陳 飛，葛 云，張立新，張曉偉，夏元清,2

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院, 新疆 石河子 832003；2.北京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100081)

紅花，別名：紅藍(lán)花、草紅花，菊科一年或二年生草本植物.紅花作為名貴中草藥材和油料，有活血化瘀，散濕去腫的功效.紅花用途廣闊，可用于中藥、食品、染料、油料和飼料[1]，紅花是新疆主要的經(jīng)濟(jì)作物之一.

近年來，隨著紅花種植面積迅速擴(kuò)大，收獲問題成了制約紅花規(guī)模種植的重要瓶頸，人工收獲普遍存在成本高、效率低、收獲不及時等問題.因此，機(jī)械化收獲成為紅花規(guī)?；l(fā)展不可欠缺的重要環(huán)節(jié).目前國內(nèi)外對紅花采收機(jī)械都有一定的研究，紅花采收原理主要分為氣吸式、切割式、氣吸切割式和對輥式4種[2-3].紅花采收機(jī)的研究和報道多是以優(yōu)化采摘裝置促進(jìn)花絲與果球分離，提高采收率為目標(biāo).但實(shí)際的采收過程還包括采摘紅花花絲前果球的定位、花絲采摘后拋出后的輸送等環(huán)節(jié).特別是紅花花絲形態(tài)各異，在輸送過程中花絲運(yùn)動軌跡受氣流影響較大，如果運(yùn)輸過程的各個參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，紅花花絲會在采摘腔室內(nèi)持續(xù)運(yùn)動而無法直接進(jìn)入收集裝置，影響輸送效率，即使紅花花絲采摘效率較高，也會造成紅花花絲長時間停留在采摘腔室，造成堵塞和降低作業(yè)效益，甚至?xí)斐苫ńz掉落率增加.

為解決以上問題，國內(nèi)外學(xué)者針對腔室內(nèi)氣流場的分布特性展開了大量的研究[4-8]，如瞿之平等[9]應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件Fluent中的Mixture多相流模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與SIMPLEC算法,對拋送裝置內(nèi)氣固兩相流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了葉片式拋送裝置拋送物料時內(nèi)部氣流和物料復(fù)雜的流動特性;劉飛等[10]運(yùn)用計算流體動力學(xué)CFD技術(shù)，分析了揉碎機(jī)內(nèi)腔氣流場的壓力場分布形態(tài)和速度場分布形態(tài);李洪昌等[11]研究了風(fēng)篩式清選室內(nèi)氣流場的分布情況.而關(guān)于利用對輥將物料采摘后拋出的研究相對較少.

為此，文中基于Fluent流體仿真軟件對紅花花絲采摘后在采摘腔室內(nèi)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，得出影響紅花花絲運(yùn)動軌跡的主要影響因素，在不同工作參數(shù)下，進(jìn)行模擬仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行試驗驗證，最終得到采摘腔室的較佳工作參數(shù).

1 對輥式紅花采收機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)和工作過程

對輥式紅花采收機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由背負(fù)支架、汽油機(jī)、風(fēng)機(jī)、集花管道、軟軸、對輥式采摘輸送系統(tǒng)組成.

圖1 對輥式紅花采收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

人手握持對輥式采摘裝置，對準(zhǔn)并靠近待采摘的紅花果球，此時高速旋轉(zhuǎn)的對輥在其周圍產(chǎn)生氣流壓力差使紅花絲聚集、收攏，花絲在對輥的拉拔作用下脫離果球，并隨著對輥的高速旋轉(zhuǎn)花絲被拋入采摘腔室內(nèi)，在氣流的作用下，紅花花絲移動至輸花通道，并沿著輸花通道進(jìn)入儲花室，完成紅花花絲的采摘.

2 采摘腔室中花絲運(yùn)動軌跡分析

為了更清晰準(zhǔn)確地分析紅花花絲運(yùn)動軌跡的變化，將采摘裝置內(nèi)部按功能劃分為采摘腔室和輸花通道兩個區(qū)域：其中通道起點(diǎn)以左、腔室上壁以下的區(qū)域為采摘腔室；通道起點(diǎn)以右、通道上下壁之間的區(qū)域為輸花通道.花絲能夠進(jìn)入輸花通道即為有效收集.

紅花花絲在采摘腔室內(nèi)隨氣流流動，花絲運(yùn)動軌跡如圖2所示.采摘腔室內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)，對輥轉(zhuǎn)速1 400 r·min-1，花絲受各種因素的影響，運(yùn)動軌跡較為復(fù)雜，由于對輥高速回轉(zhuǎn)，將花絲拉拔拋出以后，花絲軌跡在無障礙情況下呈拋物線狀，但為了減少采摘裝置體積和質(zhì)量，更便于攜帶和人手握持，在靠近對輥處設(shè)置的采摘腔室的上壁會阻礙被向上拋起來的花絲簇，花絲碰到采摘腔室上壁后軌跡發(fā)生改變向采摘腔室下壁反彈，如果速度足夠，花絲將繼續(xù)反彈，反之速度較小花絲則掉落在對輥上或者通道下壁附近，掉落的花絲或繼續(xù)停留，或被旋轉(zhuǎn)的對輥帶出采摘腔室.因此為了保證有效地采摘和收集，應(yīng)改變采摘腔室內(nèi)氣流場的運(yùn)動速度分布和花絲的運(yùn)動軌跡，從而使被摘離的花絲在向上拋送且未到達(dá)采摘腔室上壁的過程中，被腔室內(nèi)氣流場有效帶離采摘區(qū)，被拋向輸花通道.因此如何有效提高采摘腔室內(nèi)氣流場水平運(yùn)移速度是提高紅花采收效率的關(guān)鍵因素.

圖2 對輥摘離后花絲運(yùn)動軌跡圖

假設(shè)輸花通道后部提供負(fù)壓，以使摘離的花絲盡快被收集，在對輥轉(zhuǎn)速1 400 r·min-1的情況下，文中采用ANSYS19.0/Fluent模塊進(jìn)行模型邊界條件設(shè)定和求解，對采摘腔室內(nèi)部氣流場進(jìn)行流場仿真分析.仿真分析時對紅花采摘腔室作如下假設(shè)：① 空氣為可壓縮理想空氣；② 室溫為恒定 25 ℃，大氣壓為 1.01×105Pa；③ 紅花采摘腔室施加無滑移邊界條件；④ 紅花花絲在采摘腔室內(nèi)的運(yùn)動為氣固兩相流，設(shè)置第1相為空氣，第2相為紅花花絲.

紅花花絲入口邊界條件設(shè)為壓力入口邊界條件，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置大氣壓力為邊界值，壓力大小為1.01×105Pa.

紅花花絲出口邊界條件設(shè)為壓力出口邊界條件，負(fù)壓值等于負(fù)壓氣室的負(fù)壓值.

壁面邊界條件:壁面為剛性無滑移壁面，不考慮壁面彈性的影響，因此選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[12-13].求解時湍流模型選擇 Realizable k-epsilon模型，定義最大運(yùn)算步數(shù)為1 000，殘差收斂條件為1×10-3，計算達(dá)到收斂條件為止.

擔(dān)任班主任工作已有十多個年頭，經(jīng)歷過剛開始時的迷糊、不知所措，繼而被瑣事搞到焦頭爛額，也有過一心鞠躬盡瘁、死而后已的思想，然后精疲力盡，卻吃力不討好。當(dāng)然也有過小有收獲時的自足、欣慰，其中的滋味也就只有經(jīng)歷過才知道。班主任的工作是瑣碎的,但我堅信,如果能建設(shè)好一支干部隊伍,一定會對自己的工作有莫大的幫助。班干部是班級的核心力量，是班主任進(jìn)行工作的有力助手，巧選妙用這些小幫手，也就顯得更加舉足輕重。班干部隊伍的構(gòu)建過程需要我們班主任花心思，隨著工作經(jīng)驗的不斷積累和自我學(xué)習(xí),在班主任工作中也有了自己的一些想法。這次我想談?wù)勗诓煌瑫r期下班干部選拔上的一些做法。

仿真結(jié)果如圖3所示，速度云圖中不同顏色代表不同大小的速度值，根據(jù)顏色的差異可以查看采摘腔室內(nèi)速度大小的分布情況.對輥上方有大面積的低速區(qū)域，尤其在膠輥1上方，紅花花絲受到對輥?zhàn)赞D(zhuǎn)和膠輥1上方渦流的影響，使對輥上方低速區(qū)增大，導(dǎo)致花絲軌跡紊亂不一.

圖3 速度云圖

為了消除對輥?zhàn)赞D(zhuǎn)和渦流產(chǎn)生的影響，課題組在采摘腔室左側(cè)擋板增加導(dǎo)流孔，目的是減小低速區(qū)域面積，增大水平方向力，減小進(jìn)氣口壓力.并針對有、無導(dǎo)流孔的條件下進(jìn)行紅花輸送系統(tǒng)氣流場采摘效果高速攝像試驗，試驗跟蹤幾簇花絲的運(yùn)動軌跡，并分別進(jìn)行標(biāo)識，采摘腔室內(nèi)花絲運(yùn)動軌跡對比試驗結(jié)果如圖4所示，在無導(dǎo)流孔條件下(圖4a)，紅花花絲軌跡紊亂不一，存在碰壁、回旋現(xiàn)象，輸送效率很低；在設(shè)置導(dǎo)流孔的條件下(圖4b)，紅花花絲軌跡較為統(tǒng)一，且遠(yuǎn)離對輥，更接近或趨向于進(jìn)入集花管道，且軌跡與拋物線軌跡較為接近，收集效率較高.

圖4 花絲軌跡對比圖

從以上分析可知，在采摘腔室前端擋板上設(shè)置導(dǎo)流孔可優(yōu)化紅花花絲運(yùn)動軌跡，使之更趨向于被收集，降低花絲在對輥上方盤旋、反彈、掉落的機(jī)率.因此是一種有效提高收集效率和采收質(zhì)量的方式，但導(dǎo)流孔的孔徑大小和個數(shù)均是重要影響因素，因此文中將采用流場仿真分析，探明其對紅花絲收集效率和采收質(zhì)量的影響規(guī)律.

3 導(dǎo)流孔孔徑變化對采摘質(zhì)量影響

為了研究導(dǎo)流孔孔徑大小對采摘腔室內(nèi)花絲運(yùn)動軌跡的影響，根據(jù)采摘腔室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從既能打破對輥上方低速區(qū)又能盡量避免外界氣流對采摘腔室氣流場擾動的設(shè)計角度出發(fā)，設(shè)置導(dǎo)流孔直徑的仿真變化范圍在0～9 mm，間隔為3 mm.分別設(shè)置d=0(無孔)、3、6和 9 mm共4種仿真方案進(jìn)行仿真，分析采摘腔室內(nèi)速度分布和花絲運(yùn)動軌跡的變化.仿真結(jié)果如圖5所示，速度云圖中呈深藍(lán)色的均為低速區(qū)域，且存在速度梯度的區(qū)域存在不同程度的渦流現(xiàn)象.當(dāng)d=0 mm(無孔)時(圖5a)，氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入，繞過對輥后，由于對輥旋轉(zhuǎn)對氣流產(chǎn)生擾動，產(chǎn)生渦流，在對輥上方形成較大的低速區(qū)域，尤其集中在膠輥1的上方；當(dāng)d=3 mm時(圖5b)，導(dǎo)流孔旁最高速度區(qū)域軌跡呈弧形，腔室內(nèi)低速區(qū)域有所減少，對輥上方仍存在渦流現(xiàn)象；當(dāng)d=6 mm時(圖5e)，導(dǎo)流孔旁最高速度區(qū)域軌跡基本平直，且面積明顯擴(kuò)大，渦流現(xiàn)象減弱；當(dāng)d=9 mm時(圖5f)，導(dǎo)流孔旁最高速度區(qū)域軌跡向上傾斜沿腔室上壁流動，相較于前者(d=6 mm)，最高速度區(qū)域未明顯增加，且對輥上方低速區(qū)域反而有所增大，且仍存在渦流現(xiàn)象.

花絲軌跡圖中的標(biāo)記點(diǎn)為花絲與輸花通道下壁碰撞點(diǎn)，碰撞點(diǎn)離膠輥2越遠(yuǎn)說明花絲將來越有利于被有效收集.由圖5可以看出，隨著導(dǎo)流孔孔徑的增大，花絲軌跡趨于一致，通道下壁花絲碰撞點(diǎn)逐漸后移.當(dāng)d=0 mm(無孔)時(圖5c)，花絲在被對輥拋出后軌跡紊亂不一，花絲多次碰撞腔室上壁，反彈后頻繁碰撞通道下壁和對輥的現(xiàn)象，收集效率和采收質(zhì)量很低;當(dāng)d=3 mm時(圖5d)，花絲在被對輥拋出后軌跡大致統(tǒng)一，在碰撞腔室上壁前后水平方向受力較小，導(dǎo)致水平位移較小，但碰到采摘腔室下壁反彈后，軌跡變得紊亂不一,總體上收集效率和采收質(zhì)量有一定的提高；當(dāng)d=6 mm時(圖5g)，花絲受到的水平方向力明顯增大，導(dǎo)致水平位移明顯增加，碰到腔室上壁的位置后移，通道下壁碰撞點(diǎn)趨于統(tǒng)一，部分花絲未碰撞通道下壁直接通過輸花通道，收集效率和采收質(zhì)量明顯提高；當(dāng)d=9 mm時(圖5h)，由于最高速度區(qū)域位置的不同，相比前者(d=6 mm)，花絲在被對輥拋出后受到的水平方向力增大，隨之水平位移增大，腔室上壁碰撞點(diǎn)后移，但通道下壁花絲碰撞點(diǎn)變得分散，無花絲直接通過輸花通道，收集效率和采收質(zhì)量較之前有降低.

圖5 不同孔徑時腔室氣流場速度云圖和花絲軌跡圖

綜上分析，當(dāng)d=6 mm時，導(dǎo)流孔旁最高速度區(qū)域軌跡基本平直，且花絲軌跡較為統(tǒng)一，收集效率和采摘質(zhì)量較高.

4 導(dǎo)流孔數(shù)量對采摘質(zhì)量的影響

基于對孔徑大小仿真分析得出的結(jié)論，選取最優(yōu)孔徑大小，通過增加導(dǎo)流孔數(shù)量研究其對采摘腔室內(nèi)花絲運(yùn)動軌跡的影響，分別設(shè)置導(dǎo)流孔數(shù)量N=1、2、3共3種方案進(jìn)行仿真，分析采摘腔室內(nèi)速度分布和花絲運(yùn)動軌跡的變化.

仿真結(jié)果如圖6所示，速度云圖中呈深藍(lán)色的均為低速區(qū)域，隨著導(dǎo)流孔數(shù)量的增加，低速區(qū)域不斷減少，渦流現(xiàn)象逐漸減弱.當(dāng)N=1時(圖6a)，最高速度區(qū)域軌跡基本平直，膠輥1上方和腔室上壁下方仍存在低速區(qū)域，渦流現(xiàn)象減弱；當(dāng)N=2時(圖6b)，腔室上壁下方形成較大面積高速區(qū)域，但對輥上方仍存在一部分低速區(qū)域，渦流現(xiàn)象得到抑制；當(dāng)N=3時(圖6c)，對輥上方低速區(qū)域大范圍減少，低速區(qū)面積顯著降低，渦流現(xiàn)象幾乎消失.

花絲軌跡圖中的標(biāo)記點(diǎn)為花絲與輸花通道下壁碰撞點(diǎn)，碰撞點(diǎn)離膠輥2越遠(yuǎn)說明花絲將來越有利于被有效收集.由圖6可以看出，隨著導(dǎo)流孔數(shù)量的增加，花絲運(yùn)動軌跡逐漸一致，通道下壁花絲碰撞點(diǎn)逐漸后移直至消失.當(dāng)N=1時(圖6d)，花絲受到的水平方向力增大，導(dǎo)致水平位移變大，采摘腔室上壁壁花絲碰撞點(diǎn)后移，通道下壁花絲碰撞點(diǎn)大致統(tǒng)一，個別花絲未碰撞通道下壁直接通過輸花通道，收集效率和采收質(zhì)量明顯提高；當(dāng)N=2時(圖6e)，花絲碰壁前運(yùn)動趨于一致，花絲在碰壁后受到的水平方向力增大，使水平位移增加，通道下壁花絲碰撞點(diǎn)較為統(tǒng)一，有部分花絲未碰撞通道下壁直接通過輸花通道，收集效率和采收質(zhì)量明顯提高；當(dāng)N=3時(圖6f)，花絲被對輥拋出后，碰壁前后運(yùn)動趨于一致，花絲在碰壁前后受到的水平方向力明顯增大，導(dǎo)致水平位移顯著增加，全部花絲未碰撞通道下壁直接通過輸花通道，高速區(qū)域基本覆蓋花絲運(yùn)動軌跡區(qū)域，收集效率和采收質(zhì)量大幅提高，拋送距離和拋送效率明顯改善.

圖6 導(dǎo)流孔數(shù)量變化時腔室內(nèi)的氣流場速度云圖和花絲軌跡圖

上述分析顯示，在d=6 mm、豎向排列和間距h=15 mm的條件下，水平方向力增大，紅花花絲軌跡基本處在高速區(qū)域，一致性較高，收集效率和采收質(zhì)量較高，因此可認(rèn)為該參數(shù)條件下的采摘腔室適合紅花花絲的采摘收集.

5 試 驗

對輥式紅花采摘試驗臺如圖7所示.對輥式紅花采摘試驗臺由對輥式紅花采摘裝置、伺服電動機(jī)、伺服電動機(jī)驅(qū)動器、收集裝置和聯(lián)軸器等組成.其中對輥式紅花采摘裝置由采摘腔室、左膠輥和右膠輥等組成，箱體由透明亞克力板制成，對輥間隙為0.5 mm[14]，對輥通過聯(lián)軸器與伺服電動機(jī)相連.收集裝置由風(fēng)機(jī)、集花管道和集花箱組成.工作時，紅花從對輥式紅花采摘裝置下方喂入到對輥間隙，伺服電動機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機(jī)工作，伺服電動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動左右膠輥背向旋轉(zhuǎn)，在擠壓作用下，拔取紅花花絲，使紅花花絲與果球分離，紅花花絲在風(fēng)機(jī)負(fù)壓的作用下通過集花管道進(jìn)入集花箱.

圖7 對輥式紅花采摘試驗臺

5.1 紅花試樣

選用開放后1～4 d的紅花為試驗樣本，紅花含水率[15]為70.94%～81.38%.于2019年6月28日的成熟期采摘，采自石河子大學(xué)試驗場，采樣時確保紅花無蟲害、損傷，每次采摘后在半天內(nèi)進(jìn)行試驗.

5.2 儀器設(shè)備與軟件

試驗設(shè)備：美國FASTEC IMAGINGTS4-100高速攝像機(jī)；北京中創(chuàng)天勤科技發(fā)展有限公司SM80-02430伺服電動機(jī)；QS7AA020M驅(qū)動器；耐力N7025風(fēng)機(jī)；對輥式紅花采摘裝置；紅花收集裝置.高速視頻處理軟件：ProAnalyst-Lite Edition軟件.

5.3 試驗方法

按照Fluent軟件仿真優(yōu)化結(jié)果選取最優(yōu)導(dǎo)流孔參數(shù)進(jìn)行模具的加工制作，搭建紅花采摘試驗臺進(jìn)行紅花采摘試驗，試驗時使用高速攝像機(jī)進(jìn)行高速攝像，記錄紅花花絲的運(yùn)動軌跡.

工作時，高速攝像機(jī)正對左右膠輥之間的采摘區(qū)域，開始試驗時，伺服電動機(jī)按照電動機(jī)驅(qū)動器設(shè)定的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)，確保對輥式紅花采摘裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，固定攝像位置后，啟動高速攝像機(jī)，設(shè)定相關(guān)工作參數(shù)，調(diào)整對焦位置和光線，直到可以看到紅花清晰的顯示在高速攝像機(jī)屏幕上[16-18].然后將當(dāng)天采摘好的紅花放置左右膠輥下方，紅花花絲被對輥拔下時開始記錄紅花花絲在采摘腔室內(nèi)的運(yùn)動軌跡，到紅花花絲全部進(jìn)入集花管道為止.

采用的高速攝像機(jī)曝光時間為1 954 μs，幀速為510幀·s-1，采集的圖像設(shè)置為1 280×1 024像素.試驗重復(fù)10次，每次試驗完畢后，收集采摘腔室中掉落的紅花花絲、輸花通道中掉落的紅花花絲和風(fēng)機(jī)口殘留的紅花花絲，全部試驗結(jié)束后，對拍攝的試驗視頻進(jìn)行保存，使用圖像處理軟件ProAnalyst-Lite Edition對試驗視頻進(jìn)行處理，通過慢放和動態(tài)及手動捕捉記錄紅花花絲簇運(yùn)動軌跡，標(biāo)記 2～4個紅花花絲簇的運(yùn)動軌跡，對紅花花絲簇的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析處理.

5.4 試驗結(jié)果與分析

在導(dǎo)流孔直徑d=6 mm、導(dǎo)流孔數(shù)量N=3、導(dǎo)流孔排列方式豎向、導(dǎo)流孔間距h=15 mm的條件下，采摘腔室內(nèi)紅花花絲運(yùn)動軌跡如圖8所示，花絲簇的水平位移較大，拋送距離增加，花絲簇基本全部進(jìn)入輸花通道，收集效率較高.說明在此條件下，采摘腔室內(nèi)氣流平穩(wěn)，花絲受到水平方向的力較大，渦流現(xiàn)象幾乎消失，花絲被摘離后直接涌向集花管道，收集效率和采收質(zhì)量都明顯提高.試驗結(jié)果與仿真的結(jié)論基本一致.

圖8 試驗花絲軌跡圖

6 結(jié) 論

1)通過對采摘后的紅花絲進(jìn)行運(yùn)動軌跡分析，得出提高采摘腔室內(nèi)氣流場水平運(yùn)移速度是提高紅花采收效率的關(guān)鍵因素，并通過仿真和試驗確定增加導(dǎo)流孔是一種提高花絲收集效率和采收質(zhì)量的有效方式.

2)以導(dǎo)流孔孔徑大小和導(dǎo)流孔數(shù)量為影響因素，對采摘腔室內(nèi)氣流場速度變化和花絲軌跡進(jìn)行仿真分析，并基于仿真分析結(jié)果確定采摘腔室的最優(yōu)參數(shù)為導(dǎo)流孔直徑d=6 mm、導(dǎo)流孔數(shù)量N=3、導(dǎo)流孔排列方式豎向、導(dǎo)流孔間距h=15 mm，此時采摘室內(nèi)氣流場流速穩(wěn)定，花絲運(yùn)動軌跡較為一致，花絲收集效率和采收質(zhì)量較高.

3)利用自制的對輥式紅花采摘試驗臺，配合使用高速攝像設(shè)備，對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證分析.試驗結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合，可為紅花采收機(jī)械參數(shù)優(yōu)化提供參考.