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大，收獲機械化的實現(xiàn)變得越來越迫切。以單軌懸掛式采茶機械為基礎(chǔ)，為改善茶園采茶機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，為采茶機通風(fēng)管裝置的進一步設(shè)計改進提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單軌懸掛式采茶機;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，收獲機械化的實現(xiàn)變得越來越迫切;結(jié)合機械化手段，研究相關(guān)機械設(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)對采茶機研究較少，尤其對采茶機通風(fēng)管內(nèi)部流場的研究較為薄弱，韓余等分析了往復(fù)式采茶機切割器的運動，并對往復(fù)式采茶切割器剛?cè)狁詈线M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，達到一機多用的目的[4]。余順火等闡述抬式采茶及剪枝機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行了研究[5]。韓余等設(shè)計了一種跨行自走式采茶機機架，該機架具有質(zhì)量輕、地隙高、重心穩(wěn)定等特點，運用有限元技術(shù)對采茶機機架進行了靜力學(xué)與動力學(xué)特性分析，采茶機正常作業(yè)時，機架不會發(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，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通風(fēng)管及其出口處的氣管內(nèi)部氣流流場進行數(shù)值模擬，旨在為采茶機通風(fēng)管裝置的進一步設(shè)計改進提供理論依據(jù)。

1?采茶機總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

目前，國內(nèi)外對采茶機的結(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、雙人手扶式采茶機、履帶自走式采茶機等。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的設(shè)計提出了更高的要求，為了提升機采茶葉的品質(zhì)，減少對茶樹的機械性損傷，對整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。針對丘陵山地，為了提高機采茶葉的效率，本研究設(shè)計了一種軌道懸掛式采茶機，如圖1所示。

采茶機結(jié)構(gòu)主要由采摘機構(gòu)、鼓風(fēng)機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、行走機構(gòu)、電機等組成，如表1所示。采茶機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構(gòu)整體上升或者下降，使得切割機構(gòu)適應(yīng)茶隴的高度。啟動電機動力分為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，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，遠遠大于工程應(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模塊進行網(wǎng)格劃分;（3）基于FLUENT設(shè)置參數(shù)并進行計算;（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)機相連為進風(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?不同進風(fēng)方式對空氣流場的影響

表3列舉了2種常用的進風(fēng)方式（單側(cè)、兩側(cè)）。按照2種常見的進風(fēng)方式，分別對本研究中的通風(fēng)管的內(nèi)部流場進行了模擬仿真，仿真結(jié)果見圖9。當(dāng)進風(fēng)方式為單向時，出風(fēng)口的速度達到 24.9 m/s，當(dāng)進風(fēng)方式為雙向時，出風(fēng)口的速度達到 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)進風(fēng)方式出風(fēng)管各個管口速度大小分布不均勻，靠近進風(fēng)口的速度遠遠大于另一側(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，運用SolidWorks軟件對采摘機構(gòu)、鼓風(fēng)機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、行走機構(gòu)以及總體機構(gòu)進行了三維建模，該采茶機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)管的進風(fēng)方式和彎管的直徑分別進行了優(yōu)化，為進一步對通風(fēng)管的其他參數(shù)進行優(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)操作以及采茶機通風(fēng)管的后續(xù)設(shè)計改進提供一種思路及理論依據(jù)。

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