸花口、負壓風機；花絲回轉(zhuǎn)切割裝置包括行星輪機構(gòu)、動力電機、刀具及刀桿；花絲收集裝置包括儲花室、濾網(wǎng)及負壓風機等。

1.負壓風機　2.過濾系統(tǒng)　3.儲花室

紅花絲采收主要分3個階段：①梳理整形階段，紅花絲在氣流場負壓作用下由自然生長狀態(tài)向上旋轉(zhuǎn)運動至直立豎直狀態(tài)。②切割分離階段，紅花絲在切割刀片切割力作用下與果球分離。③收集輸送階段，分離后的紅花絲在氣流場負壓作用下收集、輸送至儲花室。

采收時，將果球定位口抵在果球上，負壓風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生吸氣流，呈冠狀的紅花絲在吸花嘴內(nèi)經(jīng)過吸氣流的梳理作用豎立起來，露出花絲與瘦果連接處；此時動力電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)行星輪系傳動裝置帶動刀具旋轉(zhuǎn)切割，實現(xiàn)花絲與瘦果的分離；采摘下的花絲受到吸氣流向上的作用被輸送至儲花室內(nèi)，在濾網(wǎng)阻擋下，氣流向后排除，花絲則留在儲花室內(nèi)存儲，實現(xiàn)氣物分離，完成紅花花絲的采摘、輸送及收集工作。

2紅花絲梳理整形階段動力學分析

2.1　梳理整形裝置負壓氣流場

紅花絲在氣流場中的運動屬于氣固二相流[8]，采用Lagrange方法描述紅花絲的軌跡與取向，紅花絲長寬比為5.1～7.3。計算時設定：流體為連續(xù)介質(zhì)；忽略紅花絲對流場的擾動；紅花絲為稀相；紅花絲的長度遠小于流場的特征尺度，因此每個紅花絲的運動可視為Stokes流動。

標準大氣壓下，空氣密度為1.2kg/m3，粘性系數(shù)為1.8×10-5Pa/s，雷諾數(shù)為Re=18 665.2>2 300,紅花絲梳理整形裝置工作過程中的流場為湍流[9]。

氣壓源工作流量為310m3/h，紅花絲梳理整形裝置氣流進口直徑為20mm。常溫時，氣體比熱比K=1.4，氣體常數(shù)R=287 J/(kg·K)，絕對溫度T=293K，通過馬赫系數(shù)Ma判斷流動氣體是否可壓縮。Ma表達式為[10]

(1)

式中υ—流體速度(m/s)；

K—氣體比熱比；

R—氣體常數(shù)(J/kg·K)；

T—氣體常數(shù)(K)。

通過馬赫系數(shù)計算，得到馬赫數(shù)Ma=0.13<0.3。因此，紅花絲吸花口流體區(qū)域氣體可作為不可壓縮進行計算。

2.2　紅花絲在氣流中的受力分析

Magnus升力是指紅花絲轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的一個與流動方向垂直的、由逆流側(cè)指向順流側(cè)方向的力，其表達式為

FM=4πa2lρων

(2)

式中ρ—紅花絲的密度(kg/m3)；

ω—顆粒旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

υ—空氣和物體的相對速度。

(3)

式中A—流體密度為物體在垂直于相對速度方向上的投影面積；

C—空氣阻力系數(shù)；

ρf—空氣的密度(kg/m3)。

紅花絲浮力為

(4)

式中ρs—紅花絲的密度(kg/m3)；

m—紅花絲質(zhì)量(kg)；

g—重力加速度(m/s2)。

紅花絲受到的重力為

Fg=mg

(5)

在氣流負壓力作用下，當平均風速為某一臨界值時，個別紅花絲受湍流和壓力脈動的影響，開始振動或前后擺動，但不離開原來位置；當風速增大并大于臨界值后，振動也隨之加強，迎面阻力(拖曳力)和上升力相應增大，并足以克服重力的作用，較大的旋轉(zhuǎn)力矩促使部分紅花絲向上運動并繞自身主軸旋轉(zhuǎn)，從而逐漸完成紅花絲的梳理整形。

圖2　花絲梳理整形過程示意圖

2.3　紅花絲梳理整形的臨界起動速度

紅花絲在負壓作用下脫離靜止狀態(tài)，獲得向上加速度的條件是紅花絲向上作用力之和大于向下作用力之和(見圖2)，其表達式為

FM+Fr+Fb>Fg

(6)

當物料處于臨界速度時，則

(7)

紅花獲得動力能被梳理整形的臨界條件為

(8)

由式(8)可知：紅花絲臨界速度的大小與空氣阻力系數(shù)及迎風面積成反比。

在相同的負壓功率下，通過變化流道結(jié)構(gòu)參數(shù)，紅花絲可獲得不同的運動特性。本文選擇圓管流場和收縮流場，對比紅花絲在流場運動時速度梯度變化效果及紅花絲的取向分布。

2.4　氣流速度與流道斷面積的關(guān)系

氣體一元流的連續(xù)方程式為

ρυA=常數(shù)

取對數(shù)可得

ln(ρυA)=lnρ+lnυ+lnA=C

進行微分計算，則

(9)

由一元流伯努利方程式[11-12]得

忽略氣體的質(zhì)量力，則力的勢函數(shù)W=0，等熵氣流不計摩擦，則∫fds=0。將點的速度換成氣流平均速度υ，則

進行微分計算，則

(10)

將式(9)代入式(8)，則

(11)

因馬赫數(shù)Ma=0.13，屬于亞聲速流動，且Ma<1，由式(10)可知：如果dυ>0，則dA<0。這說明，亞聲速氣流沿流線加速運動時，其過流斷面面積一定是逐漸減小的，即收縮管道是亞聲速加速管[13]。紅花絲的梳理整形的內(nèi)部氣流場應為收縮流場，才可獲得能使紅花絲由靜止達到臨界起動繼而加速直立的橫向速度梯度，紅花絲取向才會趨向于氣體流動方向。

收縮流場指流體從寬口端流進、窄口端流出，具體設計參數(shù)與紅花尺寸參數(shù)匹配，如圖3所示。其中，吸花嘴氣流入口尺寸為紅花果球平均直徑D，出口尺寸為紅花絲與果球之間的縮頸直徑b，管道長度為花絲長度L。

圖3　紅花絲收縮流場結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

3紅花絲迎風面積的實驗法測量

試驗選用品種為裕民無刺紅花，屬油花兼用型品種，株高80～100cm，最低分枝高度35～40cm，一次有效分枝6～9個，二次有效分枝7～10個，全株花球10～30個,裕民縣科技局種子站提供。

紅花絲在風力系統(tǒng)中的受力狀況與紅花絲的姿態(tài)角α有關(guān)(見圖2)，且紅花絲為細長狀，與球體相距甚遠，不能以等效球體來處理，因此需通過試驗法測量出紅花絲的迎風面積。由不同成熟度的紅花絲表面結(jié)構(gòu)存在明顯差異(見圖4)可知：其迎風面積差別也較大。紅花絲在空氣中的姿態(tài)角α也在負值、零、正值之間變化，所以試驗法測量時只測紅花絲垂直最大投影面積。

測量時，樣本的選取首先依據(jù)果球直徑大小，將果球以3mm為直徑差從大到小分為A、B、C、D、E這5個等級組。對每一等級的紅花任意選取20朵標號，從開花后的第1天至第6天分別掛牌標記，在上午9點連續(xù)5天采摘；采摘時將花絲與果球的縮頸連接處橫向剪斷，將花絲自然地放置在帶有長度標識的白紙上，用三角架固定數(shù)碼相機，在等高等焦距的狀態(tài)下清晰拍攝花絲及長度標識線段；利用電子圖像測量分析軟件Digimizer4.2.4，通過長度標定線段像素，測得花絲垂直于紙面方向上的投影面積數(shù)值，其值即為紅花絲的最大投影面積。經(jīng)測量和梳理統(tǒng)計分析，得到具體數(shù)據(jù)，如圖5所示。紅花絲的最大迎風面積為11～40mm2。

圖4　紅花絲開花后不同天數(shù)形態(tài)

圖5　不同成熟度花絲形態(tài)尺寸變化曲線

由流體力學[14-15]可知：當103≤Re≤2×105時，附面層的分裂點基本穩(wěn)定不變，阻力系數(shù)C基本上為一個常數(shù)，其值約為0.44。

由式(8)計算可知：正常情況下，空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)、迎風面積及速度的平方成正比。因此，采用正對花冠的采收角度可降低迎風面積。一般情況下，當負壓吸氣流速度大于2.78m/s時，即可順利完成紅花絲的梳理整形工作，為切割分離準備最佳分離采收姿態(tài)。

4結(jié)論

1) 建立了紅花絲梳理整形過程動力學模型。正常情況下，空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)、迎風面積及速度平方成正比。因此，采用正對花冠的采收角度可降低迎風面積。

2)一般情況下，當負壓吸力大于2.78m/s時，即可順利完成紅花絲的梳理整形工作，為切割分離準備最佳分離采收姿態(tài)。

3)試驗測量了紅花絲的最大迎風面積為11～40mm2。

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Dynamic Model for Sucking Process of Pneumatic-cutting Type Safflower Harvest Device

Huang Yong, Ge Yun, Zhang Lixin, Gu Jiawei, Qian Ying, Liang Dandan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：The research object of this paper was safflower filament harvest device which based on pneumatic-cutting principle.In the study,established dynamical model in the process of the safflower filaments sucking up by air flow,measured the value of safflower filaments upwind area and calculated the required negative pressure power that made safflower filaments rise.And took the larger nozzle outflow and airspeed as optimization objective. The results of safflower filament upright bench experiment were consistent with the theoretic analysis and simulation conclusion,and showed the correctness of the dynamical model and suction flower mouth orifice shapes simulated analysis.The conclusion in this paper could provide parameters related material properties of aerodynamics for pneumatic safflower harvest machinery,and also provided support of basic theory for developing safflower filaments picking machinery.

Key words：safflower; harvesting; upright; pneumatic

中圖分類號：S225；TH113

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0041-05

作者簡介：黃勇(1968-),男，四川廣漢人，高級試驗師，(E-mail) gy_shz@163.com。通訊作者：葛云(1974-)，女，河南臨穎人，副教授，碩士，(E-mail)1473875971@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51565050，51365049)；新疆維吾爾自治區(qū)科技支撐計劃項目(201511107)

收稿日期：2015-09-17