導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)流動特性結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗

張全忠，熱合買提江·依明，2，買買提明·艾尼,3

(1.新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047； 2.新疆大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；3.烏魯木齊佰博機電科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

引言

采棉機在實際作業(yè)過程中，因部分棉花棉桃早熟較多、采摘頭采摘效率偏低、采摘機部件與棉株碰撞使得部分棉花落地等因素導(dǎo)致采摘率較低，從而對農(nóng)民的經(jīng)濟造成一定損失[1-2]。因此，降低采收成本，提高機械化水平是當(dāng)前棉花采摘行業(yè)一個重要的技術(shù)問題。目前國內(nèi)棉花采摘方式主要有水平摘錠式、垂直摘錠式、刮板毛刷式、梳齒式等幾種采摘方式，每種采摘方式各有優(yōu)缺點[3-4]。本研究提出一種新型導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)，是在采摘頭原有的導(dǎo)向器基礎(chǔ)上增加吸棉功能，通過導(dǎo)向器新增的吸棉功能將即將脫落的棉團吸附在內(nèi)，依次來降低落地棉所導(dǎo)致的損失。目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要是對采棉機輸送系統(tǒng)中管道容易堵塞、輸送不暢等問題進(jìn)行研究，以解決落地棉較多問題[5]，如楊紅杰等[6]對統(tǒng)收式采棉機氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部流場動力學(xué)研究，根據(jù)物料物理特性確定風(fēng)速風(fēng)壓，同時在輸送管道內(nèi)設(shè)計一種除雜裝置；田虎楠等[7]將各種不同類型的物料輸送系統(tǒng)進(jìn)行比較，對梳齒式采棉機輸送管道內(nèi)部出現(xiàn)物料現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)；木合塔爾·克力木等[8]對垂直摘錠式采棉機風(fēng)機內(nèi)部流場和輸送管道彎曲程度與輸送風(fēng)量的關(guān)系進(jìn)行研究。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要對采棉機輸送系統(tǒng)中管道易堵塞、輸送不暢等問題，采取了優(yōu)化設(shè)計、氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化等多種研究，并在一定程度上提高了采棉機作業(yè)效率[9-10]。大部分未能考慮到容易脫落的棉花，在采棉機工作中相互碰撞引起的籽棉掉落問題。

針對上述問題，綜合考慮落地棉諸多因素，對采摘頭導(dǎo)向器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高采棉機采摘效率降低落地棉多等問題。但是導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要有一定的理論基礎(chǔ)，通過實際經(jīng)驗總結(jié)設(shè)計了幾種新型的導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)，再通過有限元方法對不同的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了流場分析。

1 導(dǎo)向式氣力采摘工作原理

1.1 采摘系統(tǒng)工作原理

采棉機采摘頭前方設(shè)有一種管狀的導(dǎo)向器，實際作業(yè)過程中起到梳理棉株和撥拉棉桿等作用，但是導(dǎo)向器的存在會將成熟過早的棉花碰撞脫落在地等缺點。新型導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)由吸棉裝置和導(dǎo)向器組合而成，是在導(dǎo)向器表面增加有序排列的吸風(fēng)口，通過負(fù)壓風(fēng)力將容易脫落的棉花吸附在內(nèi)，新型導(dǎo)向式吸棉系統(tǒng)由吸棉口、吸棉器及輸送管道等關(guān)鍵部件組成，采棉機通過輸棉系統(tǒng)將吸附的棉花輸送至集棉箱。氣力采棉裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.風(fēng)機 2、4、6.輸棉管 3、5.分流器 7.棉絮 8.右吸棉器9.輸送管道 10.采摘頭 11.中間吸棉器 12.吸棉口 13.導(dǎo)向器圖1 氣力采棉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 輸送系統(tǒng)工作原理

負(fù)壓吸送式輸棉系統(tǒng)是吸棉裝置主要的輸送方式，吸送式輸送系統(tǒng)又稱氣流輸送系統(tǒng)，利用氣流在密閉管道內(nèi)沿氣流方向輸送顆粒狀物料。氣力輸送裝置具有設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、占地較小、安全可靠等優(yōu)點，本導(dǎo)向式吸棉裝置輸棉系統(tǒng)由風(fēng)機、輸送管道、分流器、集棉倉等部件組成，在負(fù)壓風(fēng)機吸附力的作用下將籽棉吸附到集棉倉內(nèi)，通過輸送管道輸送至集棉箱內(nèi)，輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

2 棉花的物理特性測定與分析

2.1 測定設(shè)備

卷尺(量程0～3 m,精度1 mm)，直尺(量程0～200 mm,精度1 mm)，數(shù)碼相機。

2.2 測定方法

參考農(nóng)業(yè)田間試驗方法，結(jié)合棉花生長區(qū)域，選擇棉株生長均勻處。選擇500 m×500 m的采集樣本區(qū)，在采集樣本區(qū)隨機設(shè)定5個子樣本區(qū)，每個子樣本區(qū)連續(xù)采集100個樣本，共計500個樣本，通過數(shù)理統(tǒng)計分析出棉株高度、棉鈴生長區(qū)域及棉絮直徑、棉鈴生長高度等物理特性。

2.3 試驗統(tǒng)計指標(biāo)與結(jié)果

試驗統(tǒng)計指標(biāo)主要包括平均數(shù)、方差、標(biāo)準(zhǔn)差，其計算見式(1)～式(3)[11]：

(1)

(3)

S2—— 所有樣本的方差

S—— 所有樣本的標(biāo)準(zhǔn)差

如表1所示，棉株高度指棉株頂端到地面的實際高度，棉鈴高度指棉株中棉花最高端到地面的實際距離和棉花最低端到地面的實際距離，棉鈴生長區(qū)域指棉花在棉株中實際分布位置，測得生長在200～500 mm 中的平均數(shù)量為5.2，500～900 mm中的平均數(shù)量為6，900～1200 mm中的平均數(shù)量為0.8，棉絮直徑指棉花的實際直徑。

表1 棉花基本物理特性

3 氣力采摘裝置氣流場數(shù)值建模

3.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)氣力輸送的特點，設(shè)吸棉裝置內(nèi)部流場為不可壓、定常且等溫流場，湍流采用k-ε湍流模型[12]，則在直角坐標(biāo)下相應(yīng)的控制方程、連續(xù)性方程由質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)而來，適用于可壓縮和不可壓縮流動,流場內(nèi)的氣體流動可用下述模型描述：

(1) 連續(xù)方程：

(4)

(2) 動量守恒方程：

(5)

(3)k-ε湍流方程：

(6)

式中, ▽·u—— 在速度分量中偏導(dǎo)數(shù)

ρ—— 流體密度

t—— 時間

u—— 流體速度

g—— 重力產(chǎn)生的加速度

k—— 湍流能

μ—— 動力黏度

ε—— 湍流耗散率

G—— 動能產(chǎn)生項

3.2 理論計算

設(shè)吸力采棉裝置的吸孔直徑為d，吸棉孔速度為40 m/s，吸棉管道直徑為D，其速度為60 m/s，吸棉孔數(shù)量n，其通過公式(7)得到吸盤不同參數(shù)，計算結(jié)果如表2所示。

(7)

3.3 幾何模型

根據(jù)棉花物理特性的研究可知，吸盤的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)對導(dǎo)向式吸棉裝置有一定的影響，需要確定吸棉裝置模型幾何尺寸和邊界參數(shù)，導(dǎo)向式吸棉裝置采用一種盤狀結(jié)構(gòu)，是由圓柱體、圓錐和管道組成。圓柱體直徑為1.2 m，高度為0.1 m，圓錐高度H為0.1 m，如圖2所示。

圖2 吸棉裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及流動方向示意圖

不同結(jié)構(gòu)主要參數(shù)，如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)主參數(shù)

為了獲取比較合理的吸棉裝置結(jié)構(gòu)，以吸棉裝置錐體幾何尺寸、吸口速度及吸口直徑為設(shè)計變量，首先在保證吸盤其他參數(shù)不變的情況下，改變吸盤錐體幾何高度H，建立了6種不同的結(jié)構(gòu)；其次選用錐體高度為0.1 m，改變吸棉口直徑及速度結(jié)構(gòu)主要幾何參數(shù)如表3所示。

表3 吸盤邊界參數(shù)

3.4 網(wǎng)格劃分

按照不同結(jié)構(gòu)參數(shù)建立吸棉裝置三維模型，并通過Gambit網(wǎng)格處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。自動劃分網(wǎng)格、四面體單元，網(wǎng)格數(shù)量大約26萬，網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值為0.85，對質(zhì)量較差的網(wǎng)格進(jìn)行修改，從而保證計算的準(zhǔn)確性[13]，如圖3所示。

圖3 吸盤網(wǎng)格模型

4 結(jié)果與分析

4.1 導(dǎo)向式采棉裝置流場分析

數(shù)值模擬采用Fluent對吸棉裝置內(nèi)部流場數(shù)值模擬，再用Fluent軟件的Streamline模塊提取吸棉裝置流體域和吸棉口的速度云圖和壓力云圖[14]，如圖4所示。

如圖4a矢量圖所示，從吸棉裝置結(jié)構(gòu)6可以看出，矢量圖中吸棉口的流速大于40 m/s；吸棉裝置區(qū)域3速度大部分接近26 m/s，吸棉裝置區(qū)域2的流速接近8 m/s，說明最小流速都達(dá)到棉絮懸浮速度[7]。

圖4 吸盤云圖

如圖4b跡線圖所示，氣流所形成的跡線沿著吸棉口方向進(jìn)入吸棉裝置內(nèi)，形成一個流線區(qū)域經(jīng)由輸棉管道流出。如圖4c跡線圖主視圖所示，流線自吸棉口開始匯集到輸棉管內(nèi)，流線光滑無渦流形成。

當(dāng)吸口速度設(shè)定為60 m/s的吸力時，其吸棉口速度變化規(guī)律如圖4d、圖4e速度云圖所示，截取吸棉裝置中間面觀察其內(nèi)部流場分布情況，輸棉管道內(nèi)速度均大于44 m/s，吸棉裝置內(nèi)速度層次分明，均大于棉花松散狀態(tài)下的漂浮速度8 m/s，無渦流形成，由端面速度可以看出，吸棉口速度均在42 m/s且分布均勻，達(dá)到理論設(shè)計要求。

當(dāng)吸口速度設(shè)定為吸力60 m/s時，截取吸棉裝置中間平面觀察其內(nèi)部壓力分布情況，輸棉管道內(nèi)壓力均大于1500 Pa，吸棉裝置內(nèi)壓力分布如圖4f、圖4g壓力云圖所示，內(nèi)部壓力均大于1000 Pa，由端面壓力可以看出吸棉口壓力均在1000～1150 Pa之間。

4.2 導(dǎo)向式吸棉裝置結(jié)構(gòu)性能分析

圖5為吸棉裝置改變錐體高度下的平均速度關(guān)系曲線圖，圖6為吸棉裝置改變錐體高度下的平均壓力關(guān)系曲線圖。通過分析圖5結(jié)果可知，吸棉裝置內(nèi)部流場流體速度隨著錐面高度的增加而變化，當(dāng)錐面高度為40 mm時吸棉口平均速度變化率大，吸盤內(nèi)部流場不穩(wěn)定，因此此種結(jié)構(gòu)不能夠完成正常的氣力采摘工作。當(dāng)錐面高度為0，20，60，80，100 mm時，吸棉口平均速度變化率較小，吸棉裝置內(nèi)部流場能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)流狀態(tài)，吸棉裝置設(shè)計達(dá)到理論要求。

圖5 吸棉口平均速度關(guān)系曲線圖

圖6可知，隨著錐面高度的增加，吸棉口負(fù)壓值相應(yīng)的改變，當(dāng)錐面高度為40 mm時，吸棉口平均壓力變化率大，吸棉裝置內(nèi)部負(fù)壓變化較大，因此此種結(jié)構(gòu)不能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部負(fù)壓工作要求；當(dāng)錐面高度為0, 20, 60, 80, 100 mm時吸棉口平均負(fù)壓變化率較小，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 吸棉口平均壓力關(guān)系曲線圖

為了獲取比較合理的吸棉裝置結(jié)構(gòu)尺寸，由式(1)～式(3)計算出總體吸棉口平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差，如表4、表5所示。

通過表4可知，不同結(jié)構(gòu)下，當(dāng)吸棉裝置吸口速度為60 m/s時，吸棉口總體速度平均值變化率較小。由方差和標(biāo)準(zhǔn)差可知，當(dāng)吸棉裝置錐體面高度為100 mm時吸棉口平均速度變化率最低，氣力吸棉裝置吸棉效果最佳；吸棉裝置錐體面高度為80 mm時吸棉口平均速度變化率較小，氣力吸棉裝置效果次之。

表4 吸棉口平均速度離散程度 m/s

通過表5可知，不同結(jié)構(gòu)下，當(dāng)吸棉裝置吸口速度為60 m/s時，吸棉口總體壓力平均值變化率較小。由方差和標(biāo)準(zhǔn)差可知，當(dāng)吸棉裝置錐體面高度為100 mm時吸棉口壓力變化率最低，氣力吸棉裝置吸棉效果最佳；吸棉裝置錐體面高度為80 mm時吸棉口壓力變化率較小，氣力吸棉裝置效果次之。

表5 吸棉口平均壓力離散程度 Pa

4.3 數(shù)值計算與風(fēng)洞試驗誤差對比

理論速度是在簡化物理模型的基礎(chǔ)上所得到的結(jié)果，與實際速度值有一定的誤差，為了確保理論計算數(shù)據(jù)可靠性，建立了吸棉裝置實體模型，同時搭建了吸棉裝置可控性風(fēng)速風(fēng)壓氣力試驗平臺，測試平臺結(jié)構(gòu)及原理如圖7所示。

1.風(fēng)速儀 2.吸棉裝置模型 3.風(fēng)機 4.控制器圖7 吸棉裝置速度場測試試驗臺

測試平臺風(fēng)機流量4700 m3/h，全壓13.2 Pa，轉(zhuǎn)速可用CFC610變頻器調(diào)節(jié)0～2900 r/min范圍；調(diào)節(jié)吸棉裝置吸口風(fēng)速為25，20，15 m/s時，測得各個吸棉口的風(fēng)速，風(fēng)速計安裝在三腳架上，三腳架高度調(diào)節(jié)范圍20～12000 mm。

通過調(diào)節(jié)吸棉裝置吸口的速度值，以吸棉口橫截面幾何中心為測試點，測試出16個吸棉口數(shù)據(jù)，每個吸棉口測試3組數(shù)據(jù)求其平均值。本試驗測試選用錐面高度為100 mm的吸盤模型，改變吸口速度為25，20，15 m/s，試驗值與理論計算值對比圖如圖8所示。

圖8 試驗值與理論計算值對比圖

通過圖8可知，在理想狀態(tài)下，吸棉口速度數(shù)值分析與理論計算結(jié)果基本吻合，但在實際試驗中，因吸棉裝置壁面的粗糙度及密封性，在氣體流動時，氣體黏附于吸棉裝置壁面，從而產(chǎn)生摩擦壓損和進(jìn)口壓損，測試中的誤差和設(shè)備精度，導(dǎo)致吸棉口速度降低，與理論值相差較大，需進(jìn)一步改進(jìn)。

吸棉裝置數(shù)值分析和實測數(shù)據(jù)結(jié)果，如表6所示，內(nèi)部流體速度隨著風(fēng)速的增加而增大，吸棉口模擬值與試驗值相差較大，實際中考慮測速儀誤差值、試驗平臺尺寸精度及邊界條件等偏差引起較大能量損失，但其吸棉口的模擬與試驗方差均小于1，各個吸棉口速度相對誤差較小，即確定吸棉口理論計算結(jié)果基本吻合實測結(jié)果，表明以上吸棉裝置的數(shù)值建模方法可行和數(shù)值計算結(jié)果可靠。

表6 試驗值與理論值吸棉口平均速度離散程度

5 結(jié)論

為提高采棉機工作效率，基于導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)與工作原理，結(jié)合采摘頭采摘條件，確定導(dǎo)向式氣力吸棉輸送裝置優(yōu)化模型。為了實現(xiàn)氣力吸棉裝置最優(yōu)吸輸模式，本研究對氣力吸棉裝置計入了不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件，進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析、數(shù)值建模、仿真分析和必要的試驗測試，得到了以下結(jié)論：

(1) 通過理論計算、數(shù)值分析和試驗測試等驗證吸盤吸棉口平均速度。分析提出氣力吸棉時吸棉口吸附速度大于40 m/s，從而保障吸力輸棉系統(tǒng)能夠穩(wěn)定吸附籽棉，為今后的吸力輸棉系統(tǒng)設(shè)計提供了參考；

(2) 改變吸棉裝置結(jié)構(gòu)尺寸，對吸棉裝置吸棉口速度影響較大，隨著吸口速度的增加吸棉口速度相應(yīng)提高，改變吸棉裝置錐度尺寸來提高吸棉裝置吸棉口平均速度離散型；

(3) 吸棉裝置吸口速度須達(dá)到40 m/s以上，保證輸送管道無泄漏、無堵塞，吸棉裝置不同錐度情況下合理分配吸棉裝置內(nèi)部速度場。