一種單軌懸掛式采茶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及通風(fēng)管流場仿真分析

歐陽愛國 邵福 舒盛榮 劉燕德 吳建 曾祥文

摘要：隨著茶葉種植面積的不斷擴(kuò)大，收獲機(jī)械化的實現(xiàn)變得越來越迫切。以單軌懸掛式采茶機(jī)械為基礎(chǔ)，為改善茶園采茶機(jī)中茶葉在收集板上堆積的狀況，提高剪切下來的茶葉到集葉袋的輸送能力，根據(jù)流場動力學(xué)原理，對通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場仿真分析與優(yōu)化設(shè)計。利用FLUENT軟件對通風(fēng)管內(nèi)部流場進(jìn)行仿真，得到了通風(fēng)管內(nèi)速度矢量圖，揭示了其內(nèi)部的流場情況，為采茶機(jī)通風(fēng)管裝置的進(jìn)一步設(shè)計改進(jìn)提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單軌懸掛式采茶機(jī);通風(fēng)管;流場仿真分析;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： S225.99?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0236-05

我國是茶文化大國，也是茶葉種植生產(chǎn)大國，茶區(qū)遼闊，氣候多樣，茶類品種繁多，栽茶歷史悠久，形成了形狀各異的許多地方品種，現(xiàn)有國家級認(rèn)定的地方品種30個，省級認(rèn)（審）定的地方品種29個。全國現(xiàn)有20個產(chǎn)茶省，8 000萬以上茶農(nóng)，2008年全國茶園面積171.96萬hm2，年產(chǎn)茶葉125.96萬t，產(chǎn)值超過300億元。茶產(chǎn)業(yè)是集經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益于一體的特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。茶葉是一種季節(jié)性和時效性要求較高的產(chǎn)品[1]。如果不能在規(guī)定時間之前完成茶葉采摘，那么就會對茶葉的品質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。因此，及時采摘茶葉尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，采茶工1 d 8 h約采摘 3 kg 茶葉。雖然茶葉的質(zhì)量能夠得到保證，但效率太低且成本太高。因此，收獲機(jī)械化的實現(xiàn)變得越來越迫切;結(jié)合機(jī)械化手段，研究相關(guān)機(jī)械設(shè)備，提高茶葉采摘的效率，降低茶葉采摘的損耗極為必要[2]。

國內(nèi)對采茶機(jī)研究較少，尤其對采茶機(jī)通風(fēng)管內(nèi)部流場的研究較為薄弱，韓余等分析了往復(fù)式采茶機(jī)切割器的運動，并對往復(fù)式采茶切割器剛?cè)狁詈线M(jìn)行了仿真，得到了刀片的動能、應(yīng)變能、受力情況，同時得到了偏心輪軸承在旋轉(zhuǎn)過程中的受力變化情況[3]。王中玉等根據(jù)現(xiàn)階段茶園管理的要求，設(shè)計出一種適用于茶園管理機(jī)全液壓傳動與控制的底盤，可以用于茶園中耕、施肥、噴藥管理作業(yè)，操縱簡單，達(dá)到一機(jī)多用的目的[4]。余順火等闡述抬式采茶及剪枝機(jī)所采用的小動力振動烈度的測定方法與分級的意見，并對如何減少振動進(jìn)行了研究[5]。韓余等設(shè)計了一種跨行自走式采茶機(jī)機(jī)架，該機(jī)架具有質(zhì)量輕、地隙高、重心穩(wěn)定等特點，運用有限元技術(shù)對采茶機(jī)機(jī)架進(jìn)行了靜力學(xué)與動力學(xué)特性分析，采茶機(jī)正常作業(yè)時，機(jī)架不會發(fā)生共振[6]。

目前國內(nèi)外尚未檢索到基于FLUENT軟件對采茶機(jī)通風(fēng)管內(nèi)部流場的相關(guān)研究報道。茶葉種植面積逐年遞增，對茶葉采摘以及收集的效率有了較高的要求，通風(fēng)管在茶葉收集過程中起著至關(guān)重要的作用。通風(fēng)管的結(jié)構(gòu)不合理會引起茶葉收集過程中出現(xiàn)因通風(fēng)管堵塞而不能把茶葉吹向收集袋內(nèi)等現(xiàn)象。基于這一問題，本研究針對丘陵山地設(shè)計了一種軌道懸掛式采茶機(jī)，采茶過程可以做到精確控制且無需人為操作，節(jié)省勞動力，同時可以根據(jù)不同的茶樹需要控制不同的采茶高度，適應(yīng)性好，應(yīng)用范圍廣，提高了采茶的效率;利用FLUENT軟件對不同類型采茶機(jī)通風(fēng)管及其出口處的氣管內(nèi)部氣流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，旨在為采茶機(jī)通風(fēng)管裝置的進(jìn)一步設(shè)計改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1?采茶機(jī)總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

目前，國內(nèi)外對采茶機(jī)的結(jié)構(gòu)有所研究，主要包括以下幾種結(jié)構(gòu)：便攜式采茶機(jī)、雙人手扶式采茶機(jī)、履帶自走式采茶機(jī)等。我國南方茶園基本上處在丘陵地帶，高低起伏的地貌對采茶機(jī)的設(shè)計提出了更高的要求，為了提升機(jī)采茶葉的品質(zhì)，減少對茶樹的機(jī)械性損傷，對整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。針對丘陵山地，為了提高機(jī)采茶葉的效率，本研究設(shè)計了一種軌道懸掛式采茶機(jī)，如圖1所示。

采茶機(jī)結(jié)構(gòu)主要由采摘機(jī)構(gòu)、鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、電機(jī)等組成，如表1所示。采茶機(jī)械的工作原理為利用齒狀刀剪切茶樹上的茶葉，再利用風(fēng)力把剪切的茶葉吹送到集茶袋中。利用風(fēng)力通過通風(fēng)管吹送茶葉可使剪切下來的茶葉不會受到損害，保證采摘茶葉的質(zhì)量。部分結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

工作時，單根軌道由茶隴兩側(cè)的支架懸掛并固定于中間位置，采茶機(jī)主體（行走模塊、調(diào)節(jié)模塊、采茶模塊）吊于軌道的下方，行走機(jī)構(gòu)的2排車輪分別與軌道的軌腰、軌底相配合;通過伸縮液壓桿帶動機(jī)構(gòu)整體上升或者下降，使得切割機(jī)構(gòu)適應(yīng)茶隴的高度。啟動電機(jī)動力分為2個部分，一部分通過驅(qū)動輪傳遞給雙偏心輪結(jié)構(gòu)使切割刀將茶葉割斷;另一部分通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)經(jīng)過皮帶輪傳遞給鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)泵產(chǎn)生的高速氣流經(jīng)過通風(fēng)管道吹出，將茶葉向后吹入茶葉箱中收集。

2?通風(fēng)管流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型分析

本研究中的流體為空氣，屬于牛頓型氣體，假設(shè)空氣的黏性不隨通風(fēng)管道里旋轉(zhuǎn)時溫度的改變而改變，是黏性為定值的不可壓縮流體。當(dāng)流體在通風(fēng)管中流動時，流體質(zhì)點除了沿管軸向運動外，還有垂直于管軸向方向的橫向運動，完全處于無規(guī)則的亂流狀態(tài)。在采收過程中，為了將茶葉全部收集到茶葉袋中，根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品，一般要求通風(fēng)管中氣流流場的出口速度必須達(dá)到15 m/s以上。

通過公式（1）計算可以得到，通風(fēng)管模型流體的雷諾數(shù)Re=86 000，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工程應(yīng)用中的臨界雷諾數(shù)，因此通風(fēng)管中的氣流屬于湍流模型[7]。

在三維穩(wěn)態(tài)湍流流動的計算過程中，控制方程是流體動力學(xué)計算基本守恒定律的數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式，研究中應(yīng)用的控制方程有質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程，由于不涉及熱量的傳遞和擴(kuò)散，忽略能量守恒方程，湍流運動方程采用標(biāo)準(zhǔn)的 k-ε 模型。

湍流是自然界非常普遍的流動類型，湍流運動的特征為在運動過程中液體質(zhì)點具有不斷互相摻混的現(xiàn)象，速度和壓力等物理量在空間和時間上均具有隨機(jī)性質(zhì)的脈動量。計算湍流運動時，需要附加湍流方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程如下式所示：

3?通風(fēng)管流場仿真分析

通風(fēng)管內(nèi)部流場屬于空氣湍流流場。本研究中的通風(fēng)管采用兩側(cè)送風(fēng)，出風(fēng)管道的內(nèi)部流場相對比較復(fù)雜，通風(fēng)管內(nèi)部流場的分布情況對出風(fēng)口風(fēng)速的分布有重要影響。因此掌握流場分布規(guī)律，建立通風(fēng)管流場模型是非常必要的。

基于FLUENT軟件平臺對通風(fēng)管流場進(jìn)行模擬分析時主要步驟有[8]：（1）基于SolidWorks模塊建立計算模型;（2）基于Gambit模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分;（3）基于FLUENT設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行計算;（4）計算結(jié)果的后處理，實現(xiàn)計算結(jié)果圖形化。

3.1?三維模型及網(wǎng)格劃分

采用Solidworks軟件建立通風(fēng)管物理流動模型，通風(fēng)管根據(jù)茶行寬度和弧度形狀特點設(shè)計而成。

主管兩端的直徑分別為74.2、49.8 mm。左端與鼓風(fēng)機(jī)相連為進(jìn)風(fēng)口，右端通過支撐板封閉。主管長度為 1 150 mm，角度為53°，出風(fēng)口由11個彎管組成，出風(fēng)彎管直線段長度為95 mm，彎管端直徑為20 mm，角度為56°。材料均采用厚 2.4 mm 的PVP塑料管，如圖4所示。

Gambit是專用的計算流體動力學(xué)（CFD）前置處理器，可以用來建立幾何模型、劃分網(wǎng)格和指定邊界條件。其中劃分網(wǎng)格是其主要的功能，提供了多種網(wǎng)格單元，可根據(jù)用戶的需求，自動完成網(wǎng)格劃分，最終會生成包含邊界信息的網(wǎng)格文件。

建立如圖5所示模型，并在Gambit中對三維模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。將通風(fēng)管分區(qū)域劃分網(wǎng)格，其中結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格區(qū)域采用映射法對通風(fēng)管道進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格區(qū)域主要進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，但是在某些位置上包含六面體、錐形以及楔形網(wǎng)格，采用這樣的方法一方面可以合理劃分網(wǎng)格，使得計算結(jié)果取得較好的收斂，另一方面可以得到較正確的結(jié)果。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，主出風(fēng)管道進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對出風(fēng)管和出口處創(chuàng)建邊界層進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理[9]。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，出風(fēng)口網(wǎng)格局部放大圖如圖6所示。

3.2?邊界條件及求解參數(shù)設(shè)置

在Gambit中設(shè)置邊界條件，將最左邊的面設(shè)置為速度入口;分別設(shè)置幾個彎管端口面為壓力出口;其他面設(shè)置為固定壁面（wall）。設(shè)置的結(jié)果為2個速度入口，11個壓力出口，其余各面自動設(shè)置為壁面。使用“Export”命令導(dǎo)出Fengguan.msh文件。在FLUENT軟件中，導(dǎo)入Fengguan. msh文件，使用“check”命令檢查網(wǎng)格文件，這一步非常重要，一定要檢查最小網(wǎng)格的體積，該值要大于0，否則網(wǎng)格不能用于計算。

模擬數(shù)值選用基于壓力的分離隱式求解器進(jìn)行求解，因其僅僅在1個時刻需要占用內(nèi)存，因此內(nèi)存使用效率非常高。數(shù)值模擬時采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型;為了提高計算精度，減少數(shù)值擴(kuò)散，采用二階迎風(fēng)離散格式;選用SIMPLEC算法;工作環(huán)境設(shè)為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。表2列出了在ANSYS FLUENT 15.0中定義的用于模擬的邊界條件設(shè)置[9-10]。

3.3?仿真結(jié)果分析

將Gambit建好的通風(fēng)管網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸入到FLUENT軟件中。通過圖7殘差曲線可以看出，218步之后數(shù)值模擬計算是收斂的，得到最終速度矢量圖如圖8所示。速度場在主管與彎管過渡處發(fā)生變化，這是由于彎口弧度的存在造成了不同速度區(qū)域的出現(xiàn)。通風(fēng)管主管中間部分隨著弧度的變化速度逐漸增大;彎管隨著直徑變小，在出口處整體速度變大。

通過仿真，得出如下結(jié)論：通風(fēng)管每個出風(fēng)管口的速度都大于15 m/s，達(dá)到了茶葉實際收集的風(fēng)速要求，模擬結(jié)果與實際情況相符。為了提高茶葉的收集效率，需要進(jìn)一步分析通風(fēng)管送風(fēng)方式和其結(jié)構(gòu)。

4?通風(fēng)管優(yōu)化設(shè)計

4.1?通風(fēng)管優(yōu)化目標(biāo)

茶葉在采收過程中，以通風(fēng)管出風(fēng)口處速度最大為原則，因此采茶機(jī)通風(fēng)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型如下：

由于各參數(shù)對通風(fēng)管內(nèi)部流場力學(xué)性能影響大小不同，很難得出最優(yōu)解，因此，本研究通過改變通風(fēng)管結(jié)構(gòu)部分參數(shù)，對通風(fēng)管內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，得到出風(fēng)口速度的變化規(guī)律，從而對通風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

4.2?通風(fēng)管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

4.2.1?不同進(jìn)風(fēng)方式對空氣流場的影響

表3列舉了2種常用的進(jìn)風(fēng)方式（單側(cè)、兩側(cè)）。按照2種常見的進(jìn)風(fēng)方式，分別對本研究中的通風(fēng)管的內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬仿真，仿真結(jié)果見圖9。當(dāng)進(jìn)風(fēng)方式為單向時，出風(fēng)口的速度達(dá)到 24.9 m/s，當(dāng)進(jìn)風(fēng)方式為雙向時，出風(fēng)口的速度達(dá)到 18.3 m/s，單側(cè)出風(fēng)方式的速度大于兩側(cè)，二者的速度都符合實際要求（大于 15 m/s），但單側(cè)進(jìn)風(fēng)方式出風(fēng)管各個管口速度大小分布不均勻，靠近進(jìn)風(fēng)口的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)的速度。結(jié)合以上因素，最好的效果是選擇兩側(cè)進(jìn)風(fēng)的方式。

4.2.2?出風(fēng)口彎管的不同尺寸（截面直徑）對空氣流場的影響

出風(fēng)口彎管的不同尺寸對出風(fēng)口風(fēng)速有很大的影響。根據(jù)實際情況，設(shè)置模擬彎管的直徑分別為16.8、18.8、20.8 mm，模擬結(jié)果如圖10所示，可以看出，3個不同尺寸對應(yīng)的最大速分別為23.2、18.3、16.0 m/s。最好的效果是選擇出風(fēng)口彎管的直徑為16.8 mm。

5?結(jié)論

針對丘陵山地，本研究設(shè)計了一種單軌懸掛式采茶機(jī)，運用SolidWorks軟件對采摘機(jī)構(gòu)、鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及總體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，該采茶機(jī)在采茶過程可以做到精確控制且無需人為操作，節(jié)省勞動力，同時可以根據(jù)不同的茶樹需要控制不同的采茶高度，適應(yīng)性好，應(yīng)用范圍廣，提高了采茶的效率。

運用FLUENT軟件對通風(fēng)管模型完成仿真研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。進(jìn)風(fēng)口的最佳送風(fēng)方式為兩側(cè)送風(fēng)，出風(fēng)口的最佳彎管直徑為16.8 mm。本研究對通風(fēng)管的進(jìn)風(fēng)方式和彎管的直徑分別進(jìn)行了優(yōu)化，為進(jìn)一步對通風(fēng)管的其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化提供了方法，如出風(fēng)管的個數(shù)、間距、錐度等。

該分析還只是停留在軟件模擬分析階段，并未有實際試驗驗證。限于多種因素影響，模擬結(jié)果只能表現(xiàn)一種大致趨勢，但是可以為實際生產(chǎn)操作以及采茶機(jī)通風(fēng)管的后續(xù)設(shè)計改進(jìn)提供一種思路及理論依據(jù)。

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