邢浩男，馬少春，王風(fēng)磊，白 靜，胡繼偉

切段式甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)

邢浩男，馬少春※，王風(fēng)磊，白 靜，胡繼偉

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083）

針對(duì)目前機(jī)械化收獲甘蔗含雜率和損失率高的問(wèn)題，該研究對(duì)廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的 4GZQ-180切段式甘蔗收割機(jī)風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該研究表明，原風(fēng)機(jī)葉片和出流室內(nèi)壁的形狀突變、液壓馬達(dá)安裝部位凹陷以及主軸阻擋氣流均會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生漩渦流動(dòng)并引起能量損失。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)葉片前緣和尾緣平滑過(guò)渡，提升了葉片性能，優(yōu)化后的出流室呈圓筒狀，主軸軸線與氣流主流方向一致，降低了能量損耗，葉輪安裝位置遠(yuǎn)離蔗段，使蔗段不易與葉輪發(fā)生碰撞。流量和功率測(cè)定結(jié)果表明，仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。含雜率測(cè)定結(jié)果表明，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速（1 650 r/min）、低行駛速度（1 km/h）時(shí)的含雜率與原風(fēng)機(jī)相當(dāng)，當(dāng)行駛速度升高至3 km/h后，中（1 350 r/min）、低（1 050 r/min）轉(zhuǎn)速時(shí)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的含雜率明顯低于原風(fēng)機(jī)，分別降低了13.91%和20.42%；損失率測(cè)定結(jié)果表明，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的損失率與原風(fēng)機(jī)最多相差6.48%，當(dāng)喂入量為1 kg/s時(shí)，中、高轉(zhuǎn)速下?lián)p失率分別降低了14.77%和28.08%。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；收獲；優(yōu)化；CFD；含雜率；損失率

0 引 言

甘蔗機(jī)械化收獲具有效率高和節(jié)省勞動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)，但是，目前機(jī)收甘蔗通常含有過(guò)多的雜質(zhì)，在制糖過(guò)程中雜質(zhì)會(huì)吸收部分蔗糖造成蔗糖損失，并且增加額外的運(yùn)輸費(fèi)用[1-3]。此外，甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)分離雜質(zhì)時(shí)經(jīng)常發(fā)生蔗段與風(fēng)機(jī)葉片碰撞的現(xiàn)象，導(dǎo)致蔗段破碎造成損失率升高[4-5]。以上2個(gè)問(wèn)題使得甘蔗機(jī)械化收獲不易得到糖廠和農(nóng)民的認(rèn)可，嚴(yán)重制約著中國(guó)甘蔗機(jī)械化收獲的推廣，同時(shí)也造成了中國(guó)蔗糖業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力不足[6-8]。因此，提升排雜風(fēng)機(jī)的性能，降低甘蔗的含雜率和損失率是亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了一系列的研究。Whiteing等[4]針對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和甘蔗喂入量的選取問(wèn)題，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)增大喂入量嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的排雜效果，并且，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將使損失率明顯提高。Sichter等[9]針對(duì)現(xiàn)有的損失率評(píng)價(jià)方法容易造成誤差的問(wèn)題提出了一種利用糖份損失作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的方法，并利用該方法測(cè)定了現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的損失率，提出了風(fēng)機(jī)的最佳運(yùn)行參數(shù)。Wang等[10]制作了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，探究了葉輪轉(zhuǎn)速同風(fēng)壓和風(fēng)速之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂入量是影響含雜率的主要因素。黃錚等[11]利用商用CFD軟件Fluent對(duì)不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬，為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。這些研究為現(xiàn)有甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)設(shè)定提供了參考并為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了指導(dǎo)，但并未對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)存在的氣動(dòng)性能和排雜效果差的問(wèn)題提出解決方案。

針對(duì)以上問(wèn)題，目前也有學(xué)者對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。解福祥等[12]參考常規(guī)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一種貫流風(fēng)機(jī)用于排雜，并通過(guò)試驗(yàn)確定了風(fēng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，但并未對(duì)排雜效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。王海波等[13]采用了孤立葉型法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)CFD仿真驗(yàn)證了該風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，但其研究?jī)H僅局限于風(fēng)機(jī)葉片，并未涉及到風(fēng)機(jī)外殼的改進(jìn)。鐘家勤等[14]對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉輪的應(yīng)力和振動(dòng)進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行有著重要的意義，但是沒(méi)有涉及降低含雜率和損失率的問(wèn)題。因此目前排雜風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)依然缺乏理論依據(jù)和有效的實(shí)踐方案。

本文采用數(shù)值模擬的方法分析了廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的4GZQ-180切段式甘蔗收割機(jī)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能缺陷，提出改進(jìn)方案，并制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。以含雜率和損失率為指標(biāo)對(duì)優(yōu)化前后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能評(píng)估。以期為甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)以及降低甘蔗的含雜率和損失率提供指導(dǎo)。

1 原風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)性能分析

1.1 原風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的 4GZQ-180切段式甘蔗收割機(jī)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其具體參數(shù)如表1所示。在排雜過(guò)程中，蔗段和雜質(zhì)同時(shí)被拋灑進(jìn)風(fēng)機(jī)中，蔗葉等懸浮速度較低的雜質(zhì)在負(fù)壓的作用下，從出流室出口排出，而蔗段有較高的懸浮速度，因重力（與軸負(fù)方向一致）作用掉落在風(fēng)機(jī)正下方的升運(yùn)器上。部分小直徑蔗段和甘蔗碎片通常也具有較低的懸浮速度，容易在負(fù)壓作用下上升至風(fēng)機(jī)葉輪處，與葉輪發(fā)生碰撞造成蔗段破碎導(dǎo)致?lián)p失率升高。

1.出流室 2.液壓馬達(dá)安裝位置 3.傳動(dòng)軸 4.葉輪

表1 原風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)

1.2 原風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能分析

1.2.1 數(shù)學(xué)模型的選取

為詳細(xì)分析原風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能和缺陷，使用Fluent軟件對(duì)風(fēng)機(jī)整體以及葉片附近的氣流場(chǎng)進(jìn)行分析。

進(jìn)行葉片附近氣流場(chǎng)模擬時(shí)，為了準(zhǔn)確描述葉片附近空氣的流動(dòng)狀態(tài)，將使用SST-模型進(jìn)行計(jì)算[15-17]。SST-模型結(jié)合了-模型和-模型的優(yōu)勢(shì)，在近壁面使用-模型，在邊界層以外的自由流區(qū)域使用-ε模型[18-19]。

進(jìn)行風(fēng)機(jī)整體仿真時(shí)，為了更好地解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算，使用realizable模型計(jì)算風(fēng)機(jī)中的湍流[18, 20-21]。

1.2.2 葉片附近流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分與邊界條件

風(fēng)機(jī)葉片流場(chǎng)采用二維模型進(jìn)行計(jì)算。前期研究表明，葉片主要做功區(qū)域位于葉輪半徑的2/3處（距主軸300 mm的截面），因此，如圖2所示，選取此截面為研究對(duì)象進(jìn)行流動(dòng)特性分析。因?yàn)槿~片附近的壓力以及流體的速度變化梯度很大，所以對(duì)葉片附近網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，并對(duì)葉片表面第一層網(wǎng)格的無(wú)量綱系數(shù)+進(jìn)行了驗(yàn)證[18]。結(jié)果表明葉片表面+<1，符合要求[18, 22-23]。最終生成的計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)目為10 827。

入口邊界條件為速度進(jìn)口，當(dāng)攻角為正值時(shí)，如圖2所示，半圓形邊界AB以及BC均為速度進(jìn)口，AD和CD為壓力出口，壓力值等于大氣壓力；攻角為0°時(shí)，邊界AB為速度進(jìn)口，邊界BC和AD為壁面，邊界CD為壓力出口，壓力等于大氣壓力。為了獲得更低的含雜率，實(shí)際收獲中通常將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為最高值，因此將最高轉(zhuǎn)速（1 650 r/min）時(shí)此截面的線速度（50 m/s）作為進(jìn)口速度值。

注：c為弦長(zhǎng)，mm；A、B、C、D為計(jì)算域的邊界點(diǎn)。

1.2.3 葉片附近流場(chǎng)的流動(dòng)特性分析

計(jì)算結(jié)果表明，原風(fēng)機(jī)葉片最大升力攻角為6°，由圖3可知，此攻角時(shí)位于葉片前緣附近的壓力面和吸力面都產(chǎn)生了尺寸較大的渦流，這將導(dǎo)致葉片升力降低和阻力增加[24]。制造過(guò)程中為了節(jié)省成本，將鋼板直接彎曲成風(fēng)機(jī)葉片，忽略了葉片前緣和尾緣的形狀突變，從而導(dǎo)致葉片周圍發(fā)生流動(dòng)分離，這是原型葉片氣動(dòng)性能不佳的原因。因此，本文將葉片前緣和尾緣的形狀作為優(yōu)化目標(biāo)。

圖3 葉片附近流線分布

1.2.4 風(fēng)機(jī)整體網(wǎng)格劃分與邊界條件

因?yàn)槿~輪區(qū)域和出流罩區(qū)域形狀較為復(fù)雜，所以使用適應(yīng)性比較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分[25-26]。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)葉輪附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理；為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，遠(yuǎn)離葉片的網(wǎng)格較稀疏。在進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證時(shí)，將風(fēng)機(jī)空載時(shí)的全壓和風(fēng)機(jī)流量作為指標(biāo)，結(jié)合工程實(shí)際，將葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 650 r/min。在2.0×106～6.5×106區(qū)間內(nèi)選擇5種數(shù)量的網(wǎng)格用于網(wǎng)格獨(dú)立性的驗(yàn)證。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于4.8×106以后，評(píng)價(jià)指標(biāo)趨于穩(wěn)定。綜合考慮結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)后，選用數(shù)量為5.48×106的網(wǎng)格用于后續(xù)計(jì)算。

計(jì)算風(fēng)機(jī)空載工況時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口邊界條件分別為壓力進(jìn)口和壓力出口，壓力值均為大氣壓力。計(jì)算不同流量下的全壓和效率時(shí)，將風(fēng)機(jī)進(jìn)口設(shè)定為速度入口，速度值為流量/入口面積，出口邊界條件保持原設(shè)置。

1.2.5 原風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性分析

將圖1中平面命名為截面I；選取方向與圖1中平面平行，主軸長(zhǎng)度1/2處的平面并將其命名為截面Ⅱ。

圖4a所示為截面Ⅰ的流線分布，可以觀察到出流室頂端出現(xiàn)了尺寸較大的漩渦。為了便于安裝液壓馬達(dá)，出流室的頂端被加工成了一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)對(duì)氣流有阻擋作用，因此在其后方形成了大面積的漩渦。由于風(fēng)機(jī)主軸的阻擋，在主軸左側(cè)也產(chǎn)生了漩渦。圖4b為截面Ⅱ的流線分布情況。截面Ⅱ的流線分布不均勻，出流室內(nèi)壁形狀突變以及主軸的阻擋導(dǎo)致了流線的扭曲并出現(xiàn)了大量的漩渦。圖4a和圖4b中出現(xiàn)的現(xiàn)象會(huì)引起較大的能量損失，并且渦流通常具有較低的速度，這會(huì)延長(zhǎng)雜質(zhì)在風(fēng)機(jī)中的停留時(shí)間，引起堵塞，影響除雜效果。

圖4 出流室截面的流線分布

2 排雜風(fēng)機(jī)優(yōu)化與氣動(dòng)性能分析

根據(jù)原風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分析結(jié)果，將原風(fēng)機(jī)存在的問(wèn)題和優(yōu)化措施進(jìn)行歸納，具體方案見(jiàn)表2。

表2 原風(fēng)機(jī)的優(yōu)化方案

2.1 葉片優(yōu)化與氣動(dòng)性能分析

排雜風(fēng)機(jī)葉片的工作環(huán)境中時(shí)常出現(xiàn)泥沙等堅(jiān)硬雜質(zhì)，這使得葉片容易發(fā)生磨損，需要經(jīng)常更換，不宜采用成本過(guò)高的葉片[27-29]。因此本研究擬在原葉片基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。為使葉片前緣和尾緣平滑過(guò)渡，在葉片前緣和尾緣增加圓角特征，為了降低尾緣附近流動(dòng)分離現(xiàn)象的影響，優(yōu)化后的尾緣厚度逐漸減小，避免尺寸突變。表3中列出了擬采用的3種葉片優(yōu)化方案，其中葉片Ⅰ的圓角尺寸較小，更多地保留原葉片特征；葉片Ⅱ增大了圓角的尺寸以分析圓角尺寸對(duì)葉片性能的影響；有研究表明，流動(dòng)分離更容易在葉片吸力面產(chǎn)生[24,29]，因此方案Ⅲ增大了吸力面與前緣交接處圓角的半徑（1），以期獲得更好的性能。

表3 葉片優(yōu)化方案

注：1為吸力面與前緣交接處圓角的半徑，mm；2為壓力面與前緣交接處圓角的半徑，mm；3為尾緣圓角的半徑，mm。

Note:1is the radius of fillet at the junction of suction surface and leading edge, mm;2is the radius of fillet at the junction of pressure surface and leading edge, mm;3is the radius of fillet of trailing edge, mm.

氣動(dòng)性能良好的葉片具有更高的升阻比[27-29]。為比較原葉片和3種優(yōu)化后葉片的性能，采用升阻比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下[27, 29]：

式中為升阻比；F為葉片吸力面和壓力面壓差產(chǎn)生的升力，N；F為葉片在來(lái)流作用下受到的阻力，N。

仿真計(jì)算得到4種葉片的升阻比曲線，如圖5所示，葉片Ⅰ和葉片Ⅱ性能相仿，葉片Ⅲ的升阻比在大多數(shù)工況下都高于其他方案。相對(duì)于原葉片，其最大升阻比提高了64.71%。因此，采用葉片Ⅲ對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 各類型葉片升阻比曲線

2.2 排雜風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與氣動(dòng)性能分析

根據(jù)表2的優(yōu)化方案，對(duì)原風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括出流室外形、主軸安裝位置以及葉輪位置。為了消除出流室的形狀突變，優(yōu)化后的出流室呈圓筒狀，使空氣流動(dòng)過(guò)程中流道尺寸保持不變。優(yōu)化后的主軸軸線與氣流方向一致，可以避免阻擋氣流。根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)相關(guān)研究，氣流通過(guò)葉輪后，在葉輪作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了雜質(zhì)在風(fēng)機(jī)中停留的時(shí)間，并且容易使雜質(zhì)與出流室內(nèi)壁摩擦，增加能量損耗[27,30]。因此，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)葉輪安裝位置更靠近出口，確保了葉輪與甘蔗之間有較長(zhǎng)的距離，降低了碰撞的概率。優(yōu)化后排雜風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示，各項(xiàng)參數(shù)如表4所示。

圖6 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表4 優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

優(yōu)化后，風(fēng)機(jī)液壓馬達(dá)置于出流室腔體內(nèi)，使得風(fēng)機(jī)主軸軸線平行于氣流方向，可以有效降低主軸對(duì)氣流的影響；但是，液壓馬達(dá)的形狀會(huì)影響風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，造成能量損失，并且風(fēng)機(jī)內(nèi)部惡劣的工作環(huán)境容易造成液壓馬達(dá)的損壞。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)錐形整流罩，用于遮蓋液壓馬達(dá)，同時(shí)起到優(yōu)化氣動(dòng)性能的作用。如圖 7a所示，未加裝整流罩的情況下，液壓馬達(dá)后方出現(xiàn)了漩渦。而安裝整流罩以后（圖7b）流線更加均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的漩渦。優(yōu)化后在風(fēng)機(jī)腔體中部安裝用于固定零件的支撐架，支撐架截面為方形時(shí)（圖7a），其下游流線混亂，這是因?yàn)榱黧w繞過(guò)支撐架后產(chǎn)生了渦流，使用流線型支撐架后（圖7b），消除了這一現(xiàn)象。圖7c為支撐架中部截面（距離主軸軸線225 mm）的流線分布，該截面與出流室和整流罩表面距離足夠長(zhǎng)，以排除其余邊界層的干擾，圖中可以清晰地觀察到2種支撐架的形狀差異和附近的流場(chǎng)情況，方形支撐架后方產(chǎn)生了明顯的渦流，這種現(xiàn)象容易造成能量損失、振動(dòng)以及噪聲，而流線型支撐架周圍流線分布均勻，未產(chǎn)生渦流。

圖7 不同形狀支撐架的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流線圖

2.3 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能對(duì)比

為分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能差異，對(duì)排雜風(fēng)機(jī)的全壓和全壓效率進(jìn)行計(jì)算[27]。計(jì)算公式如下：

=（4）

式中P為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；out為風(fēng)機(jī)出口全壓，Pa；in為風(fēng)機(jī)入口全壓，Pa；為風(fēng)機(jī)全壓效率，%；為風(fēng)機(jī)流量，m3/s；為風(fēng)機(jī)功率，W；為葉輪扭矩，N×m；為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s。

結(jié)合工程實(shí)際，計(jì)算了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 050、1 350和1 650 r/min時(shí)的空載流量以及不同流量時(shí)的全壓和全壓效率。如圖8a所示，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在1 050、1 350和1 650 r/min轉(zhuǎn)速下的空載流量分別提高了48.01%，42.9%以及46.13%。如圖8b所示，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在各流量下都具有更高的全壓，這表明優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)具有更強(qiáng)的雜質(zhì)輸送能力，因此，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)有應(yīng)對(duì)喂入量較高工況的潛力[30]。如圖8c所示，原風(fēng)機(jī)在1 050、1 350和1 650 r/min轉(zhuǎn)速下的最高效率僅為45.09%、45.48%和45.38%，3種轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的最高效率分別提高了26.76%，25.31%和22.35%，具有更高的能量利用率。

注：圖b中“O”表示優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)，“C”表示原風(fēng)機(jī)，數(shù)字表示轉(zhuǎn)速，r·min-1。

3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 風(fēng)機(jī)流量與功率測(cè)量

3.1.1測(cè)量裝置與方法

測(cè)量裝置：利用上海億歐儀表設(shè)備有限公司的風(fēng)速儀（型號(hào)：ZC1000-1F-4；分辨率：0.01 m/s）測(cè)量風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速；利用杭州美控自動(dòng)化技術(shù)有限公司的壓力傳感器（型號(hào)：MIK-P300；精度等級(jí)：0.5級(jí)）測(cè)量風(fēng)機(jī)液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力；利用德國(guó)HBM公司的移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（型號(hào)：Somat eDAQlite）采集壓力數(shù)據(jù)。

測(cè)量方法：如圖9所示，選取風(fēng)機(jī)出口截面9個(gè)點(diǎn)為風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)，用風(fēng)速儀直接測(cè)量各點(diǎn)的風(fēng)速并求平均值，將測(cè)量風(fēng)速的平均值與截面面積相乘得到風(fēng)機(jī)流量；在功率測(cè)定工作中，分別在風(fēng)機(jī)液壓馬達(dá)進(jìn)口和出口安裝壓力傳感器，通過(guò)測(cè)量液壓馬達(dá)（效率為90%）進(jìn)出口的壓力差計(jì)算風(fēng)機(jī)功率，公式如下：

式中in和out分別為風(fēng)機(jī)液壓馬達(dá)進(jìn)口和出口的壓力，MPa；為風(fēng)機(jī)液壓馬達(dá)流量，m3/s。

3.1.2測(cè)量結(jié)果

如表5所示，3種轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)空載流量的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相比誤差最大為7.576%，平均為6.722%，仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性；功率的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果均為風(fēng)機(jī)空載工況，因此功率值較低。由于不同轉(zhuǎn)速下液壓馬達(dá)效率不同，仿真值與實(shí)測(cè)值相比誤差稍大，平均為10.06%。

圖9 風(fēng)速測(cè)量

表5 風(fēng)機(jī)流量與功率測(cè)量結(jié)果

3.2 含雜率與損失率測(cè)定

優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)葉輪遠(yuǎn)離蔗段，能夠降低葉輪碰撞蔗段的概率，有利于降低損失率。仿真結(jié)果（圖8）表明，相同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)能夠提供更高的流量和全壓，有利于雜質(zhì)的分離從而降低含雜率。為了驗(yàn)證風(fēng)機(jī)優(yōu)化效果，于2020年6月在廣西壯族自治區(qū)扶綏縣進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)用甘蔗品種為桂柳05136。收割機(jī)為廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的4GZQ-180切段式甘蔗收割機(jī)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2.1 含雜率測(cè)定方法與結(jié)果

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，收割機(jī)行駛速度達(dá)到4 km/h時(shí)輸送機(jī)構(gòu)容易發(fā)生堵塞，因此本研究測(cè)定了行駛速度在4 km/h以下的含雜率。試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表6。具體試驗(yàn)步驟按照 JB/T 6275-2007《甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》進(jìn)行[31]。含雜率計(jì)算公式如下：

式中P為含雜率，%；m為雜質(zhì)的質(zhì)量，kg；m為混合物的總質(zhì)量，kg。

表6 田間試驗(yàn)因素水平

如圖11a所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 050 r/min，行駛速度為1 km/h時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的含雜率降低了3.7%，這是因?yàn)?，行駛速度較低導(dǎo)致喂入量低，此時(shí)風(fēng)機(jī)負(fù)載較低，低負(fù)載情況下原風(fēng)機(jī)也能保證較高的排雜能力；當(dāng)行駛速度提高到2 km/h時(shí)，更多的蔗段和雜質(zhì)進(jìn)入到風(fēng)機(jī)內(nèi)部，風(fēng)機(jī)負(fù)載升高，同等轉(zhuǎn)速下優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)具有更高的流量和壓力（圖8a），含雜率降低了14.58%；當(dāng)行駛速度達(dá)到3 km/h時(shí)，含雜率降低20.42%。

隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高至1 350 r/min，原風(fēng)機(jī)和優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)含雜率差異變小，但是，當(dāng)行駛速度增加至3 km/h時(shí)，由于負(fù)載的增加，含雜率降低了13.91%，差異又趨于明顯。

當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1650 r/min時(shí)，2種風(fēng)機(jī)的含雜率最多相差僅為4.17%，這是因?yàn)椋S著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，2種風(fēng)機(jī)均產(chǎn)生了較高的風(fēng)速和壓力，均能有效排出雜質(zhì)。

通過(guò)對(duì)圖11分析可知，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速（1 650 r/min）時(shí)的性能與原風(fēng)機(jī)相當(dāng)，但是，中（1 350 r/min）、低（1 050 r/min）轉(zhuǎn)速時(shí)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的性能明顯優(yōu)于原風(fēng)機(jī)。

圖11 原風(fēng)機(jī)與優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的含雜率

3.2.2 損失率測(cè)定方法與結(jié)果

損失率的測(cè)定采用室內(nèi)試驗(yàn)法，試驗(yàn)采用手工喂入，為確保不堵塞輸送器，喂入量限定在3 kg/s以下。室內(nèi)試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表7。

表7 室內(nèi)試驗(yàn)因素水平

在試驗(yàn)之前，研究人員測(cè)定損失率的方法是使用篷布收集掉落到地上的蔗段和碎蔗，并稱量其質(zhì)量求得損失率[4]。但是實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，被排出的蔗段和蔗渣體積較小，難以被全部收集，并且，蔗段與風(fēng)機(jī)葉輪和內(nèi)壁碰撞等因素引起的糖漿損失無(wú)法統(tǒng)計(jì)[9,32]。因此，室內(nèi)試驗(yàn)中使用了一種新的損失率測(cè)定方法。

該方法的操作流程是：1）手工收割甘蔗，將甘蔗的雜質(zhì)（包括蔗葉、蔗梢、泥土等）全部去除并稱量。2）喂入去除雜質(zhì)的甘蔗。3）實(shí)際操作中喂入后的甘蔗經(jīng)常會(huì)在輸送過(guò)程中發(fā)生脫落（脫落蔗段通常集中在收割機(jī)車底），難以保證全部蔗段都進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，此步驟應(yīng)將未進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部的甘蔗收集起來(lái)并稱量。4）將排雜后的甘蔗收集并稱量。計(jì)算公式如下：

式中m為進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部的甘蔗質(zhì)量，kg；m為去除雜質(zhì)后的甘蔗質(zhì)量，kg；m為脫落的甘蔗質(zhì)量，kg；P為損失率，%；m為排雜后的甘蔗質(zhì)量，kg。

如圖12a所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 050 r/min時(shí)，2種風(fēng)機(jī)的損失率相差不多（最多相差6.48%），這是因?yàn)榇藭r(shí)2種風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速和壓力很小，不足以造成甘蔗的損失。

如圖12b所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高至1 350 r/min時(shí)，在3種喂入量水平下，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的損失率分別降低了10.55%，11.54%和14.77%。

如圖12c所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 650 r/min時(shí)，損失率降低更為明顯，分別為18.58%，21.05%和28.08%。這是因?yàn)?，?dāng)轉(zhuǎn)速升高后，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速和壓力能夠?qū)⒉糠中≈睆秸岫魏驼岫嗡槠槲溜L(fēng)機(jī)葉輪部位，這容易使甘蔗與葉輪發(fā)生碰撞并造成損失。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)葉輪遠(yuǎn)離甘蔗，不易發(fā)生碰撞，因此，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下具有損失率較低的優(yōu)點(diǎn)。

圖12 不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的甘蔗損失率

4 討 論

優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)拉長(zhǎng)了葉輪與甘蔗之間的距離，因而降低了甘蔗與葉輪碰撞的概率和損失率。但甘蔗遠(yuǎn)離葉輪可能不利于雜質(zhì)的分離。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在1 050、1 350以及1 650 r/min時(shí)的流量和全壓均高于原風(fēng)機(jī)，即相同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)能獲得更高的風(fēng)速，因此具有更強(qiáng)的排雜能力。但優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)對(duì)密閉性要求更高，尤其是葉輪下游部分，不能有漏風(fēng)的缺陷，以保證氣流速度穩(wěn)定。

在本研究之前損失率是按照《甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》（以下簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)方法）進(jìn)行測(cè)定的[31]。在評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能時(shí)，傳統(tǒng)方法具有一定的缺陷：1）田間情況復(fù)雜，落地后的蔗段難以收集，經(jīng)常出現(xiàn)遺漏。2）甘蔗進(jìn)入風(fēng)機(jī)之前可能提前掉落形成損失，這些不是風(fēng)機(jī)造成的損失也會(huì)被統(tǒng)計(jì)，無(wú)法精確評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能。3）蔗段有可能與葉輪發(fā)生碰撞，這時(shí)甘蔗損失會(huì)以碎片和糖漿的形式存在，傳統(tǒng)方法無(wú)法統(tǒng)計(jì)此類損失。針對(duì)以上問(wèn)題，Bai等[33]在風(fēng)機(jī)出口安裝收集袋用來(lái)收集損失的蔗段，雖然這種方法有效收集了損失的蔗段，但是小尺寸的碎片和糖漿的損失依然無(wú)法統(tǒng)計(jì)，并且，收集袋會(huì)影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。為了統(tǒng)計(jì)糖漿的損失，Sichter等[9]將落地的雜質(zhì)收集并將其中的糖液充分溶解于蒸餾水中，通過(guò)測(cè)定溶液的含糖量計(jì)算損失率，但是，這種方法操作困難，并且無(wú)法確定損失是否為風(fēng)機(jī)所致。本研究所提出的損失率測(cè)定方法有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以在室內(nèi)進(jìn)行，便于收集。2）可以排除風(fēng)機(jī)以外部件造成的損失。3）利用喂入前后質(zhì)量之差來(lái)計(jì)算損失率能夠避免遺漏碎片和糖漿的質(zhì)量。但是，本研究所采用的方法是喂入無(wú)雜質(zhì)的甘蔗，這與實(shí)際收獲中風(fēng)機(jī)內(nèi)部物料的成分有所差異，可能改變排雜時(shí)的流場(chǎng)情況，因此，未來(lái)有必要對(duì)此方法進(jìn)行更深入的研究并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較。

5 結(jié) 論

為降低機(jī)械化收獲甘蔗的含雜率和損失率，本文以廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的 4GZQ-180切段式甘蔗收割機(jī)風(fēng)機(jī)為對(duì)象，對(duì)風(fēng)機(jī)外殼和葉片形狀進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)原風(fēng)機(jī)和優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。本文結(jié)論得出的主要結(jié)論如下：

1）采用對(duì)葉片前緣和尾緣倒圓角的方式抑制了葉片附近的流動(dòng)分離現(xiàn)象，提高了葉片升阻比；重新設(shè)計(jì)了出流室結(jié)構(gòu)，避免了出流室內(nèi)部的形狀突變和主軸阻擋氣流的現(xiàn)象，提高了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能；優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的葉輪遠(yuǎn)離甘蔗，降低甘蔗與葉輪碰撞的概率，有利于降低損失率。

2）通過(guò)風(fēng)機(jī)流量和功率2個(gè)指標(biāo)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明流量平均誤差為6.722%，具有較高準(zhǔn)確性；由于不同轉(zhuǎn)速下液壓馬達(dá)效率不同，功率誤差較大，平均為10.06%。

3）含雜率試驗(yàn)表明，收割機(jī)行駛速度為1 km/h時(shí)，風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后各轉(zhuǎn)速水平下的含雜率水平相當(dāng)；行駛速度為2 km/h時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速（1 050 r/min）性能有所提高，此時(shí)含雜率降低14.58%；當(dāng)行駛速度提高到3 km/h時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的中轉(zhuǎn)速（1 350 r/min）與低轉(zhuǎn)速性能均有明顯提升，含雜率分別降低了13.91%和20.42%。

4）損失率試驗(yàn)表明，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 050 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后的損失率相差不多；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 350 r/min時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在3種喂入量水平下?lián)p失率分別降低了10.55%，11.54%和14.77%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 650 r/min時(shí)，損失率降低更加明顯，分別為18.58%，21.05%和28.08%。

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Structure optimization and experiment of sugarcane chopper harvester extractor

Xing Haonan, Ma Shaochun※, Wang Fenglei, Bai Jing, Hu Jiwei

(100083)

Machine-harvested sugarcane usually contains too many impurities, and subsequently the cane loss often occurs when the impurities were separated by the extractor. These problems make it difficult for the mechanized harvesting of sugarcane to be recognized by sugar mills and farmers, which seriously restricts the promotion of mechanized harvesting in China. In this study, taking the extractor of a segmented sugarcane harvester (model: 4GZQ-180) as the optimization object, a CFD method was used to explore the aerodynamic performance of a extractor, and thereby to propose the improvement scheme, finally to manufacture a prototype for the test. The impurity rate and cane loss rate were used as the main indexes to evaluate the performance of the extractor before and after optimization. The commercial CFD software Fluent was selected to analyze the airflow field nearby the whole extractor and the blade, in order to investigate the performance and defects of the prototype extractor. The SST-model and the realizable-model were utilized to calculate the turbulence near the blade and the turbulence in the extractor, respectively. The simulation results of flow field near the blade showed that the cusp of leading edge and trailing edge of blade can lead to the decrease of the lift, while, the increase of the drag. The simulation results of extractor flow field showed that: the discharge hood changed dramatically, and the airflow was blocked by the main shaft. These defects led to the serious separation of flow in the extractor. In the numerical simulation, the shape of blade was improved, and the maximum lift-to-drag ratio of the improved blade was significantly higher than that of the current blade. The cusp of discharge hood was eliminated after optimization, and the axis direction of main shaft was the same as the air flow direction. In order to further eliminate the flow separation, the cowl was installed outside the hydraulic motor, whereas, the cross-section shape of support frame was set to a streamline. The numerical simulation results showed that the air flow rate and efficiency of optimized extractor were greatly improved. The flow rate and power were selected as evaluation indexes to verify the accuracy of numerical simulation, indicating that the error between the calculated and measured value was about 10%. The experiments related to the impurity rate and cane loss rate were carried out to evaluate the performance of the extractor. The determination of impurity rate showed that the impurity rate of the optimized extractor was similar to the prototype extractor at a high speed (1650 r/min), but it was significantly lower than that of the prototype extractor at medium (1350 r/min) and low (1050 r/min) speed. The determination of cane loss rate show that the cane loss rate of the optimized extractor was similar to that of the prototype extractor at low speed, but the cane loss rate was significantly reduced at medium and high speed.

agricultural machinery; harvest; optimization; CFD; impurity rate; loss rate

邢浩男，馬少春，王風(fēng)磊，等. 切段式甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：67-75.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.009 http://www.tcsae.org

Xing Haonan, Ma Shaochun, Wang Fenglei, et al. Structure optimization and experiment of sugarcane chopper harvester extractor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 67-75. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.009 http://www.tcsae.org

2020-07-17

2020-10-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0701200）；廣西扶綏教授工作站技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目（201805510710115）

邢浩男，博士生，主要從事甘蔗機(jī)械化收獲裝備關(guān)鍵技術(shù)研究。Email：449286363@qq.com

馬少春，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事甘蔗機(jī)械化收獲裝備關(guān)鍵技術(shù)研究。Email：shaochun2004@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.009

S225.5+3

A

1002-6819(2020)-20-0067-09