郭帥 郭艷玲 鮑玉冬

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040）お

摘要

風(fēng)機(jī)和振動分選板配合使用，振動分選板安裝呈α傾斜角，風(fēng)選機(jī)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(lán)莓果呈圓球形，易滾動，受風(fēng)機(jī)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(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)方案具有可行性。所選用的多翼式離心風(fēng)機(jī)，經(jīng)試驗(yàn)對比，證明該風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流的穩(wěn)定性與風(fēng)機(jī)葉輪直徑大小、葉輪葉片數(shù)量、出口位置和大小有關(guān)，可根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行選擇。

關(guān)鍵詞 風(fēng)力分選；ADAMS；振動仿真

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

基金項(xiàng)目 國家林業(yè)局948項(xiàng)目（2011421）東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jī)械電子工程。*通訊作者，教授，博導(dǎo)，美國密歇根大學(xué)研修生，從事機(jī)電一體化及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究。

收稿日期 20140521

藍(lán)莓，有著“世界水果之王”和“黃金水果”的美譽(yù)，是野生漿果中的極品?？蓮V泛應(yīng)用于食品、化妝品、保健品等領(lǐng)域，在國際市場上一直呈供不應(yīng)求態(tài)勢，經(jīng)濟(jì)價值十分可觀。權(quán)威人士認(rèn)為，藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)不僅是一項(xiàng)農(nóng)民致富的產(chǎn)業(yè)，更是一項(xiàng)增加人民壽命的健康工程［1-4］。

近年來，接觸式振動收獲機(jī)被廣泛應(yīng)用于藍(lán)莓采摘領(lǐng)域［5］。接觸式收獲機(jī)通常將振動器直接深入植物冠層內(nèi)，采用不同類型的振動方式，擊打或梳刷植物枝條，使果實(shí)與植株分離，經(jīng)接果板落入傳送帶上，通過傳送帶輸送，進(jìn)而收集果實(shí)。由于擊打藍(lán)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(lán)莓果實(shí)小且軟，分選困難，二次篩選很可能損壞果實(shí)，減少果實(shí)的貯存時間；而且人工篩選作業(yè)，勞動強(qiáng)度高，生產(chǎn)成本高。因此在藍(lán)莓輸送到果實(shí)收集裝置的過程中，利用風(fēng)力分選系統(tǒng)，達(dá)到將果實(shí)與枝葉等雜質(zhì)徹底分開的研究顯得尤為重要。

1風(fēng)力分選裝置工作原理

風(fēng)力分選裝置采用風(fēng)機(jī)與振動分選板配合使用的原理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［6］。曲柄OF繞著O點(diǎn)以轉(zhuǎn)速n逆時針轉(zhuǎn)動，吊桿EDC固結(jié)于D點(diǎn)并與機(jī)架相連，吊桿AB固結(jié)于A點(diǎn)并與機(jī)架相連，吊桿EDC和吊桿AB左右搖擺運(yùn)動，振動分選板BC由曲柄帶動做左右擺動和上下振動運(yùn)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(shè)有風(fēng)機(jī)。 風(fēng)機(jī)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(lán)莓果實(shí)呈球形，易滾動，受風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)果葉的分離的┠康摹＊

2 基于ADAMS振動分選裝置的虛擬設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型的建立

設(shè)定建模環(huán)境后，利用ADAMS/VIEW中的建模實(shí)體LINK，建立機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型，機(jī)構(gòu)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(jī)的研究克服了以往試驗(yàn)為主的研究方式，降低了對硬件設(shè)備和儀器的要求，而且節(jié)約了試驗(yàn)成本。多次的模擬試驗(yàn)，使試驗(yàn)結(jié)果更具真實(shí)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(shè)定P1、P2、P3 3個測試點(diǎn)。當(dāng)給曲柄設(shè)定1 500°/s的驅(qū)動，進(jìn)行仿真分析。分別測試3個點(diǎn)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(diǎn)P1、P2、P3的振幅是逐漸減小的。由于藍(lán)莓果實(shí)是球形的，P1點(diǎn)的振幅大有利于藍(lán)莓果實(shí)的滾落；P3點(diǎn)的振幅較小可以防止葉片的向下滑落。因此，測試點(diǎn)P1、P2、P3的振幅減小有利于果實(shí)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(diǎn)P1、P2、P3的速度是逐漸減小的。P1點(diǎn)的速度大，可以加快與葉片分開的藍(lán)莓果實(shí)的下落；中間P2點(diǎn)的速度適中，有利于藍(lán)莓果葉的抖散；P3點(diǎn)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(fēng)機(jī)流場的CFD模擬

計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是建立在經(jīng)典動力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨(dú)立學(xué)科，其基本定義是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，分析包括流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的┫低場＊

FLUENT是目前處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè)CFD軟件包之一，技術(shù)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(shù)軟件的模式，用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)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(fù)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(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計(jì)算問題。

3.1 初始模型的建立和定義邊界條件

設(shè)備中預(yù)選用多翼式離心式風(fēng)機(jī)，多翼式離心風(fēng)機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、流量大、振動小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在GAMBIT中建立多翼式離心風(fēng)機(jī)初始模型，葉片為36片，風(fēng)機(jī)出口寬度175 mm， 葉輪轉(zhuǎn)動區(qū)域直徑375 mm。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體流場具有對稱性，因此風(fēng)機(jī)模型建立二維模型并采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格（圖5、6）。在GAMBIT中創(chuàng)建的模型導(dǎo)入FLUENT 6.3中，對網(wǎng)格進(jìn)行加檢查，選擇求解器和湍流模型，設(shè)置物理屬性、運(yùn)算環(huán)境、邊界條件和求解策略，葉片旋轉(zhuǎn)速度為1 450 r/min，最后進(jìn)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(shè)置迭代的次數(shù)為500步，當(dāng)?shù)?70步時，計(jì)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(jìn)行分析，可知風(fēng)機(jī)出口處中部出現(xiàn)了高速帶；風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)出口處氣流的平穩(wěn)性，影響風(fēng)機(jī)的分選效率，需要對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 模型的優(yōu)化

為了減少風(fēng)機(jī)內(nèi)的漩流和維持風(fēng)機(jī)出口氣流穩(wěn)定，通過多次試驗(yàn)，對原有模型進(jìn)行修改，延長風(fēng)機(jī)出風(fēng)口通道的距離，增大出風(fēng)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)出口處氣流穩(wěn)定，避開了渦流區(qū)域。通過圖9可知，風(fēng)機(jī)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(lán)莓分選的要求。

圖8 速度的云分布

4 結(jié)論

該文闡述了風(fēng)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(jìn)行了仿真，分析了振動分選板的振幅和分選板上各點(diǎn)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(fēng)機(jī)模型的建立，使用FLUENT軟件對風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流場的模擬，分析風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場，改進(jìn)風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過試驗(yàn)對比，可知多翼式離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流的穩(wěn)定性與風(fēng)機(jī)葉輪直徑大小、葉輪葉片數(shù)量、出口位置和大小有關(guān)。這為風(fēng)機(jī)的選購提供了一定的依據(jù)，進(jìn)而可提高風(fēng)選系統(tǒng)的工作效率。

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