紅棗收獲機吸拾過程運動仿真分析及試驗

杜許懷,韓長杰,朱雪峰,李光新,燕長輝

(新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052)

0 引言

新疆是我國紅棗主要產區,2019年產量達372.8萬t,占全國產量的49.95%[1]。近年來,隨著新疆紅棗矮化密植模式的種植推廣,其消費市場逐漸飽和,收購價格有明顯下降趨勢[2-4];在勞動力價格日益增長的趨勢下,種植成本較高,利潤空間壓縮嚴重。目前,紅棗多以干果形式食用,收獲作業主要針對完熟期紅棗,收獲方式多以人工敲落、撿拾為主,還要利用小型清選機進行除雜、清選作業[5-6],收獲機械使用較少,收獲成本投入較高。

現階段,新疆紅棗收獲機械的發展雖然處于全國前列,但與形成實質性生產力還有一定距離。石河子大學研發了一款騎跨式紅棗收獲機,工作時機具騎跨在棗樹上,可對成行的果樹進行連續性工作,但無法對落地的紅棗進行撿拾,損失率較高[7-8]。張亞歐設計研究了一種落地紅棗撿拾裝置,工作時由挑果機構將地面上的紅棗挑起,經輸送機構輸送到后方收集箱位置。試驗表明:該機具撿拾效率超過95%,但挑果桿對紅棗損傷嚴重,收獲品質較低,造成較大經濟損失,撿拾效率也比較有限[9]。黨凱峰等人研發了一種紅棗氣吸式撿拾裝置,工作時由風機提供吸力,手持式吸管對準落地紅棗,紅棗被吸入后經氣吸管道進入沉降室,屬于半自動撿拾設備,能一定程度上提高采收效率[10-13]。

綜上所述,紅棗收獲機械的研究對我國新疆紅棗產業的發展很有意義。在此,主要對落地紅棗收獲機吸拾過程中吸拾管道的彎曲狀態對機具性能指標的影響進行研究,旨在為機具后續優化改進提供理論依據和方向。

1 材料與方法

1.1 機具吸拾結構及工作原理

機具吸拾結構主要由吸拾管道、阻擋柵、翻草器、氣吸室、風機、排雜閉風器及卸料閉風器等組成,如圖1所示。吸拾管道連接在氣吸室前,氣吸室后部接風機吸氣口,連接處密封;氣吸室入口處安裝有阻擋柵,阻擋柵后安裝了翻草器;阻擋柵和翻草器下部為卸料閉風器,氣吸室后下部為排雜閉風器;排雜閉風器上部與翻草器后方加焊圓孔阻板。吸拾由風機提供風力,在吸拾管道和氣吸室內形成負壓條件,依靠人力操作,將吸拾管道吸口直接靠近物料,物料在環境壓力作用下被吸進管道,隨氣流進入氣吸室;紅棗及較大塊狀雜物會與阻擋柵發生碰撞,向下沉降,在卸料閉風器工作下排出氣吸室;細小、輕質雜物會穿過阻擋柵在翻草器和風力作用下向后運動,在氣吸室后部沉降至排雜閉風器排出,一部分灰塵等微小雜物進入風機被吹出。

1.吸拾管道 2.阻擋柵 3.翻草器 4.氣吸室 5.風機 6.排雜閉風器 7.卸料閉風器圖1 吸拾結構示意圖Fig.1 Structural diagram of suction pickup structure

1.2 紅棗物料特性測定

紅棗物料特性測試樣品選自新疆維吾爾自治區喀什地區麥蓋提縣四十五團三連、六連灰棗果園,樹齡在10年左右,收獲期落地紅棗,取樣時間為2021年11月。選取紅棗時,應確保外觀完整,無破裂、無畸形等缺陷問題。

收獲期落地紅棗形狀為較均勻,形狀類似于橢球形,主要測量紅棗的長、寬、厚。測量時,隨機從每個區域30顆紅棗中隨機選取5顆紅棗,進行編號,每個果園為1組,即50顆紅棗為1組,用游標卡尺測量每顆棗長、寬、厚數值,記錄數據;兩處果園一共測量100顆紅棗,再求其相關平均值。

紅棗質量測量時,將電子秤放置水平桌面上調校,利用標準砝碼進行校準,使用前要注意電子秤調零。使用時,將紅棗盡可能放置在稱量托盤中央位置,電子秤顯示數值不變后再記錄數據,將編號測量完三軸尺寸后的3組紅棗依次使用天平對單粒紅棗進行稱量并記錄數據。

紅棗單粒體積測量采用液浸法,以純凈水為介質,利用滴管使紅棗沒入量筒液面下,液面上升體積即單粒紅棗體積。將編號測量完單粒體積的3組紅棗依次進行體積測量,依次記錄數據。

紅棗密度計算公式為

(1)

其中,ρ為單粒紅棗平均密度(g/cm3);M為單粒紅棗質量(g);V為單粒紅棗體積(cm3)。

利用物料懸浮試驗臺對紅棗懸浮速度進行測量,如圖2所示。在棗園中隨機選取50粒紅棗,隨機分為10組,每組5粒。每次投入1組紅棗進行懸浮速度測量,分別記錄每組5粒紅棗的懸浮位置,對懸浮速度進行換算,記錄數值,再求懸浮速度的平均值。

圖2 紅棗懸浮速度的測量Fig.2 Measurement of suspension velocity of jujube

該物料懸浮試驗臺通過記錄測量物料在透明錐形管所處位置和透明錐形管上端口風速,利用公式(2)進行懸浮速度計算[14],即

(2)

其中,S為測試紅棗在透明錐形管懸浮位置橫截面面積(m2);S1為透明錐形管頂端橫截面積(m2);S2為透明錐形管底部橫截面積(m2);H為透明錐形管高度(m);h為測試紅棗在透明錐形管中懸浮位置高度(m);v為測試紅棗懸浮速度(m/s);v1為透明錐形管頂端橫截面積處風速(m/s)。

1.3 吸拾管道及物料模型建立

吸拾管道在吸送過程中隨著作業半徑的不同,其彎曲程度也不同,如圖3所示。

圖3 吸拾管道彎曲程度示意圖Fig.3 Structural diagram of suction pickup structure

為驗證吸拾管道彎曲程度差異對物料吸送過程中物料速度的影響,借助Solid Works軟件以彎曲程度最大狀態與最小狀態為參考建立吸拾管道模型。吸拾管道直徑為180mm,總長為3.10m,彎曲管道的彎曲半徑均取250mm,由可彎曲伸縮的螺紋管和供料器兩部分組成;模型建立時將其簡化為一體的圓形管道,管道材料為聚氨酯,密度為50kg/m,泊松比為0.42。

物料主要由紅棗和雜物組成,主要雜物有棗樹枝、樹葉、土粒,以紅棗物料特性測定為基礎,建立紅棗模型。通過對雜物的分類及特性進行研究,參考相關農業物料物理特性,確定了主要雜物棗樹枝、樹葉、土粒物料參數,根據前期測量與經驗總結紅棗與雜物質量比約為6:3、棗樹枝、樹葉、土粒質量比約為2:1:1。各物料模型示意圖如圖4所示,所用軟件為EDEM2018。

圖4 物料模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of material model

1.4 流固耦合仿真

首先,利用ANSYS軟件Fluent模塊對空氣在吸拾管道最大彎曲和最小彎曲狀態下的流動做仿真分析。在此,主要對其速度進行分析。空氣密度取1.225 kg/m3,根據氣力輸送原理,吸口風速取紅棗理論輸送速度(即紅棗最大懸浮速度的1.5倍),氣流粘度取1.8×10-5kg/m·s;再利用EDEM軟件和ANSYS軟件Fluent模塊進行流固耦合仿真[12,15],對物料在兩種狀態下吸拾管道中運動做徑向仿真,主要對物料在不同狀態管道中的運動速度進行分析。物料主要仿真參數如表1所示。

表1 物料主要仿真參數設置Table 1 Material model setting parameters

根據離散元接觸模型理論,碰撞恢復系數反應物料與物料、物料與器具間碰撞反彈現象。試驗表明:物料處于密相堆積運動時,沒有明顯碰撞反彈等現象,碰撞恢復系數的取值幾乎不影響計算結果;物料顆粒與器具間的靜摩擦因數和滾動摩擦因數對仿真結果的影響遠小于物料顆粒與物料顆粒間的靜摩擦因數和滾動摩擦因數。試驗證明:物料顆粒與物料顆粒間的滾動摩擦因數對仿真結果有較大影響[16]。本仿真方案中,通多直接測定和虛擬標定的方法,結合經驗對物料與管道間的碰撞恢復因數、靜摩擦因數、滾動摩擦因數進行設置,對影響較小的參數進行參考預估,具體取值如表2所示。

表2 物料主要仿真參數設置Table 2 Material model setting parameter

1.5 撿拾對比試驗方法

1)試驗于2021年11月在新疆昌吉回族自治州瑪納斯縣塔西河工業園區祥和農機有限公司進行,試驗過程如圖5所示。試驗物料來自于新疆喀什地區巴楚縣48團矮化密植果園,紅棗品種為灰棗,樹齡為10年左右,樹高3m左右。紅棗及雜物為兩天前人工敲落,由密封的尼龍袋打包,在遮蔽的條件下由貨車運輸至廠區。

圖5 試驗過程圖示Fig. 5 Test process diagram

2)試驗由1臺樣機完成。試驗儀器有手持式風速儀(品牌為希瑪,量程為0～40m/s,精度為0.01m/s),電子秤(品牌為欣得美,量程為0～30kg,精度為0.01kg);試驗工具有耙子、塑料鍬、掃帚、塑料桶及塑料袋等。

3)試驗中,將機具吸口風速調至35m/s(即紅棗的最大理論輸送速度),以含雜率、拾凈率為衡量機具性能的指標,通過操縱者對吸拾管道彎曲形態的控制,將試驗分為兩組,管道最大彎曲和最小彎曲狀態分別為1組,進行單因素對比試驗。物料主要由紅棗和雜物組成,將每次試驗中二者質量混合比控制在6:4左右,雜物有紅棗樹枝、棗樹葉和土粒,將每次試驗中質量混合比控制在2:1:1左右,每組試驗進行5次。

4)評價指標含雜率為經機具除雜后收集的紅棗中所含雜物與含雜紅棗質量的比率,拾凈率為試驗過程中從排雜口漏出未收集到的紅棗質量與所收集的紅棗質量的比率,即

(3)

其中,Y1為含雜率(%);Y2為拾凈率(%);M0為每次試驗所收集含雜紅棗質量(kg);M1為每次試驗所收集的紅棗所含雜物質量(kg);M2為每次試驗未收集到的紅棗質量(kg)。

2 結果與分析

2.1 紅棗物料特性測定結果

對收獲期落地紅棗的長、寬、厚、質量、體積、密度和懸浮速度測量結果進行統計,結果如表3所示。

表3 單粒紅棗物料特性測量結果Table 3 Measurement results of material characteristics of single red jujube

由紅棗物料特性測量結果來看,其尺寸、質量、體積、密度和懸浮速度的變化范圍較大,說明同一品種紅棗收獲期時各項物理特性差異較大。這對紅棗收獲機工作性能提出了較高要求,其必須適應物料物理特性的差異。所以,在仿真分析中選取紅棗平均尺寸、平均密度、最大懸浮速度為數據參考基礎,對其相關參數進行加大、冗余處理,在設計中也加大了相關影響參數。

2.2 仿真結果與分析

對最大、最小彎曲程度的吸拾管道氣流進行仿真,結果如圖6所示。

圖6 氣流仿真結果圖Fig.6 Air flow simulation results

由仿真結果可以看出:就氣流在管道中運動速度而言,最大彎曲狀態與最小彎曲狀態在管道末端速度基本都在35m/s左右,貼近管壁的速度較小,中心速度較大。其中,最大彎曲狀態時,管道在折彎處速度在38m/s左右。總體而言,管道彎曲狀態只對氣流速度的影響不大,局部速度差異變化在0～3m/s范圍內;氣流也受到重力作用和離心作用,在折彎內側速度較外側大,這種速度的分布對物料會有影響,彎曲角內外速度的差異將產生壓力梯度,導致物料在彎角外側運動。

流固耦合仿真結果速度圖如圖7所示。仿真結果表明:在吸拾管道中,樹葉的最大速度較其他物料最大速度大。

圖7 物料吸拾過程仿真結果圖Fig.7 Simulation results of material suction process

對于最大彎曲狀態吸拾管道而言,物料受到氣流作用,在進入吸口前段傾斜管道內較為均勻、分散;在物料運動到彎曲管道段后,受重力、氣動推力、離心力、壓力梯度力的作用物料貼彎角外側運動,發生物料聚團現象。雜物在整個運動過程中速度高于紅棗,除去對微小土粒的考慮,樹葉的運動速度較高,最高可達8m/s;紅棗及樹枝都經歷了加速、減速、再到加速的過程,且紅棗運動至管道末端口位置時速度基本接近6m/s;物料運動至末端口水平位置時,其呈較為分散、均勻的狀態,有利于機具實現除雜、沉降的工作性能。

對于最小彎曲狀態吸拾管道而言,物料受到氣流等作用,物料在管道內分散相對均勻、分散,所有物料基本呈加速狀態,樹葉的運動速度最高,可達10m/s;紅棗運動至管道末端口位置時,速度在8m/s左右;雜物整體運動速度較紅棗運動速度高。由仿真結果來看,吸拾管道彎曲程度的差異對物料的運動狀態有顯著影響,尤其是在物料運動至管道拐彎處,其運動狀態的改變較為明顯;但通過對末端口處物料速度的對比得出:同類物料速度在撿拾管道彎曲狀態最大、最小時相差約在3 m/s之內,且無論管道彎曲程度如何,物料運動至管道末端口時,由于管道在此處較為水平,物料均分布松散、相對均勻。

2.3 對比試驗結果分析

吸拾管道在最大彎曲狀態與最小彎曲狀態時,以機具評價指標含雜率和拾凈率的驗證對比試驗結果如表4所示。試驗結果表明:吸拾管道彎曲程度的變化對指標含雜率來說有一定的影響。彎曲程度小時,含雜率較低,但較彎曲狀態較大時平均值小0.15%,從5次試驗結果來看影響較小;對指標拾凈率而言,同樣有一定的影響,彎曲程度小時,拾凈率較彎曲狀態較大時高,平均值差值為0.27%,影響依舊較小;相對于機具其它影響因素試驗而言,吸拾管道的彎曲狀態對兩指標的影響較小。

表4 對比試驗結果Table 4 Verification results of comparative test %

3 討論與結論

由物料流固耦合仿真結果可知吸拾管道彎曲狀態的差異對物料運動狀態、軌跡有明顯的影響,但當物料運動至末端口位置時物料在管道內運動分布都較為均勻、分散,相對于該段管道長度而言其速度大小差異較小。由吸拾管道彎曲程度對比試驗結果可知:機具吸拾管道在該長度和直徑下,其彎曲狀態所引起的物料速度變化對機具評價指標含雜率和拾凈率有影響,但影響程度不大,相對于物料物理特性差異較大的紅棗收獲作業而言,可以不做考慮。綜上所述,流固耦合仿真結果與對比試驗結果趨勢相近,都能從一定層面反應直徑為180mm、長度為3.1m的聚氨酯管道的彎曲狀態對于機具性能指標的影響較小。