李 洋，徐立章，梁振偉

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)分布情況直接影響到聯(lián)合收獲機(jī)的清選損失率、籽粒含雜率及工作效率等關(guān)鍵性能[1]。我國(guó)傳統(tǒng)水稻聯(lián)合收獲機(jī)通常采用單出風(fēng)口三風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)加雙層振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)形式的清選裝置，隨著我國(guó)水稻單產(chǎn)的迅速提高，收獲喂入量逐步增加及家庭農(nóng)場(chǎng)的形成，傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置在收獲喂入量達(dá)到8.0～9.0kg/s時(shí)，存在清選損失率顯著提高、籽粒含雜率增加、效率降低等難題，已無法滿足高品質(zhì)收獲作業(yè)要求，而清選裝置是其中的瓶頸之一，因此有必要開展清選裝置結(jié)構(gòu)及內(nèi)部氣流場(chǎng)分布的研究。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者和大型農(nóng)機(jī)企業(yè)為改善清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)分布進(jìn)行了大量研究與試驗(yàn)：K.L.Kenney等[2]運(yùn)用CFD軟件對(duì)清選室內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行了2D數(shù)值模擬，并根據(jù)模型搭建了試驗(yàn)臺(tái)架，利用PIV系統(tǒng)對(duì)臺(tái)架內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)定與驗(yàn)證；洋馬公司[3]研發(fā)的AG600型半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)采用由主風(fēng)機(jī)、吸引風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩等部件組成的新型清選裝置，實(shí)現(xiàn)了多風(fēng)道清選，能夠有效對(duì)脫出混合物進(jìn)行擴(kuò)散；馬曉霞等[4]闡述了流體動(dòng)力學(xué)分析方法，以風(fēng)篩式清選裝置中氣流場(chǎng)的仿真分析為例，說明這種分析方法的有效性及優(yōu)越性；于麗娟[5]設(shè)計(jì)了一種雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置，并分析了該清選裝置的優(yōu)點(diǎn)。

本文運(yùn)用CFD軟件分別對(duì)雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置和傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與對(duì)比分析。在已搭建的雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置試驗(yàn)臺(tái)上，以清選裝置的魚鱗篩開度、分風(fēng)板傾角Ⅰ、分風(fēng)板傾角Ⅱ?yàn)檠芯恳蛩兀M(jìn)行多因素正交氣流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了多指標(biāo)極差分析，得到收獲喂入量8.0～9.0kg/s工作環(huán)境下雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置的工作參數(shù)優(yōu)化組合，并對(duì)其進(jìn)行清選性能驗(yàn)證。

1 CFD數(shù)值模擬

1.1 多風(fēng)道清選裝置流道模型建立

根據(jù)切縱流谷物聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)[6]，建立了傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置和雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置在額定工況下完整的流道模型，主要包括離心式風(fēng)機(jī)、抖動(dòng)板、回程板、魚鱗上篩、編織下篩、鋸齒尾篩及抖動(dòng)膠皮等，如圖1所示。此時(shí)，魚鱗篩開度為22mm，分風(fēng)板Ⅰ傾角為24°，分風(fēng)板Ⅱ傾角為24°。

除風(fēng)機(jī)外，上述兩種流道模型外形尺寸及清選室內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，總寬度為990mm，總長(zhǎng)度為1 980mm，風(fēng)機(jī)葉輪直徑為402mm，回程板與水平線呈6°夾角，編織下篩與水平面呈4°夾角，魚鱗上篩位于編織篩上方100～140mm處；它們的區(qū)別在于所用風(fēng)機(jī)不同，一種為單出風(fēng)口三風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī)，而另一種為雙出風(fēng)口四風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī)。

1.風(fēng)機(jī)左進(jìn)風(fēng)口 2.風(fēng)機(jī)中間進(jìn)風(fēng)口 3.單出風(fēng)口三風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī) 4.風(fēng)機(jī)右進(jìn)風(fēng)口 5.分風(fēng)板Ⅰ 6.分風(fēng)板Ⅱ 7.編織下篩 8.抖動(dòng)膠皮 9.魚鱗上篩 10.鋸齒尾篩 11.莖稈雜余排出口 12.回程板 13.導(dǎo)風(fēng)弧板 14.抖動(dòng)板

1.風(fēng)機(jī)左進(jìn)風(fēng)口 2.風(fēng)機(jī)中間進(jìn)風(fēng)口 3.雙出風(fēng)口四風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī) 4.風(fēng)機(jī)右進(jìn)風(fēng)口 5.分風(fēng)板Ⅰ 6.分風(fēng)板Ⅱ 7.編織下篩 8.抖動(dòng)膠皮 9.魚鱗上篩 10.鋸齒尾篩 11.莖稈雜余排出口 12.回程板 13.導(dǎo)風(fēng)弧板 14.抖動(dòng)板 15.風(fēng)機(jī)上風(fēng)道

1.2 劃分網(wǎng)格及邊界條件設(shè)定

采用Ansys Workbench軟件中的ICEM模塊劃分網(wǎng)格，考慮到流道模型的體積較大及內(nèi)部的復(fù)雜性，故對(duì)流道模型進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。由于流道模型中有離心式風(fēng)機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分方法，為MRF多坐標(biāo)系模型求解計(jì)算做準(zhǔn)備。將單個(gè)流道模型劃分為兩塊區(qū)域，即葉輪區(qū)域和清選室區(qū)域，相鄰區(qū)域之間的網(wǎng)格交界面設(shè)置為Interface。對(duì)分塊區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)離心式風(fēng)機(jī)葉片、魚鱗上篩、編織下篩和鋸齒尾篩等位置進(jìn)行了面網(wǎng)格劃分和局部加密處理，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和精度，最后將分塊區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格合并。合并完網(wǎng)格后，兩個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為10 752 395、11 656 210個(gè)。

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLUENT軟件，不考慮溫度、濕度等環(huán)境對(duì)氣體的影響，同時(shí)忽略氣體分子間的黏性力作用，采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。將離心式風(fēng)機(jī)葉輪處的網(wǎng)格區(qū)域設(shè)置為MRF旋轉(zhuǎn)區(qū)域，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸和轉(zhuǎn)速(均為1 500r/min)。離心式風(fēng)機(jī)3(或4)個(gè)進(jìn)風(fēng)口的邊界條件均設(shè)置為速度進(jìn)口，模型出口邊界條件設(shè)置為壓力出口[7]。求解控制中的松弛因子采用默認(rèn)設(shè)置，殘差設(shè)置為0.000 1，迭代步數(shù)設(shè)置為4 000步。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

FLUENT計(jì)算收斂后，運(yùn)用CFX軟件后處理軟件對(duì)兩種模型的氣流場(chǎng)進(jìn)行處理與分析，得到其內(nèi)部空間氣流場(chǎng)流線圖，如圖2所示。

(a) 單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)流線圖

(b) 雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)流線圖

由數(shù)值模擬結(jié)果可知：

1)傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置和雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置的振動(dòng)篩上方中部氣流速度均在3.2～5.8m/s之間，能夠有效對(duì)脫出混合物進(jìn)行分層擴(kuò)散[8]，振動(dòng)篩后部的氣流速度均有所回升(5.2～6.0m/s)，能夠產(chǎn)生一定的負(fù)壓，有助于將長(zhǎng)莖稈和雜余排出機(jī)外。

2)傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置的振動(dòng)篩上方前部基本不存在氣流，而雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置由于其風(fēng)機(jī)增加了上出風(fēng)口，使振動(dòng)篩上方前部也存在著氣流，速度在2.5～4.8m/s之間，起到預(yù)清選的作用，輕雜余在未落到振動(dòng)篩篩面前就被直接吹出機(jī)外，減輕了清選負(fù)荷。同時(shí)，該氣流對(duì)振動(dòng)篩前部脫出混合物的后移與擴(kuò)散起到輔助作用，對(duì)大喂入量的工作環(huán)境適應(yīng)性更好，有效防止脫出混合物在振動(dòng)篩篩面堆積。

2 氣流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)

2.1 雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選試驗(yàn)臺(tái)

為探尋大喂入量工作環(huán)境下雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置的工作參數(shù)對(duì)其內(nèi)部氣流場(chǎng)的影響，在本課題組已搭建完成的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行多因素正交氣流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其多個(gè)工作參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)，如離心式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速0～1 500r/min、魚鱗篩開度18～26mm、分風(fēng)板傾角Ⅰ20°～28°、分風(fēng)板傾角Ⅱ20°～28°。

1.控制柜 2.給料裝置 3.雙出風(fēng)口四風(fēng)道離心式風(fēng)機(jī) 4.籽粒攪龍 5.清選裝置(包括抖動(dòng)板、回程板、魚鱗篩、編織篩、尾篩等) 6.雜余攪龍 7.變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)

2.2 氣流場(chǎng)測(cè)試方法

在雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)篩上方100mm水平面上均勻布置了42個(gè)氣流速度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。采用南京能兆科技有限公司生產(chǎn)的VS110型熱線式風(fēng)速儀對(duì)所布置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行氣流速度測(cè)量，風(fēng)速測(cè)量范圍為0.5～50m/s。該風(fēng)速儀具有體積小、對(duì)氣流場(chǎng)干擾較小及精度較高等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量數(shù)據(jù)可直接顯示在控制柜計(jì)算機(jī)屏幕上。每組工況試驗(yàn)時(shí)，按照測(cè)點(diǎn)分布使用6根熱線式風(fēng)速儀(見圖5)在篩面橫向(Y向)移動(dòng)7次即可全部測(cè)出42個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可減少傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量人為操作誤差。

圖4 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

1.熱線式風(fēng)速儀 2.魚鱗篩

2.3 正交實(shí)試驗(yàn)安排

試驗(yàn)以雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置的魚鱗篩開度、分風(fēng)板傾角Ⅰ、分風(fēng)板傾角Ⅱ?yàn)橹饕蛩?，進(jìn)行正交試驗(yàn)因素與水平的安排，如表1所示。每組試驗(yàn)重復(fù)做3次，最終試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果處理

根據(jù)脫出混合物懸浮速度測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果[9]，氣流速度在6.5m/s以內(nèi)時(shí)，其值越大越有利于物料分層，清選效率越高。故分別取雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置振動(dòng)篩前部14個(gè)測(cè)點(diǎn)、中部14個(gè)測(cè)點(diǎn)氣流速度平均值作為衡量氣流場(chǎng)好壞的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

振動(dòng)篩后部氣流速度回升程度越大，越有利于形成負(fù)壓，使長(zhǎng)莖稈、雜余更易被排出機(jī)外。本文取振動(dòng)篩后部14個(gè)測(cè)點(diǎn)氣流速度增幅作為衡量氣流場(chǎng)好壞的第3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。振動(dòng)篩后部氣流速度增幅為

(1)

式中P—振動(dòng)篩后部氣流速度增幅(%)；

vm—振動(dòng)篩后部第2列7個(gè)測(cè)點(diǎn)氣流速度平均值(m/s)；

vn—振動(dòng)篩后部第1列7個(gè)測(cè)點(diǎn)氣流速度平均值(m/s)。

運(yùn)用振動(dòng)篩前、中部氣流速度平均值、后部氣流速度增幅為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

振動(dòng)篩前部氣流速度平均值評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知：影響振動(dòng)篩前部氣流速度的最主要影響因素為分風(fēng)板傾角Ⅰ，其次為魚鱗篩開度及分風(fēng)板傾角Ⅱ，工作參數(shù)優(yōu)化組合為B3A3C1，此工況下振動(dòng)篩前部氣流速度平均值最大。另外，誤差項(xiàng)D影響不顯著，試驗(yàn)結(jié)果較為可靠。

表2 氣流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

表3 振動(dòng)篩前部氣流速度平均值

振動(dòng)篩中部氣流速度平均值評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交分析結(jié)果如表4所示。

表4 振動(dòng)篩中部氣流速度平均值

由表4可知：影響振動(dòng)篩中部氣流速度的最主要影響因素為魚鱗篩開度，其次為分風(fēng)板傾角Ⅰ及分風(fēng)板傾角Ⅱ，工作參數(shù)優(yōu)化組合為A1B3C1，此工況下振動(dòng)篩中部氣流速度平均值最大。另外，誤差項(xiàng)D影響不顯著，試驗(yàn)結(jié)果較為可靠。

振動(dòng)篩后部氣流速度增幅評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交分析結(jié)果如表5所示。

表5 振動(dòng)篩后部氣流速度增幅

由表5可知：影響振動(dòng)篩后部氣流速度增幅的最主要影響因素為魚鱗篩開度，其次為分風(fēng)板傾角Ⅱ及分風(fēng)板傾角Ⅰ，工作參數(shù)優(yōu)化組合為A1C1B1，此工況下振動(dòng)篩后部氣流速度增幅最大。另外，誤差項(xiàng)D影響不顯著，試驗(yàn)結(jié)果較為可靠。

結(jié)合上述3種氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化分析，得到雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置工作參數(shù)優(yōu)化組合為A1B3C1，即在魚鱗篩開度為18mm、分風(fēng)板傾角Ⅰ為28°、分風(fēng)板傾角Ⅱ?yàn)?0°的工況下，雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)分布情況達(dá)到最佳。

3.3 工作參數(shù)優(yōu)化組合試驗(yàn)驗(yàn)證

將魚鱗篩開度、分風(fēng)板傾角Ⅰ、分風(fēng)板傾角Ⅱ分別調(diào)節(jié)為18mm、28°、20°，按照同樣測(cè)點(diǎn)布置對(duì)清選室內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，得出此工況下振動(dòng)篩前部氣流速度平均值、振動(dòng)篩中部氣流速度平均值及振動(dòng)篩后部氣流速度增幅，并在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了收獲喂入量8.0～9.0kg/s工作環(huán)境清選性能驗(yàn)證，得到清選損失率及籽粒含雜率，如表6所示。

表6 工作參數(shù)優(yōu)化組合試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：在此工況下，振動(dòng)篩中部氣流速度平均值顯著優(yōu)于其他工作參數(shù)組合下的數(shù)值，且振動(dòng)篩前部氣流速度平均值、振動(dòng)篩后部氣流速度增幅也優(yōu)于大部分工作參數(shù)組合下的數(shù)值，同時(shí)清選損失率和籽粒含雜率都較低，滿足大喂入量工作環(huán)境清選需求，證明了雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)多指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方案的可行性。

4 結(jié)論

1)運(yùn)用CFD軟件分別對(duì)傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置和雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較與分析。結(jié)果表明：傳統(tǒng)單出風(fēng)口三風(fēng)道清選裝置的振動(dòng)篩上方前部基本不存在氣流，而雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置振動(dòng)篩上方前部的氣流速度在2.5～4.8m/s之間，起到預(yù)清選的作用，減輕了清選負(fù)荷，防止脫出混合物堆積，有利于提高清選效率。

2)在雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了多因素正交內(nèi)部氣流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理與分析后得到其工作參數(shù)優(yōu)化組合：魚鱗篩開度為18mm、分風(fēng)板傾角Ⅰ為28°、分風(fēng)板傾角Ⅱ?yàn)?0°。此工況下，雙出風(fēng)口四風(fēng)道清選裝置內(nèi)部氣流場(chǎng)分布更有利于適應(yīng)大入量收獲工作環(huán)境。此外，對(duì)工作參數(shù)優(yōu)化組合進(jìn)行清選性能驗(yàn)證，其清選損失率和籽粒含雜率均滿足清選需求。

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