红枣收获机吸拾过程运动仿真分析及试验

杜许怀,韩长杰,朱雪峰,李光新,燕长辉

(新疆农业大学 机电工程学院,乌鲁木齐 830052)

0 引言

新疆是我国红枣主要产区,2019年产量达372.8万t,占全国产量的49.95%[1]。近年来,随着新疆红枣矮化密植模式的种植推广,其消费市场逐渐饱和,收购价格有明显下降趋势[2-4];在劳动力价格日益增长的趋势下,种植成本较高,利润空间压缩严重。目前,红枣多以干果形式食用,收获作业主要针对完熟期红枣,收获方式多以人工敲落、捡拾为主,还要利用小型清选机进行除杂、清选作业[5-6],收获机械使用较少,收获成本投入较高。

现阶段,新疆红枣收获机械的发展虽然处于全国前列,但与形成实质性生产力还有一定距离。石河子大学研发了一款骑跨式红枣收获机,工作时机具骑跨在枣树上,可对成行的果树进行连续性工作,但无法对落地的红枣进行捡拾,损失率较高[7-8]。张亚欧设计研究了一种落地红枣捡拾装置,工作时由挑果机构将地面上的红枣挑起,经输送机构输送到后方收集箱位置。试验表明:该机具捡拾效率超过95%,但挑果杆对红枣损伤严重,收获品质较低,造成较大经济损失,捡拾效率也比较有限[9]。党凯峰等人研发了一种红枣气吸式捡拾装置,工作时由风机提供吸力,手持式吸管对准落地红枣,红枣被吸入后经气吸管道进入沉降室,属于半自动捡拾设备,能一定程度上提高采收效率[10-13]。

综上所述,红枣收获机械的研究对我国新疆红枣产业的发展很有意义。在此,主要对落地红枣收获机吸拾过程中吸拾管道的弯曲状态对机具性能指标的影响进行研究,旨在为机具后续优化改进提供理论依据和方向。

1 材料与方法

1.1 机具吸拾结构及工作原理

机具吸拾结构主要由吸拾管道、阻挡栅、翻草器、气吸室、风机、排杂闭风器及卸料闭风器等组成,如图1所示。吸拾管道连接在气吸室前,气吸室后部接风机吸气口,连接处密封;气吸室入口处安装有阻挡栅,阻挡栅后安装了翻草器;阻挡栅和翻草器下部为卸料闭风器,气吸室后下部为排杂闭风器;排杂闭风器上部与翻草器后方加焊圆孔阻板。吸拾由风机提供风力,在吸拾管道和气吸室内形成负压条件,依靠人力操作,将吸拾管道吸口直接靠近物料,物料在环境压力作用下被吸进管道,随气流进入气吸室;红枣及较大块状杂物会与阻挡栅发生碰撞,向下沉降,在卸料闭风器工作下排出气吸室;细小、轻质杂物会穿过阻挡栅在翻草器和风力作用下向后运动,在气吸室后部沉降至排杂闭风器排出,一部分灰尘等微小杂物进入风机被吹出。

1.吸拾管道 2.阻挡栅 3.翻草器 4.气吸室 5.风机 6.排杂闭风器 7.卸料闭风器图1 吸拾结构示意图Fig.1 Structural diagram of suction pickup structure

1.2 红枣物料特性测定

红枣物料特性测试样品选自新疆维吾尔自治区喀什地区麦盖提县四十五团三连、六连灰枣果园,树龄在10年左右,收获期落地红枣,取样时间为2021年11月。选取红枣时,应确保外观完整,无破裂、无畸形等缺陷问题。

收获期落地红枣形状为较均匀,形状类似于椭球形,主要测量红枣的长、宽、厚。测量时,随机从每个区域30颗红枣中随机选取5颗红枣,进行编号,每个果园为1组,即50颗红枣为1组,用游标卡尺测量每颗枣长、宽、厚数值,记录数据;两处果园一共测量100颗红枣,再求其相关平均值。

红枣质量测量时,将电子秤放置水平桌面上调校,利用标准砝码进行校准,使用前要注意电子秤调零。使用时,将红枣尽可能放置在称量托盘中央位置,电子秤显示数值不变后再记录数据,将编号测量完三轴尺寸后的3组红枣依次使用天平对单粒红枣进行称量并记录数据。

红枣单粒体积测量采用液浸法,以纯净水为介质,利用滴管使红枣没入量筒液面下,液面上升体积即单粒红枣体积。将编号测量完单粒体积的3组红枣依次进行体积测量,依次记录数据。

红枣密度计算公式为

(1)

其中,ρ为单粒红枣平均密度(g/cm3);M为单粒红枣质量(g);V为单粒红枣体积(cm3)。

利用物料悬浮试验台对红枣悬浮速度进行测量,如图2所示。在枣园中随机选取50粒红枣,随机分为10组,每组5粒。每次投入1组红枣进行悬浮速度测量,分别记录每组5粒红枣的悬浮位置,对悬浮速度进行换算,记录数值,再求悬浮速度的平均值。

图2 红枣悬浮速度的测量Fig.2 Measurement of suspension velocity of jujube

该物料悬浮试验台通过记录测量物料在透明锥形管所处位置和透明锥形管上端口风速,利用公式(2)进行悬浮速度计算[14],即

(2)

其中,S为测试红枣在透明锥形管悬浮位置横截面面积(m2);S1为透明锥形管顶端横截面积(m2);S2为透明锥形管底部横截面积(m2);H为透明锥形管高度(m);h为测试红枣在透明锥形管中悬浮位置高度(m);v为测试红枣悬浮速度(m/s);v1为透明锥形管顶端横截面积处风速(m/s)。

1.3 吸拾管道及物料模型建立

吸拾管道在吸送过程中随着作业半径的不同,其弯曲程度也不同,如图3所示。

图3 吸拾管道弯曲程度示意图Fig.3 Structural diagram of suction pickup structure

为验证吸拾管道弯曲程度差异对物料吸送过程中物料速度的影响,借助Solid Works软件以弯曲程度最大状态与最小状态为参考建立吸拾管道模型。吸拾管道直径为180mm,总长为3.10m,弯曲管道的弯曲半径均取250mm,由可弯曲伸缩的螺纹管和供料器两部分组成;模型建立时将其简化为一体的圆形管道,管道材料为聚氨酯,密度为50kg/m,泊松比为0.42。

物料主要由红枣和杂物组成,主要杂物有枣树枝、树叶、土粒,以红枣物料特性测定为基础,建立红枣模型。通过对杂物的分类及特性进行研究,参考相关农业物料物理特性,确定了主要杂物枣树枝、树叶、土粒物料参数,根据前期测量与经验总结红枣与杂物质量比约为6:3、枣树枝、树叶、土粒质量比约为2:1:1。各物料模型示意图如图4所示,所用软件为EDEM2018。

图4 物料模型示意图Fig.4 Schematic diagram of material model

1.4 流固耦合仿真

首先,利用ANSYS软件Fluent模块对空气在吸拾管道最大弯曲和最小弯曲状态下的流动做仿真分析。在此,主要对其速度进行分析。空气密度取1.225 kg/m3,根据气力输送原理,吸口风速取红枣理论输送速度(即红枣最大悬浮速度的1.5倍),气流粘度取1.8×10-5kg/m·s;再利用EDEM软件和ANSYS软件Fluent模块进行流固耦合仿真[12,15],对物料在两种状态下吸拾管道中运动做径向仿真,主要对物料在不同状态管道中的运动速度进行分析。物料主要仿真参数如表1所示。

表1 物料主要仿真参数设置Table 1 Material model setting parameters

根据离散元接触模型理论,碰撞恢复系数反应物料与物料、物料与器具间碰撞反弹现象。试验表明:物料处于密相堆积运动时,没有明显碰撞反弹等现象,碰撞恢复系数的取值几乎不影响计算结果;物料颗粒与器具间的静摩擦因数和滚动摩擦因数对仿真结果的影响远小于物料颗粒与物料颗粒间的静摩擦因数和滚动摩擦因数。试验证明:物料颗粒与物料颗粒间的滚动摩擦因数对仿真结果有较大影响[16]。本仿真方案中,通多直接测定和虚拟标定的方法,结合经验对物料与管道间的碰撞恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数进行设置,对影响较小的参数进行参考预估,具体取值如表2所示。

表2 物料主要仿真参数设置Table 2 Material model setting parameter

1.5 捡拾对比试验方法

1)试验于2021年11月在新疆昌吉回族自治州玛纳斯县塔西河工业园区祥和农机有限公司进行,试验过程如图5所示。试验物料来自于新疆喀什地区巴楚县48团矮化密植果园,红枣品种为灰枣,树龄为10年左右,树高3m左右。红枣及杂物为两天前人工敲落,由密封的尼龙袋打包,在遮蔽的条件下由货车运输至厂区。

图5 试验过程图示Fig. 5 Test process diagram

2)试验由1台样机完成。试验仪器有手持式风速仪(品牌为希玛,量程为0～40m/s,精度为0.01m/s),电子秤(品牌为欣得美,量程为0～30kg,精度为0.01kg);试验工具有耙子、塑料锹、扫帚、塑料桶及塑料袋等。

3)试验中,将机具吸口风速调至35m/s(即红枣的最大理论输送速度),以含杂率、拾净率为衡量机具性能的指标,通过操纵者对吸拾管道弯曲形态的控制,将试验分为两组,管道最大弯曲和最小弯曲状态分别为1组,进行单因素对比试验。物料主要由红枣和杂物组成,将每次试验中二者质量混合比控制在6:4左右,杂物有红枣树枝、枣树叶和土粒,将每次试验中质量混合比控制在2:1:1左右,每组试验进行5次。

4)评价指标含杂率为经机具除杂后收集的红枣中所含杂物与含杂红枣质量的比率,拾净率为试验过程中从排杂口漏出未收集到的红枣质量与所收集的红枣质量的比率,即

(3)

其中,Y1为含杂率(%);Y2为拾净率(%);M0为每次试验所收集含杂红枣质量(kg);M1为每次试验所收集的红枣所含杂物质量(kg);M2为每次试验未收集到的红枣质量(kg)。

2 结果与分析

2.1 红枣物料特性测定结果

对收获期落地红枣的长、宽、厚、质量、体积、密度和悬浮速度测量结果进行统计,结果如表3所示。

表3 单粒红枣物料特性测量结果Table 3 Measurement results of material characteristics of single red jujube

由红枣物料特性测量结果来看,其尺寸、质量、体积、密度和悬浮速度的变化范围较大,说明同一品种红枣收获期时各项物理特性差异较大。这对红枣收获机工作性能提出了较高要求,其必须适应物料物理特性的差异。所以,在仿真分析中选取红枣平均尺寸、平均密度、最大悬浮速度为数据参考基础,对其相关参数进行加大、冗余处理,在设计中也加大了相关影响参数。

2.2 仿真结果与分析

对最大、最小弯曲程度的吸拾管道气流进行仿真,结果如图6所示。

图6 气流仿真结果图Fig.6 Air flow simulation results

由仿真结果可以看出:就气流在管道中运动速度而言,最大弯曲状态与最小弯曲状态在管道末端速度基本都在35m/s左右,贴近管壁的速度较小,中心速度较大。其中,最大弯曲状态时,管道在折弯处速度在38m/s左右。总体而言,管道弯曲状态只对气流速度的影响不大,局部速度差异变化在0～3m/s范围内;气流也受到重力作用和离心作用,在折弯内侧速度较外侧大,这种速度的分布对物料会有影响,弯曲角内外速度的差异将产生压力梯度,导致物料在弯角外侧运动。

流固耦合仿真结果速度图如图7所示。仿真结果表明:在吸拾管道中,树叶的最大速度较其他物料最大速度大。

图7 物料吸拾过程仿真结果图Fig.7 Simulation results of material suction process

对于最大弯曲状态吸拾管道而言,物料受到气流作用,在进入吸口前段倾斜管道内较为均匀、分散;在物料运动到弯曲管道段后,受重力、气动推力、离心力、压力梯度力的作用物料贴弯角外侧运动,发生物料聚团现象。杂物在整个运动过程中速度高于红枣,除去对微小土粒的考虑,树叶的运动速度较高,最高可达8m/s;红枣及树枝都经历了加速、减速、再到加速的过程,且红枣运动至管道末端口位置时速度基本接近6m/s;物料运动至末端口水平位置时,其呈较为分散、均匀的状态,有利于机具实现除杂、沉降的工作性能。

对于最小弯曲状态吸拾管道而言,物料受到气流等作用,物料在管道内分散相对均匀、分散,所有物料基本呈加速状态,树叶的运动速度最高,可达10m/s;红枣运动至管道末端口位置时,速度在8m/s左右;杂物整体运动速度较红枣运动速度高。由仿真结果来看,吸拾管道弯曲程度的差异对物料的运动状态有显著影响,尤其是在物料运动至管道拐弯处,其运动状态的改变较为明显;但通过对末端口处物料速度的对比得出:同类物料速度在捡拾管道弯曲状态最大、最小时相差约在3 m/s之内,且无论管道弯曲程度如何,物料运动至管道末端口时,由于管道在此处较为水平,物料均分布松散、相对均匀。

2.3 对比试验结果分析

吸拾管道在最大弯曲状态与最小弯曲状态时,以机具评价指标含杂率和拾净率的验证对比试验结果如表4所示。试验结果表明:吸拾管道弯曲程度的变化对指标含杂率来说有一定的影响。弯曲程度小时,含杂率较低,但较弯曲状态较大时平均值小0.15%,从5次试验结果来看影响较小;对指标拾净率而言,同样有一定的影响,弯曲程度小时,拾净率较弯曲状态较大时高,平均值差值为0.27%,影响依旧较小;相对于机具其它影响因素试验而言,吸拾管道的弯曲状态对两指标的影响较小。

表4 对比试验结果Table 4 Verification results of comparative test %

3 讨论与结论

由物料流固耦合仿真结果可知吸拾管道弯曲状态的差异对物料运动状态、轨迹有明显的影响,但当物料运动至末端口位置时物料在管道内运动分布都较为均匀、分散,相对于该段管道长度而言其速度大小差异较小。由吸拾管道弯曲程度对比试验结果可知:机具吸拾管道在该长度和直径下,其弯曲状态所引起的物料速度变化对机具评价指标含杂率和拾净率有影响,但影响程度不大,相对于物料物理特性差异较大的红枣收获作业而言,可以不做考虑。综上所述,流固耦合仿真结果与对比试验结果趋势相近,都能从一定层面反应直径为180mm、长度为3.1m的聚氨酯管道的弯曲状态对于机具性能指标的影响较小。