劉志輝，王 鵬，徐 博，夏一建，欒海山，于鳳淼，王開寶

( 北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(jīng)濟(jì)的水果，其維生素C的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鮮棗和獼猴桃，從而有“維C之王”的美稱，其產(chǎn)品涉及醫(yī)療、保健等多個(gè)領(lǐng)域.沙棘果實(shí)呈圓球形，直徑4～6 mm(個(gè)頭與枸杞相當(dāng))，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(zhǎng)地，總面積達(dá)1 800萬畝，大多地區(qū)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化園區(qū)種植.沙棘因?yàn)闃渖碛泻芏嗉?，而且果皮薄、果?shí)小、果柄短且有著很強(qiáng)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(shí)破損，不利于采收，長(zhǎng)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(jī)械是通過氣吸式結(jié)構(gòu)，在抽風(fēng)機(jī)的作用下使氣吸管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)吸力大于果實(shí)和果柄之間的連接力時(shí)果實(shí)脫落.氣吸式采摘是一種非接觸采摘方式，避免了機(jī)械接觸給果樹和果實(shí)的傷害，對(duì)氣吸式沙棘果采摘裝置機(jī)械系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明，通過FLUENT軟件分析氣吸管道內(nèi)部的流場(chǎng)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(fēng)速、風(fēng)壓等相關(guān)參數(shù)[4].

1 氣吸式沙棘果采摘裝置機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)規(guī)模化沙棘果種植園區(qū)采摘環(huán)境設(shè)計(jì)的氣吸式沙棘果采摘裝置具有機(jī)器體積小、行動(dòng)靈活、多人同時(shí)操控的特點(diǎn).裝置整體由采收單元、篩選單元、排果單元、行進(jìn)單元4部分組成，篩選單元包括果實(shí)篩選機(jī)構(gòu)和風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；排果單元包括排果轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)和排出口切換機(jī)構(gòu)[4-6].整體機(jī)械系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1 氣吸式沙棘果采摘裝置機(jī)械系統(tǒng)組成

成熟的沙棘果在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)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(jù)重力不同進(jìn)行風(fēng)力篩選將吸入的果實(shí)與枝葉進(jìn)行分離，較重的果實(shí)經(jīng)過下方的排果單元落入果實(shí)筐中，質(zhì)量較小的枝葉則進(jìn)入后方的落葉收集箱中；行進(jìn)單元帶動(dòng)裝置前行.整個(gè)裝置由柴油發(fā)電機(jī)提供動(dòng)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(guān)參數(shù)

2.1 沙棘果物理特性參數(shù)測(cè)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(zhì)的影響，首先測(cè)試沙棘果的相關(guān)物理特性參數(shù).以新疆阿拉泰地區(qū)種植的沙棘果為測(cè)試對(duì)象，隨機(jī)選取10株沙棘植株，樹齡為10年生，每株沙棘作為1個(gè)樣本，采摘所需數(shù)量的成熟沙棘果.

采用游標(biāo)卡尺測(cè)量沙棘果果實(shí)圓周直徑和果柄長(zhǎng)度.用電子秤測(cè)量沙棘果質(zhì)量，用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(精度±0.5%)和自制夾具進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉壓試驗(yàn)，測(cè)沙棘果實(shí)橫向抗壓力、縱向抗壓力和沙棘果實(shí)-果柄之間的連接力.用排水法測(cè)量沙棘果密度ρ，計(jì)算得到10組數(shù)據(jù)的平均值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差.測(cè)量結(jié)果表明，沙棘果果實(shí)與果柄結(jié)合力為0.18～1.53 N.沙棘果果實(shí)與果柄物理參數(shù)如表1所示[3].

表1 沙棘果果實(shí)及果柄物理參數(shù)

2.2 輸送系統(tǒng)中沙棘果受力分析

在顆粒的堆積力學(xué)中，考慮的是顆粒因?yàn)橄嗷ソ佑|產(chǎn)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(xué)范疇，輸送系統(tǒng)中氣流對(duì)果粒的平動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程式在直角坐標(biāo)系中可以用以下公式表示，

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：m為果粒質(zhì)量；kg；t為時(shí)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(chǎng)中的受力分析如圖3所示.

圖3 沙棘果受力分析

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

(5)

(6)

對(duì)于果粒流動(dòng)過程中的輸送阻力，利用雷諾數(shù)Re來表示均勻流動(dòng)中單個(gè)果粒的阻力系數(shù)CD為：

(7)

果粒群中阻力系數(shù)和自由流動(dòng)的阻力不同，根據(jù)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(shí)在氣吸管道中隨氣流運(yùn)動(dòng)，不可避免地造成果實(shí)之間或果實(shí)與氣吸管道內(nèi)壁之間的碰撞與摩擦.輸送系統(tǒng)中純氣流的摩擦壓損按達(dá)西公式表述為[6-7]：

(10)

式中：λa為管道的沿程阻力系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度,m;D為管道內(nèi)徑,m;ρa(bǔ)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(duì)氣吸式沙棘果采摘裝置的輸送系統(tǒng)中果實(shí)篩選箱和輸送管道進(jìn)行實(shí)體建模并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸送系統(tǒng)實(shí)體模型如圖4所示.網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示[8-9].

圖4 輸送系統(tǒng)實(shí)體建模

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

對(duì)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(shè)置為固壁邊界條件.

選用離散式求解器進(jìn)行計(jì)算，離散求解器主要用于低速不可壓縮流動(dòng)求解，按照求解動(dòng)量方程、壓力方程的修正方程和組分方程及其他標(biāo)量方程順序求解.

在FLUENT軟件中壓力都是相對(duì)壓力，考慮果實(shí)重力因素，大小為9.81 m·s-2.控制方程離散化時(shí)，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(dòng)，為了保證迭代穩(wěn)定收斂，需要減小松弛因子而減緩收斂速度，仿真時(shí)α設(shè)為0.7.初始值及邊界條件具體數(shù)值如表2所示.

表2 仿真初始值及邊界條件設(shè)定

沙棘果模型，果實(shí)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(jìn)行仿真驗(yàn)證.建立上述實(shí)體模型，確定純氣相初始參數(shù)，如表3所示.

表3 純氣相初始參數(shù)

對(duì)上述模型仿真分析，得到果實(shí)分離箱和輸送管道壓力分布云圖，如圖7所示.

圖7 果實(shí)分離箱和輸送管道壓力分布云圖

根據(jù)果實(shí)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(tǒng)中壓力分布，根據(jù)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(shí)，對(duì)果粒輸送系統(tǒng)中氣體流量與壓力損失的關(guān)系進(jìn)行仿真分析，得到的關(guān)系如圖8所示.

流量/(10-3 m3·s-1)圖8 流量與壓力損失的關(guān)系

由能量守恒原理可知，果粒輸送系統(tǒng)中氣固輸送所消耗能量均是由氣相壓力提供，輸送系統(tǒng)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(jié)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(zhǎng)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(nèi)，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(shí)，管徑32 mm和管徑40 mm在交叉點(diǎn)B時(shí)壓力損失相等，流量在點(diǎn)A與點(diǎn)B區(qū)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(shì)相對(duì)平緩，增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)低于管徑32 mm和管徑40 mm.

(3)經(jīng)過不同管徑時(shí)的壓力損失對(duì)比，可以看出流量在A-B兩點(diǎn)之間時(shí)，管徑32 mm的輸送效率最高，當(dāng)流量高于B點(diǎn)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(fēng)機(jī)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(jié) 論

氣吸式沙棘果采摘裝置工作核心在于氣吸輸送單元，對(duì)沙棘果物理特性進(jìn)行了分析，對(duì)沙棘果在輸送系統(tǒng)中的受力情況進(jìn)行了分析，并用FLUENT流體分析軟件對(duì)不同輸送風(fēng)速、不同管徑的輸送系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析.通過對(duì)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(jìn)入分離箱內(nèi)到出氣口流出時(shí)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致氣流紊亂；氣壓從輸送管入口向出口處逐漸減小.根據(jù)流量與壓力損失關(guān)系，結(jié)合選取風(fēng)機(jī)規(guī)格，得出輸送管口直徑選取30～40 mm比較合適.