红枣收获机吸拾过程运动仿真分析及试验.pdf
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1、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)摘 要:为提高落地红枣收获效率,设计了一种以气吸捡拾为核心的红枣收获机。通过对红枣物料特性的测定、收获时所含杂物的物理特性分析以及收获过程中吸拾管道弯曲状态的探究,借助 EDEM 软件建立吸拾管道、红枣及主要杂物模型,并结合 ANSYS 软件 Fluent 模块对物料在最大和最小弯曲状态下吸拾管道中的运动分别进行流固耦合仿真。以含杂率、拾净率为机具评价指标,通过对影响机具性能的其它因素进行控制,展开吸拾管道最大和最小弯曲状态的对比试验。
2、仿真结果显示:物料在管道弯曲程度最大、最小状态下最高速度分别接近10m/s、8m/s;对比试验结果显示:管道弯曲程度最大、最小状态下含杂率平均差值为 0.15%,拾净率差值为0.27%。仿真结果和对比试验结果表明:机具所选吸拾管道的弯曲状态对机具性能影响较小,相对于物理特性差异较大的物料而言,可不做考虑。关键词:红枣收获机;吸拾;物料特性;运动仿真中图分类号:S225.93 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0204-060 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
3、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
4、置。试验表明:该机具捡拾效率超过 95%,但挑果收稿日期:2022-05-12基金项目:新疆维吾尔自治区重点研发计划项目(2017B01002-2);新疆维吾尔自治区天山创新团队项目(2021D14010);新疆农业大学研究生科研创新项目(XJAUGRI2019-016)作者简介:杜许怀(1993-),男,宁夏固原人,硕士研究生,(E-mail)duxuhuai 。通讯作者:韩长杰(1980-),男,河南遂平人,教授,博士生导师,(E-mail)hcj_627 。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
5、,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
6、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4022023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期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 Struct
7、ural diagram of suction pickup structure1.2 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。
8、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=MV(1)其中,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
9、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S=h(S1+S2)Hv=v1S1S(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(m
10、2);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
11、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5022023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期枝、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
12、示意图Fig.4 Schematic diagram of material model1.4 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1.810-5 kg/ms;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
13、 所示。表 1 物料主要仿真参数设置Table 1 Material model setting parameters参数尺寸/mm泊松比剪切(弹性)模量/Pa密度/kgm-3产生速度/kgs-1红枣31.0119.3917.90.405.0106583.140.9枣树枝90.48503.8326.270.3树叶4030204.4108556.610.15土粒20.353.510712500.15 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
14、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系数红枣枣树枝树叶土粒管壁红枣0.50/0.40/0.050.30/0.35/0.040.30/0.45/0.020.20/0.25/0.010.40/0.30/0
15、.01枣树枝0.20/0.30/0.060.20/0.30/0.100.10/0.15/0.010.10/0.40/0.02树叶0.10/0.20/0.040.10/0.15/0.010.10/0.40/0.02土粒0.10/0.15/0.010.10/0.10/0.021.5 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
16、至厂区。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 040m/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6022023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期和杂物组成,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
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