气吸式红枣捡拾装置吸气室的设计及流场模拟

张学军,白圣贺,靳 伟,袁盼盼,于蒙杰,鄢金山,张朝书

(1.新疆农业大学 机电工程学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室,乌鲁木齐 830052;3.阿拉尔市天典农机制造有限责任公司,新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

20世纪60年代,人们已经开始对落地林果收获机械进行研究,主要应用于柑橘、核桃等坚果类,但对落地红枣的收获机械研究甚少[1-3]。随着红枣在我国的大面积种植,加之人工劳动强度大及成本高,迫切需要落地红枣捡拾机械。红枣尺寸较小,果皮柔软,种植模式为矮化密植栽培,对其他的林果捡拾机械借鉴性很小[4-5]。一般集果捡拾装置主要有机械式和气力式两种类型:机械式一般适合外壳坚硬的林果,否则易对林果造成损伤;气力式能够保证红枣的质量和产量不受外界影响,设备简单,安全性好。

2013年,塔里木大学[6]采用气吸式设计了一台红枣收获机,具有工作效率高、结构简单等优点,但易堵塞;同年,北京意美德通科技公司[7]研制了YE3600A型手推式落地红枣捡拾机械,但含杂率和对风机性能要求较高;2015年,新疆阿布拉·艾拉[8]发明了一种牵引式气吸红枣收获机,操作方便,但能耗大、噪音大;2016年,塔里木大学[9]研制了一种自走式红枣捡拾机,采收效率较高,但易堵塞吸管;2017年,陕西省农业机械研究所[10]研制了一种气吸式红枣捡拾收获机,但捡拾效率低。

上述机型采用气吸式捡拾红枣,对红枣无损伤但容易堵塞风管,且吸气室出现较大涡流结构尚需优化,以提高捡拾效果。气吸式红枣捡拾装置中的吸气室是连接吸管口与负压风机关键部件,承担着红枣的运输和收集工作,是关键部件。本文以吸管口与吸气室为研究对象,对气流流速与压强进行流场的数值模拟[11-14],以选择合适的气流速度,提高红枣的捡拾效率,为气吸式红枣捡拾装置的设计提供技术依据。

1 整机结构与工作原理

气吸式红枣捡拾装置主要由吸管口、吸气室、推动把手、风机、地轮、闭风器、柴油机、传动系统、行走系统及机架等部件组成,如图1所示。

1.推动把手 2.闭风器 3.分选装置 4.吸气室 5.风机 6.吸气管 7.柴油机 8.行走系统 9.地轮 10.蓄电池 11.机架图1 气吸式红枣捡拾装置整体结构Fig.1 Air suction type jujube picking device overall structure。

整个装置用蓄电池提供给行走系统电源动力,驱动机具向前行驶。在行驶过程中,由人工手持吸管口捡拾落地红枣。柴油机作为风机的动力,使空气流场产生压力差,致使吸气室形成负压,便可通过气吸方式捡拾红枣,完成捡拾工作。被捡拾的红枣受到负压风机产生的吸气气流的作用,通过分选装置分离杂质;红枣被挡板与分选装置挡下落入闭风器中,实现红枣混合物分离,同时随闭风器旋转落入枣箱中实现红枣的收获。

2 红枣的悬浮特性

气力输送是指采用气流作为能量的中间载体对物料进行输送,悬浮速度在其中起着决定性作用,此过程即受力平衡的问题。只要气流速度大于悬浮速度,红枣就可以被吸起捡拾;但如果气流速度选择过大,吸气室内涡流现象加剧,会造成与内壁磨损,增大能耗,使红枣受到损伤,运输效率降低。

2.1 红枣模型

装置主要针对新疆地区所产红枣的捡拾,因此选取南疆地区的骏枣和灰枣作为研究对象,具有代表性及推广意义。前期通过对红枣进行调研试验,测量和计算出灰枣和骏枣相关参数:纵径分别为33.58～36.55mm、48.06～55.54mm,两个腰径分别为20.01～23.89mm、21.58～24.98mm,28.03～35.23mm、35.65～39.98mm,含水率分别为27.03%、21.91%,平均密度分别为848.59、733.20kg/m3,整果硬度分别为138.688 62、118.702 50N/cm2。

2.2 悬浮速度

在吸起红枣的过程中,红枣在气流中处在悬浮状态,与地面保持相对不动,此时的气流速度就是该红枣的悬浮速度。实际原理就是受力平衡的问题,红枣受到重力、吸引力及空气阻力3个力的作用,则红枣悬浮速度的临界条件为

式中Cd—阻力常数;

ρq—空气密度(kg/m3);

x—红枣的短轴直径(m);

y—红枣的长轴直径(m);

vq—理论气流的流速(m/s);

v—实际气流的流速(m/s);

mmax—红枣的最大质量(g);

g—重力加速度(m/s2);

k—吸起红枣可靠性系数。

为弥补红枣大小形状及枣间碰撞等因素造成计算结果产生的误差,一般情况下k为1.8～2,取k=2[15-16]。本文根据对红枣悬浮特性的理论分析与结合试验,选取临界流速为v=20.94m/s,但考虑各种因素的影响,确定实际流速为v=42m/s。

3 关键部件的设计及建模

3.1 吸管口的设计与建模

吸管口是保证红枣被吸起捡拾的重要部件,采用直径为135mm的波纹塑料软管,具有易于移动、气密性强及便于弯折等特点,如图2所示。

图2 吸管口结构图Fig.2 Pipette structure diagram。

3.2 吸气室的设计与建模

吸气室是气吸式红枣捡拾装置进行红枣输送及收集的关键部件,进口与吸管口相连起到输送红枣作用,出口与风机相连起到分离红枣混合物的作用。设计时要合理布置空间的位置,提高红枣的输送效率,必须保证其内部结构压力流场与速度流场分布均匀,减少涡流。吸气室的长宽高大小为589mm×350mm×724mm,各有1个进口与出口,直径分别为137、180mm,其结构如图3所示。

图3 吸气室结构图Fig.3 Suction chamber structure。

4 吸管口与吸气室的流场模拟

4.1 流场模拟

采用Fluent软件对吸管口及吸气室内部结构进行流场数值模拟,首先在Gambit中进行三维建模和网格划分,最后设定边界条件,将划分好的网络以.msh格式导入Fluent软件中进行模拟计算,选取的气流速度为42m/s,如图4所示。

图4 网格划分图Fig.4 Mesh map。

4.2 模拟结果及分析

将在Fluent软件中模拟计算的结果以.cas和.dat的格式导入Tecplot360软件,对其进行流畅模拟的后处理,速度流场如图5所示,压力流场如图6所示。由图5、图6可知:吸管口与吸气室的速度与压力流场比较平稳,均达到捡拾红枣的要求。因此,便于捡拾红枣及向吸气室运输,且气流速度与压力变化范围不大,减少了红枣之间及与壁面的摩擦碰撞,提高了捡拾效率。吸气室的上下底部形成涡流,减少红枣与壁面的碰撞,可保证红枣的完整,降低整机能量损失。

图5 速度迹线图Fig.5 Speed trace。

图6 压强变化图Fig.6 Pressure change diagram。

4.3 田间试验

根据仿真结果分析,确定吸管口直径为135mm,吸气室进出口直径分别为137、180mm。当气流速度为42m/s仿真效果最佳,性能稳定。进行田间试验验证,重复3次取其平均值,田间试验现场,如图7所示,试验结果表1所示。

图7 田间试验图Fig.7 Field test chart。

表1 试验验证值Table 1 Experiment verification results。

5 结论

1)对红枣悬浮特性进行了理论分析及前期调研计算,结果表明:灰枣和骏枣含水率分别为27.03%、21.91%,平均密度分别为848.59、733.20kg/m3,含整果硬度分别为138.688 62、118.702 50N/cm2,纵径分别为33.58～36.55mm、48.06～55.54mm,两个腰径为20.01～23.89mm、21.58～24.98mm, 28.03～35.23mm,35.65～39.98mm,实际流速为v=42m/s。

2)通过对吸气管及吸气室进行流场分析与数值模拟,确定吸管口直径为135mm,吸气室进出口直径分别为137、180mm。吸管口与吸气室的气流速度稳定,且吸气室的气流速度大于吸管口流速,有利于红枣的捡拾与输送,提高捡拾效率。田间试验表明:当气流速度为42m/s、捡拾率平均值为93.11%、含杂率平均值为2.92%时,装置工作性能稳定。