沙棘果采摘裝置氣吸輸送系統的仿真分析

劉志輝，王 鵬，徐 博，夏一建，欒海山，于鳳淼，王開寶

( 北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

沙棘是世界上含有天然維生素種類最多的既珍貴又經濟的水果，其維生素C的含量遠遠高于鮮棗和獼猴桃，從而有“維C之王”的美稱，其產品涉及醫療、保健等多個領域.沙棘果實呈圓球形，直徑4～6 mm(個頭與枸杞相當)，多為橘黃色或橘紅色.沙棘果樹為多年生落葉灌木或小喬木，樹高1～3 m，棘刺較多，粗壯.我國新疆是沙棘果樹的主要生長地，總面積達1 800萬畝，大多地區已實現規模化園區種植.沙棘因為樹身有很多棘刺，而且果皮薄、果實小、果柄短且有著很強的附著力不能自然脫落，一旦成熟后很容易受到外界影響，造成果實破損，不利于采收，長期以來沙棘采收一直存在較大難題[1-3].

氣吸式沙棘采摘機械是通過氣吸式結構，在抽風機的作用下使氣吸管道內產生負壓，當吸力大于果實和果柄之間的連接力時果實脫落.氣吸式采摘是一種非接觸采摘方式，避免了機械接觸給果樹和果實的傷害，對氣吸式沙棘果采摘裝置機械系統的整體設計進行了說明，通過FLUENT軟件分析氣吸管道內部的流場速度和壓力分布，確定氣吸采摘沙棘果所需要的最佳管徑、風速、風壓等相關參數[4].

1 氣吸式沙棘果采摘裝置機械系統設計

針對規模化沙棘果種植園區采摘環境設計的氣吸式沙棘果采摘裝置具有機器體積小、行動靈活、多人同時操控的特點.裝置整體由采收單元、篩選單元、排果單元、行進單元4部分組成，篩選單元包括果實篩選機構和風量調節機構；排果單元包括排果轉子機構和排出口切換機構[4-6].整體機械系統組成如圖1所示.

圖1 氣吸式沙棘果采摘裝置機械系統組成

成熟的沙棘果在風機產生的負壓作用下柔性吸附完成采摘；由采收單元輸送入篩選箱中；在篩選單元中根據重力不同進行風力篩選將吸入的果實與枝葉進行分離，較重的果實經過下方的排果單元落入果實筐中，質量較小的枝葉則進入后方的落葉收集箱中；行進單元帶動裝置前行.整個裝置由柴油發電機提供動力.采摘裝置工作流程如圖2所示.

圖2 氣吸式沙棘果采摘裝置的工作流程圖

2 沙棘果受力分析及相關參數

2.1 沙棘果物理特性參數測定

氣吸式沙棘果采摘裝置的采摘效果很大程度上受沙棘果自身物理性質的影響，首先測試沙棘果的相關物理特性參數.以新疆阿拉泰地區種植的沙棘果為測試對象，隨機選取10株沙棘植株，樹齡為10年生，每株沙棘作為1個樣本，采摘所需數量的成熟沙棘果.

采用游標卡尺測量沙棘果果實圓周直徑和果柄長度.用電子秤測量沙棘果質量，用電子萬能材料試驗機(精度±0.5%)和自制夾具進行準靜態拉壓試驗，測沙棘果實橫向抗壓力、縱向抗壓力和沙棘果實-果柄之間的連接力.用排水法測量沙棘果密度ρ，計算得到10組數據的平均值和對應的標準差.測量結果表明，沙棘果果實與果柄結合力為0.18～1.53 N.沙棘果果實與果柄物理參數如表1所示[3].

表1 沙棘果果實及果柄物理參數

2.2 輸送系統中沙棘果受力分析

在顆粒的堆積力學中，考慮的是顆粒因為相互接觸產生的力和流變問題，并未考慮氣流和顆粒間的相互作用，屬于靜力學范疇，輸送系統中氣流對果粒的平動和回轉運動方程式在直角坐標系中可以用以下公式表示，

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：m為果粒質量；kg；t為時間，s；g為重力加速度，kg·m·s-2；V為果粒體積，m3；A為果粒表面積，m2.

沙棘果在流場中的受力分析如圖3所示.

圖3 沙棘果受力分析

設速度為u的氣流中果粒表面受到的氣流法向應力為P，剪力為τ，則果粒表面A受到的流動方向的合力FD和垂直方向的升力FL分別為：

(5)

(6)

對于果粒流動過程中的輸送阻力，利用雷諾數Re來表示均勻流動中單個果粒的阻力系數CD為：

(7)

果粒群中阻力系數和自由流動的阻力不同，根據Di-Felice的研究，可修正為：

CD=CDε-β，

(8)

(9)

2.3 摩擦損失

氣吸采摘沙棘果過程中，沙棘果實在氣吸管道中隨氣流運動，不可避免地造成果實之間或果實與氣吸管道內壁之間的碰撞與摩擦.輸送系統中純氣流的摩擦壓損按達西公式表述為[6-7]：

(10)

式中：λa為管道的沿程阻力系數；L為管道長度,m;D為管道內徑,m;ρa為流體密度,kg·m-3;va為管道流速,m·s-1.

在氣力輸送中采用柏列斯公式：

(11)

3 氣體輸送過程仿真分析

研究中，對氣吸式沙棘果采摘裝置的輸送系統中果實篩選箱和輸送管道進行實體建模并對其進行網格劃分，輸送系統實體模型如圖4所示.網格劃分結果如圖5所示[8-9].

圖4 輸送系統實體建模

圖5 網格劃分結果

對于本輸送管道模型，物料入口邊界和氣體入口邊界均采用速度入口邊界條件、出口邊界自由出流的邊界條件，其余邊界設置為固壁邊界條件.

選用離散式求解器進行計算，離散求解器主要用于低速不可壓縮流動求解，按照求解動量方程、壓力方程的修正方程和組分方程及其他標量方程順序求解.

在FLUENT軟件中壓力都是相對壓力，考慮果實重力因素，大小為9.81 m·s-2.控制方程離散化時，為了改變因變量的變化速率而引入變量松弛因子α，滿足：

(12)

氣固兩相存在相間耦合而且屬于非線性流動，為了保證迭代穩定收斂，需要減小松弛因子而減緩收斂速度，仿真時α設為0.7.初始值及邊界條件具體數值如表2所示.

表2 仿真初始值及邊界條件設定

沙棘果模型，果實直徑為8 mm,將其等效成8 mm球形，建模如圖6所示[4].

圖6 沙棘果模型

選取管徑32、40和50 mm分別進行仿真驗證.建立上述實體模型，確定純氣相初始參數，如表3所示.

表3 純氣相初始參數

對上述模型仿真分析，得到果實分離箱和輸送管道壓力分布云圖，如圖7所示.

圖7 果實分離箱和輸送管道壓力分布云圖

根據果實分離箱和輸送管道壓力分布云圖可以清楚得到仿真輸送系統中壓力分布，根據壓力分布云圖可知，模擬3種輸送管入口處與輸送管末壓力差分別約為890、380、160 Pa.

同時，對果粒輸送系統中氣體流量與壓力損失的關系進行仿真分析，得到的關系如圖8所示.

流量/(10-3 m3·s-1)圖8 流量與壓力損失的關系

由能量守恒原理可知，果粒輸送系統中氣固輸送所消耗能量均是由氣相壓力提供，輸送系統中壓差越多，說明固相獲得能量越多，間接說明輸送效率高.

仿真分析結果表明[10]：

(1)3種輸送管的壓力損失都隨流量增大而增加，管徑32 mm和40 mm的輸送管壓力損失增長速率明顯高于管徑50 mm的輸送管；

(2)流量在0.01～0.03 m3·s-1范圍內，管徑32 mm比管徑40 mm的輸送管壓力損失增加幅度大，表明其輸送效率高；流量大于0.04 m3·s-1時，管徑32 mm和管徑40 mm在交叉點B時壓力損失相等，流量在點A與點B區間，管徑32 mm比管徑40 mm的壓力損失略高，即輸送效率略大；管徑50 mm的壓力損失增加趨勢相對平緩，增長幅度遠低于管徑32 mm和管徑40 mm.

(3)經過不同管徑時的壓力損失對比，可以看出流量在A-B兩點之間時，管徑32 mm的輸送效率最高，當流量高于B點后，管徑40 mm的輸送管輸送效率最高，管徑50 mm輸送管不適合輸送沙棘果.

(4)氣吸式沙棘果采摘裝置的風機輸送流量為20～50m3·s-1，選取管口直徑為30～40 mm比較合適.

4 結 論

氣吸式沙棘果采摘裝置工作核心在于氣吸輸送單元，對沙棘果物理特性進行了分析，對沙棘果在輸送系統中的受力情況進行了分析，并用FLUENT流體分析軟件對不同輸送風速、不同管徑的輸送系統進行仿真分析.通過對壓力分布云圖的分析可知，輸送管出口處壓力分布最不均勻，氣流進入分離箱內到出氣口流出時產生渦流，導致氣流紊亂；氣壓從輸送管入口向出口處逐漸減小.根據流量與壓力損失關系，結合選取風機規格，得出輸送管口直徑選取30～40 mm比較合適.