花椒采摘机流场模拟

岳元满， 孙浩博， 蒲 军， 何存财， 黄晓鹏， 万芳新

(甘肃农业大学机电工程学院，兰州 甘肃 730070)

花椒具有止痛、散寒、解毒等功效[1]，可作为食用调料和化妆品[2]。全国花椒种植面积约175万hm2，主要分布在甘肃、陕西等干旱或半干旱地区，由于花椒具有较好的经济效益，其种植面积每年以20%～30%的速度增加[3-5]。由于花椒果树多刺，果实较小，机械化采收难度大，目前多以人工采摘为主，制约了花椒产业的发展。近年来国内关于小果实采收机械化的研究取得了长足进步，张文强等[6]设计并优化了一种变间距梳刷式枸杞采收装置，实现了枸杞与枝条的脱离以及枸杞与梳刷指分离，但对果实损伤大。曹卫彬等[7-9]通过对梳夹式红花采收机高限位装置进行参数优化，提高了采净率，同时降低了花球损伤率。姬长英等[10]设计了一种梳割气吸一体式贡菊采摘机实现了花朵分期采摘、及时采摘、完整采摘的要求。但目前针对花椒采收机械鲜有报道，为解决花椒采收面临的实际问题，课题组设计了一种梳齿-气吸式花椒采摘机，实现了不同品种花椒采摘[11]，为进一步探索花椒与采收机流场的相互作用关系，本研究针对对梳齿-气吸式花椒采摘机的采摘装置和输送装置进行流场模拟，以此为采收机结构优化提供依据。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

梳齿-气吸式花椒采摘机整机结构如图1所示，主要由采摘装置、收集装置、行走装置、汽油发电机、轴流式风机、变频器等部件构成。

图1 花椒采摘机整机结构1.行走装置；2.汽油发电机；3.收集装置；4.采摘装置；5.轴流式风机；6.变频器；7.电瓶

1.2 工作原理

工作时，首先启动汽油发电机，再启动轴流式风机为花椒的输送做好准备。采摘装置的微型电机带动梳齿式刀片旋转，将采摘头移至花椒果实串处，旋转刀片对花椒果梗进行剪切、牵拉收集，掉落到收集盒的花椒果实再由输送管通过轴流式分机产生的负压作用，经筛板的筛选作用掉落到收集箱中，经过一定时间作业可将收集箱中收集的花椒取出进行装袋或装箱。

2 流场模拟

2.1 采摘装置流场分析

花椒粒在采收过程中容易造成破损，但是在试验时很难确定花椒粒破损是在采摘阶段还是收集阶段，因此可通过仿真试验找出具体花椒破损的时间段，为后续优化整机提供理论基础。

采摘装置结构如图2所示，主要由手柄、微型电机、联轴器和梳齿等组成，其中梳齿是采摘装置的重要组成构件，作业时由于梳齿的高速旋转在梳齿内区和采摘盒中产生了较强扰动的气流场。

图2 采摘装置结构1.手柄；2.微型电机；3.联轴器；4.梳齿

2.1.1 参数设定

流场模拟前期对采摘头周围流场做了理论分析，为了验证理论分析的正确性，选取采摘头的旋转速度与输送气流的速度为指标进行模拟仿真，各因素所选水平见表1。

表1 不同转速与气流输送速度的试验参数表

在SolidWorks 2019软件中建立采摘装置三维模型，为了后期仿真的准确性将采摘装置三维模型优化。将优化模型导入GAMBIT进行网格划分再导入到Fluent17.0中。对模型经过非结构网格划分共产生114 067个网格。其中采摘梳齿产生19 747个网格，壁面产生6 520个网格，内部流体域共产生87 800个网格[12]。

由于模型中有以旋转方式运动的采摘头，所以在Fluent17.0中仿真时采用MRF模型。优化后模型如图3所示。箱体上出口为边界条件outlet，设置其为压力出口。箱体下出口为边界条件inlet，设置其为速度入口。对动静区域设置交界面，以保证2个区域在仿真中可以发生数据交换。

图3 流体域动静区域模型

2.1.2 求解分析

通过计算得出采摘头在不同旋转速度与不同气流时耦合流场的压力云图如图4所示。

图4 耦合流场压力云图

由于仿真结果很难看出采摘头旋转过程中梳齿周围的气流场变化，因此将图4延采摘装置与采摘头中心轴剖切得出如图5的压力云图。

图5 耦合流场压力云图剖切图

通过对比分析四组试验得出的云图发现，第二组试验中，当梳齿旋转至底部时梳齿背面压力接近0 Pa，周围气流场压力为-200～400 Pa，压差较大，对于减小花椒破损率，增大气流对花椒的输送力具有明显优势，因此最终可选用输送气流速度30 m/s，采摘头旋转速度300 r/min。

2.2 输送管中气流与花椒粒的耦合仿真

2.2.1 参数及环境设置

花椒粒在输送装置中运动时花椒粒会与输送管壁发生碰撞，其在管道折弯处时碰撞力较直处大。由流体力学的知识可知不同的气流速度时气流对花椒粒的作用力也不相同，由理论计算可知输送气流速度应大于30 m/s，为了能使花椒粒在输送管道中输送自如，但又对花椒粒不造成破损，因此选择30～40 m/s的气流速度。设置不同输送气流速度见表2。

表2 不同输送气流时的仿真试验参数

花椒粒的长半径为4.5 mm，短半径为4.0 mm，完成对花椒粒的离散元建模如图6示，属性参数见表3。

图6 椒粒离散元模型

表3 花椒粒物料属性表

选取输送管道中花椒粒在输送时最容易发生碰撞的部位为模拟仿真对象，即输送管与收集装置的连接处为90°的弯管，花椒粒在此处受气流场变化的影响运动轨迹发生变化，易发生碰撞，因此在弯管处作花椒的碰撞破损分析具有代表性，同上对输送管进行模型建立于网格划分。

对花椒在管道内受气流作用的运动，采用CFD-DEM气固耦合法进行模拟。在EDEM中采用多球面聚合法建立单个花椒模型，其他所需参数见表3，仿真中从管道入口每秒产生50个花椒颗粒，在Fluent17.0中分别设置入口风速为30 m/s、35 m/s、40 m/s进行仿真。

2.2.2 求解分析

管壁与花椒碰撞力的大小主要与输送气流在弯管处的气流速度相关，加速度越大花椒与弯管的碰撞力就越大，因此首先求解出弯管中不同气流速度的速度场云图，不同气流输送速度下管道截面风速变化如图7所示。

图7 不同气流输送速度下管道截面风速变化

通过计算得出仿真时长为2 s时管道内花椒运动DEM-CFD耦合云图，管道内花椒运动DEM-CFD耦合云图如图8所示。由于从图8很难看出花椒粒与输送管之间的碰撞力，因此只列出一组耦合云图，具体试验数据如图9所示。

图8 管道内花椒运动DEM-CFD耦合云图

通过观察图7三组数据发现气流速度在弯管处的气流最大值与最小值之间差值为12～14 m/s，几乎无差异，输送气流对花椒产生的加速度几乎相等。从图9中看出，在三种气流输送速度下，花椒粒与管壁之间的平均碰撞力最大值为0.12 N，均远小于花椒压破时的力，并经过实际的试验测量发现在输送过程中不会对花椒粒造成损伤。但是试验时发现，当气流速度大于35 m/s时，气流场对花椒叶的吸附作用较强，导致含杂率增高，因此气流输送速度应选择小于35 m/s。

图9 不同风速下花椒与壁面碰撞力

3 结论

通过SolidWorks2019软件对采摘装置和输送装置进行建模，运用DEM-CFD方法仿真气固两相流的运动和受力情况，利用FLUENT-EDEM耦合对采摘装置中的流场进行分析，通过求解器得出所需要数据及耦合云图。通过分析仿真数据得出：当气流速度大于35 m/s时气流场对椒叶有较强的吸附作，导致含杂率升高，所以气流速度应小于35 m/s。选择最佳输送气流速度30 m/s，采摘头旋转速度300 r/min，当气流速度分别为30 m/、34 m/、40 m/s时，花椒粒对90°输送管管壁的最大平均碰撞力为0.12 N，研究可为进一步优化整机结构提供理论依据。