張德俊，唐勇，張建龍，林蜀云，張?zhí)A，徐衛(wèi)平

(1. 貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴陽市,550001; 2. 貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,貴陽市,550007)

0 引言

辣椒是貴州現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè),同時也是帶動農(nóng)民創(chuàng)業(yè)增收的一個重要途徑[1]。到2020年,全省發(fā)展辣椒種植總面積已達(dá)到363 khm2,其中以朝天椒種植為主,辣椒交易額達(dá)709億元。貴州正從“辣椒大省”向“辣椒強(qiáng)省”邁進(jìn)[2]。針對貴州山地辣椒大面積種植的機(jī)械化收獲,設(shè)計并生產(chǎn)制造了山地履帶自走式辣椒收獲機(jī),降低了辣椒收獲成本,但收獲的辣椒含雜率及漏采率較高,辣椒收獲及風(fēng)選問題急待解決。

劉宇等對色素辣椒果柄的拉斷力通過振動分離的方法進(jìn)行了參數(shù)的測定,可知色素辣椒果柄與莖稈拉斷力為10.3 N。Lee等[3]通過辣椒收獲機(jī)對辣椒異物分離的研究,可知辣椒的漂浮速度為11.5 ～14.3 m/s、辣椒葉的漂浮速度為3.45～5.42 m/s及辣椒莖稈的漂浮速度為10.9～12.5 m/s?？琢钴姷萚4]對線辣椒混合物物料特性參數(shù)進(jìn)行測定,可知線辣椒果實的懸浮速度為11.18 m/s,椒葉的懸浮速度為2.95 m/s。以上研究都是針對一般辣椒、色素辣椒及線椒,缺少朝天椒混合物相關(guān)參數(shù)的研究,朝天椒收獲及朝天椒風(fēng)選環(huán)節(jié)找不到可參考的參數(shù)。

基于上述情況,本文采用貴州省遵義市綏陽縣山地履帶自走式辣椒收獲機(jī)采摘的朝天椒混合物材料來進(jìn)行試驗,測定朝天椒混合物的物料特性、辣椒果實與果柄的結(jié)合力及朝天椒混合物的懸浮速度,以期為辣椒清選裝置的優(yōu)化及整機(jī)收獲性能的改善提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 朝天椒含水量及幾何尺寸測定

1.1 朝天椒含水量測定

朝天椒含水率[4]

式中:m1——朝天椒干燥前的質(zhì)量;

m2——朝天椒干燥后的質(zhì)量。

朝天椒含水率(10個一組)測定結(jié)果如表1所示,去掉最小值和最大值,計算可得朝天椒的平均含水率為74.7%。

表1 朝天椒含水率Tab. 1 Water content of Chaotian pepper

1.2 朝天椒長度測定

測量朝天椒果實長度L1,采用簡單隨機(jī)抽樣,從辣椒收獲機(jī)采摘的朝天椒混合物中隨機(jī)抽取120個朝天椒進(jìn)行測量,每5 mm代表一個梯度進(jìn)行分類,測量結(jié)果見表2,朝天椒果實平均長度為68.5 mm。

表2 朝天椒果實長度測量數(shù)據(jù)Tab. 2 Fruit length measurement of Chaotian pepper

1.3 朝天椒直徑測定

貴州朝天椒為子彈形,直徑從尖端到末端逐漸增大,但錐體幅度變化較小,可看作子彈形,測量辣椒末端直徑代表整體直徑,因為這個地方的直徑,更接近于朝天椒真實尺寸情況。采用簡單隨機(jī)抽樣方法,從收獲機(jī)采摘的朝天椒混合物中隨機(jī)抽取120個朝天椒,并用卡尺測量,每1 mm代表一個梯度,測量結(jié)果見表3,朝天椒平均直徑為9.65 mm。

表3 朝天椒直徑測量數(shù)據(jù)Tab. 3 Diameter measurement data of Chaotian pepper

2 椒葉幾何尺寸測定

朝天椒的椒葉呈橢圓形,用簡單隨機(jī)抽樣法從辣椒收獲機(jī)采摘的朝天椒混合物中隨機(jī)抽取120片椒葉測量,每10 mm為一個梯度,測量椒葉長度;每5 mm 為一個梯度,測量椒葉寬度,結(jié)果見表4和表5。辣椒葉平均長度L2=103.67 mm,平均寬度L3=45.58 mm。

表4 椒葉長度測量數(shù)據(jù)Tab. 4 Measurement data of pepper leaf length

表5 椒葉寬度測量數(shù)據(jù)Tab. 5 Measurement data of pepper leaf width

3 辣椒果實及果柄結(jié)合力測定

3.1 結(jié)合力有限元仿真分析

本文運(yùn)用Ansys有限元分析軟件的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊分析辣椒果柄分離的力學(xué)特性,其原理是將復(fù)雜的連續(xù)微分方程問題,轉(zhuǎn)化為有限個線性代數(shù)方程的問題,以求得近似解[5]。該仿真假設(shè)辣椒、果柄及辣椒莖稈的變形均滿足式(2)。

{F}=[K]{x}

(2)

式中: {F}——總的載荷列陣;

[K]——模型的剛度矩陣;

{x}——節(jié)點(diǎn)的位移列陣。

辣椒果實主要由果柄、果肉及果籽等部分組成,其縱剖面如圖1所示。影響辣椒果柄的分離特性主要是果肉、果柄及辣椒莖稈,假設(shè)這幾個組成部分為線彈性材料。辣椒果實內(nèi)部簡化為一個空腔結(jié)構(gòu),果柄與辣椒莖稈被近似認(rèn)為是一個圓柱體,辣椒果實三維模型如圖2所示,辣椒與辣椒莖稈幾何模型如圖3所示。

圖1 辣椒縱剖切圖

圖2 辣椒幾何模型

圖3 辣椒與莖桿幾何模型

將建立好的辣椒果實、果柄及辣椒莖稈模型導(dǎo)入Ansys Workbench中,需要設(shè)置模型材料屬性,辣椒果實的彈性模量取為6 MPa。通常水果和蔬菜的泊松比在0.2～0.5,參考謝志平等[6]的刺梨泊松比參數(shù),設(shè)置辣椒果實的泊松比為0.3。果柄與辣椒莖稈的彈性模量和泊松比參考謝志平及侯俊銘等[6-7]研究,設(shè)置辣椒果柄及辣椒莖稈的彈性模量為9.0 MPa,泊松比設(shè)置為0.25。辣椒果實、果柄及辣椒莖稈均采用四面體類型的單元,辣椒果實、果柄及辣椒莖稈的劃分尺寸分別為2 mm、1 mm和1.5 mm,其模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

在辣椒果實尖端下部施加固定約束;參照微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)對一般果實果柄分離試驗的加載速率,在果柄一端的平面上施加加載速率4.5 mm/min的位移載荷,以模擬與辣椒果實與果柄的分離試驗,其施加載荷和約束的位置如圖5(a)所示;在辣椒莖稈上施加固定約束,同樣在辣椒果實上施加加載速率4.5 mm/min的位移載荷,以模擬與辣椒果柄與辣椒莖稈的分離試驗,其施加載荷和約束的位置如圖5(b)所示。

(a) 辣椒果實與果柄施加的載荷與約束

(b) 辣椒果實果柄與莖稈施加的載荷與約束

通過應(yīng)力云圖能夠清楚地反映出果柄分離過程中應(yīng)力的分布規(guī)律,并且可以分析出果柄脫落的部位和載荷,對于辣椒果實的自動化采收和果柄分離加工工序具有重大意義。

根據(jù)有限元模型仿真的計算結(jié)果可獲得等效應(yīng)力云圖,由應(yīng)力云圖可知果柄與辣椒果實及果柄與辣椒莖稈的結(jié)合區(qū)域為分離破壞區(qū)域,這也與真實采摘結(jié)果位置相吻合。

由圖6(a)可知果實與果柄的結(jié)合部位為危險破壞截面,該截面等效應(yīng)力達(dá)到最大值為1.936 7 MPa。由圖6(b)可知果柄與辣椒莖稈的結(jié)合部位為危險破壞截面,危險破壞截面處應(yīng)力達(dá)到最大值為1.664 5 MPa。

(a) 辣椒果實與果柄拉伸分離應(yīng)力圖

辣椒果柄所受應(yīng)力

(3)

式中:F——軸向載荷,N;

A——辣椒果柄截面積,mm2。

辣椒果柄截面積為5.9 mm2,根據(jù)辣椒果柄所受應(yīng)力及截面積,通過式(3)計算可知:辣椒果實與果柄結(jié)合力為11.43 N,果柄與辣椒莖稈結(jié)合力為9.82 N。

3.2 結(jié)合力拉伸測定試驗

采用臥式手搖拉力計儀器來測量結(jié)合力,臥式手搖拉力計型號為NK300,最大測量力為30 N,儀器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 臥式手搖拉力計結(jié)構(gòu)示意圖

對辣椒果柄結(jié)合力進(jìn)行拉伸試驗時,臥式手搖拉力計儀器應(yīng)水平放置。首先通過旋鈕打開下夾緊裝置夾緊辣椒果實;然后同樣通過上夾緊裝置夾緊辣椒果柄;其次按下回零按鈕,使臥式手搖拉力計儀器的刻度表指針歸零;最后通過緩慢搖動手柄拉伸辣椒果實與果柄,當(dāng)機(jī)器發(fā)出“鐺”提示音時,表示辣椒果實與果柄已成功分離,立即停止搖動手柄,記錄機(jī)器刻度表的數(shù)值,數(shù)據(jù)即為辣椒果柄的結(jié)合力大小。通過拉伸試驗圖(圖7)可看出,辣椒果柄的斷面在果柄與果實的結(jié)合部分,果柄分離斷面與仿真結(jié)果一致。辣椒果柄與莖稈的分離步驟和辣椒果實與果柄分離步驟相同,分別測量10組辣椒果柄結(jié)合力,求平均值,測定數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 辣椒果實及果柄結(jié)合力測量數(shù)據(jù)表Tab. 6 Data table of pepper fruit and stalk binding measurements

通過手搖拉力計儀器測得辣椒果實與果柄的平均結(jié)合力為11.54 N,果柄與辣椒莖稈的平均結(jié)合力為10.11 N。通過辣椒果柄結(jié)合力的實驗法與仿真法對比分析可知:辣椒果實與果柄結(jié)合力誤差為0.96%;果柄與辣椒莖稈結(jié)合力誤差為2.95%。

4 懸浮速度的測定

4.1 基于EDEM-Fluent耦合仿真的辣椒混合物懸浮速度測定

選擇辣椒、辣椒葉、辣椒莖稈為研究對象進(jìn)行顆粒建模,由于目前EDEM軟件研究粒子模型均全部使用球形結(jié)構(gòu)來描述,所以采用“多球叢聚法”的方式,對3個大小不同的研究粒子加以簡化、重疊合并及重新填充來替代實際風(fēng)選的研究粒子模型[8]。顆粒模型如圖8所示,朝天椒由22個不同粒徑(最大直徑10 mm)的小球形結(jié)構(gòu)合并填充而成,總長度為104 mm;辣椒葉由1 000個直徑為1 mm的球體合并填充而成,總體長度為150 mm,總體寬度為46 mm;而辣椒稈則由40個直徑為3 mm的球體合并填充而成,總體長度為107 mm。

(a) 朝天椒三維模型

(b) 辣椒葉三維模型

(c) 辣椒莖稈三維模型

通過WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(圖9)對朝天椒、辣椒葉及辣椒稈進(jìn)行壓破試驗和拉伸試驗求取泊松比與剪切模量,試驗加載速度為6 mm/min,通過天平與量筒法測量密度。

圖9 WDW3100型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

泊松比

(4)

式中:εl——橫向正應(yīng)變;

ε——軸向正應(yīng)變。

剪切模量

(5)

式中:σ——應(yīng)力。

密度[9]

(6)

式中:M——物料重量;

V2——加物料后體積;

V1——初始體積。

通過斜板試驗(滑動法與滾動法)分別測量辣椒、辣椒稈和辣椒葉與鋼板之間的摩擦接觸參數(shù),通過碰撞試驗分別測量辣椒、辣椒稈、辣椒葉及鋼板間的恢復(fù)系數(shù)[10-11]。

將物體放置在摩擦系數(shù)測量儀上,通過緩慢調(diào)整斜面角度,當(dāng)物體接近下降時,摩擦角即可測量(斜面和水平面角度),其正切為所需的物體摩擦系數(shù)。該裝置的組成結(jié)構(gòu)為:工作面、框架、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),如圖10所示。

圖10 測量物體物理特性裝置原理圖

測量靜摩擦系數(shù)常用的方法是斜面滑動法,質(zhì)量為m的物體在重力G作用下可以分解為2個作用力:一個力F平行于斜面和一個力T垂直于斜面。當(dāng)斜面傾角α小于滑動臨界角時,F小于物體與斜面間的靜摩擦力f,物體仍處于相對靜止,但隨著傾斜傾角α的增大,F越來越大,當(dāng)α大于物體的滑動臨界角時,物體將開始沿著傾斜方向下滑。其中,靜摩擦系數(shù)μs和斜傾角α的關(guān)系[10]如式(7)所示。

(7)

試驗時選取SUS304鋼板作為試驗斜面,朝天椒整體呈子彈形,而椒稈為圓柱形,為了避免單顆辣椒及辣椒稈在斜面上滾動,將4顆辣椒及辣椒稈粘合在一起放在鋼制斜板上,將平板一側(cè)與水平實驗臺始終貼合并保持不移動,同時緩慢勻速地將平板的另一側(cè)抬起,當(dāng)辣椒及辣椒稈在平板上開始滑動時,使用角度感應(yīng)器檢測平板與實驗臺之間的角度θ,最后通過實驗結(jié)果確定靜摩擦系數(shù)。

斜面滾動法是一種廣泛用于測量滑動摩擦系數(shù)的方法,物體在鋼板上滾動時產(chǎn)生滾動摩擦,物體放在傾角為α的鋼板上在一定位置以初始速度為0滾動(顆粒沿斜面的滾動距離為S),然后開始滾動到水平鋼板上,滾動摩擦使顆粒在水平鋼板上滾動一定距離,最后停下來,用卷尺測量水平鋼板上的顆粒滾動距離L,L用作評估值(圖11),在測試過程中,顆粒進(jìn)行純滾動,因此它們受到的阻力被認(rèn)為只是滾動摩擦,而忽略滾動過程中靜摩擦的影響,由能量守恒定律得[10, 12]。

(a) 滾動開始

(b) 滾動結(jié)束

利用物體顆粒的碰撞彈跳試驗對物體顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行測定[13],物體發(fā)生粒子碰撞的恢復(fù)系數(shù)可以表示為物體在碰撞前后接觸點(diǎn)的正常瞬時分離速度v2與接觸點(diǎn)瞬時接觸速度v1的比值,物體顆粒恢復(fù)系數(shù)的計算公式為[11, 14]

式中:V2——分離速度;

V1——接近速度;

g——重力加速度;

H2——碰撞反彈最大高度;

H1——下落高度。

EDEM軟件中物料顆粒的力學(xué)特性參數(shù)及接觸系數(shù)如表7和表8所示,風(fēng)選裝置材質(zhì)選用鋼。

表7 材料的物理參數(shù)Tab. 7 Physical parameters of the material

表8 相關(guān)顆粒的材料接觸系數(shù)Tab. 8 Material contact coefficients of relevant particles

在進(jìn)行懸浮速度耦合仿真時,辣椒、辣椒葉及辣椒莖稈的仿真時間生成步長速率都設(shè)定為100個/s,EDEM中仿真的固定時間生成步長設(shè)置為29.678 4%,即7×10-6s,仿真時間生成總時長為6 s。Fluent軟件中模擬仿真計算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型,時間步長設(shè)定為EDEM的100倍,即時間步長設(shè)置為7×10-4s,總的步數(shù)為8 571步。

在風(fēng)選裝置的中間設(shè)置顆粒生成工廠,然后在風(fēng)選裝置下部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口,最后在風(fēng)選裝置上部設(shè)置出風(fēng)口。完成了EDEM-Fluent耦合的基本設(shè)置后,開始進(jìn)行耦合仿真,朝天椒懸浮速度的仿真,以風(fēng)速大小為13 m/s進(jìn)行耦合仿真;辣椒葉懸浮速度的仿真,以風(fēng)速大小為3.6 m/s進(jìn)行耦合仿真;辣椒莖稈懸浮速度的仿真,以風(fēng)速大小為9 m/s進(jìn)行耦合仿真,風(fēng)選結(jié)果如圖12所示。從圖12(a)中可以看出,辣椒顆粒由風(fēng)選裝置中間的顆粒工廠出料生成自由下落,然后在風(fēng)選裝置下部進(jìn)風(fēng)口風(fēng)力作用下,辣椒顆粒懸浮并由風(fēng)選裝置出風(fēng)口被吹出;從圖12(b)中可以看出,辣椒葉顆粒由風(fēng)選裝置中間的顆粒工廠出料生成自由下落,然后在風(fēng)選裝置下部進(jìn)風(fēng)口風(fēng)力作用下,辣椒葉顆粒懸浮并由風(fēng)選裝置出風(fēng)口被吹出;從圖12(c)中可以看出,辣椒莖稈顆粒由風(fēng)選裝置中間的顆粒工廠出料生成自由下落,然后在風(fēng)選裝置下部進(jìn)風(fēng)口風(fēng)力作用下,辣椒莖稈顆粒懸浮并由風(fēng)選裝置出風(fēng)口被吹出。

圖12 懸浮速度的仿真

通過EDEM與Fluent軟件的耦合對辣椒、辣椒葉及辣椒莖稈的仿真分析可知:朝天椒果實在風(fēng)速為13 m/s可實現(xiàn)懸浮;辣椒葉在風(fēng)速為3.6 m/s可實現(xiàn)懸浮;辣椒莖稈在風(fēng)速為9 m/s可實現(xiàn)懸浮。

4.2 懸浮速度測定實驗

使用氣流將辣椒、椒葉和莖稈分離,主要根據(jù)辣椒、椒葉和莖稈的懸浮速度不同,風(fēng)選的氣流超過辣椒葉和莖桿的懸浮率,但小于朝天椒的懸浮率。試驗設(shè)備采用貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所實驗室的懸浮速度測定裝置進(jìn)行測量。測量裝置如圖13所示。

圖13 懸浮速度測定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

試驗時,先開啟發(fā)動機(jī),然后把辣椒放在試驗裝置小阻尼網(wǎng)上,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)速度,逐漸增加風(fēng)扇風(fēng)速,當(dāng)大部分辣椒完全漂浮并平衡在小阻尼網(wǎng)格頂部時,此時小阻尼網(wǎng)格上的最大風(fēng)速可以用風(fēng)速計測量,該風(fēng)速就是辣椒懸浮的速度;再把椒葉放在試驗裝置小阻尼網(wǎng)上,加大風(fēng)機(jī)風(fēng)力,當(dāng)大部分椒葉完全浮在小阻尼柵上方并保持平衡時,可用風(fēng)速計測量小阻尼柵上的最大風(fēng)力,此風(fēng)速就是椒葉懸浮的速度;最后再把辣椒莖稈放在試驗裝置小阻尼網(wǎng)上,增加風(fēng)力,當(dāng)大部分辣椒莖稈漂浮在小阻尼格上并完全平衡時,此時小阻尼格內(nèi)的最大風(fēng)速可用風(fēng)速計測出,此風(fēng)速即為辣椒莖稈的懸浮速度,測量結(jié)果見表9。

表9 混合物懸浮速度測試數(shù)據(jù)Tab. 9 Suspension velocity test data of the mixture

經(jīng)計算,朝天椒果實平均懸浮速度為13.37 m/s,辣椒葉平均懸浮速度為3.71 m/s,辣椒莖稈平均懸浮速度為8.96 m/s。通過辣椒、辣椒葉及辣椒莖稈懸浮速度實驗法與仿真法對比分析可知,辣椒懸浮速度誤差為2.85%,辣椒葉懸浮速度誤差為3.06%,辣椒莖稈懸浮速度誤差為0.45%。

5 結(jié)論

辣椒果柄的結(jié)合力通過Ansys靜力學(xué)仿真及拉伸試驗進(jìn)行測定;而辣椒混合物懸浮速度采用EDEM與FLUENT耦合風(fēng)選仿真及懸浮試驗來進(jìn)行測定。試驗所測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比分析,可得以下結(jié)論。

1) 通過Ansys靜力學(xué)仿真可知,辣椒果實與果柄的結(jié)合力為11.43 N,果柄與辣椒莖稈的結(jié)合力為9.82 N;而通過拉伸試驗,可測得辣椒果實與果柄的結(jié)合力為11.54 N,果柄與辣椒莖稈的結(jié)合力為10.11 N。經(jīng)過辣椒果柄結(jié)合力的實驗法與仿真法對比分析可知,辣椒果實與果柄結(jié)合力誤差為0.96%,果柄與辣椒莖稈結(jié)合力誤差為2.95%。

2) 通過EDEM與FLUENT耦合風(fēng)選仿真可知,朝天椒果實在風(fēng)速為13 m/s可實現(xiàn)懸浮,辣椒葉在風(fēng)速為3.6 m/s可實現(xiàn)懸浮,辣椒莖稈在風(fēng)速為9 m/s可實現(xiàn)懸浮;而通過懸浮試驗,可測得朝天椒果實懸浮速度為13.37 m/s,辣椒葉懸浮速度為3.71 m/s,辣椒莖稈懸浮速度為8.96 m/s。通過辣椒、辣椒葉及辣椒莖稈懸浮速度的實驗法與仿真法對比分析可知:辣椒懸浮速度誤差為2.85%;辣椒葉懸浮速度誤差為3.06%;辣椒莖稈懸浮速度誤差為0.45%。

3) 以上研究數(shù)據(jù)可進(jìn)一步為優(yōu)化辣椒清選分離裝置及改善辣椒收獲機(jī)收獲性能提供數(shù)據(jù)支撐,對于促進(jìn)貴州朝天椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。