苹果管道气力输送装置参数优化与试验.pdf

中国农业大学学报 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 陈春皓 李建平 张阔 苹果管道气力输送装置参数优化与试验 J 中国农业大学学报 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 苹果管道气力输送装置参数优化与试验 王佳 陈春皓 李建平 张阔 河北农业大学机电工程学院 河北保定0 7 1 0 0 0 摘 要 针对苹果在管道输送过程中的撞击损伤问题 对管道气力输送装置的参数组合进行研究 以输送管道内 径 管型和进风口风速为影响因素 以苹果迎风面风速为响应值 通过单因素仿真试验确定各因素对响应值的影响 规律 基于单因素仿真结果利用多因素仿真试验获得最优输送参数组合 通过验证试验检验最优组合的可靠性 单因素仿真试验结果表明 当管道内径分别为8 8 9 6 1 0 4 1 1 2和1 2 0 m m时 随着输送管道内径的增大 苹果迎风 面风速呈先增大后减小的趋势 管型对苹果迎风面风速大小影响的排序为 下圆弧管 螺旋管 S型管 上圆弧管 反S型管 当进风风速分别为1 4 0 7 1 5 8 3 1 7 5 9 1 9 3 5和2 1 1 1 m s时 随着进风风速的增大 苹果迎风面风 速呈先增大后减小的趋势 多因素仿真试验结果表明 最优输送参数组合为 管道内径1 1 2 m m 下圆弧型管型 进 风风速1 9 3 5 m s 此时苹果迎风面风速为1 8 4 6 m s 验证试验结果表明 基于最优输送参数组合的管道气力输 送装置输送苹果时苹果损伤率为1 4 苹果损伤面积0 1 4 8 2 m m 2 损伤体积0 2 3 8 4 m m 3 8 6 的苹果为一等 及以上果 1 4 的苹果为二等果 管道气力输送装置可有效降低苹果采摘后落入果筐时的损伤 关键词 苹果 管道输送 气力输送 果实减损 中图分类号 S 2 2 文章编号 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 8 0 2 5 9 1 3 文献标志码 A 收稿日期 2 0 2 2 1 1 0 7 基金项目 河北省现代农业产业技术体系苹果创新团队现代果园装备与智能化岗项目 H B C T 2 0 1 8 1 0 0 2 0 5 国家现代农业产业技术体系项目 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 硕士研究生 E m a i l 7 4 1 9 0 7 0 4 6 q q c o m 通讯作者 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 主要从事机械装备与自动控制研究 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 中国农业大学学报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 我国是苹果生产大国 1 2 0 2 1年苹果产量达 4 5 9 7 3 4万t 2 苹果采收是果园生产管理的重要 环节 需要大量劳动力 3 但由于人工采摘费时费 力 且通常采取的管道运输方式容易造成苹果表面 磕伤 4 直接影响到苹果的经济价值 因此 开展苹 果气力输送装置对苹果损伤特性的研究具有重要 意义 国内外对气力输送管道的结构性能和在水果采 收上的应用进行了广泛的研究 L u o等 5 设计了一 种真空辅助收获机 可实现2个人同时进行苹果采 摘工作 Z h a n g等 6 设计了一种适用于小型果园的 苹果管道收获辅助装置 可大大提高收获效率 但未 采用气力输送 收获后的苹果损伤率高达4 9 S a n t i a g o等 7 对气力输送管道的性能进行了分析 考虑阻力 重力及颗粒间碰撞的影响 发现颗粒间碰 撞明显时 管道内压降增大 管道输送需要的能量增 大 C h e n等 8 采用试验与数值分析相结合的方法 对管道内的压降及进气损失进行了研究 揭示了黏 性流体的流体力学特性 发现管道越宽压降及进风 损失越小 何宇 9 对气吸式小浆果收获机及其输送 系统进行了研究 利用仿真与试验相结合的方法得 出输送系统的压力云图与压降 并得出输送管的最 佳管径为4 0 m m 赵永超等 1 0 设计了气吸式小浆 果捡拾输送装置 计算得到了果实在输送管道内输 送的适宜风速 通过仿真耦合的方式对输送管道内 压力分布进行了分析 确定了输送管较佳管径尺寸 张业明等 1 1 对高速气流下竖直管道内物料的运动 进行了分析 发现物料在给定高度竖直管道中处于 加速状态 在物料粒径和管道内径不变时 增大入口 气流速度 物料运动速度和管道内压力损失均随着 入口气流速度的增大而增大 但缺少对其他物料输 送管型的研究 陈皓等 1 2 通过对水平及垂直管道 压力损失 弯头阻力损失等的分析和计算 得到系统 压力损失总和 并提出了减小压力损失的措施和建 议 但已有研究对苹果采收时用管道气力输送装 置的研究较少 人工采摘的苹果经管道气力输送 装置落入果筐内 可减少苹果采摘工人的弯腰 转 身等工作时间 提高果实采收效率 但苹果在管道 内输送时会与管壁发生磕碰 且受下落高差的影 响使苹果以较大速度离开管道并落入果筐 使得 苹果与果筐撞击进而造成苹果损伤 影响运输 加 工及销售 4 本研究拟设计单因素和多因素试验研究苹果管 道气力输送装置的苹果输送效果 并对管道内径 管 型和进风风速等因素对管道迎风面速度的影响进行 研究 确定管道的最优输送参数组合 以期为苹果采 后的管道低损输送等研究提供参考 1 管道设计与工作原理 1 1 结构及工作原理 苹果管道气力输送装置由输送管道 管道内衬 进风管道 离心式风机和果筐等组成 图1 工作 时 工人将采摘后的苹果放入输送管道入口 离心式 1 管道内衬 2 输送管道 3 果筐 4 进风管道 5 离心式风机 6 苹果 v 进风风速 v1 苹果输送速度 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 图1 管道气力输送装置模型 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 苹果管道气力输送装置参数优化与试验 风机吹出的风通过进风管道进入输送管道 风力保 护苹果缓慢输送至果筐 管道内衬材料 进风装置 和输送管道的属性共同影响输送管道对苹果的输送 性能 根据已有研究 1 3 1 4 已确定管道内衬为珍珠 棉 内衬厚度为1 0 m m 单个进风口 管道出口与进 风口间距离为5 0 m m 进风口倾角为3 0 进风口内 径为4 4 m m 在此基础上研究输送管道属性对输送 性能的影响 包括输送管道的管道内径 管型和进风 风速 1 2 苹果表面积计算 苹果切面简化模型见图2 a 苹果模型可近似 看作切面绕果柄 果萼连线旋转1 8 0 而成 沿着果 柄 果萼方向垂直切开苹果 其剖面轮廓可近似看作 由2个椭圆交叠左右2部分组成 因此苹果切面轮 廓可用椭圆方程表示 苹果表面积可由旋转曲面公 式表示 苹果切面特殊点几何参数坐标见图2 b 在苹果切面上 以O为原点 果柄 果萼连线为y轴 垂直y轴且过其原点O的直线为x轴建立坐标系 得到苹果切面右轮廓的椭圆方程 1 5 为 x b1 2 b2 y2 c2 1 1 b1 b2 b 2 式中 b为椭圆的半短轴 m m c为椭圆的半长轴 即 苹果纵向半径 m m b2为苹果横向半径 m m A B C A1 B1和C1为苹果切面各端点 b1和b2为苹果切面各端点横坐标的绝对值 c和c1为苹果切面各端点纵坐标的绝对值 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 图2 苹果切面特征图 F i g 2 A p p l e s e c t i o n f e a t u r e 通过测量得到C点坐标为 0 c1 将C点坐标 和式 2 带入式 1 得 b b2 1 1 c 2 1 c2 3 求出椭圆方程的参数后 根据旋转曲面的计算 公式计算苹果的表面积S 公式 1 5 为 S S1 2S2 2 c c x1 1 x 21 dy 4 c c1 x2 1 x 22 dy 4 式中 S为苹果表面积 m m 2 S1为图2 b 内 ABA1段曲线绕y轴旋转而成的旋转体表面积 m m 2 S2为图2 b 中AC段曲线绕y轴旋转而成 的旋转体表面积 m m 2 x1和x2分别为椭圆方程 的2个解 为使计算公式更简洁 令 h c 2 c2 b2 5 将 a r c s i nc1c n2 c2 b2c2 式 4 和 7 带入到 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 选取河北省顺平县南神南村一棵8年生富士果 树所产苹果 质量1 5 0 2 5 0 g的苹果比例为 6 5 3 8 对应果径为7 5 8 5 m m 在此范围内选取 1 0个苹果样本 平均质量为2 0 0 4 8 g 分别沿果柄 果萼方向垂直切开 测量其横向直径 纵向直径和果 柄 果萼间距 并取平均值 测量得平均直径D 162 中国农业大学学报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 分别带入式 1 6 得到苹果表面积 S 2 0 0 0 0 m m 2 1 3 苹果受力分析 为了确定仿真时苹果在管道内输送所需风速大 小 利用理论计算的方法研究输送管道内苹果的受 力 并确定风速范围 苹果在管道内输送时 苹果受 到自身重力和气动推力影响 风机提供的气动推力 与苹果重力相接近 当苹果在管道内静止时受力见 图3 1 苹果模型 2 输送管道 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 气动推力 v 迎风面风速 m 苹果质量 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 图3 苹果在管内静止时受力 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 气动推力与苹果所受重力之间的关系 1 6 1 7 为 mg Fd ma F 7 式中 Fd 14S v2 Fd为竖直方向的气动推力 N m为苹果质量 k g a为苹果运动的加速度 m s 2 F 为苹果运动所受合力 N 为气体密度 1 2 9 k g m 3 v为苹果迎风面风速 m s 由式 7 可知 气流速度对苹果在管道风场内受 力有直接影响 对苹果迎风面风速进行研究具有重 要意义 理想状态下苹果自身重力与气动推力相 等 此时苹果运动的加速度为0 苹果悬浮在输送管 道内 为了给仿真设置参数提供参考 将上述结果代 入得到气流速度为1 7 5 9 m s 以下仿真计算将在 此基础上进行研究 2 仿真模型建立与试验设计 2 1 试验方案 以输送管道内径 管型和进风风速为影响因素 以苹果迎风面风速为优化目标 进行输送参数优化 苹果迎风面风速越大 管道内风力损失越少 苹果落 入果筐时撞击力越小 风力对苹果的保护作用越好 为减少试验次数 通过单因素仿真确定各因素的水 平范围 利用多因素仿真观察各因素间的交互作用 并确定最佳参数组合 各种管型的管道入口高度均 为2 m 管长均为3 1 4 m 为保证苹果顺利通过输 送管道 管道内径应稍大于苹果果径 但管道内径过 大 风压损失增大 从而降低风力对苹果的保护作 用 因此管道内径选取1 1倍 1 2倍 1 3倍 1 4 倍和1 5倍果径进行研究 以占比较多的果径 8 0 m m的苹果为例 在以上水平下 管道内径分别 为8 8 9 6 1 0 4 1 1 2和1 2 0 m m 不同管型的管道内 气体分布不同 从而影响苹果的输送 选用5种不同 形状的管型进行研究 分别为上圆弧型 下圆弧型 螺旋型 反S型和S型 图4 经1 3节计算 果径 8 0 m m的苹果应设有1 7 5 9 m s的进风风速 为确 定进风风速对苹果输送性能的影响 选用0 8倍 0 9倍 1倍 1 1倍和1 2倍进风风速进行研究 即 为1 4 0 7 1 5 8 3 1 7 5 9 1 9 3 5和2 1 1 1 m s 图4 输送管道管型示意图 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 苹果管道气力输送装置参数优化与试验 2 2 仿真建模 为确保仿真结果的准确性 控制每组输送管道 内苹果的平均直径为8 0 m m 采用S o l i d w o r k s 2 0 1 8 软件进行等比建模 利用A n s y s软件分别对苹果与 输送管道进行网格划分 为更好的设置重叠边界 苹 果模型的网格单元小于输送管道的网格单元 图5 苹果模型网格单元为5 m m 输送管道模型 图5 苹果网格模型 F i g 5 A p p l e g r i d m o d e l 网格单元为8 m m 二者的网格划分方法为膨胀 边 界层数为5层 依次将输送管道与苹果的网格模型 导入到F l u e n t软件中 连续相选择k 模型 设置苹 果的初始位置为输送管道入口 苹果下落的初始速 度为0 利用软件内的重叠网格功能 设置输送管道 与苹果的重叠边界 迭代次数设置为1 0 0 仿真结束 后 将仿真结果导入到C F D P o s t进行分析 生成苹 果在输送管道内输送时的云图 3 结果与分析 3 1 单因素仿真试验 3 1 1 管道内径对输送性能的影响 进行输送管道内径的单因素仿真时 控制管型 为下圆弧管 进风风速为1 7 5 9 m s 设置好仿真参 数后 生成苹果模型的速度云图 图6 测量苹果迎 风面风速大小 每组测量4个位置取平均值 1 2 0 间 隔3个位置和中心位置 利用S P S S软件对仿真 结果进行单因素方差分析 管道内径对苹果迎风面 风速大小的影响极显著 P 0 0 0 1 管道内径对 风速的影响见图7 随着输送管道内径的增大 苹果 图6 不同管道内径 dg 下的苹果模型速度云图 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 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 柱上竖线为误差线 图8和图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 图7 管道内径对苹果迎风面风速的影响 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 迎风面风速呈先增大后减小的趋势 管道内径为 1 1 2 m m 1 4倍果径 时 苹果迎风面风速最大 风 在输送管道内的损失最小 对苹果的缓冲保护作用 最好 因此 1 4倍果径为最佳管道内径 3 1 2 管型对输送性能的影响 进行输送管道管型的单因素仿真时 控制管道 内径为9 6 m m 进风风速为1 7 5 9 m s 利用S P S S 软件对仿真结果进行单因素方差分析 管型对苹果 迎风面风速大小的影响极显著 P螺旋管 S型管 上圆弧管 反S型 管 管型为下圆弧管时 风速最大 风在输送管道内 图8 管型对苹果迎风面风速的影响 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 的损失最小 对苹果的缓冲保护作用最好 因此 下 圆弧管为最佳管型 3 1 3 进风风速对输送性能的影响 进行输送管道进风风速的单因素仿真时 控制 管道内径为9 6 m m 管型为下圆弧管 利用S P S S软 件对仿真结果进行单因素方差分析 进风风速对苹 果迎风面风速大小的影响极显著 P 0 0 0 1 进 风风速对风速的影响见图9 随着进风风速的增大 苹果迎风面风速呈先增大后减小的趋势 进风风速为 1 9 3 5 m s 1 1倍理论风速 时 苹果迎风面风速最 大 风在输送管道内的损失最小 对苹果的缓冲保护 作用最好 因此 1 1倍理论风速为最佳进风风速 图9 进风风速对苹果迎风面风速的影响 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 多因素仿真试验 3 2 1 试验结果及方差分析 为确定管道输送装置的最佳参数组合 对输送 管道内径 管型和进风风速间交互作用对输送性能 的影响进行试验研究 试验因素及水平见表1 表1 管道气力输送试验因素与水平 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 管道内径 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 进风风速 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下圆弧型1 9 3 5 1 1 2 0 S型2 1 1 1 462 第8期王佳等 苹果管道气力输送装置参数优化与试验 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 型进行试验设计 试验方案及结果见表2 方差分析 见表3 剔除不显著项 得到管道内径x1 管型x2 和进风风速x3对苹果迎风面风速Y的二次多元回 归方程 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 模型显著性P 0 0 5 失拟项不显著 说明无失拟因素存在 误差较 小 决定系数R2 0 9 9 5 9 校正系数R2a d j 0 9 9 0 6 且二者相接近 说明准确性及通用性较好 一次项 x1 x2 x3 和二次项 x21 x22 x23 对苹果受力影响极 显著 交互项 x1x2 x2x3 对苹果受力的影响显著 回归方程一次项系数绝对值大小决定各因素对响应 值的影响程度 因此 各因素对苹果受力大小影响的 主次顺序为管型 管道内径 进风风速 表2 参数优化试验方案及结果 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 序号 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 序号 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分别为管道内径 管型和进风风速的水平值 表3同 Y为苹果迎风面风速 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 影响苹果迎风面风速的方差分析 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 来源 S o u r c e F值 F v a l u e P值 P v a l u e 来源 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 失拟项 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 分别表示极显著 P 0 0 1 和显著 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 进风风速为1 9 3 5 m s的情况下 管道内径和管 型的交互作用对苹果迎风面风速的影响显著 随着管 道内径的增大 苹果迎风面风速呈先增大后减小的趋 562 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 势 下圆弧管比螺旋管和S型管道更优 图1 0 a 这是由于在一定范围内 随着管道内径的增大 风力 在管道内的撞击和回旋减少 风力损耗减少 当管道 内径持续增大时 苹果与管道间缝隙增大 风力从缝 隙内流出 风力损耗增大 在下圆弧型管道的情况下 随着管道内径和进风风速的增大 苹果迎风面风速均 呈先增大后减小的趋势 图1 0 b 这是由于随着进 风风速的增大 管道内风压逐渐增大 高压环境下更 多的风力从苹果与管道间的缝隙流出 因此在一定范 围内 随着进风风速的增大 苹果迎风面风速均呈先 增大后减小的趋势 在管道内径为1 1 2 m m的情况 下 管型和进风风速的交互作用显著 随着进风风速 的增大 苹果迎风面风速均呈先增大后减小的趋势 下圆弧管比螺旋管和S型管道更优 图1 0 c X1 X2和X3分别为管道内径 管型和进风风速的水平编码值 Y为苹果迎风面风速 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 图10 各因素交互作用对苹果迎风面风速的影响 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 参数优化 为使苹果在输送管道内受到的损伤最小 需要 提高苹果迎风面风速 利用D e s i g n E x p e r t 1 2 0中 的优化求解功能 结合实际操作工艺对试验参数进 行优化 得出最佳编码组合下3个因素的水平编码 值均为0 即管道内径为1 1 2 m m 1 4倍果径 管 型为下圆弧型 进风风速为1 9 3 5 m s 1 1倍理论 风速 将编码值带入回归方程 此时苹果迎风面风 速为1 8 4 6 m s 利用F l u e n t对最佳参数组合进行 仿真 苹果在输送管道内的速度云图见图1 1 可见 图11 优化参数组合下输送管道内和苹果表面的速度分布云图 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 苹果管道气力输送装置参数优化与试验 管道内风速和苹果表面风速相对较快 苹果迎风面 风速为1 8 5 3 m s 与软件优化结果相比较 相对误 差为0 3 8 与软件优化结果相接近 说明优化模 型可靠 3 3 验证试验 3 3 1 试验材料及仪器 通过仿真试验得到最优输送参数组合为 管道 内径1 1 2 m m 下圆弧型管型 进风风速1 9 3 5 m s 为检验此结果的准确性 进行验证试验 将管道气力 输送与管道普通输送进行对比 试验于2 0 2 2年1 0 月7日在河北农业大学东校区校工厂进行 富士苹果 采摘于河北省保定市曲阳县矮砧密 植苹果园 平均果径8 0 m m P V C输送管道 三门县 广财五金经营部 P V C进风管道 茂盛五金商贸 珍 珠棉 管道内衬 宁波新势力包装材料有限公司 厚 度1 0 m m C Z L D 3 7 0型中压离心式风机 佛山市澳 旭机电有限公司 功率3 7 0 W U T 3 6 3 6型数字式风 速仪 优利德科技股份有限公司 精度0 0 1 m s S K I 6 0 0型矢量变频器 杭州三科变频技术有限 公司 3 3 2 试验方法 对于管道气力输送 选用P V C橡胶软管 管道 内径为1 1 2