切段式甘蔗收割機排雜仿真建模方法研究

郭無極,楊 望,溫 翔,楊 堅,莫建霖,曾伯勝,農宏亮

(1.廣西大學 機械工程學院,南寧 530004;2.廣西農業機械研究院有限公司,南寧 530007)

0 引言

含雜率是切段式甘蔗收割機(簡稱收割機)作業質量的重要指標,而含雜率的高低主要受收割機排雜裝置的作業性能影響。因此,排雜裝置作業機理的研究對排雜裝置優化、減少含雜率和提高收割機作業質量具有重要意義。

近年來,國內外學者圍繞收割機排雜裝置進行了一些研究。RP Viator等研究了不同前進速度和排雜風機轉速對排雜效果的影響[1];解福祥等設計了一種排雜裝置的新型風機,并進行了試驗研究[2];黃崢等采用Fluent軟件對 HN4GDL-91 型收割機排雜裝置的內部流場進行了模擬[3];農宏亮等用 SolidWorks 建立了排雜裝置的簡化模型,通過 SolidWorks Flow Simulation 軟件模擬分析了排雜裝置的內部流場情況[4];Wang, FL自制了排雜裝置試驗平臺,并進行三因素三水平正交試驗,以探討風扇轉速、甘蔗進料速率、甘蔗長度對雜質率及甘蔗損失的影響[5],并在試驗臺上進行了6項單因素試驗,以檢驗甘蔗組分的懸浮特性[6]。

目前,排雜裝置作業機理研究匱乏,因此本文利用計算流體動力學CFD(Computational Fluid Dynamics)和離散元方法DEM(Discrete Element Method)的耦合方法,建立收割機排雜裝置作業的耦合仿真模型,并進行物理試驗驗證,為開展排雜裝置作業機理研究提供參考。

1 結構及工作原理

甘蔗蔗葉是收割作業的主要雜質,排雜裝置是去除甘蔗蔗葉的主要設備。排雜裝置可分為集流室、旋轉域與出流室3個部分,如圖1所示。

1.集流室 2.出流室 3.旋轉域 4.切斷輥 5.集蔗斗圖1 甘蔗收割機排雜裝置Fig.1 Excluder devices of sugarcane harvester。

作業過程中,旋轉域風機的旋轉使排雜裝置內產生自下向上的風,蔗料由切斷輥處拋出進入集流室;由于蔗葉相對于蔗稈段具有密度小、滑移速度小等特點,在風壓與風速的共同作用下,蔗葉從排雜裝置出口拋出,蔗稈段則下落至集蔗斗內。

2 仿真模型建立

2.1 幾何模型的建立

建模時,為減少仿真計算時間,做以下化簡:省去螺栓等對流場影響較小的零部件;不考慮殼體厚度,僅保留與空氣介質有接觸的壁面。本文通過SolidWorks建立收割機排雜裝置的幾何模型,導入ICEM進行簡化與幾何清理。清理后的幾何模型如圖2所示。

圖2 排雜裝置幾何模型Fig.2 Geometric model of excluder devices。

甘蔗被切斷后,大致可分為3類:①可用于榨糖的蔗稈段;②屬于雜質且不易被排雜機構排出的蔗尾(碎蔗);③屬于雜質但易被排雜機構排出的蔗葉,如圖3所示。

圖3 蔗料分類Fig.3 Material classification。

建模時,考慮蔗稈段和蔗尾(碎蔗)多為圓柱體,故將其幾何模型建為圓柱;碎葉形狀近似長方體,取長方體作為其幾何模型,測量相關尺寸后建立幾何模型。圖4為蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉及其幾何模型。

圖4 蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的幾何模型Fig.4 Geometric model of sugarcane stems and leaves。

2.2 網格劃分及顆粒填充

在流體仿真中,為了在模擬仿真時盡可能地接近實際情況、方便設置出入口條件,應同時在出入口延伸出流體域,流體域截面積要比出入口面積大[7]。流體域的網格采用非結構網格,為滿足計算精度要求和盡量減少計算時間,生成329萬四面體單元,如圖5所示。通過網格檢驗,正交質量高于0.32,正交偏斜小于0.65,符合仿真要求。

1.集流室 2.旋轉域 3.出流室 4.延伸出口域 5.延伸入口域圖5 網格劃分Fig.5 Mesh generation。

將蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的幾何模型導入EDEM,通過自定義顆粒工廠API填充幾何模型,生成蔗稈段、蔗尾與蔗葉的顆粒模型,如圖6所示。

圖6 蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的離散元模型Fig.6 DEM model of sugarcane leaves and stems。

2.3 材料模型

2.3.1 排雜裝置材料模型

排雜裝置壁面與扇葉均為鋼材,其密度為7 850kg/m3,彈性模量為206GPa,泊松比為0.28。流體為空氣,視為牛頓流體,密度為1.225kg/m3,動力粘度為1.7894e-5N·s/m2。排雜風機正常工作時,其最大轉速為1 700r/min,旋轉域半徑為0.45m,流場內最大流速為80m/s,馬赫數Ma為0.235,小于0.3,視為不可壓縮流體。

2.3.2 蔗稈段及蔗葉本征屬性的測量方法

由于蔗稈段、蔗尾、碎蔗均為甘蔗莖稈的一部分,本文中在本征屬性、接觸參數的測量和標定中將它們按蔗稈段處理。

根據文獻[8-9]中所述方法,通過WDW3100微機控制電子萬能試驗機對蔗稈段進行彎曲試驗、蔗葉進行拉伸試驗求取該種材料的彈性模量,通過天平量筒法測量密度。

2.3.3 蔗稈段、蔗葉與鋼板間接觸參數的測量

根據文獻[10-11]中的測量方法,通過斜板試驗分別測量蔗稈段和蔗葉與鋼板之間的摩擦接觸參數,通過碰撞試驗分別測量蔗稈段-蔗稈段、蔗稈段-鋼板間的恢復系數。

2.3.4 蔗稈段、蔗葉與鋼板間接觸參數的標定方法

根據文獻[11]中的測量方法,進行蔗稈段在鋼箱內的堆積角試驗,將蔗稈段堆積于鋼箱右側由隔板阻擋,迅速抽出隔板使蔗桿自然滑落形成堆積角,通過圖像處理測量堆積角。因摩擦因數與恢復系數主要與物料表面粗糙度、物料材質有關,而受物料形狀影響較小,測量原有尺寸的蔗葉堆積角非常困難,所以將蔗葉裁剪為邊長為20mm的正方形小塊,根據文獻[10]中的測量方法,利用鋼制圓筒進行了蔗葉的堆積角試驗。將圓筒靜置于鋼板上,向圓筒內倒入蔗葉之后垂直提起圓筒使蔗葉滑落形成堆積角,通過圖像處理測量堆積角,如圖7(a)所示。在EDEM中建立上述兩種堆積角試驗模型,仿真結果如圖7(b)所示。根據文獻[11]中的標定方法,采用 L25(56)正交表安排仿真標定試驗,對鋼板-蔗稈段、蔗稈段-蔗稈段、鋼板-蔗葉、蔗葉-蔗葉4組接觸參數進行標定。

圖7 堆積角試驗Fig.7 Accumulation angle test。

通過Python編程進行圖像處理分別獲取物理試驗與仿真試驗的堆積角,如圖7(c)、(d)所示。根據極差法對相對誤差進行分析。

莖稈與蔗葉的摩擦參數參照文獻[10]中仿真斜板試驗的方法進行標定。

2.4 初邊條件

2.4.1 排雜裝置風場模型

風場邊界條件取延伸入口域入口為壓力入口,延伸出口域出口為壓力出口,通過Fluent軟件,采用多參考系模型Multiple Reference Frame(MRF)處理葉片旋轉,設置風機轉速,進行穩態分析。

仿真中重力方向選為z軸負方向,重力加速度為9.81m/s2。湍流模型選用工程上廣泛應用的k-ε模型,壁面處理選用標準壁面函數法(Standard Wall Function)[12]。壓力項選用標準差分格式,速度項、湍流動能項和湍流粘性系數項均采用二階迎風格式。

2.4.2 排雜裝置-蔗稈段-蔗葉耦合系統模型

通過EDEM和Fluent軟件,將顆粒流與流體進行耦合計算的耦合模型有兩種,即Lagrangian模型和Eulerian模型[13]。在排雜裝置作業過程中,顆粒相所占體積較小,故而選用Lagrangian(DPM)模型進行耦合。

將排雜裝置網格導入EDEM,設置重力方向沿z軸負方向,依標定結果設置顆粒材料及其接觸屬性,導入顆粒模板,在排雜裝置切斷輥對應位置設置顆粒工廠,排雜裝置的實體壁面設為鋼材料,設定風機轉速。為達到計算要求,計算步設置小于瑞利時間步的20%。

以上述在Fluent計算得到的風場的穩態仿真結果作為初始條件,設置為瞬態仿真,將旋轉區域及壁面設置由Frame Motion改為Mesh Motion。時間步長取EDEM時間步長的整數倍,一般設在1:10～1:100之間,每個時間步的迭代次數取20～60次。通過耦合接口連接EDEM,耦合模式設為DPM。選擇顆粒相曳力模型為nospherical模型,根據模型與等體積球形的表面積之比設置Shape Factor。耦合模型如圖8所示。

圖8 耦合系統模型Fig.8 Coupled system model。

3 模型的驗證

3.1 穩態風場模型的驗證

正確的穩態風場模型是瞬態風場初始條件,是保證耦合模型正確的基礎,因而在驗證耦合模型前需先進行穩態風場模型的驗證。

因排雜裝置出流室出風口的風速、流量較裝置內部及集流室入口更易測量,故而選取出風口風速及流量驗證穩態風場模型的正確性。出風口測風點共48個,位置如圖9(a)所示。根據行、列將測風點自下向上、自左至右標記為Pi,j,如最下層最左端的測風點記為P1,1。測量時,通過細鐵絲在出風口拉出網格線確定測風點位置,如圖9(b)所示。測量選用加野Kanomax KA23/KA33熱線風速儀,測量精度為0.1m/s,采集頻率為2Hz,每點測量20s,采用時均法求得各測風點平均風速。對1 100、1 400、1 700r/min等3種不同轉速下的出流室出風口風速進行測量。

圖9 風速測量試驗Fig.9 Wind speed measurement test。

風速的測量在廣西農業機械研究院室內進行,設置轉速為1 100、1 400、1 700r/min,在Fluent中進行穩態仿真。對比仿真計算可知:測風點風速與物理試驗測量風速,風速變化趨勢較為一致,轉速為1 100r/min時出風口測風點風速分布圖曲線如圖10所示。對比不同轉速下排雜裝置流量,如圖11所示。

圖10 1 100r/min時出風口風速對比Fig.10 Comparison of outlet air velocity at 1 100r/min。

圖11 不同轉速下出風口流量對比Fig.11 Contrast of outlet flow rate at different rotational speed。

3個轉速下流量誤差均小于10%。通過物理試驗與仿真試驗結果對比,表明該風場仿真方法合理。

3.2 排雜裝置-蔗稈段-蔗葉耦合系統模型的驗證

耦合模型的驗證擬選用田間試驗所測的含雜率與排雜率兩個指標與仿真所得進行對比驗證。田間試驗在廣西崇左市扶綏縣蕾隴村進行,甘蔗品種為粵糖93/159。所選蔗田種植密度均勻,生長情況良好。

根據文獻[6, 14]中方法,將一個周長為4m、長為2m的鐵紗網兜開口端固定于排雜風機出風口,用于收集通過排雜裝置排出的雜物,將帆布平鋪于拋蔗出口下方的作業區間用于收集拋蔗出口墜落物料,如圖12所示。將風機轉速設定為1 700r/min,待收割機工況穩定后實際轉速穩定在1 660r/min,對單行甘蔗進行收割作業,距離為5m,記錄作業時間t。測量網兜中蔗葉質量A、帆布上蔗葉質量B、帆布上蔗尾及碎蔗質量C、帆布上蔗稈段質量D,通過下式計算出排雜率和含雜率,即

圖12 田間收割試驗Fig.12 Field harvesting test。

(1)

(2)

試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果Table 1 Test Result。

排雜率/%含雜率/%蔗稈段喂入速度/kg·s-1雜物喂入速度/kg·s-1蔗葉喂入速度/kg·s-191.23.03.960.111.30。

物理試驗的蔗稈段的平均長度為165.8mm,平均直徑為26.1mm;蔗尾的平均長度為153.6mm,平均直徑為10.22;蔗葉的平均尺寸為184.2mm×8.2mm×0.5mm。依照2.1所述方法建立蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的幾何模型,標定其本征參數及接觸參數。標定結果如表2～表4所示。

表2 蔗稈段及蔗葉的本征屬性Table 2 Intrinsic properties of sugarcane stalk and leaf。

表3 接觸參數Tab.3 Contact parameter。

表4 標定結果Table 4 Contact parameter。

根據田間試驗測量結果設定顆粒喂入速度,顆粒生成位置隨機,結果表明:顆粒初始速度按照切斷輥轉速為260r/min時切向速度計算,沿x方向速度為3.54m/s,z方向速度為2.48m/s,顆粒工廠工作時間為0.1s,風機工作時間為1.1s。

仿真結果如圖13所示。0～0.1s時,顆粒工廠共生成蔗稈段362.4g,蔗尾9.1g,蔗葉128.7g;2s時,仿真系統內物體均恢復靜止狀態,此時362.4g蔗稈段及9.1g不易排出雜質全部掉出集流室,117.0g葉片由出流室出風口飛出,7.8g蔗葉由集流室入口墜落,1.9g蔗葉殘留在排雜裝置內部。通過計算,得到排雜率為84.9%,含雜率為4.4%,而物理試驗的排雜率為91.2%,含雜率為3.0%。仿真試驗和物理試驗結果較一致,表明該模型合理,可用于切段式甘蔗收割機排雜裝置排雜機理的研究。

圖13 耦合仿真結果Fig.13 Coupling simulation results。

4 結論

1)測量了蔗料的本征屬性與接觸參數,標定了蔗料在EDEM中的的接觸參數,得到了蔗料的離散元模型。

2)測量了排雜裝置出風口風速,對比仿真實驗,得到了合理的排雜裝置風場仿真方法。

3)測量了4GZQ180B型收割機田間作業的基本參數,對比仿真試驗,得到了合理的排雜裝置-蔗稈段-蔗葉耦合模型的構建方法。

4)通過該耦合模型,可進一步研究蔗料在排雜裝置中的行為、風場的變化對排雜過程的影響,為切段式甘蔗收割機排雜裝置的優化研究提供依據。