气力-切割组合式红花丝采摘器气流场力学特性分析

黄　勇，葛　云，张立新，谷家伟，钱　营，梁丹丹

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000)



气力-切割组合式红花丝采摘器气流场力学特性分析

黄勇，葛云，张立新，谷家伟，钱营，梁丹丹

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000)

摘要：针对目前采用气力-切割组合式红花丝采摘器收获时破碎率高的问题，提出在切割分离前增加梳理整形环节的思路，使粘附在果球上的冠状红花丝在负压气流场中竖立悬浮，显露出红花缩颈切割部位，便于准确切割，从而减少红花丝破碎率。利用空气动力学理论，以提高吸附效率为优化目标，建立红花丝在气流场作用下梳理整形过程的动力学模型，揭示气流的流动变化规律。试验测得裕民无刺红花花丝最大迎风面积为11～40mm2，当负压气流速度大于2.78 m/s时，即可完成红花丝的梳理整形。

关键词：红花；采收；梳理整形；气流场

0引言

红花(Safflower)为一年生油药兼用植物，根据地域和气候不同，采收时间一般在6月底-9月初[1-2]。目前，红花丝的收获主要靠人工徒手采摘，由于采收期短、效率低、劳动强度大，因此亟需实现红花采收机械化。

一般红花开花后的第 3 天采收，黄色素和腺苷含量最高[3]， 药用价值最高。红花开放3天以后，花丝含水率迅速下降、萎蔫，粘贴在瘦果之上，无论人工还是目前的采收机械都很难采收。因此，不论从药用价值还是采收难度考虑，都应尽快尽早采收鲜花。

目前，红花丝的机械化采收主要有采收鲜花丝的切割式机械和采收干花丝的气力式机械[4-5]。前者效率高、红花破碎率大；后者虽破碎率小，适应性广，但因负压气室内气流场分布影响因素多、受负压吸力所限，采摘效率低。本文在上述两种采摘机理的基础上，增加负压梳理整形环节[6-7]，提出一种新的气力-切割组合式红花丝采摘方式。在红花丝采收过程中，利用负压进行梳理整形可提高红花丝的采摘效率和质量。

为此，针对气力-切割组合式红花丝采摘器气流梳理整形环节，建立红花丝在气流场作用下梳理整形的动力学模型，揭示气流场的梳理整形机理和气流的流动变化规律。

1组成和工作原理

气力-切割组合式红花丝采摘器主要由花丝整理装置、回转切割装置、花丝收集装置，以及外壳、手柄和传动部分组成，如图1所示。其中，花丝梳理整形装置包括果球定位口、吸花口、负压风机；花丝回转切割装置包括行星轮机构、动力电机、刀具及刀杆；花丝收集装置包括储花室、滤网及负压风机等。

1.负压风机　2.过滤系统　3.储花室

红花丝采收主要分3个阶段：①梳理整形阶段，红花丝在气流场负压作用下由自然生长状态向上旋转运动至直立竖直状态。②切割分离阶段，红花丝在切割刀片切割力作用下与果球分离。③收集输送阶段，分离后的红花丝在气流场负压作用下收集、输送至储花室。

采收时，将果球定位口抵在果球上，负压风机转动产生吸气流，呈冠状的红花丝在吸花嘴内经过吸气流的梳理作用竖立起来，露出花丝与瘦果连接处；此时动力电机转动，经行星轮系传动装置带动刀具旋转切割，实现花丝与瘦果的分离；采摘下的花丝受到吸气流向上的作用被输送至储花室内，在滤网阻挡下，气流向后排除，花丝则留在储花室内存储，实现气物分离，完成红花花丝的采摘、输送及收集工作。

2红花丝梳理整形阶段动力学分析

2.1　梳理整形装置负压气流场

红花丝在气流场中的运动属于气固二相流[8]，采用Lagrange方法描述红花丝的轨迹与取向，红花丝长宽比为5.1～7.3。计算时设定：流体为连续介质；忽略红花丝对流场的扰动；红花丝为稀相；红花丝的长度远小于流场的特征尺度，因此每个红花丝的运动可视为Stokes流动。

标准大气压下，空气密度为1.2kg/m3，粘性系数为1.8×10-5Pa/s，雷诺数为Re=18 665.2>2 300,红花丝梳理整形装置工作过程中的流场为湍流[9]。

气压源工作流量为310m3/h，红花丝梳理整形装置气流进口直径为20mm。常温时，气体比热比K=1.4，气体常数R=287 J/(kg·K)，绝对温度T=293K，通过马赫系数Ma判断流动气体是否可压缩。Ma表达式为[10]

(1)

式中υ—流体速度(m/s)；

K—气体比热比；

R—气体常数(J/kg·K)；

T—气体常数(K)。

通过马赫系数计算，得到马赫数Ma=0.13<0.3。因此，红花丝吸花口流体区域气体可作为不可压缩进行计算。

2.2　红花丝在气流中的受力分析

Magnus升力是指红花丝转动时产生的一个与流动方向垂直的、由逆流侧指向顺流侧方向的力，其表达式为

FM=4πa2lρων

(2)

式中ρ—红花丝的密度(kg/m3)；

ω—颗粒旋转角速度(rad/s)；

υ—空气和物体的相对速度。

(3)

式中A—流体密度为物体在垂直于相对速度方向上的投影面积；

C—空气阻力系数；

ρf—空气的密度(kg/m3)。

红花丝浮力为

(4)

式中ρs—红花丝的密度(kg/m3)；

m—红花丝质量(kg)；

g—重力加速度(m/s2)。

红花丝受到的重力为

Fg=mg

(5)

在气流负压力作用下，当平均风速为某一临界值时，个别红花丝受湍流和压力脉动的影响，开始振动或前后摆动，但不离开原来位置；当风速增大并大于临界值后，振动也随之加强，迎面阻力(拖曳力)和上升力相应增大，并足以克服重力的作用，较大的旋转力矩促使部分红花丝向上运动并绕自身主轴旋转，从而逐渐完成红花丝的梳理整形。

图2　花丝梳理整形过程示意图

2.3　红花丝梳理整形的临界起动速度

红花丝在负压作用下脱离静止状态，获得向上加速度的条件是红花丝向上作用力之和大于向下作用力之和(见图2)，其表达式为

FM+Fr+Fb>Fg

(6)

当物料处于临界速度时，则

(7)

红花获得动力能被梳理整形的临界条件为

(8)

由式(8)可知：红花丝临界速度的大小与空气阻力系数及迎风面积成反比。

在相同的负压功率下，通过变化流道结构参数，红花丝可获得不同的运动特性。本文选择圆管流场和收缩流场，对比红花丝在流场运动时速度梯度变化效果及红花丝的取向分布。

2.4　气流速度与流道断面积的关系

气体一元流的连续方程式为

ρυA=常数

取对数可得

ln(ρυA)=lnρ+lnυ+lnA=C

进行微分计算，则

(9)

由一元流伯努利方程式[11-12]得

忽略气体的质量力，则力的势函数W=0，等熵气流不计摩擦，则∫fds=0。将点的速度换成气流平均速度υ，则

进行微分计算，则

(10)

将式(9)代入式(8)，则

(11)

因马赫数Ma=0.13，属于亚声速流动，且Ma<1，由式(10)可知：如果dυ>0，则dA<0。这说明，亚声速气流沿流线加速运动时，其过流断面面积一定是逐渐减小的，即收缩管道是亚声速加速管[13]。红花丝的梳理整形的内部气流场应为收缩流场，才可获得能使红花丝由静止达到临界起动继而加速直立的横向速度梯度，红花丝取向才会趋向于气体流动方向。

收缩流场指流体从宽口端流进、窄口端流出，具体设计参数与红花尺寸参数匹配，如图3所示。其中，吸花嘴气流入口尺寸为红花果球平均直径D，出口尺寸为红花丝与果球之间的缩颈直径b，管道长度为花丝长度L。

图3　红花丝收缩流场结构参数示意图

3红花丝迎风面积的实验法测量

试验选用品种为裕民无刺红花，属油花兼用型品种，株高80～100cm，最低分枝高度35～40cm，一次有效分枝6～9个，二次有效分枝7～10个，全株花球10～30个,裕民县科技局种子站提供。

红花丝在风力系统中的受力状况与红花丝的姿态角α有关(见图2)，且红花丝为细长状，与球体相距甚远，不能以等效球体来处理，因此需通过试验法测量出红花丝的迎风面积。由不同成熟度的红花丝表面结构存在明显差异(见图4)可知：其迎风面积差别也较大。红花丝在空气中的姿态角α也在负值、零、正值之间变化，所以试验法测量时只测红花丝垂直最大投影面积。

测量时，样本的选取首先依据果球直径大小，将果球以3mm为直径差从大到小分为A、B、C、D、E这5个等级组。对每一等级的红花任意选取20朵标号，从开花后的第1天至第6天分别挂牌标记，在上午9点连续5天采摘；采摘时将花丝与果球的缩颈连接处横向剪断，将花丝自然地放置在带有长度标识的白纸上，用三角架固定数码相机，在等高等焦距的状态下清晰拍摄花丝及长度标识线段；利用电子图像测量分析软件Digimizer4.2.4，通过长度标定线段像素，测得花丝垂直于纸面方向上的投影面积数值，其值即为红花丝的最大投影面积。经测量和梳理统计分析，得到具体数据，如图5所示。红花丝的最大迎风面积为11～40mm2。

图4　红花丝开花后不同天数形态

图5　不同成熟度花丝形态尺寸变化曲线

由流体力学[14-15]可知：当103≤Re≤2×105时，附面层的分裂点基本稳定不变，阻力系数C基本上为一个常数，其值约为0.44。

由式(8)计算可知：正常情况下，空气阻力的大小与空气阻力系数、迎风面积及速度的平方成正比。因此，采用正对花冠的采收角度可降低迎风面积。一般情况下，当负压吸气流速度大于2.78m/s时，即可顺利完成红花丝的梳理整形工作，为切割分离准备最佳分离采收姿态。

4结论

1) 建立了红花丝梳理整形过程动力学模型。正常情况下，空气阻力的大小与空气阻力系数、迎风面积及速度平方成正比。因此，采用正对花冠的采收角度可降低迎风面积。

2)一般情况下，当负压吸力大于2.78m/s时，即可顺利完成红花丝的梳理整形工作，为切割分离准备最佳分离采收姿态。

3)试验测量了红花丝的最大迎风面积为11～40mm2。

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Dynamic Model for Sucking Process of Pneumatic-cutting Type Safflower Harvest Device

Huang Yong, Ge Yun, Zhang Lixin, Gu Jiawei, Qian Ying, Liang Dandan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：The research object of this paper was safflower filament harvest device which based on pneumatic-cutting principle.In the study,established dynamical model in the process of the safflower filaments sucking up by air flow,measured the value of safflower filaments upwind area and calculated the required negative pressure power that made safflower filaments rise.And took the larger nozzle outflow and airspeed as optimization objective. The results of safflower filament upright bench experiment were consistent with the theoretic analysis and simulation conclusion,and showed the correctness of the dynamical model and suction flower mouth orifice shapes simulated analysis.The conclusion in this paper could provide parameters related material properties of aerodynamics for pneumatic safflower harvest machinery,and also provided support of basic theory for developing safflower filaments picking machinery.

Key words：safflower; harvesting; upright; pneumatic

中图分类号：S225；TH113

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0041-05

作者简介：黄勇(1968-),男，四川广汉人，高级试验师，(E-mail) gy_shz@163.com。通讯作者：葛云(1974-)，女，河南临颖人，副教授，硕士，(E-mail)1473875971@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51565050，51365049)；新疆维吾尔自治区科技支撑计划项目(201511107)

收稿日期：2015-09-17