氣吸式紅棗撿拾裝置吸氣室的設計及流場模擬

張學軍,白圣賀,靳 偉,袁盼盼,于蒙杰,鄢金山,張朝書

(1.新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室,烏魯木齊 830052;3.阿拉爾市天典農機制造有限責任公司,新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

20世紀60年代,人們已經開始對落地林果收獲機械進行研究,主要應用于柑橘、核桃等堅果類,但對落地紅棗的收獲機械研究甚少[1-3]。隨著紅棗在我國的大面積種植,加之人工勞動強度大及成本高,迫切需要落地紅棗撿拾機械。紅棗尺寸較小,果皮柔軟,種植模式為矮化密植栽培,對其他的林果撿拾機械借鑒性很小[4-5]。一般集果撿拾裝置主要有機械式和氣力式兩種類型:機械式一般適合外殼堅硬的林果,否則易對林果造成損傷;氣力式能夠保證紅棗的質量和產量不受外界影響,設備簡單,安全性好。

2013年,塔里木大學[6]采用氣吸式設計了一臺紅棗收獲機,具有工作效率高、結構簡單等優點,但易堵塞;同年,北京意美德通科技公司[7]研制了YE3600A型手推式落地紅棗撿拾機械,但含雜率和對風機性能要求較高;2015年,新疆阿布拉·艾拉[8]發明了一種牽引式氣吸紅棗收獲機,操作方便,但能耗大、噪音大;2016年,塔里木大學[9]研制了一種自走式紅棗撿拾機,采收效率較高,但易堵塞吸管;2017年,陜西省農業機械研究所[10]研制了一種氣吸式紅棗撿拾收獲機,但撿拾效率低。

上述機型采用氣吸式撿拾紅棗,對紅棗無損傷但容易堵塞風管,且吸氣室出現較大渦流結構尚需優化,以提高撿拾效果。氣吸式紅棗撿拾裝置中的吸氣室是連接吸管口與負壓風機關鍵部件,承擔著紅棗的運輸和收集工作,是關鍵部件。本文以吸管口與吸氣室為研究對象,對氣流流速與壓強進行流場的數值模擬[11-14],以選擇合適的氣流速度,提高紅棗的撿拾效率,為氣吸式紅棗撿拾裝置的設計提供技術依據。

1 整機結構與工作原理

氣吸式紅棗撿拾裝置主要由吸管口、吸氣室、推動把手、風機、地輪、閉風器、柴油機、傳動系統、行走系統及機架等部件組成,如圖1所示。

1.推動把手 2.閉風器 3.分選裝置 4.吸氣室 5.風機 6.吸氣管 7.柴油機 8.行走系統 9.地輪 10.蓄電池 11.機架圖1 氣吸式紅棗撿拾裝置整體結構Fig.1 Air suction type jujube picking device overall structure。

整個裝置用蓄電池提供給行走系統電源動力,驅動機具向前行駛。在行駛過程中,由人工手持吸管口撿拾落地紅棗。柴油機作為風機的動力,使空氣流場產生壓力差,致使吸氣室形成負壓,便可通過氣吸方式撿拾紅棗,完成撿拾工作。被撿拾的紅棗受到負壓風機產生的吸氣氣流的作用,通過分選裝置分離雜質;紅棗被擋板與分選裝置擋下落入閉風器中,實現紅棗混合物分離,同時隨閉風器旋轉落入棗箱中實現紅棗的收獲。

2 紅棗的懸浮特性

氣力輸送是指采用氣流作為能量的中間載體對物料進行輸送,懸浮速度在其中起著決定性作用,此過程即受力平衡的問題。只要氣流速度大于懸浮速度,紅棗就可以被吸起撿拾;但如果氣流速度選擇過大,吸氣室內渦流現象加劇,會造成與內壁磨損,增大能耗,使紅棗受到損傷,運輸效率降低。

2.1 紅棗模型

裝置主要針對新疆地區所產紅棗的撿拾,因此選取南疆地區的駿棗和灰棗作為研究對象,具有代表性及推廣意義。前期通過對紅棗進行調研試驗,測量和計算出灰棗和駿棗相關參數:縱徑分別為33.58～36.55mm、48.06～55.54mm,兩個腰徑分別為20.01～23.89mm、21.58～24.98mm,28.03～35.23mm、35.65～39.98mm,含水率分別為27.03%、21.91%,平均密度分別為848.59、733.20kg/m3,整果硬度分別為138.688 62、118.702 50N/cm2。

2.2 懸浮速度

在吸起紅棗的過程中,紅棗在氣流中處在懸浮狀態,與地面保持相對不動,此時的氣流速度就是該紅棗的懸浮速度。實際原理就是受力平衡的問題,紅棗受到重力、吸引力及空氣阻力3個力的作用,則紅棗懸浮速度的臨界條件為

式中Cd—阻力常數;

ρq—空氣密度(kg/m3);

x—紅棗的短軸直徑(m);

y—紅棗的長軸直徑(m);

vq—理論氣流的流速(m/s);

v—實際氣流的流速(m/s);

mmax—紅棗的最大質量(g);

g—重力加速度(m/s2);

k—吸起紅棗可靠性系數。

為彌補紅棗大小形狀及棗間碰撞等因素造成計算結果產生的誤差,一般情況下k為1.8～2,取k=2[15-16]。本文根據對紅棗懸浮特性的理論分析與結合試驗,選取臨界流速為v=20.94m/s,但考慮各種因素的影響,確定實際流速為v=42m/s。

3 關鍵部件的設計及建模

3.1 吸管口的設計與建模

吸管口是保證紅棗被吸起撿拾的重要部件,采用直徑為135mm的波紋塑料軟管,具有易于移動、氣密性強及便于彎折等特點,如圖2所示。

圖2 吸管口結構圖Fig.2 Pipette structure diagram。

3.2 吸氣室的設計與建模

吸氣室是氣吸式紅棗撿拾裝置進行紅棗輸送及收集的關鍵部件,進口與吸管口相連起到輸送紅棗作用,出口與風機相連起到分離紅棗混合物的作用。設計時要合理布置空間的位置,提高紅棗的輸送效率,必須保證其內部結構壓力流場與速度流場分布均勻,減少渦流。吸氣室的長寬高大小為589mm×350mm×724mm,各有1個進口與出口,直徑分別為137、180mm,其結構如圖3所示。

圖3 吸氣室結構圖Fig.3 Suction chamber structure。

4 吸管口與吸氣室的流場模擬

4.1 流場模擬

采用Fluent軟件對吸管口及吸氣室內部結構進行流場數值模擬,首先在Gambit中進行三維建模和網格劃分,最后設定邊界條件,將劃分好的網絡以.msh格式導入Fluent軟件中進行模擬計算,選取的氣流速度為42m/s,如圖4所示。

圖4 網格劃分圖Fig.4 Mesh map。

4.2 模擬結果及分析

將在Fluent軟件中模擬計算的結果以.cas和.dat的格式導入Tecplot360軟件,對其進行流暢模擬的后處理,速度流場如圖5所示,壓力流場如圖6所示。由圖5、圖6可知:吸管口與吸氣室的速度與壓力流場比較平穩,均達到撿拾紅棗的要求。因此,便于撿拾紅棗及向吸氣室運輸,且氣流速度與壓力變化范圍不大,減少了紅棗之間及與壁面的摩擦碰撞,提高了撿拾效率。吸氣室的上下底部形成渦流,減少紅棗與壁面的碰撞,可保證紅棗的完整,降低整機能量損失。

圖5 速度跡線圖Fig.5 Speed trace。

圖6 壓強變化圖Fig.6 Pressure change diagram。

4.3 田間試驗

根據仿真結果分析,確定吸管口直徑為135mm,吸氣室進出口直徑分別為137、180mm。當氣流速度為42m/s仿真效果最佳,性能穩定。進行田間試驗驗證,重復3次取其平均值,田間試驗現場,如圖7所示,試驗結果表1所示。

圖7 田間試驗圖Fig.7 Field test chart。

表1 試驗驗證值Table 1 Experiment verification results。

5 結論

1)對紅棗懸浮特性進行了理論分析及前期調研計算,結果表明:灰棗和駿棗含水率分別為27.03%、21.91%,平均密度分別為848.59、733.20kg/m3,含整果硬度分別為138.688 62、118.702 50N/cm2,縱徑分別為33.58～36.55mm、48.06～55.54mm,兩個腰徑為20.01～23.89mm、21.58～24.98mm, 28.03～35.23mm,35.65～39.98mm,實際流速為v=42m/s。

2)通過對吸氣管及吸氣室進行流場分析與數值模擬,確定吸管口直徑為135mm,吸氣室進出口直徑分別為137、180mm。吸管口與吸氣室的氣流速度穩定,且吸氣室的氣流速度大于吸管口流速,有利于紅棗的撿拾與輸送,提高撿拾效率。田間試驗表明:當氣流速度為42m/s、撿拾率平均值為93.11%、含雜率平均值為2.92%時,裝置工作性能穩定。