基于Fluent核桃定向吸附装置设计与仿真试验.pdf
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1、山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(3):454-463VOL.54 NO.3 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.03.017基于基于 Fluent 核桃定向吸附装置设计与仿真试验核桃定向吸附装置设计与仿真试验刘梦迪,王应彪*,王周梅,张超宇,李九峰,周 丹西南林业大学 机械与交通学院,云南 昆明 650224摘摘 要要:为确保核桃果体在吸附摆放过程中姿态固定,基于核桃外形特征、力学特性设计一种核桃定向吸附装
2、置,建立一个核桃吸附过程的受力模型得出在吸附核桃过程中最低的气流速度 V=19.67 m/s、最小压强 P=55.87 kpa、最大压强 P=1.40 MPa。采用 Fluent 软件,对优化的吸口机构进行气流场仿真模拟;设计了吸口锥角、气孔尺寸、气孔间距3 因素 3 水平正交试验;试验结果表明吸口的最优参数为吸口锥角 60、气孔直径 2 mm、气孔间距 15 mm。为后续设计核桃定向吸附装置提供新的方法与理论。关键词关键词:核桃;定向吸附;机械设计中图中图法法分类号分类号:S229.1文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)03-0454-10Design a
3、nd Simulation of the Oriented Adsorption Device toWalnut on FluentLIU Meng-di,WANGYing-biao*,WANGZhou-mei,ZHANG Chao-yu,LI Jiu-feng,ZHOUDanSchool of Machinery and Transportation/Southwest Forestry University,Kunming 650224,ChinaAbstract:In order to ensure that the attitude of the walnut fruit body i
4、s fixed in the adsorption and placement process,awalnut directional adsorption device is designed based on the appearance and mechanical characteristics of the walnut.Aforce model of the walnut adsorption process is established to obtain the The lowest airflow velocity V=19.67 m/s,minimumpressure P=
5、55.87 kPa,maximum pressure P=1.40 MPa.Fluent software is used to simulate the airflow field of the optimizedsuction mechanism;the horizontal orthogonal test of three factors is designed:the cone angle,pore size and pore spacing ofthe suction port is designed.The test results show that the optimal pa
6、rameters of the suction port are the cone angle of 60,the pore diameter of 2 mm and the hole spacing is 15 mm.It provides new methods and theories for the subsequent design ofwalnut directional adsorption device.Keywords:Walnut;oriented adsorption;machine design核桃是一种传统的营养食品,含锌、锰、铬等对人体有益的微量元素1。基于核桃的经
7、济价值,核桃在我国云南、新疆等地广泛种植,已成为西部地区乡村振兴重要的经济作物,目前,我国核桃种植面积和产量均位居世界前列2。核桃属于坚果,在食用之前需将其外壳去除,核桃破壳是核桃生产中的重要工序。由于核桃大小不同、形状不规则,且其外壳坚硬,在其破壳取仁过程中,容易造成核桃仁破碎而降低其品质。为保证核桃仁完整,长期以来,核桃破壳采用手工作业。这种生产方式,工作效率低、劳动强度大,随着我国农村剩余劳动力的减少,核桃机械破壳已成为核桃加工业发展的必然方向3-5。核桃在破壳加工前的预处理对后期核桃破壳效果和质量有很大的影响,若能通过科学的方法在破壳时对核桃的姿态进行定向处理,将很大程度提高对核桃破壳
8、的质量与效果。国内的学者们对核桃定向装置进行了各方面的研究,马秋成通过采用一种振动调姿定向破壳方法,在核桃破壳前对核桃的姿态进行定向处理,设计出定向破壳的装置,基本满足行业要求为后续核桃破壳机械的研发和改进提供参考6;刘海江通过采用差速带定向的方法设计出核桃破壳的定向装置,为云南漾濞核桃破壳方式提供了一种技术借鉴7;陈建在通过强迫振动下提出一种核桃纵径定向运输方法,为后续核桃定向破壳加工提供新方法8。王超通过一种赫兹接触理论计算出核桃破壳的最优接触面,提高收稿日期收稿日期:2022-10-25修回日期修回日期:2022-12-14基金项目基金项目:国家自然科学基金项目(52165038);云南
9、省教育厅科学研究基金项目(2022Y574);云南省农业联合专项(202101BD07001-062)第第 1 作者简介作者简介:刘梦迪(2000-),女,硕士研究生,研究方向为农业机械.E-mail:*通讯作者通讯作者:Author for correspondence.E-mail:第 3 期刘梦迪等:基于 fluent 核桃定向吸附装置设计与仿真试验455了核桃的破壳率9。国内对于气吸式、气盘式的吸附核桃定向破壳技术研究分析的少之又少,而在气吸式排种器上有相关研究。赵湛采用负压吸孔将种子吸住,当滚筒转至输送带上方合适位置时隔气板阻断负压源,种子在正压和自重作用下离开吸口,设计的气吸滚筒式
10、排种器为排种器的结构调整和工作参数优化提供了依据10;赵学观采用真空吸口,将定向好的玉米种子以一定方向摆放到纸带上,制成种子带,利用种子带播种装置将种子带铺放到土壤中,完成玉米的定向播种,构建了玉米种子吸附摆放试验台得出最优吸口参数为后期优化提供数据依据11。定向破壳装置提高核桃破壳的质量,从而提高核桃的整仁率和脱壳率,获得更高的产量。目前,对核桃姿态固定的机构还有所欠缺。本文以此为基础,在核桃姿态固定过程中,采用真空吸口,将核桃果体按一定方向摆放在挤压工位上进行破壳加工,为确保核桃果体在吸附摆放过程中姿态固定,设计一种核桃定向吸附装置。采用 Fluent 软件,对不同定向吸口机构进行气流场仿
11、真模拟分析比较各流场速度分布情况,得出最优定向吸口机构。分析吸口锥角、气孔直径、气孔间隙对核桃吸附的影响,确定影响吸口机构主要因素。经过正交试验得出影响吸口因素的最优参数。为后续设计核桃定向吸附装置提供新的方法与理论。1核桃物理参数的测量和计算核桃物理参数的测量和计算1.1试验材料和试验仪器试验材料和试验仪器本文选择云南大理种植的漾濞大泡核桃为试验对象。在试验中,随机选取 100 颗无明显残缺的核桃,对各物理参数进行测量:a 横径、b 纵径、c 棱径、尖端壳厚、缝合线壳厚、最凸处壳厚、底端壳厚如图 1。图图 1 核桃的基本尺寸核桃的基本尺寸Fig 1 Basic size of walnut每
12、个方向测量三次取平均值作为结果,对测量结果进行数据分析和统计。其结果如表1所示。表表 1 核桃的尺寸数据核桃的尺寸数据Table 1 Dimension data of walnut分布范围/mmDistribution range横径/mmTransverse diameter纵径/mmVertical diameter棱径/mmRidge diameter粒数百分比粒数百分比粒数百分比25,30)00003333%30,35)1818%006767%35,40)7676%4343%0040,45)66%5454%0045,50)0033%00最大值42.1548.2934.84最小值30.
13、5635.6928.39均值38.0640.4230.68三径均值36.39重量均值/g13.01壳厚/mm尖端缝合线最凸底端4.183.301.462.851.2核桃物理参数计算核桃物理参数计算在设计核桃吸附机构时,核桃的外形特征对吸附机构设计有很大影响,为准确的描述核桃的形456山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷状特征,引入参数球形率 Sp12。其中球形率的计算公式为:3/13/123/1366sssssssssssPltwlltwltwlS,(1)式中:Sp球形率;ls核桃纵径;ws核桃横径;ts核桃棱径。根据式13(1)计算核桃的球形率为 0.89,当 Sp0.85 时,为类球
14、形,当 Sp0.85 时,为椭球形14。则核桃为类球形。1.3核桃壳力学性能计算核桃壳力学性能计算核桃壳承受外界载荷时,当载荷增大到某一个值时,壳体会失去原来的形状,发生失稳破壳。壳体失稳的临界压力为:22132rhEPcr,(2)式中:Pcr临界压力;E弹性模量;泊松比;h核桃壳厚度;r核桃半径。通过式15(2)壳体临界压力的计算公式,得出对于同一种核桃,其中 E,r 一定时,核桃不同位置的壳厚不同失稳临界压力就不同,壳越厚临界压力就越大。取核桃的参数:E=0.18 GPa、泊松比=0.316由上面测得核桃直径、4 处壳厚结果带入式子(2)中计算,得 4 个部位的临界压力值分别为 Pcr1=
15、15.22 MPa、Pcr2=6.04 MPa、Pcr3=1.40 MPa、Pcr4=5.34 MPa。由于在吸附核桃的时候壳体不能发生失稳破裂所以选最小的临界压力值 Pcr3=1.40 MPa 作为吸附试验时真空泵不能超过的压力值。2装置整体结构与工作原理装置整体结构与工作原理核桃的外形呈现不规则状,常规的建模方法无法准确的还原真实特征,本文采用 3D 扫描的方法获取核桃模型,获取核桃模型的的步骤:先通过分区拍照,将照片导入软件,进行处理,合成 3D模型如图 2;工作时即沿负压方向吸附。核桃定向吸附装置与吸附性能息息相关且影响到核桃姿态固定和吸附的效果;在吸附过程中,核桃在负压的作用下由于气
16、流不均匀极易发生偏转,影响核桃的姿态固定。本文研究设计的定向吸附机构能够使核桃姿态固定更稳定,为后续设计核桃定向吸附装置提供新的方法与理论。图图 2 核桃核桃 3D 扫描模型扫描模型Fig.2 3D scanning model of walnut2.1整体结构设计整体结构设计该装置主要部件包括真空泵、真空压强表、真空管、管卡、定向吸头、定向凹槽、吸盘、机架等,其结构组成如图 3 所示。其中提供负压环境的装置为真空泵,真空泵通电与真空管连接定向吸头进行抽取是坏境呈现负压环境;所显示负压值可以通过真空压强表随时观察,控制压强值在一定第 3 期刘梦迪等:基于 fluent 核桃定向吸附装置设计与仿
17、真试验457水平。定向吸头与定向凹槽配合使用,来完成核桃定向吸附的动作;管卡起到固定真空管的作用;吸盘在机架的四个支架下面是因为在真空泵进行工作的时候会产生震动,此时吸盘吸住地面就减少震动,使得定向吸附过程更加平稳可靠。1.吸盘 2.机架 3.真空压强表 4.真空泵 5.管卡 6.真空管 7.定向吸头 8.定向凹槽图图 3 核桃定向吸附机构核桃定向吸附机构Fig.3 Walnut directional adsorption mechanism2.2工作原理工作原理核桃以吸附方向放置在图 3 定向凹槽中,此时核桃的姿势方向就被固定了,呈现核桃最凸面朝上姿态就开始进行吸附;工作时,打开真空泵,真
18、空泵通过连接真空管与定向吸头来制造负压环境,此时核桃在定向凹槽中,由于真空泵提供的负压超过吸附起核桃的最小压强,此时核桃被吸起,随着负压不断的增大,增大到一定程度最终核桃被完全吸附在定向吸头的凹槽里,此时就完成了核桃的定向吸附过程如图 4。图图 4 核桃定向吸附过程图核桃定向吸附过程图Fig.4 Walnut directional adsorption process diagram2.2.1 核桃工作过程受力分析 在吸附过程中,设核桃直径为 d,密度为m;类球体为中心对称的旋转体,故核桃所受的升力 H=0,其他力有气动阻力和浮力,其计算公式如下17。气动阻力与气流方向一样所以是向上,浮力是
19、向上,受力分析如图 5。图图 5 核桃的简化模型核桃的简化模型Fig.5 A simplified model of walnut458山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷气动阻力公式为:2228121dVCAVCFddd(3)浮力公式为:gdFa361(4)向下有重力,其计算公式为:gdGm361(5)核桃被吸起的条件是:向上合力大于等于向下合力,即:GFFad(6)其临界状态为:GFFad(7)将式(1)、式(2)、式(3)代入式(5)则有:gdgdVdCmd3322616181,(8)式中:Fd气动阻力;Cd阻力系数;流体密度;V自由流速度/ms-1;A物体投影面积/m;d核桃直径
20、/mm;Fa浮力/N;G重力/N。由式(6)得出核桃被吸起时临界速度 V 为:gdCVmd34,(9)SGP。(10)对于本课题的研究情况,取 Cd=0.48,m=470 kg/m3,=1.2 kg/m3,g=9.8 m/s2,d=36.39 mm 带入式(7)得 V=19.67 m/s,吸附的受力面积是类半球所以 S=1/2(4 r2)带入式(8)P=55.87 kPa。从核桃在悬浮状态时的受力平衡方程式中,只要气流速度大于平衡时的临界速度 V=19.67 m/s时,核桃就会受到一个向上的加速度,此时需要的最低压力值为 P=55.87 kPa,从而就能被吸头所吸附。2.3关键部件设计关键部件
21、设计2.3.1 吸头外形尺寸设计 吸附机构是核桃定向吸附装置的关键部件之一,为保证核桃能顺利实现姿态固定,定向吸头和定向凹槽都是以核桃的外形尺寸进行设计,考虑到在吸附过程中核桃会有轻微转动定向凹槽应比本身核桃尺寸 b 多出 12 mm,为使气流更加均匀、定向效果更好,设计的吸口下端直径比凹槽要大、吸口锥角要平缓、吸头高度的尺寸要合理。本研究的设计的吸附机构的吸孔结构、形状、尺寸使其定向吸附合理容易实现如图 6。图图 6 吸头尺寸图吸头尺寸图Fig.6 Suction head dimensional drawing吸头形状尺寸取决核桃的形状尺寸要求为:L12.5b(11)L21/2a(12)L
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