水浮式大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計與仿真

張光輝 ， 段志超 ， 隋榮娟 ， 孫 光

（1.山東交通學(xué)院工程機械學(xué)院，山東 濟南 250357；2.山東交通學(xué)院航運學(xué)院，山東 濟南 250357）

0 引言

目前，大蒜鱗芽調(diào)整主要采用機械結(jié)構(gòu)、機器視覺、紅外檢測識別以及液力等方法。機械方面主要有雙鴨嘴式[1]、錐形矯正碗[2]、仿形換向器[3]等結(jié)構(gòu)。機器視覺是根據(jù)大蒜頭尾不同的紋理特征，采用圖像識別技術(shù)，識別蒜種鱗芽方向[4]，再基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和支持向量機（SVM）分類優(yōu)化的改進算法（CNN-SVM），實現(xiàn)大蒜鱗芽朝向的自動識別與修正[5]。例如，采用雙卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，基于Jetson Nano 處理器的大蒜鱗芽朝向自動調(diào)整裝置[6]。栗曉宇[7]設(shè)計了智能蒜種定向裝置，通過紅外傳感器檢測大蒜鱗芽朝向。液力調(diào)姿的原理是蒜種在水中時，由于自身重力和浮力的作用，使其尾部朝下[8]。為分析影響大蒜鱗芽調(diào)整的因素，張立娟[9]、文恩楊[10]對大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)進行了仿真。數(shù)值仿真成本低，仿真結(jié)果可視化程度高，可大大提高設(shè)計效率和效果。

采用機械結(jié)構(gòu)進行調(diào)整時，容易對大蒜造成損傷；利用算法識別大蒜鱗芽成本較高，而且限于蒜種的尺寸不一、形態(tài)各異，識別結(jié)果會存在一定偏差。與其他方法相比，液力調(diào)整受力柔和、正芽率高?；诖?，本文利用大蒜所受浮力與自身重力設(shè)計了一款大蒜鱗芽調(diào)整裝置，既解決了蒜芽定向問題，又使得設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低。

1 大蒜尺寸及鱗芽調(diào)整原理

本文以山東金鄉(xiāng)大蒜為例，取50 組大蒜作為測量樣本，采用游標卡尺與電子天平分別測量大蒜尺寸和質(zhì)量，通過量筒測量大蒜體積，將各數(shù)據(jù)的平均值作為最終測量結(jié)果。大蒜長、寬、高如圖1 所示，測量結(jié)果如表1所示。

表1 大蒜測量數(shù)據(jù)

圖1 大蒜外形尺寸及受力示意圖

通過懸掛法測量大蒜長度、寬度方向上的重心位置。經(jīng)過多次測量發(fā)現(xiàn)，在鱗芽朝上的姿態(tài)下，大蒜的重心大約在距離底部1/3處，如圖1所示。大蒜在水中受浮力與重力的作用，在剛落入水中時，浮力與重力不共線，兩力形成的一對力偶矩導(dǎo)致大蒜發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當大蒜受力平衡時，重力與浮力共線，由于重心靠近根部，所以大蒜最終會呈現(xiàn)鱗芽斜向上的姿態(tài)。

2 大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)主要包括過水勺、傳動系統(tǒng)、扶正斜面、水箱、扶正彈簧，如圖2所示。

圖2 鱗芽調(diào)整機構(gòu)

過水勺的作用一是接收來自取種器的蒜種，保證單粒播種；二是和輸送鏈一起將蒜種輸送至扶正彈簧，蒜種在輸送過程中完成姿態(tài)調(diào)整。如圖3 所示，過水勺設(shè)計為類漏斗型，內(nèi)部自上而下由三部分構(gòu)成，第一部分為空心圓柱，大蒜在空心圓柱內(nèi)會進行姿態(tài)調(diào)整，為保證大蒜以任意姿態(tài)落入過水勺，空心圓柱的直徑需滿足d1＞32.92 mm，取d1=45 mm。第二部分空心圓臺上底面直徑d2取35 mm。第三部分為上底面為斜面的空心圓臺，底部橢圓短軸b需滿足允許已經(jīng)完成姿態(tài)調(diào)整的大蒜順利落下，所以b＞20.11 mm，取為25 mm。過水勺高度h＞32.92 mm，取為50 mm。過水勺內(nèi)部結(jié)構(gòu)較陡，保證了蒜種進入底部之后不會再發(fā)生任何翻滾。為保證過水勺中的水量，需通過出水管控制水箱的水位。水箱內(nèi)的扶正斜面，保證了大蒜在輸送過程中不會從底部漏出，如圖3 所示，扶正斜面的斜率需與過水勺底面的斜率相同。扶正斜面與水平面的夾角β取20°~30°。過水勺里的大蒜位置調(diào)整后進入扶正彈簧，長度取900 mm，直徑不宜過大，同時要能夠保證過水勺底部的蒜種順利落入，直徑取30 mm。

圖3 過水勺剖面圖

根據(jù)農(nóng)業(yè)技術(shù)種子（穴）分布要求，每公頃播種的蒜種個數(shù)Ns為[11]：

式中，a為行距，m；ar為株距，m；M是每個穴中的種子數(shù)量。

當播種機前進速度為vm時，大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)輸送蒜種的速度應(yīng)為[12]：

裝配式建筑的設(shè)計—加工—裝配一體化技術(shù)………………………………… 盧保樹，張波，張樹輝，王東（9-18）

式中，v為輸送蒜種的速度，m/s；vm為播種機前進速度，m/s。

把式（1）代入式（2）可得：

對于大蒜種植機械來說，每穴單粒種植，因此M=l，則大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)輸送蒜種的速度為：

大蒜播種機作業(yè)速度較高時，性能顯著下降，不能達到農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，播種機前進速度vm取2.6 km/h[12]。株距ar取130 mm，設(shè)兩個過水勺之間的距離為Lm，那么大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)輸送蒜種的實際速度v'是：

式中，Lm為兩個過水勺之間的距離，m；vp為鏈條的輸送速度，m/s。

根據(jù)大蒜播種機前進速度vm算出的輸送蒜種的速度v應(yīng)該與根據(jù)兩個過水勺之間的距離Lm算出的實際速度v'相等，即：

則Lm=vpar/vm。當鏈條速度vp確定時，根據(jù)播種機前進速度vm，便能確定出過水勺之間的放置距離。鏈條帶動過水勺取蒜的速度vp不應(yīng)該太大，否則會影響取蒜的效果。對于大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)鏈條速度，試驗表明，當鏈條速度為0.5 m/s 時，作業(yè)質(zhì)量較好；當鏈條速度為0.55 m/s 時，作業(yè)質(zhì)量雖然有所降低，但基本能滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)要求；當速度高于0.55 m/s 時，作業(yè)質(zhì)量會顯著降低，漏播嚴重[11]。因此，大蒜鱗芽調(diào)整機構(gòu)輸送鏈條最高作業(yè)速度不超過0.5 m/s。大蒜播種機的最大前進速度取2.6 km/h，當前進速度低于2.6 km/h 時，vp<0.5 m/s。將vp≤0.5 m/s 代入式（6）可得Lm的值：

因此，兩個過水勺之間的理論間距Lm≤90 mm。

為使輸送鏈結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長，應(yīng)盡量選用較小節(jié)距的單排鏈。選用滾子鏈08A，節(jié)距p=12.7 mm。進行圓整后，兩個過水勺之間的實際距離，計算得n≤7.1，n取7，即兩個過水勺之間的距離為7 個鏈節(jié)。輸送鏈輪小鏈輪的齒數(shù)Z1不宜過少，一般Z1≥17[13]。小鏈輪齒數(shù)Z1取17。鏈條的線速度vp取0.5 m/s。把以上數(shù)據(jù)代入下式：

可得小鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=1 3 8 r/m i n。中心距ap=50p= 635 mm，傳動比i取2[13]，則輸送鏈輪大鏈輪的齒數(shù)Z2=iZ1=34，大鏈輪轉(zhuǎn)速n2=69 r/min。

3 大蒜鱗芽調(diào)整過程仿真

3.1 模型的建立

利用SolidWorks建立大蒜三維模型，發(fā)現(xiàn)模型中大蒜的重心在(0.02,-9.02,-243.51)處，這與實驗測量結(jié)果基本一致。令大蒜鱗芽朝下，大蒜底部距離水面高度100 mm，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算得到大蒜的密度為0.90 g/cm3。將模型導(dǎo)入到FLUENT，模擬大蒜在水中的調(diào)整過程。

3.2 網(wǎng)格劃分

對流體域進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格，圖4展示了鱗芽朝下時流體域的網(wǎng)格劃分結(jié)果，單元數(shù)為200 324、節(jié)點數(shù)為42 116。流體域長200 mm、寬250 mm、高550 mm。如圖5（a）所示，藍色網(wǎng)格部分為液態(tài)水，灰色網(wǎng)格部分為空氣。大蒜位于空氣域內(nèi)部，如圖5（b）所示。

圖4 鱗芽朝下網(wǎng)格

圖5 大蒜鱗牙朝下時流體域網(wǎng)格圖

3.3 模型的選擇

湍流模型采用R e a l i z a b l ek-e p s i l o n 模型，Realizablek-epsilon 模型的湍動能及其耗散率輸運方程為[14]：

式中，k為湍流動能；ε為動能耗散率；Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。C1為模型常數(shù)；S為參數(shù)；μ、μt分別為層流、湍流黏性系數(shù)；xi、xj為沿x、y方向的坐標；ρ為氣體密度。在FLUENT 中，C2和C1ε是常數(shù)，分別默認為1.9 和1.44；σk和σε分別是湍動能及其耗散率的湍流普朗特數(shù)，默認為1.0 和1.2。對于流動速度與重力方向相同的流動C3ε=1，對于流動方向與重力方向垂直的流動C3ε=0。

FLUENT 中處理多相流的模型有VOF 模型、混合模型、歐拉模型。VOF 模型是通過求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分數(shù)來模擬兩種或三種不能混合的流體。所以VOF 模型適用于計算空氣和水這樣不能互相摻混的流體流動。VOF 模型是根據(jù)各個時刻流體在網(wǎng)格單元中所占體積函數(shù)F來構(gòu)造和追蹤自由面的。若在某時刻網(wǎng)格單元中F=1，則說明該單元全部為指定相流體所占據(jù)，為流體單元；若F=0，則該單元全部為另一相流體所占據(jù)，相對于前相流體則稱為空單元；當0

連續(xù)方程為：

式中，μi為i方向上的速度分量；ρm為混合物密度，ρm=(1-αq)ρl+αqρg，其中ρi(i=l,g)分別為水和空氣的密度。

動量方程為：

式中，pm為混合物壓強；μm為混合物動力黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；μl紊動黏滯系數(shù)。

3.4 計算方法

壓力-速度耦合采用coupled 算法，此算法是一種統(tǒng)一求解動量和基于壓力的連續(xù)方程的隱式耦合算法。耦合控制方程中的每個方程要線化成一個涉及所有未知量的方程，通過離散動量方程中的壓力梯度項以及耗散項實現(xiàn)求解[15]。

3.5 邊界條件

將有大蒜的一端作為頂部，定義為壓力出口，左右及底部邊界定義為固定壁面，三維大蒜壁面定義為運動壁面，重力方向由計算域頂部指向底部，即大蒜自由落體的方向，重力加速度g=9.81 m/s2。忽略大蒜X、Y、Z三個方向的初始速度。

3.6 結(jié)果分析

大蒜距離水面的距離為100 mm，圖6 為大蒜以鱗芽朝下姿態(tài)下落時的方向調(diào)整過程。從圖中可以看出，在t=0.08 s 時，大蒜與水面接觸，此時大蒜姿態(tài)與初始狀態(tài)是一致的，由于重力大于浮力，大蒜繼續(xù)向水中運動。大蒜在水中受力如圖7 所示，處在液體中的物體，其浮心一般不與重心重合，浮心與重心的位置關(guān)系會影響物體在液體中的穩(wěn)定程度，重心在浮心上面，則物體就處于不穩(wěn)定狀態(tài)；反之，當重心處于浮心下方時，物體則處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)[14]。重力和浮力產(chǎn)生的力偶矩使大蒜整體發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，如圖7 所示。隨著大蒜姿態(tài)的變化（如圖6 所示），浮心位置也發(fā)生變化，直到t=0.35 s 時，浮心位于重力方向上，此時重力與浮力構(gòu)成一對平衡力，大蒜位置調(diào)整過程到此結(jié)束。大蒜以鱗芽斜向上的姿態(tài)進入扶正彈簧管，使大蒜以鱗芽朝上的姿態(tài)進入播種器。

圖6 大蒜距離水面100 mm，鱗芽朝上下落調(diào)整過程

圖7 大蒜在水中受力圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)大蒜重力以及在水中受到的浮力，設(shè)計了水浮式的鱗芽調(diào)整機構(gòu)，整體機構(gòu)由過水勺、傳動系統(tǒng)、水箱、扶正彈簧、扶正斜面構(gòu)成，對大蒜鱗芽調(diào)整過程進行了有限元模擬。模擬結(jié)果表明，當大蒜距離水面100 mm 時，需要的調(diào)整時間為0.35 s，以大蒜鱗芽朝下落入水中為例，大蒜最終都會調(diào)整到鱗芽斜向上的姿態(tài)。在整個仿真過程中，大蒜在接觸水面時開始受到浮力的作用，經(jīng)過姿態(tài)調(diào)整后，重力與浮力共線，大蒜鱗芽斜向上。