王晗昊，李耀明，徐立章，黃銘森，馬 征

再生稻聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置內(nèi)部氣流場分析與試驗(yàn)

王晗昊，李耀明※，徐立章，黃銘森，馬 征

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

為了高效完成再生稻脫出物的清選工作，有效利用氣流對物料進(jìn)行吹散分層，并提高水稻籽粒透篩效率，該研究對沃得旋龍4LZ-3.0E型水稻聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的清選裝置采用六葉片離心風(fēng)機(jī)作為清選風(fēng)機(jī)，振動篩上篩使用百葉窗篩，其篩片為平整未經(jīng)沖壓的平板狀結(jié)構(gòu)。首先運(yùn)用CFD軟件對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1050 r/min、篩片開度分別為20、25和30 mm工作參數(shù)下的清選裝置內(nèi)部氣流場進(jìn)行了數(shù)值模擬和對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果表明篩片開度為20 mm時(shí)篩面上方氣流速度的分布均勻，篩片開度越大，篩片之間越容易產(chǎn)生小型渦流，從而造成氣流混亂；使用熱線式風(fēng)速儀在試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了氣流速度測量，對比實(shí)測氣流速度和仿真的氣流波動規(guī)律一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；進(jìn)一步通過田間試驗(yàn)對靜態(tài)的模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了補(bǔ)充，分別選取清選篩振動頻率為6、7、8 Hz，得出清選篩振動頻率6 Hz配合篩片最佳開度20 mm時(shí)清選效果最好，其籽粒含雜率為1.52%，損失率為1.11%；且由結(jié)果分析可知，百葉窗篩篩片開度大小對清選損失率的影響無主效應(yīng)。該研究表明百葉窗篩適用于針對再生稻的清選工作，提出了針對再生稻物料的風(fēng)篩清選裝置的設(shè)計(jì)思路，為進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。

數(shù)值模擬；試驗(yàn)；氣流場；再生稻聯(lián)合收獲機(jī)；清選裝置；百葉窗篩

0 引 言

再生稻是一種兩收的水稻，即只收割頭季稻株上的穗頭，利用收割后稻樁上存活的休眠芽進(jìn)行培育，使之抽穗再次成熟。再生稻具有省種、省工、省肥、復(fù)種指數(shù)高、米質(zhì)優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)[1]。在水稻單產(chǎn)提已趨近極限的環(huán)境下，種植再生稻是一種有效的通過提高復(fù)種指數(shù)來提高水稻產(chǎn)量的途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國有400多萬hm2的土地適合用于種植再生稻[2]。

清選裝置是聯(lián)合收獲機(jī)的重要工作部件，其優(yōu)秀的性能是整機(jī)高效作業(yè)的保證[3-6]。再生稻聯(lián)合收獲機(jī)采用寬幅割臺，收獲時(shí)喂入量大，可以在有限的往返次數(shù)中完成田塊的收割，從而有效減少對稻樁的碾壓，降低第二季水稻的產(chǎn)量損失；同時(shí)為了留下足夠高的植株高度，確保第二季水稻的正常生長，機(jī)器在工作時(shí)僅收割穗頭一端30～40 cm。再生稻頭季稻脫出物中籽粒的質(zhì)量占比高達(dá)90%～92%，且葉片質(zhì)量較高，含水率高，莖稈質(zhì)量占比極低，再生稻脫出物的清選過程中，其長草和葉片易成團(tuán)堵塞在篩面上，導(dǎo)致大量籽粒無法高效透篩，極大增加了清選篩負(fù)荷。目前，風(fēng)機(jī)和振動篩組合清選裝置因其穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用[7]，其中氣流場的分布狀況與清選質(zhì)量有著密切的關(guān)系。

Yuko等[8]研究了脫出混合物中秸稈的存在對聯(lián)合收獲機(jī)清選氣流的影響，研究表明，壁面摩擦和脫出物顆粒間摩擦是造成聯(lián)合收獲機(jī)清選氣流能量損失的重要原因；Hyeon等[9]研究了狐尾稻谷半喂入聯(lián)合收獲機(jī)清選篩篩片安裝角度、振動篩振動頻率和清選風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)組合對清選效果的影響，得出了最佳工作參數(shù)組合；Mekonnen等[10]運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法配合熱線式風(fēng)速儀，研究了4種不同渦舌位置對上下雙出風(fēng)口六葉片離心風(fēng)機(jī)氣流流場的影響；Korn等[11]通過利用CFD方法，確定了空氣流量、流速在各個(gè)功能部件如葉柵和篩子上的分布，提出并討論了分析清選篩對氣流阻礙效果的方法，其經(jīng)驗(yàn)可運(yùn)用于評估和優(yōu)化清選室設(shè)計(jì)。國內(nèi)學(xué)者也對聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置和氣流場模擬仿真進(jìn)行了大量的研究。唐忠等[12]采用數(shù)字風(fēng)速儀對DFQX-3型試驗(yàn)臺清選室內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行了氣流速度測定，利用繪制等速線的方法得出渦流渦心所在的空間位置；王長寧等[13]針對現(xiàn)有D2機(jī)型清選風(fēng)機(jī)存在的缺陷，設(shè)計(jì)出了雙風(fēng)道人字變斜式葉輪橫流風(fēng)機(jī)葉輪及其蝸殼和風(fēng)道；李方[14]以鋒陵4LZ-850型切縱軸流聯(lián)合收割機(jī)為研究對象，通過氣流場分布正交試驗(yàn)，確定了形成理想氣流場分布的最優(yōu)工作參數(shù)組合；童水光等[15]基于現(xiàn)有的湖州星光4LZ-5.0Z型縱軸流式聯(lián)合收割機(jī)，提出了一種雙出風(fēng)口六風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)；唐守強(qiáng)[16]利用CFD技術(shù)，分別模擬了旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣相流場和氣粒兩相流場，分析研究了氣體的流動以及顆粒的分離過程；余波等[17]利用FLUENT軟件模擬研究了不同百葉窗篩夾角對清選效果的影響，得出篩片夾角對清選室篩面氣流場分層影響較大；王樂剛等[18]使用CFD方法分別對四葉片有傾角、四葉片無傾角、六葉片有傾角和六葉片無傾角四種風(fēng)機(jī)進(jìn)行了內(nèi)部氣流場數(shù)值模擬；李洋[19]通過FLUENT軟件對多風(fēng)道清選裝置不同工作參數(shù)組合下的內(nèi)部氣流場進(jìn)行仿真，并進(jìn)一步使用CFD-DEM耦合方法，對脫出物在氣流場中進(jìn)行氣固兩相流正交模擬試驗(yàn)，其結(jié)果能夠較為直觀地展現(xiàn)出脫出物顆粒群隨時(shí)間在清選裝置中的運(yùn)動過程；肖星星等[20]采用計(jì)算流體力學(xué)和離散元分析耦合方法分別研究了中早22號和中早39號水稻脫出混合物在使用圓通篩篩分過程中的速度變化及受力變化；盧康等[21]設(shè)計(jì)了一種雙割臺雙滾筒履帶式再生稻收割機(jī)，并在該機(jī)上安裝了2個(gè)氣流清選筒作為清選裝置，脫出物被拋撒至旋風(fēng)清選筒內(nèi)后，質(zhì)量較大的籽粒沿著清選筒內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)下滑，由糧口落入糧箱，輕雜余則被吸風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流從清選筒上方被吸走。

綜上，有關(guān)專家學(xué)者對聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置已經(jīng)有了成熟的研究，但部分方面仍具有一定局限性。清選裝置結(jié)構(gòu)方面，部分學(xué)者雖然針對不同作物的物料特性對傳統(tǒng)清選裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，但仍然以風(fēng)篩式結(jié)構(gòu)為主，無法完全適應(yīng)特定作物的清選要求；清選過程研究方面，雖然計(jì)算流體力學(xué)和離散元法已經(jīng)普及，但為了降低時(shí)間成本和硬件成本，國內(nèi)外所做的氣流場仿真和氣固兩相流仿真大多使用的是氣體流道和作物顆粒的簡化的模型，其模擬結(jié)果相較于實(shí)測結(jié)果存在一定誤差。同時(shí)，現(xiàn)階段國內(nèi)外很少有針對再生稻收獲及脫粒清選方面的研究，部分學(xué)者雖然通過在再生稻收割機(jī)上使用的旋風(fēng)清選裝置雖然能簡化整機(jī)結(jié)構(gòu)有效減重，但當(dāng)脫出物含水量高且喂入量大時(shí)，作業(yè)過程中易發(fā)生堵塞，降低了試驗(yàn)機(jī)的收獲效率。

鑒于以上問題，本研究針對再生稻脫出物特性，對沃得旋龍4LZ-3.0E水稻聯(lián)合收獲機(jī)上所采用的傳統(tǒng)風(fēng)篩式清選裝置進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，增加離心風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量，同時(shí)改變了篩片結(jié)構(gòu)，擬提高清選氣流量及清選裝置的工作效率，為今后對再生稻的清選工作的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 清選裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

改進(jìn)的再生稻聯(lián)合收獲機(jī)采用風(fēng)篩式清選裝置，清選風(fēng)機(jī)采用六葉片離心風(fēng)機(jī)，配合其出風(fēng)口處的2個(gè)分風(fēng)板，構(gòu)成了上、中、下3個(gè)風(fēng)道；振動篩為雙層篩結(jié)構(gòu)，上篩采用百葉窗篩，下篩采用編織篩。清選裝置工作過程中，上出風(fēng)口的氣流直接吹入抖動板和上篩面之間，以較大的氣流速度將抖動板抖落物料中的輕雜余吹向后方或機(jī)外；中出風(fēng)口的氣流吹向篩子中部，百葉窗篩具有較好的導(dǎo)風(fēng)能力，配合振動能夠?qū)β湓诤Y面上的物料進(jìn)行擴(kuò)散分層；下出風(fēng)口的氣流吹向振動篩尾部排雜口，該部分氣流速度會有一定程度突然增大，有助于將莖稈吹出機(jī)外。物料落在上篩面之后，籽粒順著篩片間隙下落，透過編織篩落入籽粒水平攪龍，籽粒攪龍將其直接輸送至糧箱中。小部分未脫凈物料未被吹出機(jī)外并透過后段篩片落入雜余水平攪龍中，雜余攪龍將這部分物料運(yùn)送回脫粒裝置進(jìn)行二次脫粒和清選，從而減少籽粒的含雜率。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.六葉片離心風(fēng)機(jī) 2.抖動板 3.導(dǎo)風(fēng)板 4.上分風(fēng)板 5.下分風(fēng)板 6.籽粒攪龍 7.百葉窗篩 8.編織篩 9.雜余攪龍

1.2 六葉片離心風(fēng)機(jī)

相較于廣泛使用的四葉片農(nóng)用離心風(fēng)機(jī)，六葉片離心風(fēng)機(jī)可以提供更高的氣流速度、風(fēng)壓和氣體流量，可針對物料量大、含水率高和籽粒含量高的再生稻脫出物，迅速使其各組成成分進(jìn)行分離擴(kuò)散。在沃得所采用的后向葉片葉輪[22]基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，其主要改進(jìn)點(diǎn)在于將原四葉片增加到六葉片，將葉片長度由490 mm增長到600 mm。將優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)葉輪安裝在原型機(jī)沃得旋龍4LZ-3.0E水稻聯(lián)合收獲機(jī)上，該機(jī)滿載工作時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速為1 050 r/min。六葉片離心風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 六葉片離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 百葉窗篩

在原振動篩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將魚鱗篩片替換成百葉窗篩片，原振動篩結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。百葉窗篩篩片為平整的長矩形鋼板，具有較好的導(dǎo)風(fēng)能力的同時(shí)能夠保證籽粒高效透篩；同時(shí)將尾篩去除，使百葉窗篩一直延伸到篩尾，其原因在于再生稻脫出物中莖稈含量極少，安裝在尾部的逐稿篩的作用有限。優(yōu)化后百葉窗篩長度為705 mm，相比長度為485 mm的魚鱗篩，有效清選面積增大45.4%；百葉窗篩篩片開度在20～30 mm間調(diào)節(jié)，可在有限空間滿足對大量脫出物的清選工作。采用百葉窗篩的振動篩結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 魚鱗篩振動篩結(jié)構(gòu)參數(shù)

本試驗(yàn)樣機(jī)采用寬幅割臺，收獲作業(yè)過程中，喂入量由原型機(jī)的3 kg/s增長到5.36 kg/s。同時(shí)，再生稻脫出物中莖稈含量極少，雜余以碎草及葉片為主，通過對再生稻穗頭一端30 cm長度的樣本進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，得出其脫出物中籽粒質(zhì)量占比92.20%，雜余占比7.80%，莖稈占比0.14%。

1.抖動板 2.導(dǎo)風(fēng)板 3.密封板 4.編織篩 5.百葉窗篩

2 清選裝置內(nèi)部氣流場的 FLUENT數(shù)值模擬

用SolidWorks軟件建立清選裝置的三維氣流場模型，運(yùn)用FLUENT軟件對其氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過分析模擬所得氣體流線圖和風(fēng)速云圖，驗(yàn)證優(yōu)化后的風(fēng)篩式清選裝置能否產(chǎn)生足夠的氣流速度用于分離再生稻脫出混合物，以及氣流速度的分布是否均勻合理以保證清選效果；并進(jìn)一步對比不同篩片開度下清選裝置內(nèi)部氣流分布的變化規(guī)律，以初步確定了能夠產(chǎn)生理想氣流場的開度范圍。

2.1 氣流場模型

以試驗(yàn)樣機(jī)原機(jī)型清選裝置模型為基礎(chǔ)，替換其中風(fēng)機(jī)和篩片結(jié)構(gòu)。為保證氣流場仿真結(jié)果真實(shí)，氣流場模型應(yīng)符合試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，使用SolidWorks軟件按照六葉片離心風(fēng)機(jī)和百葉窗篩的設(shè)計(jì)尺寸建立清選裝置的氣流場模型，同時(shí)將風(fēng)機(jī)模型與清選室模型合為一體。實(shí)際工作中為保證即不會阻擋物料下落又不會增大籽粒含雜率，百葉窗篩篩片開度在20~30 mm之間調(diào)節(jié)，因此通過改變篩片的傾斜角度，分別建立了篩片開度為20、25和30 mm的3個(gè)氣流場模型。

將建立好的模型導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行前處理，在Mesh模塊中采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對建立好的氣流場模型進(jìn)網(wǎng)格劃分，并對所有薄板狀結(jié)構(gòu)的面進(jìn)行網(wǎng)格加密，以保證網(wǎng)格的平均質(zhì)量（Element Quality）達(dá)到0.8以上，平均扭曲度（Skewness）低于0.3。劃分之后，篩片開度為20、25、30 mm的模型分別共計(jì)生成20 858 413、20 957 776、21 039 651個(gè)網(wǎng)格。在Setup模塊中進(jìn)行計(jì)算前的準(zhǔn)備工作，采用動坐標(biāo)系方法，將氣流場模型中的風(fēng)機(jī)葉輪部分設(shè)定為動坐標(biāo)系，其回轉(zhuǎn)中心為葉輪軸心，轉(zhuǎn)速設(shè)定為1050 r/min，合理設(shè)定各邊界條件后，選擇計(jì)算模型為適用范圍廣的Standard k-ε模型[23]，方程求解采用SIMPLEC算法[24]，殘差設(shè)置為0.000 1，迭代步數(shù)設(shè)置為20 000步。至此完成計(jì)算前處理工作。

經(jīng)迭代計(jì)算達(dá)到收斂邊界之后模擬步驟完成，得到所需要的數(shù)據(jù)。篩片開度為20、25和30 mm的模型分別在迭代到14 298、14 953和14 428步時(shí)計(jì)算結(jié)果收斂。

2.2 測量面分布

在Fluent軟件Result模塊中對計(jì)算完成的流場模型進(jìn)行后處理。清選裝置實(shí)際結(jié)構(gòu)中篩面和脫粒裝置之間的縱向空間高度為200 mm，在氣流場模型振動篩篩面上方30、105和180 mm處設(shè)定3個(gè)測量平面，分別對應(yīng)脫出物剛開始下落、下落過程中和落到篩面上3個(gè)高度位置。通過分析氣流場模型內(nèi)部氣體流線圖和3個(gè)測量面處的氣流速度分布圖，可直觀判斷氣流在篩面上方沿機(jī)器直行方向和機(jī)器直行垂直方向的流速及分布規(guī)律。完整氣流場模型和3個(gè)測量面的分布如圖3所示。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬所得到的氣體流線圖如圖4所示。對比圖中不同篩片開度下的模擬結(jié)果可知，百葉窗篩篩片開度為20 mm時(shí)，篩片對氣流的導(dǎo)流效果較好，氣體流線連貫穿過篩片，篩片之間不存在渦流，其中后段的氣流被有效導(dǎo)向篩面上方，并在這些區(qū)域維持了較高氣流速度；篩片開度為25 mm 時(shí)，此時(shí)百葉窗篩對氣流的導(dǎo)流效果較開度為20 mm時(shí)稍差，百葉窗篩沿軸（機(jī)器直行方向）方向后1/2段開始出現(xiàn)混亂的氣體流線，部分高速氣流未被有效導(dǎo)向篩面上方；篩片開度為30 mm時(shí)百葉窗篩對氣流的導(dǎo)流效果與開度為25 mm時(shí)類似，但因篩片開度過大，阻擋了一部分氣流正常向后流動，造成篩面上沿軸方向前1/2段的氣體流線較為混亂，氣流速度較低，且百葉窗篩沿軸方向后1/2段篩片之間出現(xiàn)小型渦流，影響了篩片對氣流的導(dǎo)向。

數(shù)值模擬所得到的篩面上方各測量面氣流速度分布如圖5所示。

圖3 氣流場模型和測量面位置

圖4 篩片開度20、25、30 mm下清選裝置內(nèi)的氣體流線圖

圖5 不同篩片開度下各測量面氣流速度

百葉窗篩篩片開度為20 mm時(shí)，篩面上方30 mm測量面處，氣流速度沿軸（機(jī)器直行方向）方向總體呈先升后降的變化趨勢，該高度處篩面前1/2段氣流速度為3.67～4.29 m/s，足夠?qū)⑤p雜余從再生稻籽粒中分離；篩面后1/2段氣流速度提高，最高可達(dá)9.80～11.02 m/s，且沿軸（機(jī)器直行垂直方向）方向分布均勻，有利于將脫出混合物吹散并配合振動將莖稈排出機(jī)外。篩面上方105 mm測量面相比30 mm處，低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)均有后移，氣流速度先降后升，前1/2段中間位置氣流速度較高，可達(dá)7.34～8.57 m/s，可對下落混合物料進(jìn)行分離。篩面上方180 mm測量面處，氣流速度分布與105 mm處一致，其存在于篩面軸方向1/2處的低風(fēng)速區(qū)由清選室上方的渦流造成，不利于脫出物的分散。

百葉窗篩篩片開度為25 mm時(shí)，從篩面上方30 mm測量面和105 mm測量面可以看出，在軸方向后1/2段，氣流速度沿軸方向波動明顯，其最高可達(dá)9.80 m/s，最低至3.06 m/s。篩面上方180 mm測量面處，氣流速度沿篩面縱向總體呈先降后升的變化趨勢，且原位于篩面軸方向兩側(cè)的低氣流速度作用區(qū)域明顯減少，有利于在脫出混合物下落過程中將其吹散分層；篩上沿軸方向前部氣流速度較高，可達(dá)8.57 m/s以上，有利于在脫出混合物下落過程中將其吹散分層。

百葉窗篩篩片開度為30 mm時(shí)，通過觀察篩面給上方各測量面氣流速度分布可知，高風(fēng)速區(qū)作用面積相比篩片開度為25 mm時(shí)有明顯縮窄，從而易造成籽粒清潔率的下降；同時(shí)篩尾處氣流速度沿軸方向分布的均勻性變差，其原因是篩片間存在有小型渦流，該渦流也可在圖5c中觀察到。

總結(jié)數(shù)值模擬結(jié)果，百葉窗篩篩片開度在25 mm時(shí)可在篩面上形成較理想的流場。

2.4 清選裝置氣流場試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證模擬得到的氣流速度分布規(guī)律具有參考價(jià)值，使用TES1340型熱線風(fēng)速儀（分辨率：0.01 m/s）對百葉窗篩篩面上方各測量面進(jìn)行了氣流速度測定。將實(shí)測氣流速度數(shù)據(jù)與模擬流場氣流速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。

2.4.1 試驗(yàn)方法

采用布點(diǎn)法[25]，根據(jù)百葉窗篩結(jié)構(gòu)參數(shù)，以百葉窗篩面前端中點(diǎn)且距離篩面30 mm高處的點(diǎn)為原點(diǎn)，選取機(jī)器直行方向?yàn)檩S，機(jī)器直行垂直方向?yàn)檩S，以篩面垂直為軸。其中軸方向0、75和150 mm即分別對應(yīng)數(shù)值模擬中篩面上方30、105和180 mm高度處的3個(gè)測量面，其中每個(gè)測量面上均勻分布了由、軸坐標(biāo)交錯(cuò)構(gòu)成的25個(gè)測點(diǎn)，通過整理測點(diǎn)氣流速度數(shù)據(jù)，可以總結(jié)出各高度平面氣流的分布規(guī)律。3個(gè)測量面共計(jì)75個(gè)測點(diǎn)。

各方向測點(diǎn)為：

軸方向測量點(diǎn)：0、200、400、600、800 mm；

軸方向測量點(diǎn)：0、-140、140、-280、280 mm；

軸方向測量點(diǎn)：0、75、150 mm。

通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，可知篩片開度為25 mm時(shí)篩面上方各測量面氣流速度分別差異較為明顯，因此實(shí)際測量時(shí)將篩片開度調(diào)節(jié)至25 mm；同時(shí)將六葉片離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1050 r/min以保證和數(shù)值模擬時(shí)具有相同的工作參數(shù)。氣流速度測量空間和測量點(diǎn)分布如圖6所示。

圖6 測量空間和測量點(diǎn)分布圖

2.4.2 氣流場分布規(guī)律

試驗(yàn)所測得各個(gè)測量點(diǎn)的氣流速度如表3所示。

表3 各測量點(diǎn)氣流速度

分析表3可知，=0 mm平面處，氣流速度沿軸（機(jī)器直行方向）方向上升，且在篩面前1/2段（＜400 mm），氣流分布呈中間氣流速度高、兩側(cè)氣流速度低的規(guī)律，參考圖5b（篩面上方30 mm測量面），其氣流速度變化規(guī)律一致；=75 mm平面處，氣流速度沿軸方向先降后升，表3中顯示氣流速度增長點(diǎn)為軸方向200～400 mm處，與圖5b（篩面上方105 mm測量面）中氣流速度達(dá)到極低點(diǎn)的位置相同；=150 mm平面處，軸方向0～400 mm中間位置（=0 mm）存在一氣流速度高于5 m/s的高風(fēng)速區(qū)，同時(shí)篩尾（≥600 mm）處氣流橫向分布均勻，對應(yīng)圖5b（篩面上方180 mm測量面）的氣流速度分布規(guī)律一致。

對比數(shù)值模擬和氣流場試驗(yàn)結(jié)果可知，同工作參數(shù)下氣流速度分布規(guī)律一致，可以判斷數(shù)值模擬真實(shí)準(zhǔn)確。但氣流速度數(shù)值略有差異，實(shí)測氣流速度較仿真結(jié)果偏低，且不同位置處二者數(shù)值差距不同，高風(fēng)速區(qū)模擬結(jié)果和實(shí)測氣流速度差距最大。產(chǎn)生差異的原因在于數(shù)值模擬過程是在不考慮氣體壓縮、氣體粘性力以及假設(shè)整個(gè)流道密閉的條件下完成的，該狀態(tài)下氣流速度衰減比現(xiàn)場試驗(yàn)小。實(shí)際工作中，清選氣流速度會因物料群的存在而有所衰減[26]。

3 田間試驗(yàn)

由前文的清選裝置氣流場的數(shù)值模擬及驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了不同篩片開度下氣流速度的分布規(guī)律，并確定了能夠產(chǎn)生理想流場的篩片開度范圍，為得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，對清選篩上方氣流速度的分析是在機(jī)構(gòu)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，具有一定局限性，因此進(jìn)一步通過田間試驗(yàn)對前期研究進(jìn)行補(bǔ)充。對比不同篩片開度和清選篩振動頻率配合下該裝置的清選效果，研究機(jī)構(gòu)動態(tài)下的實(shí)際清選效果，以得到再生稻清選裝置的最佳工作參數(shù)組合。

3.1 試驗(yàn)方案

在湖南省瀏陽市北盛鎮(zhèn)進(jìn)行再生稻聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置田間試驗(yàn)，如圖7所示。本次試驗(yàn)作物品種為Y兩優(yōu)911再生稻。通過采用五點(diǎn)法取樣測產(chǎn)的方式，測得試驗(yàn)田頭季稻平均產(chǎn)量為1.072 kg/m2，該再生稻聯(lián)合收獲機(jī)的有效割幅為2.5 m，每次試驗(yàn)前進(jìn)距離為20 m，作業(yè)速度為3.6 km/h，喂入量為5.36 kg/s。

圖7 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為與數(shù)值模擬和氣流速度測定試驗(yàn)相同的1050 r/min。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，清選篩振動頻率及篩片開度使影響機(jī)器清選性能的重要因素，試驗(yàn)選取篩片開度和振動篩頻率為影響因素，篩片開度分別為20、25和30 mm，與數(shù)值模擬的取值相同；原型機(jī)振動篩以7 Hz的固定頻率進(jìn)行清選工作，為得到適合于百葉窗篩的工作參數(shù)，振動頻率分別選取6、7和8 Hz，并對該兩因素三水平進(jìn)行9組完全試驗(yàn)。

含雜率和損失率為收獲機(jī)作業(yè)性能的評價(jià)依據(jù)，試驗(yàn)以含雜率和損失率作為性能指標(biāo)。其中，含雜率為籽粒樣本中雜余質(zhì)量占取樣總質(zhì)量的百分比；損失率為機(jī)器行走過固定距離后，脫粒清選裝置排出物中夾帶的籽粒質(zhì)量占收獲區(qū)域籽粒總產(chǎn)量的百分比。為提高含雜率的測定精度，每次試驗(yàn)需取樣3次，共27組數(shù)據(jù)，文中給出測定結(jié)果平均值。根據(jù)JB/T 5117—2017（標(biāo)準(zhǔn)號）的技術(shù)要求，收獲水稻時(shí)，其總損失率不應(yīng)高于2.8%，含雜率不得高于2%。

3.2 結(jié)果與分析

采用百葉窗篩的再生稻聯(lián)合收獲機(jī)的田間清選性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果如表4所示。

表4 百葉窗篩田間清選性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表4可知，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)器喂入量一定的工作條件下，隨著清選篩振動頻率得提高，再生稻籽粒含雜率降低；且在振動頻率一致時(shí)，篩片開度增大會導(dǎo)致含雜率急劇升高，主效應(yīng)明顯，且部分30 mm開度情況下籽粒含雜率均大于2%，不滿足技術(shù)要求，故認(rèn)為篩片開度是影響籽粒含雜率的主要影響因素，實(shí)際工作中應(yīng)避免百葉窗篩在大開度的條件下對再生稻脫出物進(jìn)行清選工作。

表4中可以看出，隨著篩片開度的增加，籽粒損失率下降，但變化幅度很小，可以認(rèn)為百葉窗篩篩片開度大小對損失率沒有主效應(yīng)；而隨振動頻率增加，籽粒損失上升幅度明顯，可知清選篩振動頻率為影響籽粒損失率的主要因素。

對表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：使用百葉窗篩時(shí)，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1050 r/min，機(jī)器喂入量為5.36 kg/s的工作條件下，最佳工作參數(shù)組合應(yīng)選擇百葉窗篩篩片開度為20 mm，清選篩振動頻率為6 Hz，此時(shí)再生稻籽粒含雜率為1.52%，損失率為1.11%。田間清選性能試驗(yàn)證實(shí)百葉窗篩開度為20 mm時(shí)清選效果最佳。

4 結(jié) 論

1）清選裝置氣流場數(shù)值模擬結(jié)果表明，篩片開度為20 mm時(shí)，百葉窗篩篩片對氣流的導(dǎo)流效果較好，有利于脫出混合物的分離；篩片開度為25 mm時(shí)，百葉窗篩后1/2段氣流速度分布均勻性變差，篩面上方180 mm測量面處氣流速度較高；篩片開度為30 mm時(shí)，篩片間的小型渦造成了氣體流線分布混亂，氣流速度降低。為保證氣流速度分布理想，篩片開度不應(yīng)大于25 mm。

2）通過對比實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果可知，在同工作參數(shù)下，二者氣流速度分布規(guī)律一致，可驗(yàn)證數(shù)值模擬真實(shí)可靠。

3）田間清選性能試驗(yàn)結(jié)果表明：百葉窗篩開度為籽粒含雜率的主要影響因素；而清選篩振動頻率為籽粒損失率的主要影響因素。在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1050 r/min，機(jī)器喂入量為5.36 kg/s的工作條件下，最佳工作參數(shù)組合為百葉窗篩篩片開度20 mm，清選篩振動頻率6 Hz，此時(shí)再生稻籽粒含雜率為1.52%，損失率為1.11%，清選效果最好，滿足技術(shù)要求。改進(jìn)后的清選裝置在空間不變的前提下能夠滿足大喂入量再生稻脫出物料的清選工作。

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Simulation and experiment of air flow field in the cleaning device of ratooning rice combine harvesters

Wang Hanhao, Li Yaoming※, Xu Lizhang, Huang Mingsen, Ma Zheng

(212013)

Ratooning rice is a kind of double cropping in rice, where only the upper 2/3 part of the rice plant is cut off after the first season of mature rice, leaving the lower third of the plant and root system to let it grow another season of rice. The combine harvester can crush the rice piles, when working in the field, thereby reducing the yield of the second season of ratooning rice. A wide header is widely used in the combine harvester for the ratooning rice, in order to reduce the number of round trips of the combine harvester in the field, and thus reduce the rolling rate, while, leave enough stalks to meet the growth requirements of the second season of ratooning rice. The ear part is cut off in harvesting the first season rice. Therefore, the ratooning rice extract has the characteristics of large material volume, high grain content and high water content. Long grass and leaves are easy to block on the screen surface, and a large number of grains can not be screened efficiently, which greatly increases the screening load. In this study, a cleaning device was developed in combine harvesters for ratooning rice, in order to efficiently complete the cleaning of ratooning rice extracts. A six-blade centrifugal fan was used as a cleaning fan to ensure suffcient wind speed and flow. The shutter screen was used as the upper of vibrating screen, indicating excellent wind guiding.With the help of vibration, the materials on the screen surface can be quickly blown away and layered. Meanwhile, the grains can be screened efficiently, due to the screen plate was flat and unobstructed. The working parameters were obtained, when the distribution of air flow field was optimal, via simulating the internal flow field in a cleaning device with three different screen openings. The CFD software was used to perform numerical simulation and comparative analysis on the internal airflow field inside the cleaning device in combine harvester for the ratooning rice under different screen opening scales. The diagram of gas streamline was obtained in the cleaning room, whereas, the diagram of wind speed cloud was obtained at different height above the vibrating screen. When the fan speed was 1 050 r / min, it was found that the screen had the best wind guiding effect, where the screen opening was 20 mm, indicating that the optimal distribution of wind speed was above the screen surface. The wind speed in most areas can meet the separation requirements of ratooning rice extract. The wind speed was 3.67-4.29 m/s in the 1/2 place in front of screen, indicating that there was enough to separate the light impurities in the mixture. The wind speed increased above 11.02 m/s in the last 1/2 places, showing evenly distribution suitable for cleaning. The wind speed was measured at a total of 75 measurement points above the screen surface, where the fan speed was 1050 r/min and the screen opening was 25 mm , using the TES1340 precision hot wire anemometer. The measured wind speed was generally lower than the simulated wind speed, and the gap between the two values was lager in the high wind speed area than that in the low wind speed area. The reason for this phenomenon is that the numerical simulation was completed under ideal conditions, where the airflow attenuation was slower than the actual situation. The grain impurity rate can reach the lowest, when the screen opening was 20 mm in the field test. A variance analysis of data showed that there was no main effect on the cleaning loss rate of shutter screen, indicating that the cleaning effect was the best, when the screen opening is 20 mm. These values are consistent with the results that obtained from numerical simulation of air flow field. When the rotation speed of fan was 1 050 r/min, under the working condition of the feeding amount of 5.36 kg/s, the preferred combination of working parameter can be: the opening scale of shutter screen was 20 mm, and the vibration frequency of the cleaning sieve was 6 Hz. Specifically , the impurity rate of the ratooning rice grain was 1.52%, while the loss rate was 1.11%. The feasibility of developed cleaning device was verified for the cleaning of regenerated rice materials.

numerical simulation; experiment; airflow field;ratooning rice combine harvester; cleaning device; shutter screen

王晗昊，李耀明，徐立章，等. 再生稻聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置內(nèi)部氣流場分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：84-92.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.011 http://www.tcsae.org

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2020-06-13

2020-09-21

江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目（4091600013）；江蘇省“六大人才高峰”創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（TD-GDZB-005）

王晗昊，主要從事再生稻聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的研究。Email：15755503517@163.com

李耀明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事收獲機(jī)械基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。Email：ymli@ujs.edu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.011

S255.4

A

1002-6819(2020)-20-0084-09