金作徽,張若宇， 褚宏奎,楊 曦,緱海嘯

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；3.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，新疆地區(qū)每年采用鋪膜播種的土地面積達(dá)313.3萬hm2，地膜年使用量達(dá)16萬t以上，地膜使用后的平均殘留量為70.20kg/hm2，造成“白色污染”逐年加劇[1-3]。同時，新疆地區(qū)使用的地膜厚度一般在0.008mm以下[4]，在秋后收獲過程中機器碾壓和土地耕整作業(yè)時會造成大量地膜破損，導(dǎo)致春播前田間存在大量的殘膜。播前殘膜的特點是表面積較小，撿拾困難，同時有大量的殘膜存在于地表以下，與土壤混雜，分離難度大，其收集方式與秋后殘膜也不相同。目前，針對播前殘膜回收的機具主要有氣吸式、齒桿式、彈齒式和起土鏟式等，普遍采用一級膜土分離的作業(yè)方式[5]。如新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)[6]研制的氣吹式春播前殘膜回收機，采用彈齒式撿膜輥直接將土和膜送入風(fēng)機流道進(jìn)行分離，其彈齒會造成殘膜二次破碎不易撿拾，且其分離流道過長導(dǎo)致風(fēng)機功率消耗過大。同時，現(xiàn)有的殘膜收集裝置主要是全封閉集膜箱、網(wǎng)箱、耙齒和滾筒等形式[7]，并不能完全適用于播前殘膜的收集。本研究所述的播前殘膜清理機則根據(jù)播前殘膜的特點，采用網(wǎng)孔運輸帶濾除碎土再結(jié)合正壓風(fēng)機吹氣將殘膜與土塊進(jìn)行分離的二級膜土分離作業(yè)方式，提高了工作效率。同時，收集裝置采用蝸殼與網(wǎng)孔篩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。因其內(nèi)部流場較為復(fù)雜，本研究利用CFD軟件進(jìn)行仿真試驗，以對其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。

目前，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域利用CFD軟件對流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化的研究較為普遍[8-12]。2016年，Lim B Y.et al[13]利用CFD多相流建模研究了麻瘋樹果實脫殼機的工作性能，仿真得到的最佳條件是：空氣速度(9.8±0.4)m/s，水果的水分含量大約5.7%?？偟慕Y(jié)果表明：在最佳條件下，該機器能夠去掉52%的殼和99%的皮，同時籽粒損失控制在5%左右。Zhao D H.et al[14]利用Fluent軟件對一個玉米干燥塔的加熱情況進(jìn)行了模擬計算，仿真分析表明：在保證熱風(fēng)流量不變的情況下，玉米周圍的流體入口越大，溫度分布越均勻；當(dāng)熱風(fēng)流速為0.8 m/s、溫度為343K時，玉米溫度分布最為均勻，且玉米籽粒最高溫度不超過333K，流體流量與玉米粒面之間的夾角不會影響溫度分布。2015年，F(xiàn)lores-Velázquez J.et al[15]研究了CFD軟件在溫室作物優(yōu)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，結(jié)果表明：驗證模型使用CFD軟件可以求解所涉及的變量的空間特征，通過建立多變量的動態(tài)模型可以有效提高資源利用率。2014年，董全成等[16]采用基于CFD的離散相模型對氣流式皮棉清理機的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，建立了皮棉纖維和雜質(zhì)模型，通過正交試驗篩選出影響清理機除雜率的主要因素，并得出了最佳工作參數(shù)組合，現(xiàn)場試驗驗證仿真優(yōu)化結(jié)果有效。2012年，張若宇等[17]利用Fluent數(shù)值模擬方法研究了機采籽棉殘膜分離機的籽棉帶出機理，對4種入口風(fēng)速條件下分離關(guān)鍵區(qū)域的速度進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示：當(dāng)入口風(fēng)速為4.0m/s時，籽棉帶出最困難，現(xiàn)場試驗結(jié)果與仿真相吻合。

綜上所述，本研究根據(jù)播前殘膜特性，提出采用網(wǎng)孔運輸帶與氣吹式膜土分離相結(jié)合的方式對播前殘膜進(jìn)行清理。其中，殘膜收集裝置是關(guān)鍵工作部件之一，其性能直接關(guān)系到殘膜清理率。為對其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，本研究采用Minitab16.0和CFD軟件相結(jié)合進(jìn)行正交仿真試驗，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了現(xiàn)場試驗驗證。

1 材料與方法

1.1 殘膜樣本特性測試

本次試驗所用混有殘膜的土壤樣本均來自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師石河子147團的棉花種植區(qū)，采集時間為2016年1月。如圖1所示：采集的土壤樣本中主要的殘膜類型有當(dāng)年殘膜、多年殘膜、多層粘結(jié)殘膜和與土壤粘結(jié)的殘膜等，還存在與殘膜特性相類似的滴灌帶和紡織物的碎片。

樣本特性測試試驗主要針對殘膜形狀尺寸進(jìn)行了測試。其中，殘膜形狀尺寸的測試采用了石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品檢測與分級實驗室開發(fā)的基于LabVIEW平臺Vision工具包的機器視覺檢測系統(tǒng)對采集的30片殘膜樣本進(jìn)行了檢測，得到其縱向和橫向的最大長度。

圖1 殘膜存在狀態(tài)

1.2 裝置結(jié)構(gòu)及其工作原理

播前殘膜清理機的主要工作部件包括網(wǎng)孔輸送帶、機架、罩殼、離心式風(fēng)機及其附屬氣道、殘膜收集裝置，如圖2所示。

1. 殘膜收集裝置 2.離心式風(fēng)機及其附屬氣道 3.網(wǎng)孔輸送帶 4.機架 5.罩殼 6.蝸殼 7.渦舌 8.網(wǎng)孔篩 9.擋土板

殘膜收集采用氣吹式膜土分離收集方式，收集裝置由蝸殼、渦舌[18]、網(wǎng)孔篩和擋土板組成。其中，α為擋土板傾斜角；β為渦舌延伸角。主要工作原理是：當(dāng)位于收集裝置前方的輸送裝置將殘膜和土壤顆粒拋落的同時，位于輸送裝置下方的離心式風(fēng)機噴出高速氣流。由于土壤顆粒和殘膜在空氣中的懸浮速度相差懸殊，所以土壤在重力的作用下向下運動，從擋土板滑落到地面，而殘膜則隨氣流進(jìn)入收集裝置殼體內(nèi)；進(jìn)入殼體之后殘膜會隨著氣流進(jìn)入收集裝置網(wǎng)篩區(qū)，此時氣流速度下降，壓力增大，殘膜不能透過網(wǎng)孔逃出便滯留在低壓區(qū)，從而將其收集。

1.3 正交仿真實驗

1.3.1 試驗因素及其水平

在實際工作過程中，影響收集裝置工作性能的因素很多，本次試驗主要針對網(wǎng)篩孔隙率、渦舌延伸角度、擋土板傾斜角度和進(jìn)口風(fēng)速等影響因素進(jìn)行了考察。根據(jù)收集裝置工作原理和前期試驗研究，針對以上4個試驗因素各選取了3個水平。試驗因素水平如表1所示。

1.3.2 試驗指標(biāo)的選取

當(dāng)殘膜從渦殼收口處運動到網(wǎng)篩區(qū)時，位于流線中心處的殘膜受力情況如圖3所示。

表1 試驗因素水平表

圖3 殘膜受力情況

殘膜運動中所受空氣的推力F為

F=ΔpSτ

殘膜所受空氣阻力f為

殘膜所受浮力N為

N=Sddρfg

殘膜所受重力G為

G=mg

式中Δp—殘膜兩側(cè)壓差；

Sτ—殘膜在推力方向上的投影面積；

C—阻力系數(shù)，無量綱；

ρf—空氣的密度；

Δυ—殘膜的絕對速度即殘膜兩側(cè)風(fēng)速差；

Sd—殘膜在重力方向上的投影面積；

d—殘膜厚度；

g—重力加速度9.81m/s2。

由于殘膜質(zhì)量極小，重力可忽略不計。β為殘膜所受推力與水平方向的夾角。建立運動控制微分方程為

由上式可知：殘膜運動的主要影響因素為風(fēng)壓差Δp和風(fēng)速差Δυ。因此，試驗的指標(biāo)選取網(wǎng)篩側(cè)氣流的平均風(fēng)壓差和平均風(fēng)速差。

1.4 收集裝置仿真

1.4.1 裝置建模及網(wǎng)格劃分

首先，利用AutoCAD軟件對收集裝置二維模型進(jìn)行了簡化處理，以達(dá)到Fluent軟件仿真的要求；然后，按照正交試驗的安排設(shè)置了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，繪制了9種仿真模型；最后，將其另存.sat格式導(dǎo)入GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為保證后期導(dǎo)出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，9種模型統(tǒng)一采用模型進(jìn)風(fēng)口中點位置作為坐標(biāo)原點。

1.4.2 試驗指標(biāo)測試點標(biāo)定

為了依據(jù)試驗指標(biāo)對Fluent軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，本研究在所建模型中標(biāo)定了20個測試點。這20個測試點位于模型中渦舌的同心圓上，該圓半徑為175mm。起始點是過圓心與渦舌尾端的連線和該圓的交點；從起始位置開始每隔5°標(biāo)記一個點，終點與起始點相隔95°。模型網(wǎng)格及測試點位置如圖4所示。

圖4 試驗指標(biāo)測試點

1.5 現(xiàn)場試驗驗證

本研究利用從棉花種植區(qū)田間采集的土壤和殘膜為試驗材料，對所設(shè)計的殘膜收集裝置的工作性能進(jìn)行了驗證。首先，將土壤中的殘膜清理干凈，稱取20kg裝入事先備好的容器；隨即將一定數(shù)量(不少于100片)的殘膜均勻地混入土壤中；之后，啟動試驗裝置，待其運行平穩(wěn)后，測試其風(fēng)速并將殘膜和土壤的混合物傾倒在網(wǎng)孔輸送帶上；最后，當(dāng)所有混合物全部通過輸送帶拋出后停止裝置運轉(zhuǎn)，并記錄收集裝置內(nèi)殘膜的數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 殘膜特性測試結(jié)果

利用SPSS19.0軟件對采集的殘膜尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：播前殘膜縱向和橫向最大尺寸在60mm以下分布占50%，40mm以下分布占20%。因此，設(shè)計網(wǎng)孔篩的孔隙率時應(yīng)考慮不超過殘膜尺寸，否則將有大量殘膜漏出。殘膜尺寸分布直方圖，如圖5所示。

圖5 殘膜尺寸分布直方圖

2.2 仿真試驗分析

2.2.1 仿真試驗結(jié)果

本研究利用Fluent軟件對9組試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了仿真，如圖6所示。

其中，α為擋土板傾斜角；β為渦舌延伸角；P為孔隙率；V為進(jìn)口風(fēng)速。

利用Fluent軟件提取9組試驗測試點風(fēng)速和風(fēng)壓，如圖7所示。結(jié)果表明：第8組試驗條件下風(fēng)速和風(fēng)壓變化最為明顯，風(fēng)速差和風(fēng)壓差最大。

2.2.2 田口試驗分析

本試驗采用L9(34)正交表安排了仿真試驗，并提取了每組試驗?zāi)Ｐ?0個試驗指標(biāo)測試點的風(fēng)壓和風(fēng)速，計算了相鄰兩點之間的風(fēng)壓差和風(fēng)速差，將以上兩組數(shù)據(jù)求平均值得到了試驗指標(biāo)的結(jié)果。利用Minitab16.0軟件的田口試驗分析程序，對仿真正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表2、表3所示。

由表3可知：4個試驗因素對指標(biāo)的影響大小順序依次是進(jìn)口風(fēng)速、擋土板傾斜角度、網(wǎng)篩孔隙率和渦舌延伸角度。

圖6 仿真模型速度分布云圖

圖7 各組實驗風(fēng)速風(fēng)壓

序號因素A網(wǎng)篩孔隙率/%B渦舌延伸角度/(°)C擋土板傾斜角度/(°)D進(jìn)口風(fēng)速/m·s-1指標(biāo)平均壓差(Δp)/Pa平均風(fēng)速差(Δv)/m·s-1140110301045.89470.8280240115451250.31580.5033340120601466.42110.6080450110451471.05260.9367550115601036.63160.6754650120301262.68421.3955760110601259.31581.5827860115301495.52632.4586960120451039.84211.3480

表3 試驗因素均值響應(yīng)表

2.2.3 最佳工作性能組合

如圖8所示，根據(jù)試驗因素對指標(biāo)的主效應(yīng)分析可知：在本試驗的因素水平條件下，收集裝置最佳工作組合為A3B2C1D3，即網(wǎng)篩孔隙率為60%，渦舌延伸角度為115°，擋土板傾斜角度為30°，進(jìn)口風(fēng)速為14m/s，也就是第8組試驗所設(shè)置的條件。

依據(jù)因素水平對指標(biāo)的響應(yīng)變化趨勢，網(wǎng)篩孔隙率和進(jìn)口風(fēng)速與試驗指標(biāo)近似成線性增長關(guān)系；但是，當(dāng)網(wǎng)篩孔隙率增大到60%時，現(xiàn)場試驗所采用網(wǎng)篩的長條孔縱向尺寸將達(dá)到40mm，根據(jù)殘膜尺寸大小預(yù)計將會有20%的殘膜透過網(wǎng)篩逃出。其次，網(wǎng)篩孔隙率增大，其結(jié)構(gòu)剛度將下降，在風(fēng)壓的作用下容易產(chǎn)生變形不利于殘膜的收集，因此決定將孔隙率調(diào)整到60%以下。另外，根據(jù)實際工作環(huán)境條件，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速增大到一定程度時，可能會有尺寸大于網(wǎng)孔直徑的土壤顆粒進(jìn)入收集裝置內(nèi)造成網(wǎng)孔的阻塞。為驗證這一猜想，將在現(xiàn)場試驗時增大風(fēng)速觀察驗證結(jié)果。

圖8 試驗因素均值主效應(yīng)圖

2.3 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

根據(jù)實際工況，本次試驗采用了孔隙率為50%的網(wǎng)篩，并在渦舌延伸角度為115°、擋土板傾斜角度為30°、進(jìn)口風(fēng)速為14m/s的條件下進(jìn)行了兩次試驗，對收集裝置的工作性能進(jìn)行了驗證，結(jié)果如表4所示。

表4 現(xiàn)場試驗結(jié)果

由表4可知：該收集裝置的工作效率可達(dá)85%以上，基本滿足設(shè)計要求。收集殘膜的效果如圖9所示。

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速增加到15m/s時，會有一定數(shù)量的尺寸大于網(wǎng)篩孔徑的土壤顆粒進(jìn)入收集裝置(見圖10)，導(dǎo)致網(wǎng)孔堵塞影響殘膜收集效果。

圖9 最佳條件下收集的殘膜

圖10 進(jìn)入網(wǎng)篩的土壤顆粒

3 結(jié)論與展望

1)利用Fluent仿真軟件對播前殘膜清理機的收集裝置結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行正交仿真試驗，結(jié)果表明：在當(dāng)前試驗因素水平條件下，網(wǎng)篩孔隙率60%、渦舌延伸角度115°、擋土板傾斜角度為30°和進(jìn)口風(fēng)速14m/s時收集裝置達(dá)到了最佳工作性能。

2)由于網(wǎng)篩孔隙率和進(jìn)口風(fēng)速在本次設(shè)定的水平區(qū)間內(nèi)對試驗指標(biāo)的效應(yīng)呈現(xiàn)線性增長趨勢，說明在此試驗因素水平區(qū)間內(nèi)沒有達(dá)到最優(yōu)，故根據(jù)裝置實際工作條件對其進(jìn)行了限定：孔隙率限定為50%，進(jìn)口風(fēng)速限定為12～14m/s。在此條件下，現(xiàn)場試驗驗證結(jié)果表明：殘膜平均清理率達(dá)到88.17%。

3)由于現(xiàn)場試驗采用的條件與仿真試驗所得最優(yōu)組合有所區(qū)別，今后將根據(jù)實際工作情況對網(wǎng)篩孔隙率和進(jìn)口風(fēng)速的最優(yōu)組合進(jìn)行深入探究。

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