藍莓采摘機風力分選系統仿真研究

郭帥 郭艷玲 鮑玉冬

（東北林業大學，黑龍江哈爾濱 150040）お

摘要

風機和振動分選板配合使用，振動分選板安裝呈α傾斜角，風選機產生的氣流給振動分選板上的枝葉一個向上的氣流，使得枝葉離開板面向上，藍莓果呈圓球形，易滾動，受風機氣流影響較小，在分選板上受振動的作用向下滾動，從而得以分離出來。經ADAMS軟件仿真驗證，證明該設計方案具有可行性。所選用的多翼式離心風機，經試驗對比，證明該風機內部氣流的穩定性與風機葉輪直徑大小、葉輪葉片數量、出口位置和大小有關，可根據生產需要進行選擇。

關鍵詞 風力分選；ADAMS；振動仿真

中圖分類號 SB225文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06452-03

基金項目 國家林業局948項目（2011421）東北林業大學大學生創新實驗項目（201210225055）。作者簡介

郭帥（1992-），男，黑龍江雙鴨人，在讀本科生，專業：機械電子工程。*通訊作者，教授，博導，美國密歇根大學研修生，從事機電一體化及農業機械設計與制造研究。

收稿日期 20140521

藍莓，有著“世界水果之王”和“黃金水果”的美譽，是野生漿果中的極品。可廣泛應用于食品、化妝品、保健品等領域，在國際市場上一直呈供不應求態勢，經濟價值十分可觀。權威人士認為，藍莓產業不僅是一項農民致富的產業，更是一項增加人民壽命的健康工程［1-4］。

近年來，接觸式振動收獲機被廣泛應用于藍莓采摘領域［5］。接觸式收獲機通常將振動器直接深入植物冠層內，采用不同類型的振動方式，擊打或梳刷植物枝條，使果實與植株分離，經接果板落入傳送帶上，通過傳送帶輸送，進而收集果實。由于擊打藍莓果枝時，會有大量的枝葉伴隨脫落，最終收集的是果葉的混合物。藍莓果實小且軟，分選困難，二次篩選很可能損壞果實，減少果實的貯存時間；而且人工篩選作業，勞動強度高，生產成本高。因此在藍莓輸送到果實收集裝置的過程中，利用風力分選系統，達到將果實與枝葉等雜質徹底分開的研究顯得尤為重要。

1風力分選裝置工作原理

風力分選裝置采用風機與振動分選板配合使用的原理，其結構如圖1所示［6］。曲柄OF繞著O點以轉速n逆時針轉動，吊桿EDC固結于D點并與機架相連，吊桿AB固結于A點并與機架相連，吊桿EDC和吊桿AB左右搖擺運動，振動分選板BC由曲柄帶動做左右擺動和上下振動運動。振動分選板安裝傾斜角為α。

圖1 振動分選裝置示意圖

振動分選板上方設有風機。 風機產生氣流，給振動分選板中后方的果葉一個向上作用力，將葉片吹離該裝置。振動分選板的左右擺動和上下振動，抖散果葉，使得果葉之間最大程度地分散。由于藍莓果實呈球形，易滾動，受風機氣流的作用影響較小，振動的同時向下滾動。而葉片與分選板之間摩擦系數較大，不易滾動，且葉片受力面積較大，受到氣流作用力大，使得葉片吹離分選板，從而實現果葉的分離的┠康摹＊

2 基于ADAMS振動分選裝置的虛擬設計

2.1 仿真模型的建立

設定建模環境后，利用ADAMS/VIEW中的建模實體LINK，建立機構的實體模型，機構參數，連桿OA、AB、BC、CD、EF、DE長度分別為60、200、120、100、200和800 mm；分選板傾斜角α=23°。利用ADAMS中的Revolution添加約束,如圖2所示。

圖2 仿真模型

2.2 模型的測試

虛擬樣機的研究克服了以往試驗為主的研究方式，降低了對硬件設備和儀器的要求，而且節約了試驗成本。多次的模擬試驗，使試驗結果更具真實性。

為了全面分析分選板位移和速度變化情況，在分選板上前段、中部、后端分別設定P1、P2、P3 3個測試點。當給曲柄設定1 500°/s的驅動，進行仿真分析。分別測試3個點沿垂直方向的位移、沿水平方向的速度，如圖3、4所示。

由圖3可知，在分選板上的測試點P1、P2、P3的振幅是逐漸減小的。由于藍莓果實是球形的，P1點的振幅大有利于藍莓果實的滾落；P3點的振幅較小可以防止葉片的向下滑落。因此，測試點P1、P2、P3的振幅減小有利于果實的向下滾落和葉片的向上拋離。

圖3 振動分選板垂直方向位移變化曲線

圖4 振動分選板水平方向速度變化曲線

由圖4可知，在分選板上的測試點P1、P2、P3的速度是逐漸減小的。P1點的速度大，可以加快與葉片分開的藍莓果實的下落；中間P2點的速度適中，有利于藍莓果葉的抖散；P3點的速度小，可以降低葉片下滑的速度，有利于葉片盡快吹離分選板。

3風機流場的CFD模擬

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是建立在經典動力學與數值計算方法基礎之上的一門新型獨立學科，其基本定義是通過計算機進行數值計算和圖像顯示，分析包括流體流動和熱傳導等相關物理現象的┫低場＊

FLUENT是目前處于世界領先地位的商業CFD軟件包之一，技術成熟，使用廣泛，其工作原理和使用程序代表了目前絕大多數CFD技術軟件的模式，用于模擬和分析復雜幾何區域內的流體流動與傳熱現象的專用軟件，它提供了靈活的網格特性，可以支持多種網格。針對各種復雜流動的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，在特定領域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效地解決各個領域的復雜流動計算問題。

3.1 初始模型的建立和定義邊界條件

設備中預選用多翼式離心式風機，多翼式離心風機具有運轉平穩、噪聲低、流量大、振動小、壽命長等優點。在GAMBIT中建立多翼式離心風機初始模型，葉片為36片，風機出口寬度175 mm， 葉輪轉動區域直徑375 mm。由于風機內部氣體流場具有對稱性，因此風機模型建立二維模型并采用適應性較強的非結構化三角形網格（圖5、6）。在GAMBIT中創建的模型導入FLUENT 6.3中，對網格進行加檢查，選擇求解器和湍流模型，設置物理屬性、運算環境、邊界條件和求解策略，葉片旋轉速度為1 450 r/min，最后進行模型初始化。

圖5 網格整體視圖

圖6網格局部視圖

3.2 模型的測試

設置迭代的次數為500步，當迭代270步時，計算收斂，得到如圖6所示的殘差圖和如圖7所示的速度分布云圖。

圖6 殘差

圖7速度的云分布

對圖7進行分析，可知風機出口處中部出現了高速帶；風機出口處出現了明顯的渦流區域；殼體左下端出現了明顯的高速區；這會影響風機出口處氣流的平穩性，影響風機的分選效率，需要對風機結構進行改進。

3.3 模型的優化

為了減少風機內的漩流和維持風機出口氣流穩定，通過多次試驗，對原有模型進行修改，延長風機出風口通道的距離，增大出風口寬度到320 mm，增加葉片數量到50片，減小葉輪直徑到335 mm,得到風機速度分布云圖和出口截面速度分布圖（圖8、9）。

通過圖8可知，風機出口處氣流穩定，避開了渦流區域。通過圖9可知，風機出口速度變化范圍在1.5~12 m/s之間，速度變化范圍小，而且該范圍滿足藍莓分選的要求。

圖8 速度的云分布

4 結論

該文闡述了風力分選裝置的原理，在ADAMS軟件中建

圖9 出口截面速度分布

立了振動分選板的簡化模型并進行了仿真，分析了振動分選板的振幅和分選板上各點的速度變化，證明了振動分選的可行性。

通過對多翼式離心風機模型的建立，使用FLUENT軟件對風機內部氣流場的模擬，分析風機內部流場，改進風機內部結構。通過試驗對比，可知多翼式離心風機內部氣流的穩定性與風機葉輪直徑大小、葉輪葉片數量、出口位置和大小有關。這為風機的選購提供了一定的依據，進而可提高風選系統的工作效率。

參考文獻

［1］ 王輝,王鵬云,王蜀,等.我國藍莓的發展現狀及前景［J］.農業現代化研究，2008，29(2)：250-253.

［2］ 陳衛.藍莓及營養保健功能［J］.中外食品，2003(7)：34-35.

［3］ 卜慶雁，周晏起.淺析藍莓的營養保健功能及開發利用前景［J］.北方園藝，2010(8):215-217.

［4］ 李亞東，張志東，吳林.藍莓果實的成分及保健功能［J］.中國食物與營養，2002(1)：27-28.

［5］ 陳度，杜小強，王書茂，等.振動式果品收獲技術機理分析及研究進展［J］.農業工程學報，2011，27(8)：195-200.

［6］ 任顏華.啤酒花采摘機振動分選裝置的仿真研究［D］.蘭州：甘肅農業大學，2008.

［7］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業出版社，2009：18-145.