中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2 0 2 3 2 8 8 2 5 9 2 7 1 J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y h t t p z g n y d x x b i j o u r n a l s c n 王佳 陳春皓 李建平 張闊 蘋果管道氣力輸送裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2 0 2 3 2 8 0 8 2 5 9 2 7 1 W A N G J i a C H E N C h u n h a o L I J i a n p i n g Z H A N G K u o P a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n a n d e x p e r i m e n t o f t h e p n e u m a t i c c o n v e y i n g d e v i c e o f a p p l e p i p e J Journalof ChinaAgriculturalUniversity 2 0 2 3 2 8 0 8 2 5 9 2 7 1 D O I 1 0 1 1 8 4 1 j i s s n 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 8 2 1 蘋果管道氣力輸送裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗 王佳 陳春皓 李建平 張闊 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 河北保定0 7 1 0 0 0 摘 要 針對蘋果在管道輸送過程中的撞擊損傷問題 對管道氣力輸送裝置的參數(shù)組合進行研究 以輸送管道內(nèi) 徑 管型和進風(fēng)口風(fēng)速為影響因素 以蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速為響應(yīng)值 通過單因素仿真試驗確定各因素對響應(yīng)值的影響 規(guī)律 基于單因素仿真結(jié)果利用多因素仿真試驗獲得最優(yōu)輸送參數(shù)組合 通過驗證試驗檢驗最優(yōu)組合的可靠性 單因素仿真試驗結(jié)果表明 當(dāng)管道內(nèi)徑分別為8 8 9 6 1 0 4 1 1 2和1 2 0 m m時 隨著輸送管道內(nèi)徑的增大 蘋果迎風(fēng) 面風(fēng)速呈先增大后減小的趨勢 管型對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速大小影響的排序為 下圓弧管 螺旋管 S型管 上圓弧管 反S型管 當(dāng)進風(fēng)風(fēng)速分別為1 4 0 7 1 5 8 3 1 7 5 9 1 9 3 5和2 1 1 1 m s時 隨著進風(fēng)風(fēng)速的增大 蘋果迎風(fēng)面風(fēng) 速呈先增大后減小的趨勢 多因素仿真試驗結(jié)果表明 最優(yōu)輸送參數(shù)組合為 管道內(nèi)徑1 1 2 m m 下圓弧型管型 進 風(fēng)風(fēng)速1 9 3 5 m s 此時蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速為1 8 4 6 m s 驗證試驗結(jié)果表明 基于最優(yōu)輸送參數(shù)組合的管道氣力輸 送裝置輸送蘋果時蘋果損傷率為1 4 蘋果損傷面積0 1 4 8 2 m m 2 損傷體積0 2 3 8 4 m m 3 8 6 的蘋果為一等 及以上果 1 4 的蘋果為二等果 管道氣力輸送裝置可有效降低蘋果采摘后落入果筐時的損傷 關(guān)鍵詞 蘋果 管道輸送 氣力輸送 果實減損 中圖分類號 S 2 2 文章編號 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 8 0 2 5 9 1 3 文獻標(biāo)志碼 A 收稿日期 2 0 2 2 1 1 0 7 基金項目 河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蘋果創(chuàng)新團隊現(xiàn)代果園裝備與智能化崗項目 H B C T 2 0 1 8 1 0 0 2 0 5 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目 C A R S 2 7 第一作者 王佳 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 1 8 6 2 8 0 2 3 1 碩士研究生 E m a i l 7 4 1 9 0 7 0 4 6 q q c o m 通訊作者 李建平 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 3 2 8 0 7 3 8 8 8 教授 主要從事機械裝備與自動控制研究 E m a i l l j p n d 3 2 7 1 2 6 c o m P a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n a n d e x p e r i m e n t o f t h e p n e u m a t i c c o n v e y i n g d e v i c e o f a p p l e p i p e W A N G J i a C H E N C h u n h a o L I J i a n p i n g Z H A N G K u o CollegeofMechanicalandElectricalEngineering HebeiAgriculturalUniversity Baoding071000 China A b s t r a c t Amingattheproblemoftheimpactdamageduringapplespipetransport theparametercombinationof pneumaticconveyingdevicewasstudied Takingtheinnerdiameteroftheconveyingpipe pipeshapeandwindspeed oftheinletastheinfluencingfactors andthewindspeedofthewindwardsideoftheappleastheresponsevalue the influenceruleofeachfactorontheresponsevaluewasdeterminedbysinglefactorsimulationtest Basedontheresults ofsinglefactorsimulation throughmulti factorsimulationtesttheoptimalcombinationoftransportparameterswas obtainedandthereliabilityoftheoptimalcombinationistestedthroughverificationtest Thesinglefactorsimulation testresultsshowedthat Whentheinnerdiameterofpipelineis88 96 104 112and120mm thenumberoftheinner diameterofpipelineincreased andthewindspeedontheupwindsideofapplefirstincreasedandthendecreased The orderoftheinfluenceofpipetypeonthewindwardsideofApple swindspeedwaslowerarctube spiraltube S shapedtube Uppercirculararctube invertedS shapedtube Whentheinletwindspeedwas14 07 15 83 17 59 19 35and21 11m s thenumberoftheinletwindspeedincreased thewindspeedonthewindwardsideofapple increasedfirstandthendecreased Theresultsofmulti factorsimulationtestshowedthattheoptimalcombinationof 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 transportparameterswasasfollows pipeinnerdiameter112mm lowerarctubeshape inletwindspeed19 35m s underthecircumstances thewindspeedontheupwindsideofapplewas18 46m s Thetestedexperimentalresults showedthatinthecaseofpipelinepneumaticconveyingdevicewithoptimalcombinationofconveyingparameters the damagerateofappleswas14 thedamageareaofappleswas0to14 82mm2andthedamagevolumeofapples was0to23 84mm3 About86 ofappleswerefirst classandabovefruitsand14 weresecond classfruits In conclusion thepneumaticconveyingdeviceofpipelineisabletoeffectivelyreducethedamageofappleswhentheyfall intothefruitbasketafterbeingpicked K e y w o r d s pipelinetransmission pneumaticconveying reductionoffruit apple 我國是蘋果生產(chǎn)大國 1 2 0 2 1年蘋果產(chǎn)量達 4 5 9 7 3 4萬t 2 蘋果采收是果園生產(chǎn)管理的重要 環(huán)節(jié) 需要大量勞動力 3 但由于人工采摘費時費 力 且通常采取的管道運輸方式容易造成蘋果表面 磕傷 4 直接影響到蘋果的經(jīng)濟價值 因此 開展蘋 果氣力輸送裝置對蘋果損傷特性的研究具有重要 意義 國內(nèi)外對氣力輸送管道的結(jié)構(gòu)性能和在水果采 收上的應(yīng)用進行了廣泛的研究 L u o等 5 設(shè)計了一 種真空輔助收獲機 可實現(xiàn)2個人同時進行蘋果采 摘工作 Z h a n g等 6 設(shè)計了一種適用于小型果園的 蘋果管道收獲輔助裝置 可大大提高收獲效率 但未 采用氣力輸送 收獲后的蘋果損傷率高達4 9 S a n t i a g o等 7 對氣力輸送管道的性能進行了分析 考慮阻力 重力及顆粒間碰撞的影響 發(fā)現(xiàn)顆粒間碰 撞明顯時 管道內(nèi)壓降增大 管道輸送需要的能量增 大 C h e n等 8 采用試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法 對管道內(nèi)的壓降及進氣損失進行了研究 揭示了黏 性流體的流體力學(xué)特性 發(fā)現(xiàn)管道越寬壓降及進風(fēng) 損失越小 何宇 9 對氣吸式小漿果收獲機及其輸送 系統(tǒng)進行了研究 利用仿真與試驗相結(jié)合的方法得 出輸送系統(tǒng)的壓力云圖與壓降 并得出輸送管的最 佳管徑為4 0 m m 趙永超等 1 0 設(shè)計了氣吸式小漿 果撿拾輸送裝置 計算得到了果實在輸送管道內(nèi)輸 送的適宜風(fēng)速 通過仿真耦合的方式對輸送管道內(nèi) 壓力分布進行了分析 確定了輸送管較佳管徑尺寸 張業(yè)明等 1 1 對高速氣流下豎直管道內(nèi)物料的運動 進行了分析 發(fā)現(xiàn)物料在給定高度豎直管道中處于 加速狀態(tài) 在物料粒徑和管道內(nèi)徑不變時 增大入口 氣流速度 物料運動速度和管道內(nèi)壓力損失均隨著 入口氣流速度的增大而增大 但缺少對其他物料輸 送管型的研究 陳皓等 1 2 通過對水平及垂直管道 壓力損失 彎頭阻力損失等的分析和計算 得到系統(tǒng) 壓力損失總和 并提出了減小壓力損失的措施和建 議 但已有研究對蘋果采收時用管道氣力輸送裝 置的研究較少 人工采摘的蘋果經(jīng)管道氣力輸送 裝置落入果筐內(nèi) 可減少蘋果采摘工人的彎腰 轉(zhuǎn) 身等工作時間 提高果實采收效率 但蘋果在管道 內(nèi)輸送時會與管壁發(fā)生磕碰 且受下落高差的影 響使蘋果以較大速度離開管道并落入果筐 使得 蘋果與果筐撞擊進而造成蘋果損傷 影響運輸 加 工及銷售 4 本研究擬設(shè)計單因素和多因素試驗研究蘋果管 道氣力輸送裝置的蘋果輸送效果 并對管道內(nèi)徑 管 型和進風(fēng)風(fēng)速等因素對管道迎風(fēng)面速度的影響進行 研究 確定管道的最優(yōu)輸送參數(shù)組合 以期為蘋果采 后的管道低損輸送等研究提供參考 1 管道設(shè)計與工作原理 1 1 結(jié)構(gòu)及工作原理 蘋果管道氣力輸送裝置由輸送管道 管道內(nèi)襯 進風(fēng)管道 離心式風(fēng)機和果筐等組成 圖1 工作 時 工人將采摘后的蘋果放入輸送管道入口 離心式 1 管道內(nèi)襯 2 輸送管道 3 果筐 4 進風(fēng)管道 5 離心式風(fēng)機 6 蘋果 v 進風(fēng)風(fēng)速 v1 蘋果輸送速度 1 L i n i n g o f p i p e 2 R u n n i n g p i p i n g 3 F r u i t b a s k e t 4 A i r i n l e t p i p e 5 C e n t r i f u g a l f a n 6 A p p l e v i n l e t w i n d s p e e d v1 a p p l e c o n v e y i n g s p e e d 圖1 管道氣力輸送裝置模型 F i g 1 M o d e l o f p i p e l i n e p n e u m a t i c c o n v e y i n g d e v i c e 062 第8期王佳等 蘋果管道氣力輸送裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗 風(fēng)機吹出的風(fēng)通過進風(fēng)管道進入輸送管道 風(fēng)力保 護蘋果緩慢輸送至果筐 管道內(nèi)襯材料 進風(fēng)裝置 和輸送管道的屬性共同影響輸送管道對蘋果的輸送 性能 根據(jù)已有研究 1 3 1 4 已確定管道內(nèi)襯為珍珠 棉 內(nèi)襯厚度為1 0 m m 單個進風(fēng)口 管道出口與進 風(fēng)口間距離為5 0 m m 進風(fēng)口傾角為3 0 進風(fēng)口內(nèi) 徑為4 4 m m 在此基礎(chǔ)上研究輸送管道屬性對輸送 性能的影響 包括輸送管道的管道內(nèi)徑 管型和進風(fēng) 風(fēng)速 1 2 蘋果表面積計算 蘋果切面簡化模型見圖2 a 蘋果模型可近似 看作切面繞果柄 果萼連線旋轉(zhuǎn)1 8 0 而成 沿著果 柄 果萼方向垂直切開蘋果 其剖面輪廓可近似看作 由2個橢圓交疊左右2部分組成 因此蘋果切面輪 廓可用橢圓方程表示 蘋果表面積可由旋轉(zhuǎn)曲面公 式表示 蘋果切面特殊點幾何參數(shù)坐標(biāo)見圖2 b 在蘋果切面上 以O(shè)為原點 果柄 果萼連線為y軸 垂直y軸且過其原點O的直線為x軸建立坐標(biāo)系 得到蘋果切面右輪廓的橢圓方程 1 5 為 x b1 2 b2 y2 c2 1 1 b1 b2 b 2 式中 b為橢圓的半短軸 m m c為橢圓的半長軸 即 蘋果縱向半徑 m m b2為蘋果橫向半徑 m m A B C A1 B1和C1為蘋果切面各端點 b1和b2為蘋果切面各端點橫坐標(biāo)的絕對值 c和c1為蘋果切面各端點縱坐標(biāo)的絕對值 A B C A1 B1 a n dC1 a r e t h e e n d p o i n t s o f t h e a p p l e s e c t i o n b1 a n db2 a r e t h e a b s o l u t e v a l u e s o f t h e a b s c i s s a o f e a c h e n d p o i n t o f t h e a p p l e s e c t i o n ca n dc1 a r e t h e a b s o l u t e v a l u e s o f t h e v e r t i c a l c o o r d i n a t e s o f e a c h e n d p o i n t o f t h e a p p l e s e c t i o n 圖2 蘋果切面特征圖 F i g 2 A p p l e s e c t i o n f e a t u r e 通過測量得到C點坐標(biāo)為 0 c1 將C點坐標(biāo) 和式 2 帶入式 1 得 b b2 1 1 c 2 1 c2 3 求出橢圓方程的參數(shù)后 根據(jù)旋轉(zhuǎn)曲面的計算 公式計算蘋果的表面積S 公式 1 5 為 S S1 2S2 2 c c x1 1 x 21 dy 4 c c1 x2 1 x 22 dy 4 式中 S為蘋果表面積 m m 2 S1為圖2 b 內(nèi) ABA1段曲線繞y軸旋轉(zhuǎn)而成的旋轉(zhuǎn)體表面積 m m 2 S2為圖2 b 中AC段曲線繞y軸旋轉(zhuǎn)而成 的旋轉(zhuǎn)體表面積 m m 2 x1和x2分別為橢圓方程 的2個解 為使計算公式更簡潔 令 h c 2 c2 b2 5 將 a r c s i nc1c n2 c2 b2c2 式 4 和 7 帶入到 式 5 中 得 S 4 n2 2b1c 4 n 2 1 8 0 2b 1ca r c s i n c1 c n2b1c1 c o s 2 bc1hh2 c21 2bh 9 0 a r c s i n c1 h 6 選取河北省順平縣南神南村一棵8年生富士果 樹所產(chǎn)蘋果 質(zhì)量1 5 0 2 5 0 g的蘋果比例為 6 5 3 8 對應(yīng)果徑為7 5 8 5 m m 在此范圍內(nèi)選取 1 0個蘋果樣本 平均質(zhì)量為2 0 0 4 8 g 分別沿果柄 果萼方向垂直切開 測量其橫向直徑 縱向直徑和果 柄 果萼間距 并取平均值 測量得平均直徑D 162 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 8 0 2 1 m m b2 4 1 9 0 m m c 3 9 2 1 m m c1 2 4 3 1 m m 分別帶入式 1 6 得到蘋果表面積 S 2 0 0 0 0 m m 2 1 3 蘋果受力分析 為了確定仿真時蘋果在管道內(nèi)輸送所需風(fēng)速大 小 利用理論計算的方法研究輸送管道內(nèi)蘋果的受 力 并確定風(fēng)速范圍 蘋果在管道內(nèi)輸送時 蘋果受 到自身重力和氣動推力影響 風(fēng)機提供的氣動推力 與蘋果重力相接近 當(dāng)蘋果在管道內(nèi)靜止時受力見 圖3 1 蘋果模型 2 輸送管道 1 A p p l e m o d e l 2 T r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e Fd 氣動推力 v 迎風(fēng)面風(fēng)速 m 蘋果質(zhì)量 Fd p n e u m a t i c t h r u s t v f a c e w i n d s p e e d m a p p l e q u a l i t y 圖3 蘋果在管內(nèi)靜止時受力 F i g 3 T h e f o r c e o n t h e t u b e w h e n t h e a p p l e i s s t a t i o n a r y 氣動推力與蘋果所受重力之間的關(guān)系 1 6 1 7 為 mg Fd ma F 7 式中 Fd 14S v2 Fd為豎直方向的氣動推力 N m為蘋果質(zhì)量 k g a為蘋果運動的加速度 m s 2 F 為蘋果運動所受合力 N 為氣體密度 1 2 9 k g m 3 v為蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速 m s 由式 7 可知 氣流速度對蘋果在管道風(fēng)場內(nèi)受 力有直接影響 對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速進行研究具有重 要意義 理想狀態(tài)下蘋果自身重力與氣動推力相 等 此時蘋果運動的加速度為0 蘋果懸浮在輸送管 道內(nèi) 為了給仿真設(shè)置參數(shù)提供參考 將上述結(jié)果代 入得到氣流速度為1 7 5 9 m s 以下仿真計算將在 此基礎(chǔ)上進行研究 2 仿真模型建立與試驗設(shè)計 2 1 試驗方案 以輸送管道內(nèi)徑 管型和進風(fēng)風(fēng)速為影響因素 以蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速為優(yōu)化目標(biāo) 進行輸送參數(shù)優(yōu)化 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速越大 管道內(nèi)風(fēng)力損失越少 蘋果落 入果筐時撞擊力越小 風(fēng)力對蘋果的保護作用越好 為減少試驗次數(shù) 通過單因素仿真確定各因素的水 平范圍 利用多因素仿真觀察各因素間的交互作用 并確定最佳參數(shù)組合 各種管型的管道入口高度均 為2 m 管長均為3 1 4 m 為保證蘋果順利通過輸 送管道 管道內(nèi)徑應(yīng)稍大于蘋果果徑 但管道內(nèi)徑過 大 風(fēng)壓損失增大 從而降低風(fēng)力對蘋果的保護作 用 因此管道內(nèi)徑選取1 1倍 1 2倍 1 3倍 1 4 倍和1 5倍果徑進行研究 以占比較多的果徑 8 0 m m的蘋果為例 在以上水平下 管道內(nèi)徑分別 為8 8 9 6 1 0 4 1 1 2和1 2 0 m m 不同管型的管道內(nèi) 氣體分布不同 從而影響蘋果的輸送 選用5種不同 形狀的管型進行研究 分別為上圓弧型 下圓弧型 螺旋型 反S型和S型 圖4 經(jīng)1 3節(jié)計算 果徑 8 0 m m的蘋果應(yīng)設(shè)有1 7 5 9 m s的進風(fēng)風(fēng)速 為確 定進風(fēng)風(fēng)速對蘋果輸送性能的影響 選用0 8倍 0 9倍 1倍 1 1倍和1 2倍進風(fēng)風(fēng)速進行研究 即 為1 4 0 7 1 5 8 3 1 7 5 9 1 9 3 5和2 1 1 1 m s 圖4 輸送管道管型示意圖 F i g 4 T r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e o f p i p e t y p e d i a g r a m 262 第8期王佳等 蘋果管道氣力輸送裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗 2 2 仿真建模 為確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性 控制每組輸送管道 內(nèi)蘋果的平均直徑為8 0 m m 采用S o l i d w o r k s 2 0 1 8 軟件進行等比建模 利用A n s y s軟件分別對蘋果與 輸送管道進行網(wǎng)格劃分 為更好的設(shè)置重疊邊界 蘋 果模型的網(wǎng)格單元小于輸送管道的網(wǎng)格單元 圖5 蘋果模型網(wǎng)格單元為5 m m 輸送管道模型 圖5 蘋果網(wǎng)格模型 F i g 5 A p p l e g r i d m o d e l 網(wǎng)格單元為8 m m 二者的網(wǎng)格劃分方法為膨脹 邊 界層數(shù)為5層 依次將輸送管道與蘋果的網(wǎng)格模型 導(dǎo)入到F l u e n t軟件中 連續(xù)相選擇k 模型 設(shè)置蘋 果的初始位置為輸送管道入口 蘋果下落的初始速 度為0 利用軟件內(nèi)的重疊網(wǎng)格功能 設(shè)置輸送管道 與蘋果的重疊邊界 迭代次數(shù)設(shè)置為1 0 0 仿真結(jié)束 后 將仿真結(jié)果導(dǎo)入到C F D P o s t進行分析 生成蘋 果在輸送管道內(nèi)輸送時的云圖 3 結(jié)果與分析 3 1 單因素仿真試驗 3 1 1 管道內(nèi)徑對輸送性能的影響 進行輸送管道內(nèi)徑的單因素仿真時 控制管型 為下圓弧管 進風(fēng)風(fēng)速為1 7 5 9 m s 設(shè)置好仿真參 數(shù)后 生成蘋果模型的速度云圖 圖6 測量蘋果迎 風(fēng)面風(fēng)速大小 每組測量4個位置取平均值 1 2 0 間 隔3個位置和中心位置 利用S P S S軟件對仿真 結(jié)果進行單因素方差分析 管道內(nèi)徑對蘋果迎風(fēng)面 風(fēng)速大小的影響極顯著 P 0 0 0 1 管道內(nèi)徑對 風(fēng)速的影響見圖7 隨著輸送管道內(nèi)徑的增大 蘋果 圖6 不同管道內(nèi)徑 dg 下的蘋果模型速度云圖 F i g 6 V e l o c i t y c l o u d i m a g e o f a p p l e m o d e l u n d e r d i f f e r e n t p i p e d i a m e t e r sdg 362 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 柱上豎線為誤差線 圖8和圖9同 T h e v e r t i c a l l i n e o n t h e c o l u m n c h a r t i s t h e e r r o r l i n e F i g 8 i s t h e s a m e a s F i g 9 圖7 管道內(nèi)徑對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速的影響 F i g 7 E f f e c t o f p i p e i n n e r d i a m e t e r o n w i n d s p e e d o f a p p l e w i n d w a r d s i d e 迎風(fēng)面風(fēng)速呈先增大后減小的趨勢 管道內(nèi)徑為 1 1 2 m m 1 4倍果徑 時 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速最大 風(fēng) 在輸送管道內(nèi)的損失最小 對蘋果的緩沖保護作用 最好 因此 1 4倍果徑為最佳管道內(nèi)徑 3 1 2 管型對輸送性能的影響 進行輸送管道管型的單因素仿真時 控制管道 內(nèi)徑為9 6 m m 進風(fēng)風(fēng)速為1 7 5 9 m s 利用S P S S 軟件對仿真結(jié)果進行單因素方差分析 管型對蘋果 迎風(fēng)面風(fēng)速大小的影響極顯著 P螺旋管 S型管 上圓弧管 反S型 管 管型為下圓弧管時 風(fēng)速最大 風(fēng)在輸送管道內(nèi) 圖8 管型對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速的影響 F i g 8 E f f e c t o f t u b e s h a p e o n w i n d s p e e d o f a p p l e w i n d w a r d s i d e 的損失最小 對蘋果的緩沖保護作用最好 因此 下 圓弧管為最佳管型 3 1 3 進風(fēng)風(fēng)速對輸送性能的影響 進行輸送管道進風(fēng)風(fēng)速的單因素仿真時 控制 管道內(nèi)徑為9 6 m m 管型為下圓弧管 利用S P S S軟 件對仿真結(jié)果進行單因素方差分析 進風(fēng)風(fēng)速對蘋 果迎風(fēng)面風(fēng)速大小的影響極顯著 P 0 0 0 1 進 風(fēng)風(fēng)速對風(fēng)速的影響見圖9 隨著進風(fēng)風(fēng)速的增大 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速呈先增大后減小的趨勢 進風(fēng)風(fēng)速為 1 9 3 5 m s 1 1倍理論風(fēng)速 時 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速最 大 風(fēng)在輸送管道內(nèi)的損失最小 對蘋果的緩沖保護 作用最好 因此 1 1倍理論風(fēng)速為最佳進風(fēng)風(fēng)速 圖9 進風(fēng)風(fēng)速對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速的影響 F i g 9 E f f e c t o f i n l e t a i r v e l o c i t y o n w i n d s p e e d o f a p p l e w i n d w a r d s i d e 3 2 多因素仿真試驗 3 2 1 試驗結(jié)果及方差分析 為確定管道輸送裝置的最佳參數(shù)組合 對輸送 管道內(nèi)徑 管型和進風(fēng)風(fēng)速間交互作用對輸送性能 的影響進行試驗研究 試驗因素及水平見表1 表1 管道氣力輸送試驗因素與水平 T a b l e 1 T e s t f a c t o r s a n d l e v e l s o f g a s p i p e l i n e f o r c e t r a n s m i s s i o n 水平 L e v e l 因素F a c t o r x1 管道內(nèi)徑 m m P i p e i n n e r d i a m e t e r x2 管型 T u b e s h a p e x3 進風(fēng)風(fēng)速 m s I n l e t a i r v e l o c i t y 1 1 0 4螺旋型1 7 5 9 0 1 1 2下圓弧型1 9 3 5 1 1 2 0 S型2 1 1 1 462 第8期王佳等 蘋果管道氣力輸送裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗 采用D e s i g n E x p e r t 1 2 0中的B o x B e h n k e n模 型進行試驗設(shè)計 試驗方案及結(jié)果見表2 方差分析 見表3 剔除不顯著項 得到管道內(nèi)徑x1 管型x2 和進風(fēng)風(fēng)速x3對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速Y的二次多元回 歸方程 Y 1 8 4 6 0 2 8x1 0 3 5x2 0 2 5x3 0 0 9x1x2 0 0 9x2x3 0 6 4x21 0 7 9x22 0 4 3x23 8 模型顯著性P 0 0 5 失擬項不顯著 說明無失擬因素存在 誤差較 小 決定系數(shù)R2 0 9 9 5 9 校正系數(shù)R2a d j 0 9 9 0 6 且二者相接近 說明準(zhǔn)確性及通用性較好 一次項 x1 x2 x3 和二次項 x21 x22 x23 對蘋果受力影響極 顯著 交互項 x1x2 x2x3 對蘋果受力的影響顯著 回歸方程一次項系數(shù)絕對值大小決定各因素對響應(yīng) 值的影響程度 因此 各因素對蘋果受力大小影響的 主次順序為管型 管道內(nèi)徑 進風(fēng)風(fēng)速 表2 參數(shù)優(yōu)化試驗方案及結(jié)果 T a b l e 2 T e s t s c h e m e a n d r e s u l t s o f d r o p l e t d e p o s i t i o n 序號 N u m b e r 因素水平F a c t o r l e v e l X1X2X3 Y m s 序號 N u m b e r 因素水平F a c t o r l e v e l X1X2X3 Y m s 1 1 1 0 1 7 5 9 8 8 1 0 0 1 1 1 6 5 2 2 3 2 1 1 0 1 7 1 4 5 6 1 1 0 1 1 1 7 7 8 0 1 3 1 1 0 1 7 0 8 9 7 1 2 0 1 1 1 7 2 2 3 0 4 1 1 0 1 6 2 8 2 7 1 3 0 0 0 1 8 4 6 1 2 5 1 0 1 1 7 4 5 3 3 1 4 0 0 0 1 8 5 3 7 6 6 1 0 1 1 6 8 4 7 7 1 5 0 0 0 1 8 3 6 5 2 7 1 0 1 1 7 8 1 0 0 1 6 0 0 0 1 8 5 1 7 5 8 1 0 1 1 7 4 2 6 8 1 7 0 0 0 1 8 4 1 0 7 9 0 1 1 1 7 4 2 0 5 注 X1 X2和X3分別為管道內(nèi)徑 管型和進風(fēng)風(fēng)速的水平值 表3同 Y為蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速 N o t e X1 X2 a n dX3 a r e t h e h o r i z o n t a l v a l u e s o f t h e p i p e i n n e r d i a m e t e r a n d t u b e s h a p e a n d i n l e t a i r v e l o c i t y r e s p e c t i v e l y T a b l e 3 i s t h e s a m e Yi s t h e w i n d s p e e d o n t h e w i n d w a r d s i d e o f t h e a p p l e 表3 影響蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速的方差分析 T a b l e 3 A n a l y s i s o f v a r i a n c e a f f e c t i n g w i n d s p e e d o n t h e w i n d w a r d s i d e o f a p p l e a p p l e s 來源 S o u r c e F值 F v a l u e P值 P v a l u e 來源 S o u r c e F值 F v a l u e P值 P v a l u e 模型M o d e l 1 8 7 6 1 0 0 0 0 1 X2X3 6 2 2 0 0 4 1 4 X1 1 3 5 1 5 0 0 0 0 1 X21 3 6 9 3 9 0 0 0 0 1 X2 2 1 3 5 9 0 0 0 0 1 X22 5 5 9 7 4 0 0 0 0 1 X3 1 0 6 4 6 0 0 0 0 1 X23 1 6 9 0 3 0 0 0 0 1 X1X2 6 6 9 0 0 3 6 1 失擬項 L a c k o f e r r o r 0 7 7 2 4 0 5 6 6 8 X1X3 2 6 4 0 1 4 8 0 注 和 分別表示極顯著 P 0 0 1 和顯著 P 0 1 N o t e a n d m e a n s e x t r e m e l y s i g n i f i c a n t P 0 0 1 a n d s i g n i f i c a n t P 0 1 n o t s i g n i f i c a n t P 0 1 3 2 2 交互作用分析 進風(fēng)風(fēng)速為1 9 3 5 m s的情況下 管道內(nèi)徑和管 型的交互作用對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速的影響顯著 隨著管 道內(nèi)徑的增大 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速呈先增大后減小的趨 562 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 勢 下圓弧管比螺旋管和S型管道更優(yōu) 圖1 0 a 這是由于在一定范圍內(nèi) 隨著管道內(nèi)徑的增大 風(fēng)力 在管道內(nèi)的撞擊和回旋減少 風(fēng)力損耗減少 當(dāng)管道 內(nèi)徑持續(xù)增大時 蘋果與管道間縫隙增大 風(fēng)力從縫 隙內(nèi)流出 風(fēng)力損耗增大 在下圓弧型管道的情況下 隨著管道內(nèi)徑和進風(fēng)風(fēng)速的增大 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速均 呈先增大后減小的趨勢 圖1 0 b 這是由于隨著進 風(fēng)風(fēng)速的增大 管道內(nèi)風(fēng)壓逐漸增大 高壓環(huán)境下更 多的風(fēng)力從蘋果與管道間的縫隙流出 因此在一定范 圍內(nèi) 隨著進風(fēng)風(fēng)速的增大 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速均呈先 增大后減小的趨勢 在管道內(nèi)徑為1 1 2 m m的情況 下 管型和進風(fēng)風(fēng)速的交互作用顯著 隨著進風(fēng)風(fēng)速 的增大 蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速均呈先增大后減小的趨勢 下圓弧管比螺旋管和S型管道更優(yōu) 圖1 0 c X1 X2和X3分別為管道內(nèi)徑 管型和進風(fēng)風(fēng)速的水平編碼值 Y為蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速 X1 X2 a n dX3 a r e t h e h o r i z o n t a l c o d i n g v a l u e s o f t h e p i p e i n n e r d i a m e t e r a n d t u b e s h a p e a n d i n l e t a i r v e l o c i t y r e s p e c t i v e l y Yi s t h e w i n d s p e e d o n t h e w i n d w a r d s i d e o f t h e a p p l e 圖10 各因素交互作用對蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速的影響 F i g 1 0 E f f e c t o f t h e i n t e r a c t i o n o f v a r i o u s f a c t o r s o n w i n d s p e e d o n t h e w i n d w a r d s i d e o f a p p l e 3 2 3 參數(shù)優(yōu)化 為使蘋果在輸送管道內(nèi)受到的損傷最小 需要 提高蘋果迎風(fēng)面風(fēng)速 利用D e s i g n E x p e r t 1 2 0中 的優(yōu)化求解功能 結(jié)合實際操作工藝對試驗參數(shù)進 行優(yōu)化 得出最佳編碼組合下3個因素的水平編碼 值均為0 即管道內(nèi)徑為1 1 2 m m 1 4倍果徑 管 型為下圓弧型 進風(fēng)風(fēng)速為1 9 3 5 m s 1 1倍理論 風(fēng)速 將編碼值帶入回歸方程 此時蘋果迎風(fēng)面風(fēng) 速為1 8 4 6 m s 利用F l u e n t對最佳參數(shù)組合進行 仿真 蘋果在輸送管道內(nèi)的速度云圖見圖1 1 可見 圖11 優(yōu)化參數(shù)組合下輸送管道內(nèi)和蘋果表面的速度分布云圖 F i g 1 1 C l o u d m a p o f v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n i n t h e p i p e l i n e a n d o n t h e s u r f a c e o f t h e a p p l e u n d e r t h e o p t i m i z e d p a r a m e t e r c o m b i n a t i o n 662 第8期王佳等 蘋果管道氣力輸送裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗 管道內(nèi)風(fēng)速和蘋果表面風(fēng)速相對較快 蘋果迎風(fēng)面 風(fēng)速為1 8 5 3 m s 與軟件優(yōu)化結(jié)果相比較 相對誤 差為0 3 8 與軟件優(yōu)化結(jié)果相接近 說明優(yōu)化模 型可靠 3 3 驗證試驗 3 3 1 試驗材料及儀器 通過仿真試驗得到最優(yōu)輸送參數(shù)組合為 管道 內(nèi)徑1 1 2 m m 下圓弧型管型 進風(fēng)風(fēng)速1 9 3 5 m s 為檢驗此結(jié)果的準(zhǔn)確性 進行驗證試驗 將管道氣力 輸送與管道普通輸送進行對比 試驗于2 0 2 2年1 0 月7日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)校工廠進行 富士蘋果 采摘于河北省保定市曲陽縣矮砧密 植蘋果園 平均果徑8 0 m m P V C輸送管道 三門縣 廣財五金經(jīng)營部 P V C進風(fēng)管道 茂盛五金商貿(mào) 珍 珠棉 管道內(nèi)襯 寧波新勢力包裝材料有限公司 厚 度1 0 m m C Z L D 3 7 0型中壓離心式風(fēng)機 佛山市澳 旭機電有限公司 功率3 7 0 W U T 3 6 3 6型數(shù)字式風(fēng) 速儀 優(yōu)利德科技股份有限公司 精度0 0 1 m s S K I 6 0 0型矢量變頻器 杭州三科變頻技術(shù)有限 公司 3 3 2 試驗方法 對于管道氣力輸送 選用P V C橡膠軟管 管道 內(nèi)徑為1 1 2