水浮式大蒜鱗芽調整機構的設計與仿真

張光輝 ， 段志超 ， 隋榮娟 ， 孫 光

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

0 引言

目前，大蒜鱗芽調整主要采用機械結構、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]等結構。機器視覺是根據大蒜頭尾不同的紋理特征，采用圖像識別技術，識別蒜種鱗芽方向[4]，再基于卷積神經網絡（CNN）和支持向量機（SVM）分類優化的改進算法（CNN-SVM），實現大蒜鱗芽朝向的自動識別與修正[5]。例如，采用雙卷積神經網絡模型結構，基于Jetson Nano 處理器的大蒜鱗芽朝向自動調整裝置[6]。栗曉宇[7]設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整的因素，張立娟[9]、文恩楊[10]對大蒜鱗芽調整機構進行了仿真。數值仿真成本低，仿真結果可視化程度高，可大大提高設計效率和效果。

采用機械結構進行調整時，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、形態各異，識別結果會存在一定偏差。與其他方法相比，液力調整受力柔和、正芽率高。基于此，本文利用大蒜所受浮力與自身重力設計了一款大蒜鱗芽調整裝置，既解決了蒜芽定向問題，又使得設備結構簡單、成本低。

1 大蒜尺寸及鱗芽調整原理

本文以山東金鄉大蒜為例，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量，通過量筒測量大蒜體積，將各數據的平均值作為最終測量結果。大蒜長、寬、高如圖1 所示，測量結果如表1所示。

表1 大蒜測量數據

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。經過多次測量發現，在鱗芽朝上的姿態下，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致大蒜發生翻轉。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鱗芽斜向上的姿態。

2 大蒜鱗芽調整機構設計

大蒜鱗芽調整機構主要包括過水勺、傳動系統、扶正斜面、水箱、扶正彈簧，如圖2所示。

圖2 鱗芽調整機構

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調整。如圖3 所示，過水勺設計為類漏斗型，內部自上而下由三部分構成，第一部分為空心圓柱，大蒜在空心圓柱內會進行姿態調整，為保證大蒜以任意姿態落入過水勺，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需滿足允許已經完成姿態調整的大蒜順利落下，所以b＞20.11 mm，取為25 mm。過水勺高度h＞32.92 mm，取為50 mm。過水勺內部結構較陡，保證了蒜種進入底部之后不會再發生任何翻滾。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

根據農業技術種子（穴）分布要求，每公頃播種的蒜種個數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量。

當播種機前進速度為vm時，大蒜鱗芽調整機構輸送蒜種的速度應為[12]：

裝配式建筑的設計—加工—裝配一體化技術………………………………… 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，則大蒜鱗芽調整機構輸送蒜種的速度為：

大蒜播種機作業速度較高時，性能顯著下降，不能達到農業技術要求，播種機前進速度vm取2.6 km/h[12]。株距ar取130 mm，設兩個過水勺之間的距離為Lm，那么大蒜鱗芽調整機構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。

根據大蒜播種機前進速度vm算出的輸送蒜種的速度v應該與根據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不應該太大，否則會影響取蒜的效果。對于大蒜鱗芽調整機構鏈條速度，試驗表明，當鏈條速度為0.5 m/s 時，作業質量較好；當鏈條速度為0.55 m/s 時，作業質量雖然有所降低，但基本能滿足農業技術要求；當速度高于0.55 m/s 時，作業質量會顯著降低，漏播嚴重[11]。因此，大蒜鱗芽調整機構輸送鏈條最高作業速度不超過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。

為使輸送鏈結構緊湊，壽命長，應盡量選用較小節距的單排鏈。選用滾子鏈08A，節距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。輸送鏈輪小鏈輪的齒數Z1不宜過少，一般Z1≥17[13]。小鏈輪齒數Z1取17。鏈條的線速度vp取0.5 m/s。把以上數據代入下式：

可得小鏈輪的轉速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Z2=iZ1=34，大鏈輪轉速n2=69 r/min。

3 大蒜鱗芽調整過程仿真

3.1 模型的建立

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

3.2 網格劃分

對流體域進行網格劃分，采用四面體網格，圖4展示了鱗芽朝下時流體域的網格劃分結果，單元數為200 324、節點數為42 116。流體域長200 mm、寬250 mm、高550 mm。如圖5（a）所示，藍色網格部分為液態水，灰色網格部分為空氣。大蒜位于空氣域內部，如圖5（b）所示。

圖4 鱗芽朝下網格

圖5 大蒜鱗牙朝下時流體域網格圖

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生；Gb為浮力產生的湍流動能；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；S為參數；μ、μt分別為層流、湍流黏性系數；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，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，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域的每一流體的體積分數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 模型是根據各個時刻流體在網格單元中所占體積函數F來構造和追蹤自由面的。若在某時刻網格單元中F=1，則說明該單元全部為指定相流體所占據，為流體單元；若F=0，則該單元全部為另一相流體所占據，相對于前相流體則稱為空單元；當0

連續方程為：

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；μt為湍流黏性系數；μl紊動黏滯系數。

3.4 計算方法

壓力-速度耦合采用coupled 算法，此算法是一種統一求解動量和基于壓力的連續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下落時的方向調整過程。從圖中可以看出，在t=0.08 s 時，大蒜與水面接觸，此時大蒜姿態與初始狀態是一致的，由于重力大于浮力，大蒜繼續向水中運動。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系會影響物體在液體中的穩定程度，重心在浮心上面，則物體就處于不穩定狀態；反之，當重心處于浮心下方時，物體則處于更加穩定的狀態[14]。重力和浮力產生的力偶矩使大蒜整體發生順時針旋轉，如圖7 所示。隨著大蒜姿態的變化（如圖6 所示），浮心位置也發生變化，直到t=0.35 s 時，浮心位于重力方向上，此時重力與浮力構成一對平衡力，大蒜位置調整過程到此結束。大蒜以鱗芽斜向上的姿態進入扶正彈簧管，使大蒜以鱗芽朝上的姿態進入播種器。

圖6 大蒜距離水面100 mm，鱗芽朝上下落調整過程

圖7 大蒜在水中受力圖

4 結論

本文根據大蒜重力以及在水中受到的浮力，設計了水浮式的鱗芽調整機構，整體機構由過水勺、傳動系統、水箱、扶正彈簧、扶正斜面構成，對大蒜鱗芽調整過程進行了有限元模擬。模擬結果表明，當大蒜距離水面100 mm 時，需要的調整時間為0.35 s，以大蒜鱗芽朝下落入水中為例，大蒜最終都會調整到鱗芽斜向上的姿態。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，經過姿態調整后，重力與浮力共線，大蒜鱗芽斜向上。