周 璇 王志明 陳 霓 陳德俊

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 金華 321017； 2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)機(jī)技術(shù)與裝備浙江省工程實(shí)驗(yàn)室， 金華 321017)

0 引言

聯(lián)合收獲機(jī)清選室氣流場(chǎng)的空間分布及變化直接影響脫出物運(yùn)動(dòng)和篩分的效果，對(duì)風(fēng)機(jī)作用下清選室的氣流場(chǎng)分布開(kāi)展數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，有助于改善聯(lián)合收獲機(jī)風(fēng)篩式清選裝置工作性能[1-3]。

橫置軸流聯(lián)合收獲機(jī)工作時(shí)，脫出混合物堆集在滾筒前端下方的振動(dòng)篩上，既造成振動(dòng)篩偏負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，又影響風(fēng)機(jī)清選作業(yè)效果[4-6]。為改善清選質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從優(yōu)化清選裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的角度對(duì)清選室氣流場(chǎng)進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[7-10]研究了出風(fēng)口角度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素對(duì)清選氣流場(chǎng)的影響，得到了影響氣流分布的主要結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)；文獻(xiàn)[11-13]對(duì)采用雙(多)風(fēng)道風(fēng)機(jī)后的清選室流場(chǎng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[14-20]提出貫流風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩上部增設(shè)抖動(dòng)板、出風(fēng)口增設(shè)導(dǎo)風(fēng)板、改變清選室結(jié)構(gòu)等方法改善清選室氣流場(chǎng)分布；還有學(xué)者采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行了氣流場(chǎng)和物料運(yùn)動(dòng)的研究[21-25]。這些研究對(duì)特定機(jī)型的清選裝置在具體工況下的清選作業(yè)有指導(dǎo)意義。

筆者前期提出了非均布?xì)饬髑暹x原理，并進(jìn)行了圓錐形風(fēng)機(jī)的理論計(jì)算[26]。本文針對(duì)橫置軸流聯(lián)合收獲機(jī)風(fēng)篩式清選裝置，提出將原有圓柱形風(fēng)機(jī)改為圓錐形風(fēng)機(jī)，利用圓錐形風(fēng)機(jī)葉輪兩端形成動(dòng)壓差生成的橫向風(fēng)，將脫粒分離后下落過(guò)程中的脫出混合物沿振動(dòng)篩篩寬方向均布，使清選室氣流場(chǎng)滿足清選作業(yè)要求。為探索圓錐形風(fēng)機(jī)利用橫向風(fēng)優(yōu)化脫出物篩面分布改善清選質(zhì)量的作用機(jī)理，揭示非均布?xì)饬髁鲌?chǎng)的可視形態(tài)，本文采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)比分析圓柱形風(fēng)機(jī)和不同錐度的圓錐形風(fēng)機(jī)作用下清選室氣流場(chǎng)分布情況，并通過(guò)物料分布試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，驗(yàn)證圓錐形風(fēng)機(jī)的優(yōu)選錐度及其工作性能。

1 模型建立

1.1 圓錐形風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

圓錐形風(fēng)機(jī)三維模型如圖1所示。結(jié)合典型農(nóng)用離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求[27]，確定圓錐形風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)寬度444 mm，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)間距112 mm，總寬度1 000 mm；風(fēng)機(jī)葉輪大端外徑320 mm，當(dāng)風(fēng)機(jī)錐度α=2.3°時(shí)，葉輪小端外徑280 mm，葉輪小端外徑隨風(fēng)機(jī)錐度增大而減??；大小端葉輪內(nèi)徑相同，均為170 mm；每臺(tái)風(fēng)機(jī)雙側(cè)進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)口直徑250 mm；葉片安裝支架為中間折彎的條鋼，固定在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，根部?jī)A角30°，頂部?jī)A角10°。

圖1 圓錐形風(fēng)機(jī)三維模型Fig.1 3D model of conical centrifugal cleaning fan1.風(fēng)機(jī)殼體 2.風(fēng)機(jī)葉片

圖2 圓錐形風(fēng)機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of conical cleaning fan1.圓錐形風(fēng)機(jī) 2.脫出混合物 3.振動(dòng)篩

圓錐形風(fēng)機(jī)工作原理如圖2所示。出風(fēng)口產(chǎn)生氣流風(fēng)速V，方向垂直于風(fēng)機(jī)葉片母線，由于葉片母線與風(fēng)機(jī)軸線不平行，風(fēng)速V沿篩長(zhǎng)(X向)和篩寬(Z向)方向分解，分別得到在兩個(gè)方向上的分速度Va、Vb，將Va定義為縱向風(fēng)風(fēng)速，作用與圓柱形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流一樣，用于清選物料；將Vb定義為橫向風(fēng)風(fēng)速，方向?yàn)檠睾Y寬方向從喂入口側(cè)指向排草口側(cè)，用于朝篩寬方向吹散向振動(dòng)篩入口一角積聚的物料，起均布物料作用。

1.2 清選室流場(chǎng)數(shù)值分析模型

橫置軸流聯(lián)合收獲機(jī)清選室三維模型如圖3所示。清選裝置為離心風(fēng)機(jī)加雙層振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)安裝在凹板篩下方靠前的位置，出風(fēng)口對(duì)著雙層振動(dòng)篩篩面，氣流通道傾角4°。雙層振動(dòng)篩的上篩為魚(yú)鱗篩，下篩為圓孔篩。上篩為主篩，篩寬980 mm，篩長(zhǎng)730 mm，清選篩面積0.72 m2，篩面傾角15°，振動(dòng)篩曲柄轉(zhuǎn)速320 r/min，最大垂直振幅40 mm，最大水平振幅43 mm。清選后的籽粒經(jīng)籽?；迓淙胱蚜Ｂ菪斔推?，被輸送至集糧箱，部分含籽粒的雜余落入復(fù)脫雜余滑板，經(jīng)雜余螺旋輸送器進(jìn)入復(fù)脫裝置進(jìn)行復(fù)脫，雜質(zhì)被吹出機(jī)體外。

圖3 橫置軸流聯(lián)合收獲機(jī)清選室三維模型Fig.3 3D model of cleaning room of axial flow combine harvester1.脫粒室 2.排草口側(cè)風(fēng)機(jī)(R) 3.進(jìn)料口側(cè)風(fēng)機(jī)(L) 4.上篩(魚(yú)鱗篩) 5.下篩(圓孔篩) 6.籽粒螺旋輸送器 7.籽粒滑板 8.雜余螺旋輸送器 9.復(fù)脫雜余滑板 10.尾篩 11.清選室出口

橫置軸流聯(lián)合收獲機(jī)離心風(fēng)機(jī)寬徑比大于4，用兩個(gè)短風(fēng)機(jī)并列排布替代一個(gè)長(zhǎng)風(fēng)機(jī)，以減小出風(fēng)口中段的負(fù)壓，減少風(fēng)機(jī)兩側(cè)的氣流反吸。將進(jìn)料口側(cè)風(fēng)機(jī)定義為L(zhǎng)風(fēng)機(jī)，排草口側(cè)風(fēng)機(jī)定義為R風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)軸線處建立坐標(biāo)系，以L風(fēng)機(jī)的外端面軸心處O點(diǎn)為原點(diǎn)，沿振動(dòng)篩篩長(zhǎng)方向?yàn)閄方向，振動(dòng)篩與篩面垂直方向?yàn)閅方向，振動(dòng)篩篩寬方向?yàn)閆方向。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口截面位于X=240 mm處，圓柱形風(fēng)機(jī)出風(fēng)口高度為200 mm(圖4中虛線所示)，與圓錐形風(fēng)機(jī)葉輪大端出風(fēng)口高度相同，選擇出風(fēng)口上、中、下3處標(biāo)記為b1、b2、b3截面，作為出風(fēng)口風(fēng)速測(cè)點(diǎn)定位標(biāo)記線，如圖4所示。

圖4 出風(fēng)口風(fēng)速測(cè)點(diǎn)定位標(biāo)記線Fig.4 Wind velocity measurement point marking of tuyere

數(shù)值模擬時(shí)，首先將三維模型導(dǎo)入CFDesign軟件中，合并面、邊、點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，然后定義各部件材料參數(shù)(空氣和鋼)、輸入輸出邊界條件和運(yùn)動(dòng)類(lèi)型(角運(yùn)動(dòng))。模擬分析過(guò)程中，假設(shè)流體是不可壓縮的。分析采用的湍流模型為低雷諾數(shù)k-ε模型，湍流/層流粘性比100，湍流度0.05，高級(jí)湍流參數(shù)包括：長(zhǎng)度尺度為3.5、壁面系數(shù)為5.5、CMu為0.085、CE1為1.47、CE2為1.97、Van Driest常數(shù)為28、Kappa為0.43、RNG Beta為0.016、RNG Eta為4.42、RNG CEO為1.45。

初始條件下，因氣流場(chǎng)分布狀態(tài)未知，故氣流通道端面均采用恒壓力邊界條件，內(nèi)壁采用無(wú)滑移壁面條件。預(yù)定義迭代次數(shù)100次進(jìn)行迭代計(jì)算，直至收斂為止，通過(guò)后處理獲得各種參數(shù)下模型的數(shù)值模擬結(jié)果。

2 清選室流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 圓柱形風(fēng)機(jī)作用下清選室流場(chǎng)數(shù)值模擬

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n是清選作業(yè)的關(guān)鍵工作參數(shù)，其數(shù)值由清選風(fēng)機(jī)作業(yè)所需全壓p確定，即

(1)

其中

p=ps+pd

(2)

式中γ——空氣容重，為11.77 N/m3

g——重力加速度，為9.8 m/s2

R1——圓錐葉輪大端半徑，m

ψ——壓力系數(shù)

靜壓ps用于克服流動(dòng)中各種阻力，對(duì)于離心風(fēng)機(jī)+雙層振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)形式的聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置ps為196～247 Pa，取ps=200 Pa；動(dòng)壓pd為氣流運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)能，求得pd=86.47 Pa。則可計(jì)算得到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 260 r/min。

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 260 r/min工況下，對(duì)圓柱形風(fēng)機(jī)作用下清選室流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到清選室流場(chǎng)速度分布矢量圖，如圖5所示。

圖5 圓柱形風(fēng)機(jī)作用下清選室流場(chǎng)速度分布矢量圖Fig.5 Vector graphs of velocity distribution in cleaning room under action of cylindrical fan

由圖5可得，軸向進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣流在高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉片作用下被徑向從出風(fēng)口吹出，在風(fēng)機(jī)中心軸處形成負(fù)壓區(qū)；兩臺(tái)風(fēng)機(jī)連接處靠近出風(fēng)口的位置存在低風(fēng)速區(qū)，但氣流到達(dá)振動(dòng)篩時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)出來(lái)的氣流交匯在一起；左、右兩臺(tái)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速均勻一致，氣流沿風(fēng)機(jī)葉片切向吹出，在振動(dòng)篩前端風(fēng)速最大，氣流沿篩面平行方向向篩尾作縱向運(yùn)動(dòng)，風(fēng)速逐漸減小，基本不產(chǎn)生沿篩寬方向的橫向風(fēng)；在兩臺(tái)風(fēng)機(jī)吹出的兩股氣流相互影響下，在振動(dòng)篩中間位置和振動(dòng)篩尾部靠近側(cè)面的位置產(chǎn)生了低風(fēng)速區(qū)域；清選室出口的氣流分布較為均勻。

進(jìn)一步考察圓柱形風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速以及縱向風(fēng)、橫向風(fēng)和垂直風(fēng)風(fēng)速情況，提取b1、b2、b3截面風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制圓柱形風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速曲線如圖6所示，縱向風(fēng)(X方向)風(fēng)速曲線如圖7所示，橫向風(fēng)(Z方向)風(fēng)速曲線如圖8所示，垂直風(fēng)(Y方向)風(fēng)速曲線如圖9所示。

圖6 圓柱形風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速變化曲線Fig.6 Wind speed at outlet of cylindrical fan

圖7 圓柱形風(fēng)機(jī)出風(fēng)口縱向風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig.7 Longitudinal wind speed at outlet of cylindrical fan

圖8 圓柱形風(fēng)機(jī)出風(fēng)口橫向風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig.8 Transverse wind speed at outlet of cylindrical fan

圖9 圓柱形風(fēng)機(jī)出風(fēng)口垂直風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig.9 Vertical wind speed at outlet of cylindrical fan

由圖6～9可知，在出風(fēng)口位置縱向方向(X方向)的不同截面(圖4中b1、b2、b3截面)上，上端的風(fēng)速大于下端的風(fēng)速，風(fēng)機(jī)兩端的風(fēng)速大于中間的風(fēng)速；其產(chǎn)生的縱向風(fēng)風(fēng)速最大值為14.56 m/s，平均值為11.80 m/s；出風(fēng)口位置軸向方向(橫向風(fēng))風(fēng)速平均值為0.05 m/s，對(duì)脫出物均布效果的影響可忽略不計(jì)；出風(fēng)口位置垂直方向(Y方向)存在一定的正向風(fēng)，且離進(jìn)風(fēng)口較近的端面風(fēng)量大。同時(shí)，由圖6～9可以看出，由并聯(lián)組成的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速呈對(duì)稱(chēng)分布，表明圓柱形風(fēng)機(jī)作用下，左右兩風(fēng)機(jī)的出風(fēng)效果基本相同，其清選室氣流流場(chǎng)分布均勻。

2.2 圓錐形風(fēng)機(jī)作用下清選室流場(chǎng)數(shù)值模擬

實(shí)現(xiàn)脫出物有效均布需要圓錐形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生2～5 m/s的橫向風(fēng)風(fēng)速，則風(fēng)機(jī)錐度取2.3°～5.0°為宜[27]。為驗(yàn)證圓錐形風(fēng)機(jī)作用下清選室流場(chǎng)分布情況，選取與圓柱形風(fēng)機(jī)相同工況，對(duì)不同錐度(2.3°、3.5°、5.0°)圓錐形風(fēng)機(jī)作用下清選室流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到清選室流場(chǎng)速度分布矢量圖如圖10所示。

圖10 圓錐形風(fēng)機(jī)作用下清選室流場(chǎng)速度分布矢量圖Fig.10 Vector graphs of velocity distribution in cleaning room under action of conical fan

當(dāng)錐度α=2.3°時(shí)，圓錐形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生了一定的橫向風(fēng)，最大橫向風(fēng)位置處于R風(fēng)機(jī)葉輪大端處，而脫出物主要聚積位置在L風(fēng)機(jī)葉輪大端處，故產(chǎn)生的橫向風(fēng)對(duì)脫出物均布影響較小。

當(dāng)錐度α=3.5°時(shí)，L、R兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均產(chǎn)生了明顯的橫向風(fēng)，且風(fēng)速最大值位于L風(fēng)機(jī)葉輪大端端面處，有利于將脫出物在振動(dòng)篩篩面沿篩寬方向吹散均布。

當(dāng)錐度α=5.0°時(shí)，L、R兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均產(chǎn)生了明顯的橫向風(fēng)，風(fēng)速最大值位于L風(fēng)機(jī)葉輪大端端面處，滿足脫出物多的部位橫向風(fēng)大的清選需求。但在振動(dòng)篩中間位置形成了大面積的低風(fēng)速區(qū)，不能及時(shí)將該區(qū)域的籽粒和雜余向清選室后方吹送，將對(duì)整體清選效果產(chǎn)生影響。

對(duì)比分析不同錐度圓錐形風(fēng)機(jī)作用下清選室氣流場(chǎng)分布情況可知，雖然增大風(fēng)機(jī)葉輪錐度可以增加橫向風(fēng)風(fēng)速，但隨著葉輪錐度的增加，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的縱向風(fēng)風(fēng)速變小，不利于將雜質(zhì)吹出清選室，且在振動(dòng)篩中間位置產(chǎn)生低風(fēng)速區(qū)，反而影響了谷物清選的效果?？梢?jiàn)，錐度并非越大越好。比較3種不同錐度圓錐形風(fēng)機(jī)氣流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果可知，風(fēng)機(jī)錐度為3.5°時(shí)，氣流場(chǎng)風(fēng)速分布情況較為理想，既產(chǎn)生了一定的橫向風(fēng)，又兼顧縱向風(fēng)風(fēng)速，同時(shí)振動(dòng)篩中間位置的低速風(fēng)區(qū)域面積小，可滿足清選作業(yè)要求。

一方面，政治參與的道德焦慮表現(xiàn)為村干部的“好事難辦”的現(xiàn)象。在農(nóng)民的稅費(fèi)負(fù)擔(dān)取消以后，政府的服務(wù)型功能也得到了強(qiáng)化，干群關(guān)系應(yīng)該更加融洽。然而，在對(duì)參加金湖縣M村村委會(huì)2016年換屆選舉的村民進(jìn)行回訪時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)一些不太和諧的雜音。在村子的低保名額分配上，有些不符合低保條件的人卻能“吃上低?！保?yàn)樗麄兪谴甯刹康年P(guān)系戶。村干部往往也會(huì)通過(guò)這樣的特權(quán)分配，獲得部分村民的支持以加強(qiáng)私人關(guān)系。類(lèi)似為了提高農(nóng)民基本生活保障而實(shí)行的低保政策，卻被某些村干部化作私用，這也是引發(fā)道德焦慮現(xiàn)象的重要表現(xiàn)。

進(jìn)一步分析該風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速情況，提取數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，繪制該風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速圖以及縱向風(fēng)、橫向風(fēng)和垂直風(fēng)風(fēng)速圖，如圖11～14所示。

圖11 圓錐形風(fēng)機(jī)(α=3.5°)出風(fēng)口風(fēng)速變化曲線Fig.11 Wind speed at outlet of conical fan(α=3.5°)

圖12 圓錐形風(fēng)機(jī)(α=3.5°)出風(fēng)口縱向風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig.12 Longitudinal wind speed at outlet of conical fan(α=3.5°)

圖13 圓錐形風(fēng)機(jī)(α=3.5°)出風(fēng)口橫向風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig.13 Transverse wind speed at outlet of conical fan(α=3.5°)

如圖11所示，對(duì)于錐度為3.5°的圓錐形風(fēng)機(jī)，L、R兩臺(tái)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速基本對(duì)稱(chēng)，且每臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪大端產(chǎn)生的風(fēng)速大于葉輪小端；b1截面平均風(fēng)速為11.41 m/s，b2截面平均風(fēng)速為10.32 m/s，b3截面平均風(fēng)速為11.66 m/s。由圖12可知，縱向風(fēng)風(fēng)速最大值為16.19 m/s，平均值為10.30 m/s，滿足清選作業(yè)要求。由圖13可知，橫向風(fēng)風(fēng)速在出風(fēng)口b1、b2、b3截面依次降低，橫向風(fēng)風(fēng)速最大值為3.81 m/s，L風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的橫向風(fēng)風(fēng)速平均值為2.65 m/s，略小于R風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的橫向風(fēng)風(fēng)速平均值(3.33 m/s)。由圖14可知，垂直風(fēng)風(fēng)速平均值為2.38 m/s，且L風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的垂直風(fēng)大于R風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的垂直風(fēng)。

圖14 圓錐形風(fēng)機(jī)(α=3.5°)出風(fēng)口垂直風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig.14 Vertical wind speed at outlet of conical fan(α=3.5°)

不同類(lèi)型風(fēng)機(jī)出風(fēng)口位置各方向的平均風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示。

由表1可知，L、R兩臺(tái)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的出風(fēng)量基本相同；與圓柱形風(fēng)機(jī)相比，圓錐形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的縱向風(fēng)和垂直風(fēng)略小，但橫向風(fēng)增加明顯，符合設(shè)計(jì)要求；隨著錐度的增加，風(fēng)機(jī)出風(fēng)量呈緩慢減小趨勢(shì)，縱向風(fēng)和垂直風(fēng)風(fēng)速變小，橫向風(fēng)風(fēng)速變大。

表1 不同類(lèi)型風(fēng)機(jī)出風(fēng)口平均風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果Tab.1 Average wind speed of air outlet of different types of fan

3 試驗(yàn)

3.1 清選室流場(chǎng)風(fēng)速測(cè)定與結(jié)果分析

清選室流場(chǎng)風(fēng)速測(cè)定在自行研制的物料清選試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)如圖15所示。

圖15 清選室流場(chǎng)風(fēng)速測(cè)定試驗(yàn)臺(tái)Fig.15 Test bench for measurement of wind velocity in cleaning room1.水稻傳輸帶 2.割臺(tái)螺旋輸送器 3.風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4.輸送槽 5.脫粒滾筒 6.清選室 7.清選風(fēng)機(jī) 8.脫粒滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī) 9.振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 11.電氣控制柜

試驗(yàn)臺(tái)架配置3臺(tái)由變頻器控制的電機(jī)，脫粒滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)為脫粒滾筒和割臺(tái)螺旋輸送器等工作部件提供動(dòng)力，額定功率20 kW，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為風(fēng)機(jī)等部件提供動(dòng)力，額定功率為10 kW，振動(dòng)篩驅(qū)動(dòng)電機(jī)為振動(dòng)篩提供動(dòng)力，額定功率為5 kW；臺(tái)架試驗(yàn)前，通過(guò)變頻器設(shè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 260 r/min。清選室內(nèi)安裝有雙層振動(dòng)篩，篩寬1 000 mm，篩總長(zhǎng)(含尾篩)1 400 mm。

為得到接近實(shí)際情況的氣流場(chǎng)分布，采用布點(diǎn)法，對(duì)無(wú)脫出物狀態(tài)下篩面氣流場(chǎng)風(fēng)速分布進(jìn)行測(cè)量。以振動(dòng)篩前端進(jìn)料口側(cè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，篩寬方向?yàn)閆軸正向，篩長(zhǎng)方向?yàn)閄軸正向，垂直于篩面向上方向?yàn)閅軸正向。沿X軸正向均勻布置5排測(cè)量點(diǎn)，每排間距250 mm，與原點(diǎn)的距離分別為：0、250、500、750、1 000 mm。沿Z軸正向均勻布置5排測(cè)量點(diǎn)，每排間距150 mm，與原點(diǎn)的距離分別為：100、250、400、550、700、850 mm。測(cè)量平面距離上篩篩面50 mm，平面測(cè)點(diǎn)位置分布如圖16所示。

圖16 測(cè)點(diǎn)位置分布圖Fig.16 Position distribution map of measuring point

試驗(yàn)在無(wú)脫出物條件下進(jìn)行，選用Flow anemometer AVM-07型數(shù)字風(fēng)速儀(測(cè)量范圍：0～45 m/s，精確度：±3%)。測(cè)量前，根據(jù)測(cè)點(diǎn)位置分布圖，在振動(dòng)篩上方50 mm平面拉好細(xì)鐵絲作為測(cè)點(diǎn)參照；測(cè)量時(shí)，將手持式風(fēng)速儀手柄固定在手機(jī)自拍桿上，將手機(jī)自拍桿伸入清選室內(nèi)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別使用風(fēng)速儀在X、Y、Z方向測(cè)得縱向風(fēng)速、垂直風(fēng)速和橫向風(fēng)速。

X方向氣流(縱向風(fēng))對(duì)物料清選起關(guān)鍵作用，直接影響清選后籽粒含雜率性能指標(biāo)；Z方向氣流(橫向風(fēng))起均布物料的作用，數(shù)值仿真結(jié)果顯示，圓柱形風(fēng)機(jī)橫向風(fēng)風(fēng)速接近于0，而圓錐形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生明顯的橫向風(fēng)。故而在試驗(yàn)結(jié)果分析中，重點(diǎn)比較兩種風(fēng)機(jī)X方向氣流和Z方向氣流的分布情況。

圖17 篩長(zhǎng)方向不同截面處縱向風(fēng)風(fēng)速比較Fig.17 Comparison of longitudinal wind distribution at different sections in X direction

由圖17可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量的風(fēng)速變化趨勢(shì)和數(shù)值模擬結(jié)果總體相近，由于風(fēng)速儀對(duì)氣流場(chǎng)的干擾、數(shù)值模擬參數(shù)流體理想化屬性、壁面等邊界條件設(shè)置等因素，造成結(jié)果的微小偏差。不同截面處各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速實(shí)測(cè)值和模擬值的對(duì)比分析可知，利用CFD軟件進(jìn)行清選裝置氣流場(chǎng)數(shù)值模擬是可行的。

由圖17a可知，相同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，圓錐形風(fēng)機(jī)在出風(fēng)口位置產(chǎn)生的縱向風(fēng)風(fēng)速比圓柱形風(fēng)機(jī)略小，但能滿足清選作業(yè)需求；由圖17b可知，圓錐形風(fēng)機(jī)在振動(dòng)篩篩寬方向(Z軸方向)上，在振動(dòng)篩中部形成的風(fēng)速比兩側(cè)大，滿足篩面中部混合物較多的清選需要，而圓柱形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速峰值出現(xiàn)在篩寬方向的尾部，此處脫出混合物較少，且以短莖稈為主，故對(duì)清選作用不大；由圖17c可知，在振動(dòng)篩尾部，圓錐形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的平均風(fēng)速為0.78 m/s，遠(yuǎn)小于圓柱形風(fēng)機(jī)的平均風(fēng)速(2.16 m/s)，有利于降低清選損失。

為了對(duì)圓錐形風(fēng)機(jī)和圓柱形風(fēng)機(jī)的橫向風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行比較，在篩寬方向(Z軸方向)上，分別選取100、400、700 mm 3個(gè)截面，考察其橫向風(fēng)風(fēng)速情況，結(jié)果如圖18所示。

圖18 篩寬方向不同截面處橫向風(fēng)風(fēng)速比較Fig.18 Comparison of transverse wind distribution at different sections in Z direction

由圖18a可知，圓錐形風(fēng)機(jī)在振動(dòng)篩前端進(jìn)料口側(cè)(下落物料最多的部位)產(chǎn)生的橫向風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2.68 m/s，有利于將柵格式凹板分離落向振動(dòng)篩入口一角的脫出物向篩寬方向均布，將大大減小振動(dòng)篩入口一角的堆集，減輕清選負(fù)荷。由圖18b可知，在篩寬方向Z=400 mm截面處，圓錐形風(fēng)機(jī)在篩面中部的橫向風(fēng)風(fēng)速仍達(dá)2.07 m/s以上，說(shuō)明橫向風(fēng)在篩面中部繼續(xù)將脫出物從多向少的部位均布，在振動(dòng)篩中部位置的橫向風(fēng)風(fēng)速也明顯大于圓柱形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的橫向風(fēng)。由圖18c可知，在振動(dòng)篩近排草出口端(Z=700 mm)，圓柱形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的橫向風(fēng)風(fēng)速比圓錐形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的橫向風(fēng)大，但由于此處脫出物中籽粒已較少，橫向風(fēng)對(duì)清選效果影響較小。

由圖18可知，圓錐形風(fēng)機(jī)在振動(dòng)篩前部的橫向風(fēng)風(fēng)速向沿篩寬方向(Z軸方向)逐漸下降，說(shuō)明在脫出物分離下落最多的部位(振動(dòng)篩入口處)橫向風(fēng)風(fēng)速最大；圓柱形風(fēng)機(jī)在振動(dòng)篩前部的橫向風(fēng)風(fēng)速，沿篩寬方向從1.12 m/s上升到1.46 m/s，脫出物多的部位橫向風(fēng)風(fēng)速小，而脫出物少的部位橫向風(fēng)風(fēng)速大，對(duì)脫出物無(wú)均布作用。

3.2 物料分布試驗(yàn)與結(jié)果分析

物料分布試驗(yàn)時(shí)，拆除振動(dòng)篩，停止其動(dòng)力，并在振動(dòng)篩位置放置物料取樣盒。取樣盒分4行(X向)、6列(Z向)，共24格，依次標(biāo)記，每格尺寸為：200 mm(X向)×166 mm(Z向)×110 mm(Y向)。試驗(yàn)前，水稻均勻平鋪于物料輸送臺(tái)上(前段留空)，輸送臺(tái)共2臺(tái)，每臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬)為：5 000 mm×900 mm，高度可調(diào)，串聯(lián)使用；每次試驗(yàn)物料總質(zhì)量18 kg，按喂入量1.8 kg/s設(shè)定水稻傳送速度，每組試驗(yàn)各3次，如圖19所示。

圖19 取樣盒與物料輸送臺(tái)Fig.19 Sampling box and material conveyor

清選風(fēng)機(jī)正常工作，分別對(duì)圓柱形風(fēng)機(jī)和圓錐形風(fēng)機(jī)(錐度3.5°)作用下物料分布情況進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)物料品種為“嘉優(yōu)2號(hào)”，測(cè)定其性能參數(shù)為：千粒質(zhì)量26.8 g，籽粒含水率26.2%，莖稈含水率57.3%，草谷比2.7。試驗(yàn)后，收集取樣盒中每格物料進(jìn)行稱(chēng)量，物料分布試驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。

物料分布試驗(yàn)結(jié)果顯示，圓柱形風(fēng)機(jī)作用下，脫出物堆集中心點(diǎn)所在部位為第8格(第2行第2列)，該接料格中物料質(zhì)量974.2 g，脫出物主下落區(qū)為第2～3行、1～3格，占落料區(qū)總面積的25%，該區(qū)域內(nèi)物料質(zhì)量3 402 g，占脫出物總質(zhì)量的69.74%；圓錐形風(fēng)機(jī)作用下，脫出物堆集中心點(diǎn)所在部位為第9格(第2行第3列)，該接料格物料為763.1 g，脫出物主下落區(qū)為第2～3行、2～4格，占落料區(qū)總面積的25%，該區(qū)域內(nèi)物料總質(zhì)量為2 880.0 g，占脫出物總質(zhì)量的59.21%；與圓柱形風(fēng)機(jī)相比，圓錐形風(fēng)機(jī)作用下脫出物堆集中心點(diǎn)所在部位脫出物質(zhì)量減少27.66%，脫出物主下落區(qū)的脫出物質(zhì)量占脫出物總質(zhì)量的比值降低10.53個(gè)百分點(diǎn)，脫出物堆集中心點(diǎn)的位置沿振動(dòng)篩篩寬方向朝排草口一側(cè)偏移166 mm。在振動(dòng)篩位置放置取樣盒對(duì)清選室垂直方向風(fēng)速產(chǎn)生一定影響[28]，但本次物料分布試驗(yàn)側(cè)重考察縱向風(fēng)和橫向風(fēng)對(duì)脫出物在振動(dòng)篩篩面分布的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，與圓柱形風(fēng)機(jī)相比，圓錐形風(fēng)機(jī)能利用橫向風(fēng)吹散集中下落的脫出物，可使其在篩分前得到均布預(yù)處理，故而試驗(yàn)結(jié)果有意義。

對(duì)取樣盒中全部混合物進(jìn)行清理，分選出籽粒和雜質(zhì)并稱(chēng)量，計(jì)算清選風(fēng)機(jī)作用下未經(jīng)振動(dòng)篩篩分混合物的含雜率；從清選室出口收集全部排出物，挑選出籽粒并稱(chēng)量，計(jì)算清選損失率，結(jié)果如表2所示?？梢?jiàn)，圓錐形風(fēng)機(jī)作用下混合物含雜率(未經(jīng)振動(dòng)篩篩分)為6.83%、清選損失率(由氣流產(chǎn)生)為0.22%，兩項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于圓柱形風(fēng)機(jī)。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of bench test %

3.3 田間試驗(yàn)

2018年11月，在第三方專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)主持下，在浙江省永康市芝英鎮(zhèn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖21所示。試驗(yàn)水稻品種、喂入量、風(fēng)機(jī)和清選室等結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)等試驗(yàn)條件與臺(tái)架試驗(yàn)一致。試驗(yàn)用履帶式全喂入聯(lián)合收獲機(jī)割幅為1.8 m，根據(jù)試驗(yàn)田塊產(chǎn)量確定機(jī)器行走速度，以確保喂入量為1.8 kg/s。試驗(yàn)分別對(duì)圓柱形風(fēng)機(jī)、圓錐形風(fēng)機(jī)(錐度3.5°)作用下，水稻收獲作業(yè)損失率、含雜率和破碎率進(jìn)行測(cè)定。

圖21 田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.21 Field test site

田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。圓錐形風(fēng)機(jī)作用下，聯(lián)合收獲機(jī)損失率、含雜率和破碎率明顯優(yōu)于行業(yè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，且與圓柱形風(fēng)機(jī)相比，含雜率指標(biāo)得到顯著改善。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of field test %

4 結(jié)論

(1)清選室流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，圓錐形風(fēng)機(jī)作用下，清選室內(nèi)產(chǎn)生明顯的沿振動(dòng)篩篩寬方向指向排草口一側(cè)的橫向風(fēng)。增大風(fēng)機(jī)葉片錐度可以增加橫向風(fēng)風(fēng)速，但隨著錐度的增大，一方面縱向風(fēng)風(fēng)速總體變小，不利于籽粒在篩長(zhǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)致清選含雜率上升，同時(shí)，振動(dòng)篩中間位置產(chǎn)生的低風(fēng)速區(qū)面積也會(huì)增大，同樣將影響清選效果。當(dāng)圓錐形風(fēng)機(jī)錐度為3.5°時(shí)，清選室氣流場(chǎng)風(fēng)速分布較為理想。

(2)清選室氣流場(chǎng)風(fēng)速分布測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)圓錐形風(fēng)機(jī)錐度為3.5°時(shí)，圓錐形風(fēng)機(jī)在振動(dòng)篩入口一角(下落物料最多的部位)產(chǎn)生的橫向風(fēng)速達(dá)到2.68 m/s，篩面中部橫向風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2.07 m/s，顯著大于圓柱形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的橫向風(fēng)，有利于脫出物沿篩寬方向均布；在振動(dòng)篩尾部，圓錐形風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的平均風(fēng)速為0.78 m/s，遠(yuǎn)小于圓柱形風(fēng)機(jī)的平均風(fēng)速2.16 m/s，有利于降低清選損失。

(3)物料分布試驗(yàn)和田間試驗(yàn)結(jié)果表明，與圓柱形風(fēng)機(jī)相比，圓錐形風(fēng)機(jī)能利用橫向風(fēng)吹散集中下落的脫出物，可使其在篩分前得到均布預(yù)處理。圓錐形風(fēng)機(jī)作用下，聯(lián)合收獲機(jī)損失率、含雜率和破碎率性能指標(biāo)明顯優(yōu)于行業(yè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，且與圓柱形風(fēng)機(jī)相比，含雜率指標(biāo)得到顯著改善。