沈毅，唐永治，郭斌，吳進(jìn)炎，潘滎春

（廣西柳工農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

我國(guó)甘蔗種植面積達(dá)146.67萬(wàn)hm2[1]，甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化是大勢(shì)所趨。收獲環(huán)節(jié)是制約甘蔗實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化生產(chǎn)的短板，而目前我國(guó)中大型甘蔗收獲機(jī)存量也不能滿(mǎn)足需求[2]，需要農(nóng)機(jī)研發(fā)制造企業(yè)不斷改進(jìn)產(chǎn)品，提高收獲質(zhì)量和作業(yè)效益。在目前推出的甘蔗收獲機(jī)中，切段式甘蔗收獲機(jī)是主流機(jī)型，衡量其收獲質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是其輸出蔗段的含雜率。在收獲過(guò)程中負(fù)責(zé)清除蔗葉等雜質(zhì)的是收獲機(jī)上的除雜風(fēng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“風(fēng)機(jī)”），這是收獲機(jī)的一個(gè)重要部件。風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)劣直接影響收獲甘蔗的含雜率（收獲質(zhì)量）和機(jī)器的功率消耗。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)進(jìn)行了一些研究。郭無(wú)極等[3]研究了甘蔗收割機(jī)排雜仿真建模方法；朱鴻運(yùn)等研究了甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)氣流場(chǎng)[4]；謝福祥[5]設(shè)計(jì)了一種排雜風(fēng)機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)；邢浩男等通過(guò)改變風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和葉片形狀優(yōu)化對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化[6]；溫翔等[7]利用離散元仿真技術(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)除雜過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)其中的仿真參數(shù)進(jìn)行看標(biāo)定和驗(yàn)證，袁成宇[8]對(duì)風(fēng)選排雜系統(tǒng)進(jìn)行了研究；Fenglei Wang等[9]通過(guò)研究甘蔗成分的懸浮性能，得出除雜性能重點(diǎn)在于如何有效分離甘蔗收割機(jī)的重型摘穗和莖稈上；農(nóng)宏亮[10]通過(guò)Solid Works Flow Simulation軟件模擬分析得出不同葉輪轉(zhuǎn)速和輪轂垂入導(dǎo)風(fēng)罩深度等參數(shù)影響下排雜裝置的性能。

對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，包括主要性能的參數(shù)進(jìn)行分析、優(yōu)化，并測(cè)試了其整體性能，效果較好。

1 除雜風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)由出料通道、錐筒、直筒、風(fēng)帽、風(fēng)扇葉片等結(jié)構(gòu)組成。出料通道、錐筒和直筒組成集流區(qū)，風(fēng)扇葉片和直筒組成旋轉(zhuǎn)域，風(fēng)機(jī)帽組成出流區(qū),如圖1所示。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)扇葉片在風(fēng)道內(nèi)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，將空氣從出料通道吸入，通過(guò)風(fēng)道從出流區(qū)吹出。當(dāng)被切段的物料從出料通道口不斷涌出時(shí)，散開(kāi)的小段甘蔗、葉子、尾梢等各類(lèi)物質(zhì)受到風(fēng)選力的作用，重量小面積大的葉子和部分尾梢等雜質(zhì)被風(fēng)機(jī)吸進(jìn)風(fēng)道吹出，重量大面積小的甘蔗和部分尾梢因受到重力落入收集裝置。通過(guò)以上連續(xù)作用實(shí)現(xiàn)了除雜。風(fēng)選力與通道的風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速過(guò)小，導(dǎo)致除雜不干凈；風(fēng)速過(guò)大，則可能將含糖的蔗段一并吹出，造成損失，同時(shí)也造成一部分能量的過(guò)剩。

圖1 除雜風(fēng)機(jī)的組成

2 風(fēng)機(jī)優(yōu)化過(guò)程

（1）對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行除雜試驗(yàn)，按照該種機(jī)型常見(jiàn)工況選擇畝產(chǎn)達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)器收割時(shí)甘蔗喂入量達(dá)到一定值，并在風(fēng)機(jī)葉片達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)作業(yè)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，在保證出料過(guò)程不變的前提下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)風(fēng)機(jī)集流區(qū)進(jìn)行改進(jìn)，直到含雜率達(dá)到最小值。

（2）綜合權(quán)衡糖廠與蔗農(nóng)的利益與需求，確定一個(gè)合適的含雜率K。從第一步的試驗(yàn)中與找到與K對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型（初始風(fēng)機(jī)模型），對(duì)其進(jìn)行CFD空氣流場(chǎng)分析，計(jì)算其在切段裝置出料口處的平均風(fēng)選力F（圖3）和風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Qv，得到風(fēng)選力F1和風(fēng)量Qv1。

（3）將風(fēng)選力F和風(fēng)量Qv作為響應(yīng)，其值作為響應(yīng)曲面優(yōu)化的期望值。在出料口排出蔗段的區(qū)域建立簡(jiǎn)化的蔗段模型，對(duì)初始風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行CFD空氣流場(chǎng)分析。流場(chǎng)的風(fēng)速云圖(圖2)，得出其各項(xiàng)性能見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)液壓性能測(cè)試及經(jīng)濟(jì)性考慮，確定Dk作為響應(yīng)曲面優(yōu)化風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。

圖2 風(fēng)機(jī)空氣流場(chǎng)速度云圖

表1 初始風(fēng)機(jī)性能表

（4）風(fēng)機(jī)除雜作用機(jī)理分析

圖3是風(fēng)機(jī)除雜過(guò)程簡(jiǎn)圖，最下方的曲線(xiàn)是由入口進(jìn)入的某個(gè)空氣分子從P1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P2點(diǎn)的流線(xiàn)。

圖3 風(fēng)機(jī)除雜過(guò)程簡(jiǎn)圖

全壓P為出口面總壓P2與進(jìn)口面總壓P1的差值。

進(jìn)口面全壓P1、出口面全壓P2值為：

Ps1、Ps2分別為進(jìn)口面靜壓、出口面靜壓，進(jìn)口面動(dòng)壓Pd1和出口面動(dòng)壓Pd2值為：

因空氣密度小，出口面與進(jìn)口面高度差小，忽略空氣高度壓差的變化，由伯努利方程有：

式中：ρ為空氣密度，V1為進(jìn)口面風(fēng)速，V2為出口面風(fēng)速，qv為風(fēng)量，A1為進(jìn)口面面積，A2為出口面面積，△hf1為集流區(qū)沿程損失，△hf2為出流區(qū)沿程損失，ηi為葉輪效率，Pa為軸功率。

葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生扭矩T，軸功率Pa式有：

風(fēng)機(jī)效率是反映風(fēng)機(jī)性能的重要參數(shù)，其算式有：

全壓效率η

靜壓效率ηst

葉輪效率ηi

由簡(jiǎn)圖3可知，物料與氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的作用力F大小為：

式中：K為阻力系數(shù)，Va為氣流速度，V為物料速度，A為迎風(fēng)面積。

（5）確定風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)變量因子

由軸功率式（7）可知，軸功率大小Pa與風(fēng)扇葉片扭矩T、轉(zhuǎn)速n有關(guān)，在n一定的前提下，T越小，Pa越小。將T作為響應(yīng)對(duì)象，最小值作為優(yōu)化目標(biāo)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步判定風(fēng)機(jī)各結(jié)構(gòu)參數(shù)與風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv、葉片扭矩T強(qiáng)相關(guān)，并綜合零部件相關(guān)性、裝配、制造難度、售后維護(hù)以及優(yōu)化因子數(shù)量等因素，擬定了一共7個(gè)變量因子[11-13]與風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv、葉片扭矩T強(qiáng)相關(guān)，作為風(fēng)機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4所示。每個(gè)因子兩個(gè)水平，見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)因子變量

圖4 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)變量因子簡(jiǎn)圖

（6）響應(yīng)曲面模型及主效應(yīng)分析

響應(yīng)曲面是以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的用于多變量建模與分析的一套統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)[14]。利用已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出響應(yīng)與各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，通常采用簡(jiǎn)單的二階多項(xiàng)式響應(yīng)曲面（PRS），表述如式（11），工程上使用該式即可滿(mǎn)足精度的要求。

式中：y為響應(yīng)；x為因子；C為多項(xiàng)式系數(shù)；ε0為隨機(jī)誤差；n為因子的維數(shù)。

采用BBD（Box-Behnken Design）試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共建立62組風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，分析各組數(shù)據(jù)的風(fēng)機(jī)性能，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)與風(fēng)機(jī)性能響應(yīng)圖（圖5）。

從主效應(yīng)分析圖5可以看出，對(duì)Y1風(fēng)量、Y5風(fēng)選力、Y7葉片扭矩影響最大的風(fēng)機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為A4、A1、A1。

圖5 主效應(yīng)分析

（7）優(yōu)化

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Dkr/min為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的7個(gè)主參數(shù)為變量，風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv和風(fēng)扇葉片扭矩T為響應(yīng)，進(jìn)行分析。從響應(yīng)曲面回歸結(jié)果得出，風(fēng)選力F與A1、A3、A4、A7強(qiáng)相關(guān)（P＜0.05）；風(fēng)機(jī)風(fēng)量Qv與A1、A2、A4、A5、A7強(qiáng)相關(guān)；葉片扭矩T與A1、A2、A4、A5強(qiáng)相關(guān)。分別得到了風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv和風(fēng)扇葉片扭矩T的傳遞方程。針對(duì)7個(gè)風(fēng)機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其期望風(fēng)選力為F1；風(fēng)量為Qv1；風(fēng)扇葉片扭矩T望小。進(jìn)而得到了7個(gè)最佳風(fēng)機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)。

針對(duì)得到的7個(gè)最佳風(fēng)機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立模型，進(jìn)行CFD空氣流場(chǎng)分析[15-16]。該風(fēng)機(jī)性能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)性能

圖6 分析計(jì)算的空氣流場(chǎng)速度云圖及除雜試驗(yàn)

計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化得到的傳遞函數(shù)預(yù)測(cè)值基本一致，說(shuō)明得到的傳遞函數(shù)是準(zhǔn)確的。由計(jì)算結(jié)果得知，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)風(fēng)扇扭矩為初始風(fēng)機(jī)模型的80.93%，葉輪效率提高到初始模型的110%。結(jié)果就是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速Dkr/min，保證風(fēng)選力和風(fēng)量不變情況下，風(fēng)機(jī)能耗下降了30%。

3 驗(yàn)證

3.1 穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模型驗(yàn)證

如圖7所示，在出風(fēng)口處用鋼絲布置，相交點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)，相鄰點(diǎn)之間相隔100 mm，對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試，利用德圖Testo416高精密型葉輪風(fēng)速儀（測(cè)量精度±0.2 m/s+1.5%測(cè)量值，分辨率0.1 m/s）進(jìn)行測(cè)量。一共測(cè)量了兩種葉輪轉(zhuǎn)速下的風(fēng)速，部分測(cè)試點(diǎn)測(cè)量結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比如下，兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)速實(shí)際值與理論值誤差均小于10%，仿真具有較高的準(zhǔn)確性。

圖7 部分測(cè)試點(diǎn)理論與實(shí)際風(fēng)速對(duì)比

3.2 除雜試驗(yàn)

進(jìn)行田間除雜試驗(yàn)[17]。如圖8所示，用兩臺(tái)相同機(jī)型的收割機(jī)分別裝配優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口用網(wǎng)兜套住，收集風(fēng)機(jī)除雜質(zhì)量，在額定喂入量1～2倍和額定的收割速度下，同一塊區(qū)域?qū)膳_(tái)收割機(jī)進(jìn)行至少3個(gè)行程的風(fēng)機(jī)除雜性能試驗(yàn)。網(wǎng)兜和工作裝置分別接取行程內(nèi)的甘蔗莖、雜質(zhì)及清選分離物，分別稱(chēng)重記錄，計(jì)算含雜率。圖9為除雜試驗(yàn)結(jié)果，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，優(yōu)化前風(fēng)機(jī)除雜含雜率大于5%，優(yōu)化后含雜率小于5%，除雜效果滿(mǎn)足預(yù)定要求，風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)與計(jì)算結(jié)果相符。

圖8 風(fēng)機(jī)除雜試驗(yàn)

圖9 優(yōu)化前后含雜率部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)風(fēng)機(jī)除雜試驗(yàn)，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合用戶(hù)需求確定了最佳風(fēng)機(jī)性能。結(jié)合響應(yīng)曲面法得到了風(fēng)機(jī)性能與風(fēng)機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳遞方程，在設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)下得到了最優(yōu)風(fēng)機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了風(fēng)機(jī)優(yōu)化。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)，在滿(mǎn)足除雜含雜率低于5%的前提下，風(fēng)機(jī)理論能耗下降了30%。