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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