一种单轨悬挂式采茶机结构设计及通风管流场仿真分析

欧阳爱国 邵福 舒盛荣 刘燕德 吴建 曾祥文

摘要：随着茶叶种植面积的不断扩大，收获机械化的实现变得越来越迫切。以单轨悬挂式采茶机械为基础，为改善茶园采茶机中茶叶在收集板上堆积的状况，提高剪切下来的茶叶到集叶袋的输送能力，根据流场动力学原理，对通风系统的结构进行流场仿真分析与优化设计。利用FLUENT软件对通风管内部流场进行仿真，得到了通风管内速度矢量图，揭示了其内部的流场情况，为采茶机通风管装置的进一步设计改进提供可靠的理论依据。

关键词：单轨悬挂式采茶机;通风管;流场仿真分析;优化设计

中图分类号： S225.99 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）20-0236-05

我国是茶文化大国，也是茶叶种植生产大国，茶区辽阔，气候多样，茶类品种繁多，栽茶历史悠久，形成了形状各异的许多地方品种，现有国家级认定的地方品种30个，省级认（审）定的地方品种29个。全国现有20个产茶省，8 000万以上茶农，2008年全国茶园面积171.96万hm2，年产茶叶125.96万t，产值超过300亿元。茶产业是集经济效益、社会效益和生态效益于一体的特色农业产业。茶叶是一种季节性和时效性要求较高的产品[1]。如果不能在规定时间之前完成茶叶采摘，那么就会对茶叶的品质产生重要的影响。因此，及时采摘茶叶尤为重要。研究发现，采茶工1 d 8 h约采摘 3 kg 茶叶。虽然茶叶的质量能够得到保证，但效率太低且成本太高。因此，收获机械化的实现变得越来越迫切;结合机械化手段，研究相关机械设备，提高茶叶采摘的效率，降低茶叶采摘的损耗极为必要[2]。

国内对采茶机研究较少，尤其对采茶机通风管内部流场的研究较为薄弱，韩余等分析了往复式采茶机切割器的运动，并对往复式采茶切割器刚柔耦合进行了仿真，得到了刀片的动能、应变能、受力情况，同时得到了偏心轮轴承在旋转过程中的受力变化情况[3]。王中玉等根据现阶段茶园管理的要求，设计出一种适用于茶园管理机全液压传动与控制的底盘，可以用于茶园中耕、施肥、喷药管理作业，操纵简单，达到一机多用的目的[4]。余顺火等阐述抬式采茶及剪枝机所采用的小动力振动烈度的测定方法与分级的意见，并对如何减少振动进行了研究[5]。韩余等设计了一种跨行自走式采茶机机架，该机架具有质量轻、地隙高、重心稳定等特点，运用有限元技术对采茶机机架进行了静力学与动力学特性分析，采茶机正常作业时，机架不会发生共振[6]。

目前国内外尚未检索到基于FLUENT软件对采茶机通风管内部流场的相关研究报道。茶叶种植面积逐年递增，对茶叶采摘以及收集的效率有了较高的要求，通风管在茶叶收集过程中起着至关重要的作用。通风管的结构不合理会引起茶叶收集过程中出现因通风管堵塞而不能把茶叶吹向收集袋内等现象。基于这一问题，本研究针对丘陵山地设计了一种轨道悬挂式采茶机，采茶过程可以做到精确控制且无需人为操作，节省劳动力，同时可以根据不同的茶树需要控制不同的采茶高度，适应性好，应用范围广，提高了采茶的效率;利用FLUENT软件对不同类型采茶机通风管及其出口处的气管内部气流流场进行数值模拟，旨在为采茶机通风管装置的进一步设计改进提供理论依据。

1 采茶机总体结构与技术要求

目前，国内外对采茶机的结构有所研究，主要包括以下几种结构：便携式采茶机、双人手扶式采茶机、履带自走式采茶机等。我国南方茶园基本上处在丘陵地带，高低起伏的地貌对采茶机的设计提出了更高的要求，为了提升机采茶叶的品质，减少对茶树的机械性损伤，对整体结构的设计尤为重要。针对丘陵山地，为了提高机采茶叶的效率，本研究设计了一种轨道悬挂式采茶机，如图1所示。

采茶机结构主要由采摘機构、鼓风机构、调节机构、行走机构、电机等组成，如表1所示。采茶机械的工作原理为利用齿状刀剪切茶树上的茶叶，再利用风力把剪切的茶叶吹送到集茶袋中。利用风力通过通风管吹送茶叶可使剪切下来的茶叶不会受到损害，保证采摘茶叶的质量。部分结构如图2、图3所示。

工作时，单根轨道由茶陇两侧的支架悬挂并固定于中间位置，采茶机主体（行走模块、调节模块、采茶模块）吊于轨道的下方，行走机构的2排车轮分别与轨道的轨腰、轨底相配合;通过伸缩液压杆带动机构整体上升或者下降，使得切割机构适应茶陇的高度。启动电机动力分为2个部分，一部分通过驱动轮传递给双偏心轮结构使切割刀将茶叶割断;另一部分通过蜗轮蜗杆结构经过皮带轮传递给鼓风机，风泵产生的高速气流经过通风管道吹出，将茶叶向后吹入茶叶箱中收集。

2 通风管流体力学数学模型分析

本研究中的流体为空气，属于牛顿型气体，假设空气的黏性不随通风管道里旋转时温度的改变而改变，是黏性为定值的不可压缩流体。当流体在通风管中流动时，流体质点除了沿管轴向运动外，还有垂直于管轴向方向的横向运动，完全处于无规则的乱流状态。在采收过程中，为了将茶叶全部收集到茶叶袋中，根据现有产品，一般要求通风管中气流流场的出口速度必须达到15 m/s以上。

通过公式（1）计算可以得到，通风管模型流体的雷诺数Re=86 000，远远大于工程应用中的临界雷诺数，因此通风管中的气流属于湍流模型[7]。

在三维稳态湍流流动的计算过程中，控制方程是流体动力学计算基本守恒定律的数学表现形式，研究中应用的控制方程有质量守恒方程和能量守恒方程，由于不涉及热量的传递和扩散，忽略能量守恒方程，湍流运动方程采用标准的 k-ε 模型。

湍流是自然界非常普遍的流动类型，湍流运动的特征为在运动过程中液体质点具有不断互相掺混的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动量。计算湍流运动时，需要附加湍流方程，标准k-ε方程如下式所示：

3 通风管流场仿真分析

通风管内部流场属于空气湍流流场。本研究中的通风管采用两侧送风，出风管道的内部流场相对比较复杂，通风管内部流场的分布情况对出风口风速的分布有重要影响。因此掌握流场分布规律，建立通风管流场模型是非常必要的。

基于FLUENT软件平台对通风管流场进行模拟分析时主要步骤有[8]：（1）基于SolidWorks模块建立计算模型;（2）基于Gambit模块进行网格划分;（3）基于FLUENT设置参数并进行计算;（4）计算结果的后处理，实现计算结果图形化。

3.1 三维模型及网格划分

采用Solidworks软件建立通风管物理流动模型，通风管根据茶行宽度和弧度形状特点设计而成。

主管两端的直径分别为74.2、49.8 mm。左端与鼓风机相连为进风口，右端通过支撑板封闭。主管长度为 1 150 mm，角度为53°，出风口由11个弯管组成，出风弯管直线段长度为95 mm，弯管端直径为20 mm，角度为56°。材料均采用厚 2.4 mm 的PVP塑料管，如图4所示。

Gambit是专用的计算流体动力学（CFD）前置处理器，可以用来建立几何模型、划分网格和指定边界条件。其中划分网格是其主要的功能，提供了多种网格单元，可根据用户的需求，自动完成网格划分，最终会生成包含边界信息的网格文件。

建立如图5所示模型，并在Gambit中对三维模型进行体网格划分。将通风管分区域划分网格，其中结构化网格区域采用映射法对通风管道进行六面体网格划分，而非结构化网格区域主要进行四面体网格划分，但是在某些位置上包含六面体、锥形以及楔形网格，采用这样的方法一方面可以合理划分网格，使得计算结果取得较好的收敛，另一方面可以得到较正确的结果。进风口和出风口采用结构化网格划分，主出风管道进行非结构化网格划分，并对出风管和出口处创建边界层进行网格局部加密处理[9]。网格划分结果如图5所示，出风口网格局部放大图如图6所示。

3.2 边界条件及求解参数设置

在Gambit中设置边界条件，将最左边的面设置为速度入口;分别设置几个弯管端口面为压力出口;其他面设置为固定壁面（wall）。设置的结果为2个速度入口，11个压力出口，其余各面自动设置为壁面。使用“Export”命令导出Fengguan.msh文件。在FLUENT软件中，导入Fengguan. msh文件，使用“check”命令检查网格文件，这一步非常重要，一定要检查最小网格的体积，该值要大于0，否则网格不能用于计算。

模拟数值选用基于压力的分离隐式求解器进行求解，因其仅仅在1个时刻需要占用内存，因此内存使用效率非常高。数值模拟时采用标准k-ε模型;为了提高计算精度，减少数值扩散，采用二阶迎风离散格式;选用SIMPLEC算法;工作环境设为1个标准大气压。表2列出了在ANSYS FLUENT 15.0中定义的用于模拟的边界条件设置[9-10]。

3.3 仿真结果分析

将Gambit建好的通风管网格数据输入到FLUENT软件中。通过图7残差曲线可以看出，218步之后数值模拟计算是收敛的，得到最终速度矢量图如图8所示。速度场在主管与弯管过渡处发生变化，这是由于弯口弧度的存在造成了不同速度区域的出现。通风管主管中间部分随着弧度的变化速度逐渐增大;弯管随着直径变小，在出口处整体速度变大。

通过仿真，得出如下结论：通风管每个出风管口的速度都大于15 m/s，达到了茶叶实际收集的风速要求，模拟结果与实际情况相符。为了提高茶叶的收集效率，需要进一步分析通风管送风方式和其结构。

4 通风管优化设计

4.1 通风管优化目标

茶叶在采收过程中，以通风管出风口处速度最大为原则，因此采茶机通风管的结构参数优化设计数学模型如下：

由于各参数对通风管内部流场力学性能影响大小不同，很难得出最优解，因此，本研究通过改变通风管结构部分参数，对通风管内部流场进行仿真分析，得到出风口速度的变化规律，从而对通风管结构进行了优化设计。

4.2 通风管结构参数优化

4.2.1 不同进风方式对空气流场的影响

表3列举了2种常用的进风方式（单侧、两侧）。按照2种常见的进风方式，分别对本研究中的通风管的内部流场进行了模拟仿真，仿真结果见图9。当进风方式为单向时，出风口的速度达到 24.9 m/s，当进风方式为双向时，出风口的速度达到 18.3 m/s，单侧出风方式的速度大于两侧，二者的速度都符合实际要求（大于 15 m/s），但单侧进风方式出风管各个管口速度大小分布不均匀，靠近进风口的速度远远大于另一侧的速度。结合以上因素，最好的效果是选择两侧进风的方式。

4.2.2 出风口弯管的不同尺寸（截面直径）对空气流场的影响

出风口弯管的不同尺寸对出风口风速有很大的影响。根据实际情况，设置模拟弯管的直径分别为16.8、18.8、20.8 mm，模拟结果如图10所示，可以看出，3个不同尺寸对应的最大速分别为23.2、18.3、16.0 m/s。最好的效果是选择出风口弯管的直径为16.8 mm。

5 結论

针对丘陵山地，本研究设计了一种单轨悬挂式采茶机，运用SolidWorks软件对采摘机构、鼓风机构、调节机构、行走机构以及总体机构进行了三维建模，该采茶机在采茶过程可以做到精确控制且无需人为操作，节省劳动力，同时可以根据不同的茶树需要控制不同的采茶高度，适应性好，应用范围广，提高了采茶的效率。

运用FLUENT软件对通风管模型完成仿真研究及结构优化设计。进风口的最佳送风方式为两侧送风，出风口的最佳弯管直径为16.8 mm。本研究对通风管的进风方式和弯管的直径分别进行了优化，为进一步对通风管的其他参数进行优化提供了方法，如出风管的个数、间距、锥度等。

该分析还只是停留在软件模拟分析阶段，并未有实际试验验证。限于多种因素影响，模拟结果只能表现一种大致趋势，但是可以为实际生产操作以及采茶机通风管的后续设计改进提供一种思路及理论依据。

参考文献：

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[4]王中玉，肖宏儒，丁为民，等. 履带自走式高地隙茶园管理机液压系统设计[J]. 中国农机化，2010（5）：72-75.

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