沙棘果采摘装置气吸输送系统的仿真分析

刘志辉，王 鹏，徐 博，夏一建，栾海山，于凤淼，王开宝

( 北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

沙棘是世界上含有天然维生素种类最多的既珍贵又经济的水果，其维生素C的含量远远高于鲜枣和猕猴桃，从而有“维C之王”的美称，其产品涉及医疗、保健等多个领域.沙棘果实呈圆球形，直径4～6 mm(个头与枸杞相当)，多为橘黄色或橘红色.沙棘果树为多年生落叶灌木或小乔木，树高1～3 m，棘刺较多，粗壮.我国新疆是沙棘果树的主要生长地，总面积达1 800万亩，大多地区已实现规模化园区种植.沙棘因为树身有很多棘刺，而且果皮薄、果实小、果柄短且有着很强的附着力不能自然脱落，一旦成熟后很容易受到外界影响，造成果实破损，不利于采收，长期以来沙棘采收一直存在较大难题[1-3].

气吸式沙棘采摘机械是通过气吸式结构，在抽风机的作用下使气吸管道内产生负压，当吸力大于果实和果柄之间的连接力时果实脱落.气吸式采摘是一种非接触采摘方式，避免了机械接触给果树和果实的伤害，对气吸式沙棘果采摘装置机械系统的整体设计进行了说明，通过FLUENT软件分析气吸管道内部的流场速度和压力分布，确定气吸采摘沙棘果所需要的最佳管径、风速、风压等相关参数[4].

1 气吸式沙棘果采摘装置机械系统设计

针对规模化沙棘果种植园区采摘环境设计的气吸式沙棘果采摘装置具有机器体积小、行动灵活、多人同时操控的特点.装置整体由采收单元、筛选单元、排果单元、行进单元4部分组成，筛选单元包括果实筛选机构和风量调节机构；排果单元包括排果转子机构和排出口切换机构[4-6].整体机械系统组成如图1所示.

图1 气吸式沙棘果采摘装置机械系统组成

成熟的沙棘果在风机产生的负压作用下柔性吸附完成采摘；由采收单元输送入筛选箱中；在筛选单元中根据重力不同进行风力筛选将吸入的果实与枝叶进行分离，较重的果实经过下方的排果单元落入果实筐中，质量较小的枝叶则进入后方的落叶收集箱中；行进单元带动装置前行.整个装置由柴油发电机提供动力.采摘装置工作流程如图2所示.

图2 气吸式沙棘果采摘装置的工作流程图

2 沙棘果受力分析及相关参数

2.1 沙棘果物理特性参数测定

气吸式沙棘果采摘装置的采摘效果很大程度上受沙棘果自身物理性质的影响，首先测试沙棘果的相关物理特性参数.以新疆阿拉泰地区种植的沙棘果为测试对象，随机选取10株沙棘植株，树龄为10年生，每株沙棘作为1个样本，采摘所需数量的成熟沙棘果.

采用游标卡尺测量沙棘果果实圆周直径和果柄长度.用电子秤测量沙棘果质量，用电子万能材料试验机(精度±0.5%)和自制夹具进行准静态拉压试验，测沙棘果实横向抗压力、纵向抗压力和沙棘果实-果柄之间的连接力.用排水法测量沙棘果密度ρ，计算得到10组数据的平均值和对应的标准差.测量结果表明，沙棘果果实与果柄结合力为0.18～1.53 N.沙棘果果实与果柄物理参数如表1所示[3].

表1 沙棘果果实及果柄物理参数

2.2 输送系统中沙棘果受力分析

在颗粒的堆积力学中，考虑的是颗粒因为相互接触产生的力和流变问题，并未考虑气流和颗粒间的相互作用，属于静力学范畴，输送系统中气流对果粒的平动和回转运动方程式在直角坐标系中可以用以下公式表示，

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：m为果粒质量；kg；t为时间，s；g为重力加速度，kg·m·s-2；V为果粒体积，m3；A为果粒表面积，m2.

沙棘果在流场中的受力分析如图3所示.

图3 沙棘果受力分析

设速度为u的气流中果粒表面受到的气流法向应力为P，剪力为τ，则果粒表面A受到的流动方向的合力FD和垂直方向的升力FL分别为：

(5)

(6)

对于果粒流动过程中的输送阻力，利用雷诺数Re来表示均匀流动中单个果粒的阻力系数CD为：

(7)

果粒群中阻力系数和自由流动的阻力不同，根据Di-Felice的研究，可修正为：

CD=CDε-β，

(8)

(9)

2.3 摩擦损失

气吸采摘沙棘果过程中，沙棘果实在气吸管道中随气流运动，不可避免地造成果实之间或果实与气吸管道内壁之间的碰撞与摩擦.输送系统中纯气流的摩擦压损按达西公式表述为[6-7]：

(10)

式中：λa为管道的沿程阻力系数；L为管道长度,m;D为管道内径,m;ρa为流体密度,kg·m-3;va为管道流速,m·s-1.

在气力输送中采用柏列斯公式：

(11)

3 气体输送过程仿真分析

研究中，对气吸式沙棘果采摘装置的输送系统中果实筛选箱和输送管道进行实体建模并对其进行网格划分，输送系统实体模型如图4所示.网格划分结果如图5所示[8-9].

图4 输送系统实体建模

图5 网格划分结果

对于本输送管道模型，物料入口边界和气体入口边界均采用速度入口边界条件、出口边界自由出流的边界条件，其余边界设置为固壁边界条件.

选用离散式求解器进行计算，离散求解器主要用于低速不可压缩流动求解，按照求解动量方程、压力方程的修正方程和组分方程及其他标量方程顺序求解.

在FLUENT软件中压力都是相对压力，考虑果实重力因素，大小为9.81 m·s-2.控制方程离散化时，为了改变因变量的变化速率而引入变量松弛因子α，满足：

(12)

气固两相存在相间耦合而且属于非线性流动，为了保证迭代稳定收敛，需要减小松弛因子而减缓收敛速度，仿真时α设为0.7.初始值及边界条件具体数值如表2所示.

表2 仿真初始值及边界条件设定

沙棘果模型，果实直径为8 mm,将其等效成8 mm球形，建模如图6所示[4].

图6 沙棘果模型

选取管径32、40和50 mm分别进行仿真验证.建立上述实体模型，确定纯气相初始参数，如表3所示.

表3 纯气相初始参数

对上述模型仿真分析，得到果实分离箱和输送管道压力分布云图，如图7所示.

图7 果实分离箱和输送管道压力分布云图

根据果实分离箱和输送管道压力分布云图可以清楚得到仿真输送系统中压力分布，根据压力分布云图可知，模拟3种输送管入口处与输送管末压力差分别约为890、380、160 Pa.

同时，对果粒输送系统中气体流量与压力损失的关系进行仿真分析，得到的关系如图8所示.

流量/(10-3 m3·s-1)图8 流量与压力损失的关系

由能量守恒原理可知，果粒输送系统中气固输送所消耗能量均是由气相压力提供，输送系统中压差越多，说明固相获得能量越多，间接说明输送效率高.

仿真分析结果表明[10]：

(1)3种输送管的压力损失都随流量增大而增加，管径32 mm和40 mm的输送管压力损失增长速率明显高于管径50 mm的输送管；

(2)流量在0.01～0.03 m3·s-1范围内，管径32 mm比管径40 mm的输送管压力损失增加幅度大，表明其输送效率高；流量大于0.04 m3·s-1时，管径32 mm和管径40 mm在交叉点B时压力损失相等，流量在点A与点B区间，管径32 mm比管径40 mm的压力损失略高，即输送效率略大；管径50 mm的压力损失增加趋势相对平缓，增长幅度远低于管径32 mm和管径40 mm.

(3)经过不同管径时的压力损失对比，可以看出流量在A-B两点之间时，管径32 mm的输送效率最高，当流量高于B点后，管径40 mm的输送管输送效率最高，管径50 mm输送管不适合输送沙棘果.

(4)气吸式沙棘果采摘装置的风机输送流量为20～50m3·s-1，选取管口直径为30～40 mm比较合适.

4 结 论

气吸式沙棘果采摘装置工作核心在于气吸输送单元，对沙棘果物理特性进行了分析，对沙棘果在输送系统中的受力情况进行了分析，并用FLUENT流体分析软件对不同输送风速、不同管径的输送系统进行仿真分析.通过对压力分布云图的分析可知，输送管出口处压力分布最不均匀，气流进入分离箱内到出气口流出时产生涡流，导致气流紊乱；气压从输送管入口向出口处逐渐减小.根据流量与压力损失关系，结合选取风机规格，得出输送管口直径选取30～40 mm比较合适.