氣吸式紅棗撿拾裝置吸氣室的設(shè)計(jì)及流場(chǎng)模擬

張學(xué)軍,白圣賀,靳 偉,袁盼盼,于蒙杰,鄢金山,張朝書(shū)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052;3.阿拉爾市天典農(nóng)機(jī)制造有限責(zé)任公司,新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

20世紀(jì)60年代,人們已經(jīng)開(kāi)始對(duì)落地林果收獲機(jī)械進(jìn)行研究,主要應(yīng)用于柑橘、核桃等堅(jiān)果類,但對(duì)落地紅棗的收獲機(jī)械研究甚少[1-3]。隨著紅棗在我國(guó)的大面積種植,加之人工勞動(dòng)強(qiáng)度大及成本高,迫切需要落地紅棗撿拾機(jī)械。紅棗尺寸較小,果皮柔軟,種植模式為矮化密植栽培,對(duì)其他的林果撿拾機(jī)械借鑒性很小[4-5]。一般集果撿拾裝置主要有機(jī)械式和氣力式兩種類型:機(jī)械式一般適合外殼堅(jiān)硬的林果,否則易對(duì)林果造成損傷;氣力式能夠保證紅棗的質(zhì)量和產(chǎn)量不受外界影響,設(shè)備簡(jiǎn)單,安全性好。

2013年,塔里木大學(xué)[6]采用氣吸式設(shè)計(jì)了一臺(tái)紅棗收獲機(jī),具有工作效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但易堵塞;同年,北京意美德通科技公司[7]研制了YE3600A型手推式落地紅棗撿拾機(jī)械,但含雜率和對(duì)風(fēng)機(jī)性能要求較高;2015年,新疆阿布拉·艾拉[8]發(fā)明了一種牽引式氣吸紅棗收獲機(jī),操作方便,但能耗大、噪音大;2016年,塔里木大學(xué)[9]研制了一種自走式紅棗撿拾機(jī),采收效率較高,但易堵塞吸管;2017年,陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所[10]研制了一種氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī),但撿拾效率低。

上述機(jī)型采用氣吸式撿拾紅棗,對(duì)紅棗無(wú)損傷但容易堵塞風(fēng)管,且吸氣室出現(xiàn)較大渦流結(jié)構(gòu)尚需優(yōu)化,以提高撿拾效果。氣吸式紅棗撿拾裝置中的吸氣室是連接吸管口與負(fù)壓風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件,承擔(dān)著紅棗的運(yùn)輸和收集工作,是關(guān)鍵部件。本文以吸管口與吸氣室為研究對(duì)象,對(duì)氣流流速與壓強(qiáng)進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬[11-14],以選擇合適的氣流速度,提高紅棗的撿拾效率,為氣吸式紅棗撿拾裝置的設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸式紅棗撿拾裝置主要由吸管口、吸氣室、推動(dòng)把手、風(fēng)機(jī)、地輪、閉風(fēng)器、柴油機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)及機(jī)架等部件組成,如圖1所示。

1.推動(dòng)把手 2.閉風(fēng)器 3.分選裝置 4.吸氣室 5.風(fēng)機(jī) 6.吸氣管 7.柴油機(jī) 8.行走系統(tǒng) 9.地輪 10.蓄電池 11.機(jī)架圖1 氣吸式紅棗撿拾裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Air suction type jujube picking device overall structure。

整個(gè)裝置用蓄電池提供給行走系統(tǒng)電源動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)機(jī)具向前行駛。在行駛過(guò)程中,由人工手持吸管口撿拾落地紅棗。柴油機(jī)作為風(fēng)機(jī)的動(dòng)力,使空氣流場(chǎng)產(chǎn)生壓力差,致使吸氣室形成負(fù)壓,便可通過(guò)氣吸方式撿拾紅棗,完成撿拾工作。被撿拾的紅棗受到負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的吸氣氣流的作用,通過(guò)分選裝置分離雜質(zhì);紅棗被擋板與分選裝置擋下落入閉風(fēng)器中,實(shí)現(xiàn)紅棗混合物分離,同時(shí)隨閉風(fēng)器旋轉(zhuǎn)落入棗箱中實(shí)現(xiàn)紅棗的收獲。

2 紅棗的懸浮特性

氣力輸送是指采用氣流作為能量的中間載體對(duì)物料進(jìn)行輸送,懸浮速度在其中起著決定性作用,此過(guò)程即受力平衡的問(wèn)題。只要?dú)饬魉俣却笥趹腋∷俣?紅棗就可以被吸起撿拾;但如果氣流速度選擇過(guò)大,吸氣室內(nèi)渦流現(xiàn)象加劇,會(huì)造成與內(nèi)壁磨損,增大能耗,使紅棗受到損傷,運(yùn)輸效率降低。

2.1 紅棗模型

裝置主要針對(duì)新疆地區(qū)所產(chǎn)紅棗的撿拾,因此選取南疆地區(qū)的駿棗和灰棗作為研究對(duì)象,具有代表性及推廣意義。前期通過(guò)對(duì)紅棗進(jìn)行調(diào)研試驗(yàn),測(cè)量和計(jì)算出灰棗和駿棗相關(guān)參數(shù):縱徑分別為33.58～36.55mm、48.06～55.54mm,兩個(gè)腰徑分別為20.01～23.89mm、21.58～24.98mm,28.03～35.23mm、35.65～39.98mm,含水率分別為27.03%、21.91%,平均密度分別為848.59、733.20kg/m3,整果硬度分別為138.688 62、118.702 50N/cm2。

2.2 懸浮速度

在吸起紅棗的過(guò)程中,紅棗在氣流中處在懸浮狀態(tài),與地面保持相對(duì)不動(dòng),此時(shí)的氣流速度就是該紅棗的懸浮速度。實(shí)際原理就是受力平衡的問(wèn)題,紅棗受到重力、吸引力及空氣阻力3個(gè)力的作用,則紅棗懸浮速度的臨界條件為

式中Cd—阻力常數(shù);

ρq—空氣密度(kg/m3);

x—紅棗的短軸直徑(m);

y—紅棗的長(zhǎng)軸直徑(m);

vq—理論氣流的流速(m/s);

v—實(shí)際氣流的流速(m/s);

mmax—紅棗的最大質(zhì)量(g);

g—重力加速度(m/s2);

k—吸起紅棗可靠性系數(shù)。

為彌補(bǔ)紅棗大小形狀及棗間碰撞等因素造成計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差,一般情況下k為1.8～2,取k=2[15-16]。本文根據(jù)對(duì)紅棗懸浮特性的理論分析與結(jié)合試驗(yàn),選取臨界流速為v=20.94m/s,但考慮各種因素的影響,確定實(shí)際流速為v=42m/s。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及建模

3.1 吸管口的設(shè)計(jì)與建模

吸管口是保證紅棗被吸起撿拾的重要部件,采用直徑為135mm的波紋塑料軟管,具有易于移動(dòng)、氣密性強(qiáng)及便于彎折等特點(diǎn),如圖2所示。

圖2 吸管口結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Pipette structure diagram。

3.2 吸氣室的設(shè)計(jì)與建模

吸氣室是氣吸式紅棗撿拾裝置進(jìn)行紅棗輸送及收集的關(guān)鍵部件,進(jìn)口與吸管口相連起到輸送紅棗作用,出口與風(fēng)機(jī)相連起到分離紅棗混合物的作用。設(shè)計(jì)時(shí)要合理布置空間的位置,提高紅棗的輸送效率,必須保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力流場(chǎng)與速度流場(chǎng)分布均勻,減少渦流。吸氣室的長(zhǎng)寬高大小為589mm×350mm×724mm,各有1個(gè)進(jìn)口與出口,直徑分別為137、180mm,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 吸氣室結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Suction chamber structure。

4 吸管口與吸氣室的流場(chǎng)模擬

4.1 流場(chǎng)模擬

采用Fluent軟件對(duì)吸管口及吸氣室內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬,首先在Gambit中進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分,最后設(shè)定邊界條件,將劃分好的網(wǎng)絡(luò)以.msh格式導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算,選取的氣流速度為42m/s,如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh map。

4.2 模擬結(jié)果及分析

將在Fluent軟件中模擬計(jì)算的結(jié)果以.cas和.dat的格式導(dǎo)入Tecplot360軟件,對(duì)其進(jìn)行流暢模擬的后處理,速度流場(chǎng)如圖5所示,壓力流場(chǎng)如圖6所示。由圖5、圖6可知:吸管口與吸氣室的速度與壓力流場(chǎng)比較平穩(wěn),均達(dá)到撿拾紅棗的要求。因此,便于撿拾紅棗及向吸氣室運(yùn)輸,且氣流速度與壓力變化范圍不大,減少了紅棗之間及與壁面的摩擦碰撞,提高了撿拾效率。吸氣室的上下底部形成渦流,減少紅棗與壁面的碰撞,可保證紅棗的完整,降低整機(jī)能量損失。

圖5 速度跡線圖Fig.5 Speed trace。

圖6 壓強(qiáng)變化圖Fig.6 Pressure change diagram。

4.3 田間試驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果分析,確定吸管口直徑為135mm,吸氣室進(jìn)出口直徑分別為137、180mm。當(dāng)氣流速度為42m/s仿真效果最佳,性能穩(wěn)定。進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證,重復(fù)3次取其平均值,田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),如圖7所示,試驗(yàn)結(jié)果表1所示。

圖7 田間試驗(yàn)圖Fig.7 Field test chart。

表1 試驗(yàn)驗(yàn)證值Table 1 Experiment verification results。

5 結(jié)論

1)對(duì)紅棗懸浮特性進(jìn)行了理論分析及前期調(diào)研計(jì)算,結(jié)果表明:灰棗和駿棗含水率分別為27.03%、21.91%,平均密度分別為848.59、733.20kg/m3,含整果硬度分別為138.688 62、118.702 50N/cm2,縱徑分別為33.58～36.55mm、48.06～55.54mm,兩個(gè)腰徑為20.01～23.89mm、21.58～24.98mm, 28.03～35.23mm,35.65～39.98mm,實(shí)際流速為v=42m/s。

2)通過(guò)對(duì)吸氣管及吸氣室進(jìn)行流場(chǎng)分析與數(shù)值模擬,確定吸管口直徑為135mm,吸氣室進(jìn)出口直徑分別為137、180mm。吸管口與吸氣室的氣流速度穩(wěn)定,且吸氣室的氣流速度大于吸管口流速,有利于紅棗的撿拾與輸送,提高撿拾效率。田間試驗(yàn)表明:當(dāng)氣流速度為42m/s、撿拾率平均值為93.11%、含雜率平均值為2.92%時(shí),裝置工作性能穩(wěn)定。