王伯凱 于昭洋 胡志超 曹明珠 張 鵬 王 冰

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210014)

0 引言

花生是我國(guó)重要的油料作物和食品原料[1-4]，對(duì)于保障國(guó)家油料和食物供給安全具有戰(zhàn)略意義。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年中國(guó)花生種植面積4.63×106hm2，居世界第2位；產(chǎn)量1.75×107t，居世界第1位。但當(dāng)前我國(guó)大部分花生種植區(qū)收獲方式仍以半機(jī)械化和人工收獲為主[5-9]，強(qiáng)度大、效率低，嚴(yán)重制約花生生產(chǎn)，花生撿拾收獲裝備可對(duì)挖掘收獲后攤鋪田間的花生植株進(jìn)行高效撿拾收獲，經(jīng)濟(jì)便捷。但花生撿拾收獲過(guò)程中風(fēng)選環(huán)節(jié)仍然存在風(fēng)選損失率高、含雜率高等問(wèn)題，影響收獲質(zhì)量，增加收獲成本。

國(guó)外學(xué)者針對(duì)農(nóng)作物風(fēng)選進(jìn)行了大量研究。CLEARY等[10]利用三維離散元法對(duì)垂直振動(dòng)篩的篩分過(guò)程進(jìn)行了研究，并以仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析了其透篩機(jī)理；MEKONNEN等[11]針對(duì)水稻聯(lián)合收獲機(jī)，應(yīng)用CFD軟件對(duì)風(fēng)機(jī)氣流開(kāi)口對(duì)作業(yè)機(jī)清選性能影響效果進(jìn)行了模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該方面的研究也較為深入[12]。高連興等[13]運(yùn)用振動(dòng)篩與雙風(fēng)口氣吸組合式清選原理，對(duì)新型花生摘果機(jī)的清選系統(tǒng)進(jìn)行了性能試驗(yàn)和優(yōu)化，確定了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。王東偉等[14]針對(duì)研發(fā)的自走式花生聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)進(jìn)行了理論計(jì)算與田間試驗(yàn)，確定了影響清選質(zhì)量的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。于昭洋等[15]設(shè)計(jì)了一種無(wú)阻滯的花生清選機(jī)構(gòu)，對(duì)解決含雜率高、損失率高問(wèn)題取得重要進(jìn)展。但目前針對(duì)軸流式花生撿拾收獲機(jī)，從風(fēng)選流場(chǎng)數(shù)值模擬方面對(duì)風(fēng)選質(zhì)量進(jìn)行的研究較少。

針對(duì)軸流式花生撿拾收獲機(jī)收獲過(guò)程中存在風(fēng)選損失率高、含雜率高等問(wèn)題，依據(jù)花生莢果混合物中各型顆粒的物理特性和空氣流動(dòng)特性，本文設(shè)計(jì)一種多風(fēng)系組配的風(fēng)選系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)風(fēng)選系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)莢果、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、土雜的高效高質(zhì)分離和穩(wěn)定均勻清選，以期為花生撿拾收獲機(jī)風(fēng)選系統(tǒng)的研究提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與風(fēng)選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 各型顆粒的基本特性

莢果混合物成分主要有莢果、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、土雜等，為合理設(shè)計(jì)風(fēng)選系統(tǒng)，隨機(jī)選取莢果、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、土雜樣本200個(gè)，分別測(cè)量每個(gè)樣本主要物理特性參數(shù)，其各成分經(jīng)測(cè)量：莢果平均三軸尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為37.2 mm×10.6 mm×9.8 mm，長(zhǎng)莖稈平均尺寸(長(zhǎng)×直徑)為102.8 mm×3.7 mm，短莖稈平均尺寸(長(zhǎng)×直徑)為39.8 mm×3.4 mm，土雜平均三軸尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為3.6 mm×4.3 mm×5.1 mm，各顆粒其它基本物性參數(shù)如表1所示。

表1 各型顆粒的基本物理特性參數(shù)Tab.1 Basic physical properties of various types of particles

1.2 試驗(yàn)臺(tái)總體配置方案

針對(duì)軸流式花生撿拾收獲機(jī)的作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合花生莢果混合物中各型顆粒的物理特性和空氣流動(dòng)特性，設(shè)計(jì)由橫流風(fēng)機(jī)、主離心風(fēng)機(jī)、副離心風(fēng)機(jī)有序組配的三風(fēng)系風(fēng)選系統(tǒng)，并將其配置于自行研制的軸流式撿拾收獲機(jī)上，構(gòu)建自走式田間收獲試驗(yàn)臺(tái)(圖1)，該試驗(yàn)臺(tái)主要由撿拾機(jī)構(gòu)、螺旋輸送器、風(fēng)選系統(tǒng)、提升裝置、底盤(pán)系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行風(fēng)選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)。

1.3 風(fēng)選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

風(fēng)選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由橫流風(fēng)機(jī)、主離心風(fēng)機(jī)、副離心風(fēng)機(jī)、上篩及下篩組成。上篩通過(guò)連桿與下篩連接，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。三風(fēng)機(jī)呈前、中、后斜錯(cuò)位布置，橫流風(fēng)機(jī)位于上篩前，寬度略大于上篩前端寬度，主離心風(fēng)機(jī)位于上篩后上方，副離心風(fēng)機(jī)位于下篩后上方，三風(fēng)機(jī)形成三風(fēng)系清選，其多向氣流可以增加果雜的分離程度，能在減小含雜率條件下降低風(fēng)選損失率，確?；ㄉ斋@時(shí)高效低損清選。

風(fēng)選系統(tǒng)相關(guān)工作參數(shù)如表2所示，風(fēng)選系統(tǒng)工作原理如圖3所示，工作時(shí)，上篩和下篩做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，三風(fēng)機(jī)在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下運(yùn)轉(zhuǎn)。從摘果裝置凹板落下的花生莢果混合物分兩路運(yùn)動(dòng)：一是長(zhǎng)莖稈(長(zhǎng)度大于75 mm)受上篩阻擋停留在上篩上，并在橫流風(fēng)機(jī)吹送下向后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至主離心風(fēng)機(jī)負(fù)壓吸附范圍內(nèi)時(shí)，被吸雜口吸入，從排雜口排出；二是莢果、短莖稈、土雜在主離心風(fēng)機(jī)和下篩的吹拋?zhàn)饔孟路稚ⅰ⒎謱雍?，短莖稈運(yùn)動(dòng)至副離心風(fēng)機(jī)負(fù)壓吸附范圍內(nèi)時(shí)，被吸雜口吸入，從排雜口排出；土雜則在重力作用下穿過(guò)下篩孔，落至下方；莢果則繼續(xù)沿篩體方向運(yùn)動(dòng)。此過(guò)程中三風(fēng)系形成的多向氣流增加脫出物的分離程度，有利于提升清選效果。

表2 風(fēng)選系統(tǒng)相關(guān)工作參數(shù)Tab.2 Relevant working parameters of air separation system

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 清選篩設(shè)計(jì)

2.1.1清選篩尺寸確定

該風(fēng)選系統(tǒng)配置上篩和下篩，其中上篩面積對(duì)喂入量影響較大，確定合適的上篩篩面尺寸，對(duì)實(shí)現(xiàn)清選篩高效順暢清選作業(yè)具有重要意義。上篩篩面尺寸與喂入量滿足條件[16]

(1)

式中L1——篩面長(zhǎng)度，mm

B1——篩面寬度，mm

Qs——最大喂入量，kg/s

qs——清選篩單位面積可承擔(dān)的喂入量，取3 kg/(s·m2)

根據(jù)莢果混合物實(shí)際落料的寬度確定篩面寬度B1為1 000 mm，為實(shí)現(xiàn)高效清選，選取最大喂入量6 kg/s，得L1為2 000 mm。上、下篩為上下平行布置，均為板狀篩面，根據(jù)4種顆粒的基本尺寸確定上篩篩孔為30 mm×70 mm的長(zhǎng)孔，下篩篩孔為直徑6 mm的圓孔。

2.1.2清選篩工作參數(shù)

清選篩的主要工作參數(shù)包括振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)方向角、篩面傾角，各參數(shù)對(duì)顆粒在篩面上的跳動(dòng)狀態(tài)影響很大，根據(jù)清選篩運(yùn)動(dòng)機(jī)理，各參數(shù)滿足條件[17]

(2)

式中fz——振動(dòng)頻率，Hz

g——重力加速度，取9.8 m/s2

kz——拋射強(qiáng)度

α1——篩面傾角,(°)

δ1——振動(dòng)方向角，取45°

A1——篩面振幅，m

kz對(duì)篩面物料的透篩有直接影響，平面篩拋射強(qiáng)度一般為2.5～4.0，考慮莢果混合物的物理尺寸、含水率、摩擦力，拋射強(qiáng)度越大，損失率越高，kz設(shè)計(jì)為2.5；農(nóng)用平面篩傾角一般在-10°～10°之間[18]，傾角越大，顆粒在篩體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短，結(jié)合前期試驗(yàn)，兩篩面傾角均設(shè)為5.6°；A1增大，篩孔堵塞現(xiàn)象將會(huì)大大降低，也有利于分層，考慮上下篩與主、副離心風(fēng)機(jī)吸雜口的距離，并參照文獻(xiàn)[15]，A1設(shè)計(jì)為0.008 m，因此，確定fz=10 Hz。

2.2 橫流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

橫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由蝸舌、風(fēng)機(jī)葉片、帶輪、側(cè)板、出風(fēng)口等組成。其作用是對(duì)進(jìn)入風(fēng)選系統(tǒng)的莢果混合物以穩(wěn)定風(fēng)壓吹散，并將長(zhǎng)莖稈、短莖稈分別吹向主離心風(fēng)機(jī)和副離心風(fēng)機(jī)的負(fù)壓吸附范圍內(nèi)，并與莢果分散、脫離。

風(fēng)選系統(tǒng)配置如圖5所示，主要參數(shù)包括風(fēng)機(jī)傾角、出風(fēng)口高度、出風(fēng)口寬度、葉輪個(gè)數(shù)及轉(zhuǎn)速。

橫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口傾角與高度決定了出風(fēng)口吹風(fēng)面積，也影響了顆粒的分散程度，根據(jù)幾何關(guān)系，兩者滿足條件[18]

D2=k1L1sinα2

(3)

式中D2——出風(fēng)口高度，mm

k1——系數(shù)，取0.4

α2——出風(fēng)口傾角，(°)

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，出風(fēng)口傾角α2一般不超過(guò)45°，結(jié)合整體結(jié)構(gòu)配置，設(shè)計(jì)α2=40°，則由式(3)可得出風(fēng)口高度D2=480 mm。

莢果混合物透過(guò)上篩進(jìn)入清選室后，為使其充分吹散、分離，橫流風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量滿足方程

(4)

式中Q1——所需風(fēng)量，m3/s

k2——秧雜占比，%

Qt——喂入量，kg/s

μ1——雜質(zhì)氣流的混合濃度比，取0.3

ρ——空氣密度，取1.29 kg/m3

透篩混合物中主要雜質(zhì)是短莖稈和土雜，通過(guò)前期試驗(yàn)可得混合物中短莖稈、土雜占比一般為25%，喂入量Qt為2.5 kg/s，因此，所需風(fēng)量Q1為1.6 m3/s。

莢果混合物中各型顆粒的物理特性和空氣流動(dòng)特性不同，為使莢果、短莖稈、土雜高效高質(zhì)分離，橫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口氣流速度應(yīng)滿足

(5)

式中vh——橫流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，m/s

B2——橫流風(fēng)機(jī)出口寬度，m

λ1——安全系數(shù)，取0.9

vj——莢果最小懸浮速度，取9.2 m/s

根據(jù)式(4)、(5)確定B2=0.32 m，并根據(jù)目前谷物聯(lián)合收獲機(jī)橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般為1 100～1 200 r/min時(shí)，谷粒清潔度可達(dá)98%以上，由于花生莢果混合物中各型顆粒的懸浮速度、顆粒質(zhì)量大于谷物物料，并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試，將橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 400～1 600 r/min。

通過(guò)以上參數(shù)，參考深圳美風(fēng)機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MFD60型橫流風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)葉片數(shù)為30，葉片直徑D1=600 mm，葉輪與殼體的間隙為10 mm。

2.3 主、副離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)選系統(tǒng)上、下篩處產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定氣流，降低風(fēng)選損失率和含雜率，依據(jù)雙層篩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇蝸型殼體離心風(fēng)機(jī)。

主、副離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，由于主、副離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理相似，僅對(duì)副離心風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要參數(shù)包括吸秧高度B、吸雜高度C、副離心風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓hf及副離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1。

為保證花生莢果混合物中短莖稈能夠由下吸雜口吸入，同時(shí)降低風(fēng)選損失率，根據(jù)流體力學(xué)理論，應(yīng)滿足條件[19]

(6)

式中hj——靜壓，Pahd——?jiǎng)訅?，Pa

ξ——?dú)饬髂Σ烈驍?shù)，取0.65

vx——吸雜口風(fēng)速，m/s

l——風(fēng)道長(zhǎng)度，取1.87 m

η——管道對(duì)氣流阻力系數(shù)，取0.35[20]

γ——風(fēng)機(jī)進(jìn)出口對(duì)氣流的阻力系數(shù)，取0.6[20]

r1——風(fēng)管水力半徑，取0.042 m

λ2——吸雜安全系數(shù)，取1.2

λ3——莢果損失安全系數(shù)，取0.95

vd——短莖稈最大懸浮速度，取6.8 m/s

由式(4)～(6)計(jì)算得出，副離心風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓為112～158 Pa。

副離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算式為

(7)

式中D——副離心風(fēng)機(jī)葉輪外徑，一般在250～1 000 mm之間，取720 mm

ε——計(jì)算系數(shù)，取0.40

由式(6)、(7)計(jì)算得副離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 219～1 447 r/min，為提高吸雜效率，同時(shí)考慮傳動(dòng)配置、降低功耗，設(shè)計(jì)副離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 250 r/min。通過(guò)查詢風(fēng)機(jī)性能曲線和離心風(fēng)機(jī)性能表，選擇4-79型離心風(fēng)機(jī)。

由于主、副離心風(fēng)機(jī)兩者結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理基本相同，通過(guò)同樣的分析過(guò)程設(shè)計(jì)主離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。

3 數(shù)值模擬

果雜混合物中的莢果、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、土雜在風(fēng)選空間的運(yùn)動(dòng)分布狀態(tài)和相互作用極為復(fù)雜，是一個(gè)復(fù)雜的氣體、顆粒兩相流動(dòng)系統(tǒng)，其中有氣流對(duì)果雜混合物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，也有果雜混合物對(duì)氣流場(chǎng)的影響，還有果雜混合物自身交互作用的影響以及果雜混合物與篩面之間的相互碰撞的影響。傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜顆粒場(chǎng)的準(zhǔn)確分析，而Fluent-EDEM耦合分析可對(duì)4種顆粒在風(fēng)選空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，確定影響風(fēng)選質(zhì)量的參數(shù)范圍，并準(zhǔn)確分析其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為風(fēng)選裝置的研究提供充分依據(jù)。

3.1 風(fēng)選系統(tǒng)仿真模型

使用Autodesk Inventor對(duì)風(fēng)選系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入到ICEM模塊中構(gòu)建網(wǎng)格模型，對(duì)清選室、主離心風(fēng)機(jī)和副離心風(fēng)機(jī)流體域采用多面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分[21]，并劃分邊界層和O-Block，網(wǎng)格數(shù)為565 479，節(jié)點(diǎn)數(shù)為96 475，并分別定義風(fēng)選流體域各入口、出口(圖7)。

3.2 顆粒仿真模型

利用EDEM設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對(duì)莢果、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、土雜進(jìn)行顆粒造型(圖8)，由于4種顆粒的形狀、尺寸、質(zhì)量多樣，為提高運(yùn)算效率，將4種顆粒視為由尺寸不同的剛性體小球組合而成。各顆?；窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，根據(jù)前期試驗(yàn)測(cè)定，莢果、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、土雜間動(dòng)摩擦因數(shù)、靜摩擦因數(shù)設(shè)置如表4所示。

表3 各顆?；窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Basic structural parameters of each particle

表4 各型顆粒間的動(dòng)/靜摩擦因數(shù)Tab.4 Friction coefficient between various types of particles

3.3 耦合試驗(yàn)

3.3.1參數(shù)設(shè)置

將劃分后的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行數(shù)值仿真分析，將相同的風(fēng)選系統(tǒng)網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行流體模擬參數(shù)設(shè)置，由于風(fēng)選系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)是湍流流動(dòng)和復(fù)雜邊界層流動(dòng)，湍流模型選RNGk-epsilon，求解算法采用Phase Coupled Simple，耦合步長(zhǎng)設(shè)為0.01、步數(shù)設(shè)置為300。空氣粘度為 1.79×105Pa·s，湍流強(qiáng)度設(shè)為 6%，壓力梯度項(xiàng)采用Presto格式，數(shù)值求解算法采用非交錯(cuò)網(wǎng)格的Simplec算法，對(duì)流項(xiàng)采用Quick格式[22-23]。

將風(fēng)選系統(tǒng)仿真模型保存為step格式導(dǎo)入EDEM中。在EDEM中采用 Hertz Mindlin (no-slip) 接觸模型，風(fēng)選系統(tǒng)內(nèi)固體材料均設(shè)置為Q235鋼。其它參數(shù)如表5所示。然后連通Fluent-EDEM耦合接口，啟動(dòng)軟件進(jìn)行耦合模擬。

表5 EDEM 模擬參數(shù)Tab.5 EDEM simulation parameters

3.3.2單因素仿真試驗(yàn)

為確定不同參數(shù)的范圍，進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)。風(fēng)選系統(tǒng)的顆粒流量設(shè)定為2.5 kg/s，并依據(jù)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中4種顆粒比例，換算莢果、長(zhǎng)莖稈、短莖稈、土雜在顆粒工廠處的生成速率。主、副離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)定1 450、1 250 r/min，并依據(jù)前期試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，吸秧高度B(圖5)和吸雜高度C(圖5)分別調(diào)整至公稱高度175、195 mm，橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定1 300、1 400、1 500、1 600、1 700 r/min 5個(gè)水平進(jìn)行耦合試驗(yàn)，仿真步長(zhǎng)均為1×10-6s，仿真時(shí)間均為5 s。

5個(gè)水平的分離效果如圖9所示，其中黃色表示莢果、綠色表示長(zhǎng)莖稈、紅色表示短莖稈、黑色表示土雜。仿真試驗(yàn)表明，當(dāng)橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A小于1 400 r/min 時(shí)，沿篩體方向風(fēng)速和篩孔吹出的氣流速度較小，大部分長(zhǎng)莖稈呈團(tuán)狀聚集，分散、分層效果差，部分不能被吹至主離心風(fēng)機(jī)的吸雜范圍內(nèi)，且對(duì)透過(guò)上篩的果雜混合物的分層、分散和吹送效果也不明顯，容易造成篩孔堵塞；當(dāng)橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A大于1 600 r/min，由于篩孔吹出的氣流速度過(guò)大，果雜混合物透篩率降低，造成果雜團(tuán)狀被吹走，莢果損失增大；當(dāng)橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A為1 400～1 600 r/min時(shí)，果雜混合物分離、分層和遷移效果明顯，長(zhǎng)莖稈、短莖稈能較穩(wěn)定地進(jìn)入吸雜范圍，莢果在氣流中有規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并能和土雜有效分離，表明前文橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍合理。同樣，保持橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和吸雜高度固定進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，吸秧高度越小，長(zhǎng)莖稈進(jìn)入吸秧口的空間變小，導(dǎo)致部分長(zhǎng)莖稈無(wú)法順暢吸入，確定最佳吸秧高度為150～210 mm；同樣，保持橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和吸秧高度固定，吸雜高度越小，氣流速度變大，莢果風(fēng)選損失率上升，吸雜高度越高，氣流速度變小，吸雜效果變差，確定最佳吸雜高度為170～230 mm。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1氣流速度分析

風(fēng)選系統(tǒng)內(nèi)不同區(qū)域氣流速度決定了顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為研究方便，選取上篩前半部分上方150、180、210 mm處3個(gè)測(cè)量面的速度流場(chǎng)進(jìn)行分析，各測(cè)量面t時(shí)刻速度流場(chǎng)如圖10所示。從圖10可以看出，3個(gè)測(cè)量面均呈現(xiàn)沿y軸(機(jī)器直行反方向)方向總體呈波浪式遞減的變化趨勢(shì)，沿x軸速度分布均勻、總體速度區(qū)間分布類似的特點(diǎn)，不同在于150 mm測(cè)量面處，篩面上方沿y軸200～275 mm段由于位于篩孔邊緣處，氣流速度較低，為1.0～3.5 m/s；篩面上方沿y軸280～800 mm段為氣流主要作用區(qū)，氣流速度較大，為3.7～5.9 m/s，此區(qū)域莢果既可順利透過(guò)上篩，部分短秸稈又可在上篩篩面被吹散；篩面上方沿y軸800～1 000 mm段產(chǎn)生低速區(qū)，氣流速度有所下降，為1.0～4.2 m/s，原因?yàn)槭芨浇咚贇饬饔绊懖糠謪^(qū)域產(chǎn)生渦流；篩面上方180 mm測(cè)量面處，“高速區(qū)域”面積有所下降，主要區(qū)域速度呈現(xiàn) “高低交替”的波浪式特點(diǎn)，原因?yàn)楹Y孔對(duì)氣流速度的影響；篩面上方210 mm測(cè)量面處，“高速區(qū)域”面積進(jìn)一步下降，主要區(qū)域速度呈現(xiàn) “高低交替”的波浪式特點(diǎn)進(jìn)一步顯著，原因?yàn)楹Y孔對(duì)氣流速度的影響隨距離的增加進(jìn)一步顯現(xiàn)。

4種顆粒平均速度變化如圖11所示，長(zhǎng)莖稈速度起伏較大，原因?yàn)槭艿缴虾Y的振動(dòng)和橫流風(fēng)機(jī)吹送形成的疊加效應(yīng)，3.2 s后經(jīng)主離心風(fēng)機(jī)吹出時(shí)，風(fēng)速達(dá)到最大；短莖稈速度變化先起伏后平穩(wěn)，原因?yàn)椋?～1.5 s內(nèi)，受各顆粒物相互碰撞，速度變化不定，1.5 s后受風(fēng)場(chǎng)作用明顯，速度相對(duì)平穩(wěn)，在2.2 s經(jīng)副離心風(fēng)機(jī)吹出時(shí)，風(fēng)速達(dá)到最大；莢果、土雜在2 s前速度相近，表明其可能聚合成團(tuán)狀，2 s后，土雜速度漸趨向0，表明其穿過(guò)下篩落至下方，而莢果在風(fēng)場(chǎng)和下篩的疊加作用下，速度繼續(xù)呈波浪狀變化。

3.4.2顆粒軌跡分析

4種顆粒位移變化曲線如圖12所示，0～1 s內(nèi)，4種顆粒位移變化相近，表明其呈團(tuán)狀；1 s后，長(zhǎng)莖稈受上篩阻擋，最先分離出去，2.5 s后排出；1～1.5 s內(nèi)，短莖稈、莢果及土雜沿篩體方向位移仍相近，表明其未完全分開(kāi)，1.5 s后短莖稈迅速脫離，3 s后排出，表明其受風(fēng)場(chǎng)作用明顯；2 s后莢果、土雜距離變大明顯，2 s后土雜下穿下篩，與莢果分離，4 s后莢果達(dá)到最遠(yuǎn)位置。

圖13為隨機(jī)選擇4種顆粒進(jìn)入清選空間后隨時(shí)間變化軌跡遷移簡(jiǎn)圖。運(yùn)動(dòng)初期，莢果在重力作用下下落，受上篩非孔區(qū)撞擊后彈跳，后落下時(shí)透過(guò)上篩孔后落至下篩，然后在下篩和橫流風(fēng)機(jī)的振動(dòng)吹送作用下向前做小波浪狀前移運(yùn)動(dòng)；長(zhǎng)莖稈先落至上篩后，由于尺寸較大無(wú)法通過(guò)上篩孔，后在上篩和橫流風(fēng)機(jī)的振動(dòng)吹送作用下，往右上方運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至主離心風(fēng)機(jī)的負(fù)壓吸附區(qū)域，被吸入后經(jīng)葉片擊打拋送排出；短莖稈開(kāi)始隨莢果透過(guò)上篩后，在橫流風(fēng)機(jī)的吹送作用下運(yùn)動(dòng)至副離心風(fēng)機(jī)的負(fù)壓吸附區(qū)域，被吸入后經(jīng)葉片擊打拋送排出；土雜開(kāi)始隨莢果、短莖向前波浪式運(yùn)動(dòng)一段距離后，由于其尺寸最小，比重最大，在重力作用下透過(guò)下篩，落至下方，完成與莢果、短莖的分離。

風(fēng)選系統(tǒng)中各顆粒速度、軌跡遷移及位移變化表明，4種顆粒分離相對(duì)平順，分離時(shí)間短而徹底，表明仿真所設(shè)置的風(fēng)選系統(tǒng)振動(dòng)頻率和振幅、主離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、副離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速合理，沒(méi)有引起分離物料在篩面上的劇烈彈跳和分離不暢、分離不清。待仿真過(guò)程結(jié)束后對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得數(shù)值模擬后的清選損失率為1.63%，含雜率為1.15%。

3.5 風(fēng)選系統(tǒng)氣流場(chǎng)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(分辨率為0.01 m/s)對(duì)上篩篩面與主離心風(fēng)機(jī)吸秧口之間的測(cè)量面進(jìn)行氣流速度測(cè)定。將實(shí)測(cè)氣流速度數(shù)據(jù)與模擬流場(chǎng)氣流速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。

采用布點(diǎn)法[24]，根據(jù)上篩、主離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以上篩面前端中點(diǎn)為原點(diǎn)，選取莢果運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥軸，莢果運(yùn)動(dòng)垂直方向?yàn)閤軸，與篩面垂直方向?yàn)閦軸。其中z軸方向150、180、210 mm即分別對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬中上篩面上方 150、180、210 mm 高度處的3個(gè)測(cè)量面，其中每個(gè)測(cè)量面上均勻分布了由x、y軸坐標(biāo)交錯(cuò)構(gòu)成的 25個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)整理測(cè)點(diǎn)氣流速度數(shù)據(jù)，可以分析各測(cè)量面氣流的分布規(guī)律，3個(gè)測(cè)量面共計(jì)75個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖14所示。

各方向測(cè)量點(diǎn)位置為：x軸方向測(cè)量點(diǎn)為-400、-200、0、200、400 mm；y軸方向測(cè)量點(diǎn)為200、400、600、800、1 000 mm；z軸方向測(cè)量點(diǎn)為150、180、210 mm。

通過(guò)分析數(shù)值模擬結(jié)果，篩面上方各測(cè)量面氣流速度差異較為明顯，因此實(shí)際測(cè)量時(shí)橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，各測(cè)量點(diǎn)氣流速度如表6所示。

表6 各測(cè)量點(diǎn)氣流速度

3個(gè)測(cè)量面總體呈現(xiàn)氣流沿y軸對(duì)稱均勻分布，同時(shí)沿y軸方向總體呈波浪式遞減的變化趨勢(shì)。在z=150 mm平面處，y軸方向400～800 mm處存在一氣流速度4～6 m/s的高風(fēng)速區(qū)，同時(shí)y≥200 mm處氣流橫向分布均勻，速度沿y軸對(duì)稱，與圖10a的氣流速度分布規(guī)律一致；z=180 mm測(cè)量面處，高風(fēng)速區(qū)的速度有所下降，呈現(xiàn) “高低交替”的波浪式特點(diǎn)，風(fēng)速與圖10b的氣流速度分布規(guī)律一致；z=210 mm測(cè)量面處，高風(fēng)速區(qū)的速度進(jìn)一步下降，原因?yàn)楹Y孔對(duì)氣流速度的影響隨距離的增加進(jìn)一步顯現(xiàn)，與圖10c的氣流速度分布規(guī)律一致。

對(duì)比數(shù)值模擬和氣流場(chǎng)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，產(chǎn)生差異的原因在于數(shù)值模擬過(guò)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(chǎng)試驗(yàn)小[24]。

4 田間試驗(yàn)

由風(fēng)選系統(tǒng)氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬及驗(yàn)證試驗(yàn)得到了不同測(cè)量面氣流速度的分布規(guī)律，并確定了能夠產(chǎn)生理想流場(chǎng)的參數(shù)范圍。為得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，對(duì)上篩上方氣流速度的分析是在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，具有一定局限性，因此進(jìn)一步通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)前期研究進(jìn)行補(bǔ)充。對(duì)比不同因素水平下的清選效果，研究機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)下的實(shí)際清選效果，以得到風(fēng)選系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)組合。

4.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)

4.1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2020年9月在山東省臨沭縣試驗(yàn)基地進(jìn)行(圖15)。試驗(yàn)花生品種為“山花9號(hào)”，單壟雙行種植，壟距800 mm，株距275 mm，平均莢果產(chǎn)量0.45 kg/m2。試驗(yàn)前由挖掘機(jī)收獲后鋪放于田間。晾曬3 d后秧蔓含水率為22.67%，莢果含水率為19.82%，果柄含水率為20.25%，帶果秧蔓平均長(zhǎng)度為40 mm。果蔓總產(chǎn)量均值為10 kg/m2，蔓果比均值為1.2∶1，試驗(yàn)地塊面積為15 000 m2(100 m×150 m)，土壤類型為壤土，土壤容重為1.4 g/cm3。

4.1.2試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)試方法

測(cè)試方法按國(guó)標(biāo)GB/T 5262—2008進(jìn)行。測(cè)試參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 502—2016《花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和NY/T 2204—2012《花生收獲機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，測(cè)試內(nèi)容主要包括風(fēng)選損失率、含雜率。

4.2 性能試驗(yàn)

4.2.1性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

在前期單因素試驗(yàn)和理論分析基礎(chǔ)上，選取橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A、吸秧高度B、吸雜高度C作為試驗(yàn)因素。田間試驗(yàn)中，主、副離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定與數(shù)值模擬和氣流速度測(cè)定試驗(yàn)相同，分別為1 450、1 250 r/min。試驗(yàn)以風(fēng)選損失率Y1、含雜率Y2作為指標(biāo)，開(kāi)展三因素三水平正交試驗(yàn)[25]，試驗(yàn)因素與編碼見(jiàn)表7。

表7 試驗(yàn)因素與編碼Tab.7 Factors and codes of experiment

4.2.2數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對(duì)各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為獲取較優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)三因素三水平分析試驗(yàn)，共包含17組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表8所示，X1、X2、X3為編碼值。

4.4 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

利用Design-Expert軟件對(duì)表8中的數(shù)據(jù)開(kāi)展多元回歸擬合分析，建立Y1、Y2對(duì)A、B、C的響應(yīng)面回歸模型，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析[26]，如表9所示。Y1、Y2對(duì)A、B、C的響應(yīng)面回歸模型為

表8 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.8 Experiment design scheme and response values

(8)

(9)

由表9可知，風(fēng)選損失率Y1、含雜率Y2的P值均小于0.05，表明2個(gè)模型影響極顯著。且決定系數(shù)R2分別為0.982 9、0.995 6，表明98%以上的響應(yīng)值均可以由這2個(gè)模型解釋。失擬項(xiàng)P值均大于0.05，失擬不顯著，因此，該模型可以預(yù)測(cè)風(fēng)選系統(tǒng)的工作參數(shù)。根據(jù)兩模型各因素回歸系數(shù)，可得到各因素對(duì)風(fēng)選損失率的影響由大到小為C、A、B，即吸雜高度、橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、吸秧高度；各因素對(duì)含雜率的影響由大到小為A、C、B，即橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、吸雜高度、吸秧高度。

4.5 模型交互項(xiàng)解析

根據(jù)表9結(jié)果，考察橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A、吸秧高度B及吸雜高度C交互作用對(duì)各性能指標(biāo)的影響，并利用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)面圖。

表9 回歸方程方差分析

4.5.1交互因素對(duì)風(fēng)選損失率的影響分析

交互因素對(duì)風(fēng)選損失率Y1響應(yīng)曲面如圖16所示。圖16a表明風(fēng)選損失率隨橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A的增大先增大后減小，受吸秧高度B影響較?。粓D16b表明風(fēng)選損失率隨橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A的增大先增大后減小，同時(shí)，增大吸雜高度C明顯有助于減小風(fēng)選損失率；圖16c表明增大吸秧高度B和吸雜高度C有助于減小風(fēng)選損失率。

4.5.2交互因素對(duì)含雜率的影響分析

交互因素對(duì)含雜率Y2響應(yīng)曲面如圖17所示。圖17a表明含雜率隨橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A的增大先迅速減小后迅速增大，隨吸秧高度B的增大先減小后緩慢增大，變化程度較??；圖17b表明含雜率隨橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速A的增大先迅速減小后迅速增大，含雜率隨吸雜高度C的增大先迅速減小后迅速增大；圖17c表明含雜率隨吸秧高度B的增大先減小后增大，含雜率隨吸雜高度C的增大先減小后增大。

4.6 風(fēng)選系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，為進(jìn)一步提升風(fēng)選系統(tǒng)作業(yè)性能，在各試驗(yàn)因素水平約束條件下，將風(fēng)選損失率Y1、含雜率Y2最小值作為優(yōu)化指標(biāo)，建立性能指標(biāo)全因子二次回歸方程，進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化與最優(yōu)工作參數(shù)確定：

(10)

利用Design-Expert自帶約束條件優(yōu)化求解模塊，可求得滿足約束條件的最小風(fēng)選損失率Y1、含雜率Y2的最優(yōu)參數(shù)組合。求解的最優(yōu)參數(shù)組合為：橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 507.7 r/min、吸秧高度181.3 mm及吸雜高度210.7 mm，對(duì)應(yīng)的風(fēng)選損失率為1.45%、含雜率為0.98%。

由于實(shí)際工作參數(shù)很難調(diào)整到理論求解的優(yōu)化值，選擇一組接近優(yōu)化值的參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，參數(shù)值為：橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 508 r/min、吸秧高度181 mm及吸雜高度211 mm。試驗(yàn)于2020年9月在相同地點(diǎn)采用相同的測(cè)試方法進(jìn)行，風(fēng)選損失率、含雜率平均值分別為1.52%、1.01%。與花生撿拾收獲機(jī)單風(fēng)道風(fēng)機(jī)單層振動(dòng)篩風(fēng)選系統(tǒng)常用的一組參數(shù)收獲同等條件下的花生進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化的風(fēng)選損失率、含雜率分別降低了1.42、1.26個(gè)百分點(diǎn)，綜合性能明顯改善。

5 結(jié)論

(1)在分析試驗(yàn)臺(tái)工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了風(fēng)選系統(tǒng)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析，利用Fluent-EDEM耦合分析實(shí)現(xiàn)對(duì)4種顆粒在風(fēng)選空間中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，分析了各顆粒速度、位移及軌跡變化情況，確定了橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、吸秧高度、吸雜高度對(duì)風(fēng)選質(zhì)量的影響程度，并確定各因素的參數(shù)范圍。

(2)基于Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行風(fēng)選系統(tǒng)工作參數(shù)優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)選損失率影響主次順序?yàn)闄M流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、吸雜高度、吸秧高度；含雜率影響主次順序?yàn)槲s高度、吸秧高度、橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，求解的最優(yōu)參數(shù)組合為：橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 508 r/min、吸秧高度181 mm及吸雜高度211 mm，對(duì)應(yīng)的風(fēng)選損失率為1.52%、含雜率為1.01%。比優(yōu)化前分別降低了1.42、1.26個(gè)百分點(diǎn)。