氣力式秸稈深埋還田機輸送裝置設計與試驗

田 陽 林 靜 李寶筏

(沈陽農業大學工程學院， 沈陽 110866)

0 引言

秸稈還田有粉碎翻壓、旋耕混拌和秸稈覆蓋還田等形式[1-5]。秸稈不易腐爛，留在地表影響播種質量和出苗率，還會導致土壤病菌增加，作物病害增加等不良現象。因此采取合理的秸稈還田措施，才能起到良好的還田效果。針對這種現象農學專家提出了秸稈深埋還田，構建合理耕層[6-9]。秸稈深埋還田除了解決秸稈過剩問題外，還能給土壤表面提供良好的播種環境，打破犁底層，給種床提供“暖被”提高地表溫度，增加土壤孔隙度，在雨季吸水、納水還可防止來年春季干旱等。

王學農等[10]應用計算流體力學技術對拋送式秸稈粉碎還田機風場進行了模擬研究。翟之平等[11]應用Mixture模型，將玉米秸稈粉碎顆粒簡化為球形顆粒后，模擬了葉片式拋送裝置內氣固兩相流動。宋學鋒等[12]應用CFD-DEM氣固耦合法模擬了揉絲機排料裝置內絲狀物料的運動。吳峰等[13]優化設計了秸稈輸送裝置的拋送管道，提高了玉米秸稈的拋送速度。林靜等[14]根據滑道升運器式撿拾器設計了彈齒式秸稈輸送裝置。氣力輸送裝置輸送過程中玉米秸稈通過風機和輸送管道落入深埋溝內，其主要問題是由于玉米秸稈產量大、含水率高、韌性高，導致秸稈輸送裝置易發生堵塞以及卸料口氣流速度過大易將秸稈吹出掩埋溝，影響秸稈深埋質量。

本文以氣力式秸稈深埋還田機氣力輸送裝置作為研究對象，以玉米秸稈作為輸送物料，應用CFD-DEM氣固耦合法對氣力輸送裝置的輸送過程進行數值模擬，初步揭示氣力輸送裝置內氣固兩相流速度場分布和秸稈運動規律。在此基礎上以深埋合格率為評價指標，采用正交試驗設計方法對風機葉片彎角、秸稈覆蓋量、風機轉速進行試驗，以期獲得氣力輸送裝置的最佳結構參數和性能參數，提高深埋質量，解決堵塞問題。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

氣力式秸稈深埋還田機主要由機架、傳動系統、破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開溝裝置、覆土裝置、鎮壓裝置等組成，其結構如圖1所示。機具一次作業完成破茬、秸稈撿拾粉碎、開溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮壓等功能，最終將秸稈深埋于行間土壤深度20 cm以下，實現秸稈深埋還田的同時構建虛實并存耕層結構。

圖1 氣力式秸稈深埋還田機結構圖Fig.1 Structure diagrams of pneumatic straw deep burying and returning machine1.破茬裝置 2.機架 3.前傳動箱 4.懸掛裝置 5.后傳動箱 6.覆土裝置 7.鎮壓裝置 8.開溝分土裝置 9.氣力輸送裝置 10.撿拾粉碎裝置

圖2 氣力輸送裝置結構圖Fig.2 Structure diagrams of pneumatic conveying device1.風機葉輪 2.風機殼 3.輸送管道 4.卸料管道 5.螺旋輸送裝置

1.2 工作機理

氣力輸送裝置結構如圖2所示，主要由風機葉輪、風機殼、輸送管道、卸料管道、螺旋輸送裝置組成。其工作時撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后拋送至螺旋輸送裝置，螺旋輸送裝置將碎秸稈推送至風機，秸稈在葉輪高速旋轉產生的離心力和高速氣流的綜合作用下被送入開溝裝置后方的掩埋溝內。

2 氣力輸送裝置結構設計

2.1 玉米秸稈懸浮速度試驗

為了研究氣力輸送裝置的工作原理，確定氣流輸送速度，對玉米秸稈各部分進行空氣動力特性試驗研究，測試其懸浮速度。影響物料懸浮速度的主要參數有密度、質量、外形尺寸等。

試驗儀器及材料：PS-20型物料懸浮速度試驗臺、BL310型電子天平、皮托管、微壓計、游標卡尺等。

秸稈上、中、下3段物理特性有較大差異，所以將其分為3部分分別進行試驗。隨機選取50根玉米秸稈作為試驗樣本。撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后，秸稈長度小于10 cm，所以試驗秸稈長度為10 cm。測量每個樣本的物理特性同時進行編號，每組試驗重復3次，試驗結果如表1所示。

表1 玉米秸稈物理參數Tab.1 Physical parameters of corn straw

2.2 氣力輸送裝置參數計算

(1)為了保證玉米秸稈能在管道中順利輸送而不堵塞，輸送裝置的生產率和空氣流量應有適當的比例關系，即秸稈在空氣中的質量濃度不高于一定值[15-16]。

(1)

式中mc——混合濃度比

Qa——單位時間內通過輸送管道截面的空氣質量，kg/s

Qj——輸送裝置生產率，kg/s

玉米秸稈為長桿狀顆粒且體積較大，輸送裝置的混合濃度比不宜過大，選擇混合濃度比mc為1.3。

為了保證輸送秸稈的流暢性，氣流速度應該略大于秸稈懸浮速度。

va=kavp

(2)

式中va——輸送氣流速度，m/s

ka——輸送氣流系數，在1.1～2.5范圍內變化，與輸送物的濃度有關

vp——輸送物懸浮速度，m/s

輸送物料為秸稈且混合濃度比mc在1.0～2.0時選取ka值為2.2，秸稈的懸浮速度vp選取3部分的平均值11.9 m/s，則輸送氣流速度va為26.2 m/s。

(2)輸送管邊長計算公式為

(3)

式中dg——輸送管邊長，m

ρa——空氣密度，kg/m3

當田間秸稈量為16 000 kg/hm2[17]，機具作業速度為0.83 m/s，工作幅寬為1.3 m時，輸送裝置的生產率Qj約為1.7 kg/s，混合濃度比mc為1.3，空氣密度ρa為1.25 kg/m3，計算得輸送管邊長dg為0.2 m。

(3)氣力輸送裝置的全壓Δp由靜壓Δps和動壓Δpd組成，其中靜壓主要由管道全程壓力損失Δpq、局部壓力損失Δpb、加速壓力損失Δpj等組成。其中局部壓力損失Δpb比較小，可以忽略不計。全程壓力損失計算公式為

(4)

其中

αq=1+λqmc

(5)

式中αq——壓力損失比

Kq——管道粗糙度系數

rg——水力半徑，m

Lq——輸送管道全長，m

λq——壓力損失比系數

λq與輸送物料種類、氣流速度、混合濃度比相關，其取值范圍為0.3～2.0，取λq為0.5，計算得αq為1.65。

Lq=Lp+εcLc+εθsinθLθ+εwLw

(6)

式中Lp——水平管道長度，m

εc——垂直管道系數

Lc——垂直管道長度，m

εθ——傾斜管道系數

θ——傾斜角，(°)

Lθ——傾斜管道長度，m

εw——彎曲管道系數

Lw——彎曲管道長度，m

其中Lp為0，垂直管道系數εc取1.8，垂直管道長度Lc為0.4 m，傾斜管道系數εθ取1，傾斜管道長度Lθ為1.22 m，傾斜角θ為71.2°，彎曲管道系數εw取5，彎曲管道長度Lw為1.17 m，計算得Lq為7.72 m。

對于新焊接方管Kq取1.2，對于正方形截面管rg為0.05 m，計算得全程壓力損失為590.2 Pa。

當玉米秸稈進入輸送管道時，在運動方向上速度一般是零，要靠氣流將它加速到一定速度才能實現穩定輸送，在加速段內玉米秸稈與氣流有較大速度差，因而有一部分能量要消耗在秸稈的加速上，這就是加速壓力損失，加速壓力損失計算公式為

(7)

式中λj——加速壓力損失系數

λj由輸送氣流和懸浮速度決定，取0.41，則加速壓力損失為228.7 Pa。

動壓計算公式為

(8)

計算得動壓Δpd為429 Pa，則全壓Δp為1 247.9 Pa，考慮其他損失將全壓加大10%左右，取1 373 Pa。

(4)轉速和葉輪直徑的關系為

(9)

式中Dy——葉輪直徑，m

φf——風機系數

nf——轉速，r/min

在滿足氣力輸送裝置生產率的前提下，理論上葉輪直徑越大，所需要的轉速越小。結合機具作業時風機殼體須有一定離地間隙的要求，設計葉輪直徑為0.55 m，農用風機φf一般取0.3，則轉速nf為2 101.2 r/min，風機轉速取整為2 100 r/min。

(5)葉輪寬度計算公式為

(10)

式中by——葉輪寬度，m

Ay——葉輪數

βj——輸送物料自然休止角，(°)

γ——被輸送物料的單位容積質量，t/m3

風機轉速nf為2 100 r/min。機具工作時玉米秸稈通過風機內部，為防止堵塞且風機轉速較高，葉輪數Ay為3，葉片徑向圓周均勻分布。γ為0.02 t/m3。φf取0.3，Dy為0.55 m，βj為23°，計算得by為0.17 m。與風機殼保持15 mm的間隙，則殼體寬度Bk為0.2 m。

(6)殼體進氣口直徑計算公式為

(11)

式中Dk——殼體進氣口直徑，m

λk——殼體進氣口直徑系數

農業機械中λk取值范圍為0.5～1，取0.75，計算得殼體進氣口直徑Dk為0.26 m。

(7)為了減少卸料口氣流和秸稈的速度，防止秸稈被氣流從掩埋溝內吹出，將卸料管道設計成梯形體，使橫截面逐漸增大，氣流逐漸減小，卸料管道出口橫截面尺寸為390 mm×250 mm。

2.3 螺旋參數

螺旋輸送裝置生產率計算公式為

Qj=4.17π[(Dl+2λ)2-d2]KdSnlKβγ

(12)

式中Dl——螺旋外徑，mS——螺距，m

nl——螺旋轉速，r/min

λ——螺旋外徑與輸送管內表面間隙，m

d——螺旋軸直徑，m

Kβ——傾斜輸送系數

Kd——充滿系數

由于螺旋輸送物料為長度小于10 cm的碎秸稈，根據《農業機械設計手冊》[16]及其設計需求，選取螺旋外徑Dl為0.25 m，螺距S為0.2 m，螺旋軸直徑d為0.09 m，螺旋外徑與輸送管內表面的間隙λ為0.005 m，傾斜輸送系數Kβ為1，充滿系數Kd為0.4，玉米秸稈單位容積質量0.02 t/m3，螺旋葉片厚度δ為0.003 m，當螺旋轉速nl>709 r/min時，其推進量可達到1.7 kg/s。

3 仿真

3.1 計算模型

桿狀顆粒的離散元模型[18]為

(13)

(14)

式中mk——質量，kg

Ik——轉動慣量，kg·m2

vk——線速度，m/s

Fc——周圍顆粒碰撞力，N

Ff——周圍顆粒摩擦力，N

ωk——角速度，rad/s

Mt——切向碰撞力產生的力矩，N·m

Mn——法向碰撞力產生的力矩，N·m

Mr——滾動摩擦力矩，N·m

g——重力加速度，m/s2

t——時間，s

桿狀顆粒和氣相耦合作用的流體相控制方程為[19]

(15)

(16)

其中

(17)

式中ρf——流體密度，kg/m3

u——流體速度，m/s

p——流體壓力，Pa

fpi——流體和顆粒i間作用力，Pa

kc——計算單元內顆粒數量

τ——液體黏性應力張量，Pa

ε——局部孔隙率

Vi——顆粒i體積，m3

流體-顆粒作用力[20]

fp=-Viρgg+fd

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

式中ρg——顆粒密度，kg/m3

fd——桿狀顆粒i曳力，N

Ai——桿狀顆粒等效體積球截面積，m2

Cd——桿狀顆粒i阻力系數

ui——顆粒i質心處虛擬氣體速度，m/s

vi——顆粒i速度，m/s

εi——顆粒i局部孔隙率

xl——關于雷諾的系數

Rei——顆粒i雷諾數

dV——桿狀顆粒i等效體積球直徑，m

μf——流體黏度，Pa·s

φ——等效體積球與實際顆粒表面積比值

φc——等效體積球截面積與實際顆粒在垂直來流方向投影面積比值

3.2 建立仿真模型及其參數確定

EDEM采用表面網格來描述邊界表面，從而實現與CFD流體網格邊界表面元素點對點耦合。首先使用三維建模軟件Pro/E建立氣力輸送裝置實體模型，然后將Pro/E所產生的實體模型導入到CFD前處理軟件ICEM中，對其進行網格劃分后分別導入到Fluent和EDEM中。在EDEM中采用多球面聚合法建立單個秸稈顆粒模型，由14個直徑為11.2 mm圓球相互重疊構造而成的秸稈離散元模型，長度為10 cm。研究中涉及到的離散元參數主要分為材料參數和接觸參數兩類，材料參數包括秸稈和氣力輸送裝置的密度、泊松比和剪切模量等，接觸參數包括秸稈-秸稈、秸稈-氣力輸送裝置靜、滾動摩擦因數和恢復系數等。其中秸稈密度通過測量獲得。秸稈-氣力輸送裝置的靜、動摩擦因數通過標定得到。其他參數則采用文獻[21-23]中的參數。如表2所示。

表2 仿真參數Tab.2 Parameters used in simulation

EDEM中顆粒工廠每秒生成1.7 kg的秸稈。機具工作時由螺旋輸送裝置將秸稈輸送至風機，則秸稈的初速度由螺旋的結構及轉速確定[24]。

(23)

式中vh——秸稈初速度，m/s

fg——秸稈與螺旋葉片間摩擦因數

rl——螺旋半徑，m

取螺距S為0.2 m，螺旋轉速nl分別為1 500、1 800、2 100 r/min，秸稈與葉片間的摩擦因數fg為0.12，螺旋半徑rl為0.125 m。計算得秸稈初速度vh分別為4.09、4.56、5.17 m/s。氣流入口邊界條件設為速度入口，與秸稈的初速度相同，出口為1標準大氣壓。

3.3 計算結果分析

3.3.1仿真結果與懸浮試驗比較分析

為了驗證CFD-DEM對秸稈在氣流輸送過程中仿真的可行性和秸稈模型在EDEM中參數的合理性，應用CFD-DEM計算秸稈的懸浮速度，并與試驗結果進行比較。結果如表3所示。

由表3可知，仿真懸浮速度與試驗懸浮速度誤差小于10%，說明秸稈參數設置合理，采用CFD-DEM模擬秸稈氣固兩相流計算結果可信。

3.3.2顆粒在管道中的運動分析

在風機轉速為2 100 r/min，秸稈和氣流以5.17 m/s初速度進入風機殼內時，對秸稈在氣力輸送裝置內運動情況進行數值模擬。圖3a、3b分別為仿真時間t=1.2 s時，氣力輸送裝置內秸稈速度分布和氣流場分布。0.3、0.45、0.6 s時隨機選取一個進入氣力輸送裝置的秸稈，其速度隨時間變化曲線如圖4所示。

表3 懸浮速度計算值與實測值比較Tab.3 Comparison of measured and simulated suspension velocity

圖3 秸稈速度、氣流速度分布圖Fig.3 Distribution diagrams of straw and air flow velocity1.風機殼出口 2.拐點1 3.拐點2 4.卸料管道出口

秸稈在給定初速度下，向風機殼內部運動，當秸稈進入風機殼的瞬間，受葉片和氣流作用，其運動方向發生改變，速度會突然減小，然后逐漸增加到最大。當其進入輸送管道時，速度會逐漸減小，經過拐點1時速度會有較大的下降，在拐點1和拐點2中秸稈速度基本保持穩定。經過拐點2后速度再一次下降為進入輸送管道后的最小速度。秸稈在拐點2和卸料管道出口間其運動方向和重力一致，使其速度會有小幅度的提升。從秸稈進入風機內部到被排入掩埋溝內需要0.5 s左右。將秸稈速度監測點設置在風機殼出口、拐點1、拐點2和卸料管道出口處。

圖4 秸稈速度變化曲線Fig.4 Changing curves of straw velocity

3.3.3轉速對秸稈輸送的影響

根據3.3.2節，秸稈進入風機殼時在葉片和氣流共同作用下，速度逐漸增加到最大值，而非氣流單獨作用，所以輸送裝置中加速壓力損失小于計算值，即風機的實際轉速也應小于計算值，葉輪實際轉速應該不大于2 100 r/min。以轉速為1 500、1 800、2 100 r/min和30°葉片彎角進行仿真。3種轉速下4個區域的秸稈速度與氣流速度見表4。卸料管道將秸稈排出后直接送入掩埋溝內，氣流和秸稈末速度不易過大，否則卸料管道出口氣流會將秸稈吹出掩埋溝外，同時消耗功率。1 500、1 800 r/min時秸稈和氣流末速度較小，較為合適。為了保證秸稈輸送的流暢性，秸稈在氣力輸送裝置中應具有一定的速度，否則會導致管道堵塞。而1 500 r/min在拐點2處秸稈的速度僅為3.65 m/s，當秸稈含水率或秸稈覆蓋量較大時，可能會產生堵塞，綜上所述，風機轉速為1 800 r/min時秸稈和氣流速度較為合適。

表4 不同轉速下的秸稈、氣流速度Tab.4 Straw and flow velocity at different fan speeds m/s

3.3.4葉片彎角對秸稈輸送的影響

葉片彎角會影響輸送玉米秸稈初速度和風機排出物料能力。0°、30°、60°彎角如圖5所示。在上述流場中其他條件不變，以轉速為1 800 r/min和0°、30°、60°彎角進行仿真，氣力輸送裝置內4個監測點的速度如表5所示。氣力輸送裝置內秸稈數量如圖6所示。根據表5，0°彎角時秸稈在各個監測點的速度最大，其次是30°和60°，說明0°彎角時秸稈具有最大的輸送速度。根據圖6，0°彎角風機內的秸稈量最多，增幅也最大，說明秸稈隨葉片轉動的數量最多。而30°彎角和60°彎角時風機內部秸稈數量相近。葉輪應盡快將秸稈送入輸送管道減少秸稈在風機內部的停留時間，避免將上拋的秸稈帶回風機，因此0°彎角輸送能力較差[25]。0°彎角時因為秸稈隨葉片運動時間長，秸稈得到充分加速致其輸送速度最大，但是其輸送能力較差，所以不能選擇0°彎角。30°彎角和60°彎角時風機內秸稈數量相近，但30°彎角時秸稈的輸送速度更快，故應選擇30°彎角。

圖5 葉片彎角示意圖Fig.5 Diagrams of blade bending angle

m/s

圖6 秸稈數量變化曲線Fig.6 Changing curves of straw numbers

4 田間試驗

4.1 試驗設備與方法

試驗條件：田間試驗在遼寧省鐵嶺市蔡牛鎮張莊合作社進行，為春季玉米留茬地，留茬高度平均為18 cm，玉米播種行距58 cm，平均株距35 cm。秸稈覆蓋量平均為1.3 kg/m2，土壤為棕壤土，含水率均值17.5%。5 cm深處土壤的平均含水率為14.5%，土壤堅實度為1 258 kPa；10 cm深處土層土壤平均含水率為16%，土壤堅實度為1 294 kPa；20 cm深處土壤平均含水率為19.4%，土壤堅實度為1 344 kPa；25 cm深土壤平均含水率為20%，土壤堅實度為1 495 kPa；通過實地測量，土壤的內摩擦角為36.90°。

試驗主要儀器設備：東方紅LX1000型拖拉機(100 kW);SM-2型高精度土壤水分測量儀(澳作生態儀器有限公司)，測量范圍0.05～0.6 m3/m3，0～40℃時精度為0.05 m3/m3；SC900型土壤緊實度測量儀(澳作生態儀器有限公司)，量程0～5 cm、0～7 000 kPa，最大加載95 kg，分辨率2.5 cm、35 kPa，質量1.25 kg；皮尺、卷尺、直尺等。

試驗方法：基于前述理論分析，葉片彎角和風機轉速對輸送裝置的輸送性能有較大影響，而秸稈覆蓋量則直接影響風機的喂入量，所以試驗的影響因素為葉片彎角、秸稈覆蓋量和風機轉速。因素水平值見表6。田間秸稈覆蓋量1.2 kg/m2對應開溝寬度為310 mm，1.4 kg/m2對應開溝寬度為355 mm，1.6 kg/m2對應開溝寬度為400 mm。試驗指標為深埋合格率，指標越大越好。機具作業速度為0.83 m/s。作業區域長30 m、寬1.8 m，將作業區域內的碎秸稈清理收集后，按試驗所需的秸稈量將秸稈均勻鋪撒在作業區域內，每組試驗重復3次。將作業區域分為5個區，每個區域內隨機選取5個點，以該點為中心畫出180 cm×60 cm的矩形區域采集所需的試驗數據。田間試驗及作業效果如圖7所示。

表6 因素水平Tab.6 Factors and levels

圖7 田間試驗及作業效果圖Fig.7 Photos of field experiment and its operation effect

4.2 試驗指標

該機具主要目的是將秸稈深埋，因此深埋合格率是該機具試驗主要指標。其計算公式為

(24)

式中Y——深埋合格率，%

m1——掩埋深度大于20 cm的秸稈質量，kg

m2——測試區域秸稈質量，kg

4.3 試驗結果分析

試驗方案和結果如表7所示(A、B、C為因素水平值，E為誤差項)，試驗結果方差分析如表8所示。

表7 試驗方案和結果Tab.7 Test scheme and result

表8 正交試驗方差分析Tab.8 Variance analysis result of orthogonal test

注：** 表示差異高度顯著(P<0.01)。

根據表8可知，對深埋合格率影響因素的主次順序為C、A、B，較優方案為A2B1C2。其中葉片彎角和風機轉速對深埋合格率的影響較大。因為機具為全量秸稈還田，秸稈覆蓋量是不可控因素，所以深埋合格率不應受到地表秸稈覆蓋量的影響。本試驗中秸稈覆蓋量對試驗結果影響顯著性不明顯，符合機具的作業要求。

4.4 試驗驗證

在葉片彎角30°、轉速1 800 r/min、秸稈覆蓋量分別為1.2、1.4、1.6 kg/m2條件下進行試驗，深埋合格率為93.2%。改進后的氣力輸送裝置提高了深埋質量，作業流暢，解決了秸稈堵塞問題。試驗結果滿足行業技術要求，能夠實現秸稈深埋還田技術要求。相對于秸稈地表還田深度大，更能夠改善深層土壤結構剖面，如圖8所示，對合理耕層構建有一定意義。

圖8 耕層結構剖面Fig.8 Structural profile of construction of plough layer1.新壟 2.原壟 3.耕層 4.犁底層 5.秸稈層

5 結論

(1)通過對氣力輸送裝置結構設計，得到主要結構參數為：輸送管截面為0.2 m×0.2 m(方形管)；葉輪直徑為0.55 m，葉輪寬度為0.17 m，進氣口直徑為0.26 m，風機殼寬度為0.2 m；螺旋軸直徑為0.09 m，螺旋葉片外徑為0.25 m，螺距為0.2 m，螺旋葉片厚度為0.003 m，螺旋外徑與輸送管內表面間隙為0.005 m。

(2)通過玉米秸稈懸浮速度試驗測得，長度為10 cm玉米秸稈上、中、下部分的懸浮速度分別為10.4、12.3、12.7 m/s，平均值為11.9 m/s，試驗結果與仿真誤差為7%。

(3)通過CFD-DEM氣固耦合方法建立秸稈離散元模型，對不同葉片彎角和轉速對比，研究氣力輸送裝置內氣固兩相流動。研究表明葉片彎角30°、轉速為1 800 r/min時秸稈輸送效果最佳。輸送管道中秸稈最小速度為5.21 m/s，所對應的氣流速度為17～27 m/s；出口處玉米秸稈速度為6.06 m/s，所對應的氣流速度為2～27 m/s。

(4)田間試驗結果表明，機具作業速度為0.83 m/s時，氣力輸送裝置性能參數最優組合為葉片彎角30°，秸稈覆蓋量1.2 kg/m2，風機轉速1 800 r/min。在彎角30°，轉速1 800 r/min，秸桿覆蓋量分別為1.2、1.4、1.6 kg/m2條件進行驗證試驗，深埋合格率為93.2%。通過改進輸送裝置結構參數和風機轉速可以有效提高深埋質量，并解決秸稈堵塞問題。