生产管理机械化岗位
徐丽明 马帅 马俊龙 沈聪聪 闫成功 谭好超 周慧能
1 酿酒葡萄气力收获方法
针对我国酿酒葡萄收获过程中劳动强度大、人力紧缺的问题，提出了一种适用于篱架式种植模式的酿酒葡萄气力收获方法。气吸式收获装置在葡萄果串的结果高度上，沿着篱架前进，通过气流力对葡萄果串进行吸附，使其从原本的垂直状态变为水平状态，并被拉拽远离结果枝，使用切割装置将葡萄果串割下，使其落入水平的输送管道中，输送管道将割下的葡萄果串输送转移。不断地重复上述过程，直至完成收获作业。
2 葡萄果串基本参数确定
本研究以中国农业大学涿州实验站种植的赤霞珠为研究对象，为确保气力参数足够输送绝大部分的果串，应以质量较大的葡萄果串作为研究对象，本研究选择的葡萄串质量为199.83g。使用数字游标卡尺（精度为0.01mm）、电子秤（精度为0.01g）和悬浮速度测验台，对随机选取的90串刚采摘下的果串进行了参数测量，得到葡萄果串基本参数（表1）。
3 葡萄果串离散元模型建立
建立离散元模型的一般步骤：先通过CAD软件绘制果实的三维模型，再用颗粒对模型进行填充。在本文中首先通过多球聚合法分别建立果梗与果粒的离散元模型，再使用颗粒粘结法，将果梗与果粒粘结在一起，最终得到可以模拟果粒受力脱落的葡萄果串离散元模型。
结合表1中的数据，在SolidWorks中建立葡萄果串的三维模型。将绘制好的果梗与果粒三维模型分别导入EDEM中，将模型作为颗粒工厂进行颗粒填充，分别得到了果梗与果粒的离散元模型，再在果粒与果梗之间生成粘结键得到葡萄果串的离散元模型，如图2所示。
4 葡萄果串在输送过程中流场分析
通过SolidWorks软件中绘制了输送管道的三维模型，为研究果串对管道外部流场的影响，在管道与大气相连的一端设置了直径400mm、高100mm的圆柱形流场域。将绘制的葡萄果串三维模型放入管道中，使果串与管道底部接触，模拟果串在管道中的输送状态。通过Fluent软件对输送管道三维模型进行了网格划分。设置速度入口流速为25m/s，压力出口为大气压强。为研究葡萄果串在管道中输送时对流场的影响，分别使果串末端与输送管道端口的距离L为0mm、50mm、100mm和150mm。得到输送管道的速度云图如图3所示。
通过流场速度云图以及监测点流速分析得：在实际收获过程中，应在第一串葡萄末端与端口的距离大于100mm后，再对第二串葡萄进行吸附。被输送的果串之间应保持200mm以上的间距。
5 基于CFD-DEM的葡萄果串在输送管道中输送效果的分析
通过CFD-DEM耦合仿真，研究了葡萄果串在输送管道中的输送时间，以及落入收集箱后的果粒脱落情况。利用Space Claim软件提取了三维模型的流体域，为确保网格质量利用ICEM CFD软件对流体域进行了网格划分。设置速度入口处的流速分别为20m/s、22.5 m/s、25 m/s 、27.5 m/s和30 m/s，以果串的输送时间与落粒率为评价指标，研究了流速对葡萄串输送效果的影响如图4所示。其中落粒率的计算方法如式1所示：
式中，FGSR为果串在输送过程中的落粒率，%；Ns为掉落果粒的数量，Na为果串上的总果粒数。
研究了果串进入输送管道的位置对输送效果的影响。在流速为25m/s的情况下，研究了葡萄果串在与输送管道端口的中心竖直距离50mm、0mm、-50mm处生成时，果串的输送时间、落粒率以及运动状态。当H=0mm、H=50mm、H=-50mm时，输送时间分别为0.291s、0.286s和0.328s，落粒率分别为6.31%、6.31%和5.34%。图5展示了果串进入管道、落在管道下壁上、离开管道的过程。
搭建试验台进行台架试验，对仿真结果进行了验证。在输送管道中流场流速为25m/s，葡萄果串从输送管道中心处进入时，葡萄果串的输送时间为0.310s，落粒率为7.79%。仿真试验与台架试验的相对误差分别为6.13%和18.99%，验证了仿真模型的准确性。
6 结论
1)该研究提出了一种酿酒葡萄气力收获方法，实现酿酒葡萄的低损伤、整串收获。
2)采用游标卡尺、电子秤以及悬浮速度测验台，测量了葡萄果串的基本参数。
3)采用SolidWorks建立了酿酒葡萄果串三维模型，采用多球聚合法与颗粒粘结法构建了酿酒葡萄果串的离散元模型。
4)采用SolidWorks建立了酿酒葡萄果串三维模型，采用多球聚合法与颗粒粘结法构建了酿酒葡萄果串的离散元模型。通过Fluent流场分析，在输送管道中流场流速为25m/s的情况下，葡萄果串与端口距离大于100mm时，对端口处流场的平均速度的影响小于1%，在葡萄果串所在区域200mm内，流场的流速会下降至20m/s以下。
5)采用CFD-DEM耦合仿真，研究了输送管道中流场流速对输送葡萄果串效果的影响，结果表明，流速为25 m/s时效果最佳，葡萄串输送时间为0.292 s，籽粒脱落率为6.31%。研究了葡萄果串在不同位置进入输送管道对输送效果的影响，随着葡萄果串进入输送管道时与管道底部的距离增加，输送时间从0.328s缩短到0.286s，落粒率从5.34%增加到6.31%。搭建试验台进行台架试验，得到葡萄果串的输送时间为0.310s，落粒率为7.79%，仿真试验与台架试验的相对误差分别为6.13%和18.99%，验证了仿真模型的准确性。