一種單軌懸掛式采茶機結構設計及通風管流場仿真分析

歐陽愛國 邵福 舒盛榮 劉燕德 吳建 曾祥文

摘要：隨著茶葉種植面積的不斷擴大，收獲機械化的實現變得越來越迫切。以單軌懸掛式采茶機械為基礎，為改善茶園采茶機中茶葉在收集板上堆積的狀況，提高剪切下來的茶葉到集葉袋的輸送能力，根據流場動力學原理，對通風系統的結構進行流場仿真分析與優化設計。利用FLUENT軟件對通風管內部流場進行仿真，得到了通風管內速度矢量圖，揭示了其內部的流場情況，為采茶機通風管裝置的進一步設計改進提供可靠的理論依據。

關鍵詞：單軌懸掛式采茶機;通風管;流場仿真分析;優化設計

中圖分類號： S225.99?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0236-05

我國是茶文化大國，也是茶葉種植生產大國，茶區遼闊，氣候多樣，茶類品種繁多，栽茶歷史悠久，形成了形狀各異的許多地方品種，現有國家級認定的地方品種30個，省級認（審）定的地方品種29個。全國現有20個產茶省，8 000萬以上茶農，2008年全國茶園面積171.96萬hm2，年產茶葉125.96萬t，產值超過300億元。茶產業是集經濟效益、社會效益和生態效益于一體的特色農業產業。茶葉是一種季節性和時效性要求較高的產品[1]。如果不能在規定時間之前完成茶葉采摘，那么就會對茶葉的品質產生重要的影響。因此，及時采摘茶葉尤為重要。研究發現，采茶工1 d 8 h約采摘 3 kg 茶葉。雖然茶葉的質量能夠得到保證，但效率太低且成本太高。因此，收獲機械化的實現變得越來越迫切;結合機械化手段，研究相關機械設備，提高茶葉采摘的效率，降低茶葉采摘的損耗極為必要[2]。

國內對采茶機研究較少，尤其對采茶機通風管內部流場的研究較為薄弱，韓余等分析了往復式采茶機切割器的運動，并對往復式采茶切割器剛柔耦合進行了仿真，得到了刀片的動能、應變能、受力情況，同時得到了偏心輪軸承在旋轉過程中的受力變化情況[3]。王中玉等根據現階段茶園管理的要求，設計出一種適用于茶園管理機全液壓傳動與控制的底盤，可以用于茶園中耕、施肥、噴藥管理作業，操縱簡單，達到一機多用的目的[4]。余順火等闡述抬式采茶及剪枝機所采用的小動力振動烈度的測定方法與分級的意見，并對如何減少振動進行了研究[5]。韓余等設計了一種跨行自走式采茶機機架，該機架具有質量輕、地隙高、重心穩定等特點，運用有限元技術對采茶機機架進行了靜力學與動力學特性分析，采茶機正常作業時，機架不會發生共振[6]。

目前國內外尚未檢索到基于FLUENT軟件對采茶機通風管內部流場的相關研究報道。茶葉種植面積逐年遞增，對茶葉采摘以及收集的效率有了較高的要求，通風管在茶葉收集過程中起著至關重要的作用。通風管的結構不合理會引起茶葉收集過程中出現因通風管堵塞而不能把茶葉吹向收集袋內等現象。基于這一問題，本研究針對丘陵山地設計了一種軌道懸掛式采茶機，采茶過程可以做到精確控制且無需人為操作，節省勞動力，同時可以根據不同的茶樹需要控制不同的采茶高度，適應性好，應用范圍廣，提高了采茶的效率;利用FLUENT軟件對不同類型采茶機通風管及其出口處的氣管內部氣流流場進行數值模擬，旨在為采茶機通風管裝置的進一步設計改進提供理論依據。

1?采茶機總體結構與技術要求

目前，國內外對采茶機的結構有所研究，主要包括以下幾種結構：便攜式采茶機、雙人手扶式采茶機、履帶自走式采茶機等。我國南方茶園基本上處在丘陵地帶，高低起伏的地貌對采茶機的設計提出了更高的要求，為了提升機采茶葉的品質，減少對茶樹的機械性損傷，對整體結構的設計尤為重要。針對丘陵山地，為了提高機采茶葉的效率，本研究設計了一種軌道懸掛式采茶機，如圖1所示。

采茶機結構主要由采摘機構、鼓風機構、調節機構、行走機構、電機等組成，如表1所示。采茶機械的工作原理為利用齒狀刀剪切茶樹上的茶葉，再利用風力把剪切的茶葉吹送到集茶袋中。利用風力通過通風管吹送茶葉可使剪切下來的茶葉不會受到損害，保證采摘茶葉的質量。部分結構如圖2、圖3所示。

工作時，單根軌道由茶隴兩側的支架懸掛并固定于中間位置，采茶機主體（行走模塊、調節模塊、采茶模塊）吊于軌道的下方，行走機構的2排車輪分別與軌道的軌腰、軌底相配合;通過伸縮液壓桿帶動機構整體上升或者下降，使得切割機構適應茶隴的高度。啟動電機動力分為2個部分，一部分通過驅動輪傳遞給雙偏心輪結構使切割刀將茶葉割斷;另一部分通過蝸輪蝸桿結構經過皮帶輪傳遞給鼓風機，風泵產生的高速氣流經過通風管道吹出，將茶葉向后吹入茶葉箱中收集。

2?通風管流體力學數學模型分析

本研究中的流體為空氣，屬于牛頓型氣體，假設空氣的黏性不隨通風管道里旋轉時溫度的改變而改變，是黏性為定值的不可壓縮流體。當流體在通風管中流動時，流體質點除了沿管軸向運動外，還有垂直于管軸向方向的橫向運動，完全處于無規則的亂流狀態。在采收過程中，為了將茶葉全部收集到茶葉袋中，根據現有產品，一般要求通風管中氣流流場的出口速度必須達到15 m/s以上。

通過公式（1）計算可以得到，通風管模型流體的雷諾數Re=86 000，遠遠大于工程應用中的臨界雷諾數，因此通風管中的氣流屬于湍流模型[7]。

在三維穩態湍流流動的計算過程中，控制方程是流體動力學計算基本守恒定律的數學表現形式，研究中應用的控制方程有質量守恒方程和能量守恒方程，由于不涉及熱量的傳遞和擴散，忽略能量守恒方程，湍流運動方程采用標準的 k-ε 模型。

湍流是自然界非常普遍的流動類型，湍流運動的特征為在運動過程中液體質點具有不斷互相摻混的現象，速度和壓力等物理量在空間和時間上均具有隨機性質的脈動量。計算湍流運動時，需要附加湍流方程，標準k-ε方程如下式所示：

3?通風管流場仿真分析

通風管內部流場屬于空氣湍流流場。本研究中的通風管采用兩側送風，出風管道的內部流場相對比較復雜，通風管內部流場的分布情況對出風口風速的分布有重要影響。因此掌握流場分布規律，建立通風管流場模型是非常必要的。

基于FLUENT軟件平臺對通風管流場進行模擬分析時主要步驟有[8]：（1）基于SolidWorks模塊建立計算模型;（2）基于Gambit模塊進行網格劃分;（3）基于FLUENT設置參數并進行計算;（4）計算結果的后處理，實現計算結果圖形化。

3.1?三維模型及網格劃分

采用Solidworks軟件建立通風管物理流動模型，通風管根據茶行寬度和弧度形狀特點設計而成。

主管兩端的直徑分別為74.2、49.8 mm。左端與鼓風機相連為進風口，右端通過支撐板封閉。主管長度為 1 150 mm，角度為53°，出風口由11個彎管組成，出風彎管直線段長度為95 mm，彎管端直徑為20 mm，角度為56°。材料均采用厚 2.4 mm 的PVP塑料管，如圖4所示。

Gambit是專用的計算流體動力學（CFD）前置處理器，可以用來建立幾何模型、劃分網格和指定邊界條件。其中劃分網格是其主要的功能，提供了多種網格單元，可根據用戶的需求，自動完成網格劃分，最終會生成包含邊界信息的網格文件。

建立如圖5所示模型，并在Gambit中對三維模型進行體網格劃分。將通風管分區域劃分網格，其中結構化網格區域采用映射法對通風管道進行六面體網格劃分，而非結構化網格區域主要進行四面體網格劃分，但是在某些位置上包含六面體、錐形以及楔形網格，采用這樣的方法一方面可以合理劃分網格，使得計算結果取得較好的收斂，另一方面可以得到較正確的結果。進風口和出風口采用結構化網格劃分，主出風管道進行非結構化網格劃分，并對出風管和出口處創建邊界層進行網格局部加密處理[9]。網格劃分結果如圖5所示，出風口網格局部放大圖如圖6所示。

3.2?邊界條件及求解參數設置

在Gambit中設置邊界條件，將最左邊的面設置為速度入口;分別設置幾個彎管端口面為壓力出口;其他面設置為固定壁面（wall）。設置的結果為2個速度入口，11個壓力出口，其余各面自動設置為壁面。使用“Export”命令導出Fengguan.msh文件。在FLUENT軟件中，導入Fengguan. msh文件，使用“check”命令檢查網格文件，這一步非常重要，一定要檢查最小網格的體積，該值要大于0，否則網格不能用于計算。

模擬數值選用基于壓力的分離隱式求解器進行求解，因其僅僅在1個時刻需要占用內存，因此內存使用效率非常高。數值模擬時采用標準k-ε模型;為了提高計算精度，減少數值擴散，采用二階迎風離散格式;選用SIMPLEC算法;工作環境設為1個標準大氣壓。表2列出了在ANSYS FLUENT 15.0中定義的用于模擬的邊界條件設置[9-10]。

3.3?仿真結果分析

將Gambit建好的通風管網格數據輸入到FLUENT軟件中。通過圖7殘差曲線可以看出，218步之后數值模擬計算是收斂的，得到最終速度矢量圖如圖8所示。速度場在主管與彎管過渡處發生變化，這是由于彎口弧度的存在造成了不同速度區域的出現。通風管主管中間部分隨著弧度的變化速度逐漸增大;彎管隨著直徑變小，在出口處整體速度變大。

通過仿真，得出如下結論：通風管每個出風管口的速度都大于15 m/s，達到了茶葉實際收集的風速要求，模擬結果與實際情況相符。為了提高茶葉的收集效率，需要進一步分析通風管送風方式和其結構。

4?通風管優化設計

4.1?通風管優化目標

茶葉在采收過程中，以通風管出風口處速度最大為原則，因此采茶機通風管的結構參數優化設計數學模型如下：

由于各參數對通風管內部流場力學性能影響大小不同，很難得出最優解，因此，本研究通過改變通風管結構部分參數，對通風管內部流場進行仿真分析，得到出風口速度的變化規律，從而對通風管結構進行了優化設計。

4.2?通風管結構參數優化

4.2.1?不同進風方式對空氣流場的影響

表3列舉了2種常用的進風方式（單側、兩側）。按照2種常見的進風方式，分別對本研究中的通風管的內部流場進行了模擬仿真，仿真結果見圖9。當進風方式為單向時，出風口的速度達到 24.9 m/s，當進風方式為雙向時，出風口的速度達到 18.3 m/s，單側出風方式的速度大于兩側，二者的速度都符合實際要求（大于 15 m/s），但單側進風方式出風管各個管口速度大小分布不均勻，靠近進風口的速度遠遠大于另一側的速度。結合以上因素，最好的效果是選擇兩側進風的方式。

4.2.2?出風口彎管的不同尺寸（截面直徑）對空氣流場的影響

出風口彎管的不同尺寸對出風口風速有很大的影響。根據實際情況，設置模擬彎管的直徑分別為16.8、18.8、20.8 mm，模擬結果如圖10所示，可以看出，3個不同尺寸對應的最大速分別為23.2、18.3、16.0 m/s。最好的效果是選擇出風口彎管的直徑為16.8 mm。

5?結論

針對丘陵山地，本研究設計了一種單軌懸掛式采茶機，運用SolidWorks軟件對采摘機構、鼓風機構、調節機構、行走機構以及總體機構進行了三維建模，該采茶機在采茶過程可以做到精確控制且無需人為操作，節省勞動力，同時可以根據不同的茶樹需要控制不同的采茶高度，適應性好，應用范圍廣，提高了采茶的效率。

運用FLUENT軟件對通風管模型完成仿真研究及結構優化設計。進風口的最佳送風方式為兩側送風，出風口的最佳彎管直徑為16.8 mm。本研究對通風管的進風方式和彎管的直徑分別進行了優化，為進一步對通風管的其他參數進行優化提供了方法，如出風管的個數、間距、錐度等。

該分析還只是停留在軟件模擬分析階段，并未有實際試驗驗證。限于多種因素影響，模擬結果只能表現一種大致趨勢，但是可以為實際生產操作以及采茶機通風管的后續設計改進提供一種思路及理論依據。

參考文獻：

[1]湯茶琴，梅菊芬，徐德良，等. 我國茶園管理機械化技術研究進展[J]. 熱帶農業工程，2010，34（5）：13-16.

[2]佚?名. 2008年全國茶園面積和產量統計[J]. 中國茶葉，2009，31（7）：6.

[3]韓?余，肖宏儒，秦廣明，等. 往復式采茶切割器剛柔耦合仿真[J]. 中國農機化學報，2015，36（3）：46-50.

[4]王中玉，肖宏儒，丁為民，等. 履帶自走式高地隙茶園管理機液壓系統設計[J]. 中國農機化，2010（5）：72-75.

[5]余順火，張維標，尹安東，等. 采茶機動力振動烈度試驗研究[J]. 安徽工學院學報，1992（1）：80-84.

[6]韓?余，肖宏儒，宋志禹，等. 跨行自走式采茶機機架有限元分析[J]. 茶葉學報，2015，56（2）：111-116.

[7]周俊波，劉?洋. FLUENT 6. 3流場分析從入門到精通[M]. 北京：機械工業出版社，2012：4-170.

[8]Bao Y D，Guo Y L，He P Z. The design and analysis of the system about wind sorting fruit from leaves based on the blueberry picking machine[J]. Applied Mechanics & Materials，2011（6）：3573-3577.

[9]曾海洋. 茶園風力除蟲機出風管道設計及流場模擬研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2012：6-53.

[10]Ashfaq S，Ahmad M，Munir A，et al. Improvement of air homogeneity in paddy dryer with central air flow channel[J]. International Journal of Food Engineering，2017，13（10）：1-8.