郭帥 郭艷玲 鮑玉冬

（東北林業(yè)大學，黑龍江哈爾濱 150040）お

摘要

風機和振動分選板配合使用，振動分選板安裝呈α傾斜角，風選機產(chǎn)生的氣流給振動分選板上的枝葉一個向上的氣流，使得枝葉離開板面向上，藍莓果呈圓球形，易滾動，受風機氣流影響較小，在分選板上受振動的作用向下滾動，從而得以分離出來。經(jīng)ADAMS軟件仿真驗證，證明該設計方案具有可行性。所選用的多翼式離心風機，經(jīng)試驗對比，證明該風機內部氣流的穩(wěn)定性與風機葉輪直徑大小、葉輪葉片數(shù)量、出口位置和大小有關，可根據(jù)生產(chǎn)需要進行選擇。

關鍵詞 風力分選；ADAMS；振動仿真

中圖分類號 SB225文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06452-03

基金項目 國家林業(yè)局948項目（2011421）東北林業(yè)大學大學生創(chuàng)新實驗項目（201210225055）。作者簡介

郭帥（1992-），男，黑龍江雙鴨人，在讀本科生，專業(yè)：機械電子工程。*通訊作者，教授，博導，美國密歇根大學研修生，從事機電一體化及農(nóng)業(yè)機械設計與制造研究。

收稿日期 20140521

藍莓，有著“世界水果之王”和“黃金水果”的美譽，是野生漿果中的極品?？蓮V泛應用于食品、化妝品、保健品等領域，在國際市場上一直呈供不應求態(tài)勢，經(jīng)濟價值十分可觀。權威人士認為，藍莓產(chǎn)業(yè)不僅是一項農(nóng)民致富的產(chǎn)業(yè)，更是一項增加人民壽命的健康工程［1-4］。

近年來，接觸式振動收獲機被廣泛應用于藍莓采摘領域［5］。接觸式收獲機通常將振動器直接深入植物冠層內，采用不同類型的振動方式，擊打或梳刷植物枝條，使果實與植株分離，經(jīng)接果板落入傳送帶上，通過傳送帶輸送，進而收集果實。由于擊打藍莓果枝時，會有大量的枝葉伴隨脫落，最終收集的是果葉的混合物。藍莓果實小且軟，分選困難，二次篩選很可能損壞果實，減少果實的貯存時間；而且人工篩選作業(yè)，勞動強度高，生產(chǎn)成本高。因此在藍莓輸送到果實收集裝置的過程中，利用風力分選系統(tǒng)，達到將果實與枝葉等雜質徹底分開的研究顯得尤為重要。

1風力分選裝置工作原理

風力分選裝置采用風機與振動分選板配合使用的原理，其結構如圖1所示［6］。曲柄OF繞著O點以轉速n逆時針轉動，吊桿EDC固結于D點并與機架相連，吊桿AB固結于A點并與機架相連，吊桿EDC和吊桿AB左右搖擺運動，振動分選板BC由曲柄帶動做左右擺動和上下振動運動。振動分選板安裝傾斜角為α。

圖1 振動分選裝置示意圖

振動分選板上方設有風機。 風機產(chǎn)生氣流，給振動分選板中后方的果葉一個向上作用力，將葉片吹離該裝置。振動分選板的左右擺動和上下振動，抖散果葉，使得果葉之間最大程度地分散。由于藍莓果實呈球形，易滾動，受風機氣流的作用影響較小，振動的同時向下滾動。而葉片與分選板之間摩擦系數(shù)較大，不易滾動，且葉片受力面積較大，受到氣流作用力大，使得葉片吹離分選板，從而實現(xiàn)果葉的分離的┠康?。?/p>

2 基于ADAMS振動分選裝置的虛擬設計

2.1 仿真模型的建立

設定建模環(huán)境后，利用ADAMS/VIEW中的建模實體LINK，建立機構的實體模型，機構參數(shù)，連桿OA、AB、BC、CD、EF、DE長度分別為60、200、120、100、200和800 mm；分選板傾斜角α=23°。利用ADAMS中的Revolution添加約束,如圖2所示。

圖2 仿真模型

2.2 模型的測試

虛擬樣機的研究克服了以往試驗為主的研究方式，降低了對硬件設備和儀器的要求，而且節(jié)約了試驗成本。多次的模擬試驗，使試驗結果更具真實性。

為了全面分析分選板位移和速度變化情況，在分選板上前段、中部、后端分別設定P1、P2、P3 3個測試點。當給曲柄設定1 500°/s的驅動，進行仿真分析。分別測試3個點沿垂直方向的位移、沿水平方向的速度，如圖3、4所示。

由圖3可知，在分選板上的測試點P1、P2、P3的振幅是逐漸減小的。由于藍莓果實是球形的，P1點的振幅大有利于藍莓果實的滾落；P3點的振幅較小可以防止葉片的向下滑落。因此，測試點P1、P2、P3的振幅減小有利于果實的向下滾落和葉片的向上拋離。

圖3 振動分選板垂直方向位移變化曲線

圖4 振動分選板水平方向速度變化曲線

由圖4可知，在分選板上的測試點P1、P2、P3的速度是逐漸減小的。P1點的速度大，可以加快與葉片分開的藍莓果實的下落；中間P2點的速度適中，有利于藍莓果葉的抖散；P3點的速度小，可以降低葉片下滑的速度，有利于葉片盡快吹離分選板。

3風機流場的CFD模擬

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是建立在經(jīng)典動力學與數(shù)值計算方法基礎之上的一門新型獨立學科，其基本定義是通過計算機進行數(shù)值計算和圖像顯示，分析包括流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的┫低場＊

FLUENT是目前處于世界領先地位的商業(yè)CFD軟件包之一，技術成熟，使用廣泛，其工作原理和使用程序代表了目前絕大多數(shù)CFD技術軟件的模式，用于模擬和分析復雜幾何區(qū)域內的流體流動與傳熱現(xiàn)象的專用軟件，它提供了靈活的網(wǎng)格特性，可以支持多種網(wǎng)格。針對各種復雜流動的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，在特定領域內使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效地解決各個領域的復雜流動計算問題。

3.1 初始模型的建立和定義邊界條件

設備中預選用多翼式離心式風機，多翼式離心風機具有運轉平穩(wěn)、噪聲低、流量大、振動小、壽命長等優(yōu)點。在GAMBIT中建立多翼式離心風機初始模型，葉片為36片，風機出口寬度175 mm， 葉輪轉動區(qū)域直徑375 mm。由于風機內部氣體流場具有對稱性，因此風機模型建立二維模型并采用適應性較強的非結構化三角形網(wǎng)格（圖5、6）。在GAMBIT中創(chuàng)建的模型導入FLUENT 6.3中，對網(wǎng)格進行加檢查，選擇求解器和湍流模型，設置物理屬性、運算環(huán)境、邊界條件和求解策略，葉片旋轉速度為1 450 r/min，最后進行模型初始化。

圖5 網(wǎng)格整體視圖

圖6網(wǎng)格局部視圖

3.2 模型的測試

設置迭代的次數(shù)為500步，當?shù)?70步時，計算收斂，得到如圖6所示的殘差圖和如圖7所示的速度分布云圖。

圖6 殘差

圖7速度的云分布

對圖7進行分析，可知風機出口處中部出現(xiàn)了高速帶；風機出口處出現(xiàn)了明顯的渦流區(qū)域；殼體左下端出現(xiàn)了明顯的高速區(qū)；這會影響風機出口處氣流的平穩(wěn)性，影響風機的分選效率，需要對風機結構進行改進。

3.3 模型的優(yōu)化

為了減少風機內的漩流和維持風機出口氣流穩(wěn)定，通過多次試驗，對原有模型進行修改，延長風機出風口通道的距離，增大出風口寬度到320 mm，增加葉片數(shù)量到50片，減小葉輪直徑到335 mm,得到風機速度分布云圖和出口截面速度分布圖（圖8、9）。

通過圖8可知，風機出口處氣流穩(wěn)定，避開了渦流區(qū)域。通過圖9可知，風機出口速度變化范圍在1.5~12 m/s之間，速度變化范圍小，而且該范圍滿足藍莓分選的要求。

圖8 速度的云分布

4 結論

該文闡述了風力分選裝置的原理，在ADAMS軟件中建

圖9 出口截面速度分布

立了振動分選板的簡化模型并進行了仿真，分析了振動分選板的振幅和分選板上各點的速度變化，證明了振動分選的可行性。

通過對多翼式離心風機模型的建立，使用FLUENT軟件對風機內部氣流場的模擬，分析風機內部流場，改進風機內部結構。通過試驗對比，可知多翼式離心風機內部氣流的穩(wěn)定性與風機葉輪直徑大小、葉輪葉片數(shù)量、出口位置和大小有關。這為風機的選購提供了一定的依據(jù)，進而可提高風選系統(tǒng)的工作效率。

參考文獻

［1］ 王輝,王鵬云,王蜀,等.我國藍莓的發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2008，29(2)：250-253.

［2］ 陳衛(wèi).藍莓及營養(yǎng)保健功能［J］.中外食品，2003(7)：34-35.

［3］ 卜慶雁，周晏起.淺析藍莓的營養(yǎng)保健功能及開發(fā)利用前景［J］.北方園藝，2010(8):215-217.

［4］ 李亞東，張志東，吳林.藍莓果實的成分及保健功能［J］.中國食物與營養(yǎng)，2002(1)：27-28.

［5］ 陳度，杜小強，王書茂，等.振動式果品收獲技術機理分析及研究進展［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(8)：195-200.

［6］ 任顏華.啤酒花采摘機振動分選裝置的仿真研究［D］.蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學，2008.

［7］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：18-145.