蕎麥潔凈式脫粒裝置設計與仿真

王 浩，霸欣藝，鄭德聰，HUSSAIN Saddam，王 賀，宋海燕

(山西農業大學農業工程學院，山西 太谷030800)

0 引言

蕎麥具有很高的營養價值，隨著人民生活水平的提高，人們對蕎麥的需求量逐漸增加。我國蕎麥種植區域分散，多處種植蕎麥的地區同時種植谷子、小麥和大豆等雜糧作物，且多在山區丘陵等地況復雜地區。受種植規模和區域影響，蕎麥全程機械化水平低，收獲機脫粒裝置含雜率較高[1-3]。傳統收獲機作業殘留大、含雜高、難清理，且效率低。合適的脫粒裝置和高效的潔凈系統是降低蕎麥脫粒含雜率高的關鍵。為了降低含雜率，提高籽粒純凈度，開展蕎麥脫粒機潔凈系統的研究具有重要的現實意義。

近年來，國內外學者對脫粒裝置的清潔系統進行了大量研究。美國研制的HS-48型脫粒機清選設備，設置了雙層清選篩，農作物經過2次篩選，雙層清選篩較好地解決了粗雜余和細雜余摻在一起的問題[2]。丹麥的脫粒機通過調節篩面的角度改變籽粒在篩面上的位置，對清潔籽粒有良好的效果。德國機械產品中設備是封閉的，封閉空間內風量高，降低了機器噪聲，且不易吸入灰塵[4]。南京農業科技所研制的清選機配有雙風道，作物經過2次除雜便可高效除去雜余[5]。5TF-45型胡麻脫粒機清選機構主要由風腔和風機組成，清選過程主要是利用脫出物之間的密度不同和空氣動力學的特性差異進行籽粒分離。

目前，氣吹式清潔系統因其高效的清潔能力成為主流[6]。結合蕎麥籽粒特有的三角錐外形和生長特性，設計一種具有自清潔功能的閉式切流紋桿脫粒裝置，并采用流體動力學仿真技術對潔凈性閉式切流紋桿脫粒裝置風場進行模擬仿真。

1 脫粒裝置及潔凈系統

1.1 脫粒裝置

1.1.1 結構及技術參數

根據蕎麥脫粒和潔凈系統的要求，采用閉式切流紋桿脫粒裝置，總體結構如圖1所示，主要由紋桿脫粒滾筒、柵格凹板、逐稿輪和氣流式潔凈系統等組成。脫粒機外形尺寸為長980 cm×寬48 cm×高450 cm，脫粒滾筒?550 cm×820 cm，逐稿輪?215 cm，D型紋桿6個。氣流式潔凈系統通道在閉式切流紋桿脫粒裝置中單側最多可布置5根，為了結構簡單也可布置4根，需根據仿真結果確定。

1.紋桿脫粒滾筒 2.柵格凹板 3.氣流式潔凈系統 4.逐稿輪圖1 紋桿式脫粒裝置總體結構Fig.1 Overall structure of ribbon threshing device

1.1.2 工作原理

柵格式凹板由橫格板、側弧板和篩條等組成，柵格凹板位于脫粒滾筒的正下方，作用是將脫下的蕎麥籽粒和蕎麥莖稈進行分離，長莖稈經過逐稿器被拋送出去，柵格式凹板上板孔為邊長15 mm的正方形，板孔間隙較大，蕎麥籽粒損失小，板孔不易堵塞，凹板包角采用120°。

紋桿脫粒滾筒通過揉搓和沖擊對作物進行脫粒，斷穗率低，適合麥類作物脫粒。閉式脫粒滾筒的優點是蕎麥作物秸稈不易纏繞進滾筒內[7-9]。

逐稿輪采用封閉式，由4片鋼板焊接而成，直徑215 mm，運轉速度200～500 r/min，約為紋桿脫粒滾筒速度的1/3。逐稿輪和脫粒滾筒的距離為25 mm。作物經過脫粒后，脫出物被拋至分離裝置，為防止秸稈纏繞滾筒，在脫粒滾筒后配有導向裝置即逐稿輪。

脫粒過程：物料在脫粒滾筒的作用下通過入口進入脫粒裝置，閉式脫粒滾筒不斷對物料進行沖擊和揉搓，被脫下的蕎麥籽粒落到柵格凹板，并經過柵格凹板落到抖動篩上。隨著出口間隙逐漸變小，蕎麥作物層逐漸變薄，蕎麥在出口間隙處以1/4的脫粒速度被拋離。

清選脫粒過程中采用的是離心式風機。在清理殘留籽粒時，打開風機，在氣流的作用下，脫粒裝置內形成穩定流場，從而達到潔凈式脫粒的標準。

1.2 潔凈系統

本設計的2個風速入口分別設置在脫粒滾筒上側和左側的旋轉切線方向，通過脫粒滾筒的轉動可帶動清潔氣流更加充分的在脫粒裝置中運轉，從而形成穩定的氣流場，并且能吹走柵格凹板上的殘留籽粒。在每個風速入口處分別設置了4個和紋桿脫粒滾筒方向相同的長820 mm、直徑27 mm的細管路，細管路之間的間隔為60 mm，并分別在每根細管路上方開有直徑12 mm、間隔6 mm的圓孔，用來完成蕎麥脫粒機的清潔。

因為在風機出口的氣流要經過100 mm的管路和4根間隔相同的細管路，再從間隔6 mm、直徑12 mm的一系列圓孔中吹入脫粒裝置風機，所以出風口速度一般大于管路的出口速度。其管路系統示意如圖2所示。脫粒裝置潔凈系統結構如圖3所示。

圖2 管路系統三維示意Fig.2 Pipeline system

圖3 脫粒裝置潔凈系統結構Fig.3 Structure of clean system of threshing device

2 潔凈系統數值模擬

脫出物受到氣流的作用在脫粒裝置風場的運動情況較為復雜。在不同的入口、以不同的風速和不同的入口面積吹進清潔氣流，分析流場速度規律，對脫離裝置潔凈系統的設計和運用具有重要意義。ANSYS Fluid Flow(Fluent)軟件因其強大的仿真模擬功能被各科研機構用來指導生產[10-14]。運用ANSYS Fluid Flow(Fluent)數值模擬基礎理論知識對脫粒裝置風場進行數值模擬，得出速度云圖。

2.1 二維力學模型

如圖4所示，脫粒裝置在GAMBIT中完成建模。建模過程一般采用由點到線再到面的畫法，確定計算域。在脫粒機圖中設定2個風速入口和1個出口，運用布爾運算的操作，實現封閉圖形的加、減和交，完成脫粒裝置二維模型的建立。

圖4 脫粒裝置力學模型Fig.4 Mechanical model of threshing device

2.2 有限元分析模型

ANSYS Fluid Flow(Fluent)能夠完成從模型建立(Geometry)、網格劃分(Mesh)、求解器設置(Setup)和計算求解(Solution)到輸出結果(Results)的全程仿真流程。選擇ANSYS Fluid Flow(Fluent)模塊導入二維模型進行網格劃分。網格分為2種：結構網格質量高，計算機計算時間短，邊界區域容易擬合；非結構網格其節點分布是任意的，對復雜模型有很強的適應性。本設計中大部分計算區域較為復雜，本操作選擇非結構網格[15-16]。

2.2.1 網格劃分

利用ANSYS Fluid Flow(Fluent)系統下的自動網格劃分(Mesh)的最大精度，網格劃分如圖5所示，共劃分出3 844個網格單元，網格質量較粗糙。

圖5 脫粒裝置網格化Fig.5 Threshing device grid

自動網格劃分精度較低，所以在GAMBIT中對模型進行網格劃分，首先將其劃分成幾個小的不規則的圖形，再進行劃分網格，接受GAMBIT為Cooper網格化方法選擇的面，開始進行網格化[17-18]。劃分好網格之后，對網格進行檢查，不準確的網格會影響數值計算仿真模擬的精度和準確性。在本設計中，網格劃分如圖6所示，共有90 677個網格單元，網格質量好，精度高。

圖6 加密后網格Fig.6 Encrypted grid

2.2.2 邊界和初始條件參數設置

送風入口設置在脫粒滾筒上側和左側的旋轉切線方向上，通過脫粒滾筒的轉動可帶動清潔氣流更加充分地在脫粒裝置中運轉，從而形成穩定的氣流場，并且能吹走柵格凹板上的殘留籽粒。在選取的2個氣流入口進行模擬，直至選出1個最佳的入口位置、入口風速和入口面積。

蕎麥單位容積的質量為1 050 kg/m3，蕎麥籽粒的臨界漂浮速度為3.59～7.88 m/s[6]。選取離心式風機對脫粒裝置進行清潔，當滾筒與柵格凹板之間的流場氣流速度大于蕎麥漂浮速度時，可以進行清理。

2.3 仿真試驗及分析

2.3.1 試驗設計

根據蕎麥籽粒的臨界漂浮速度3.59～7.88 m/s，經過前期初步模擬仿真，在清潔管道出口速度<12 m/s時，滾筒與柵格凹板之間的流場速度遠<3 m/s，如圖7所示，小于蕎麥籽粒的最小臨界漂浮速度，難以達到清選要求。而在出口速度>15 m/s時，滾筒與柵格凹板之間的流場速度又會>4 m/s，如圖8所示，大于蕎麥籽粒的最小臨界漂浮速度，會造成過度清選，損失嚴重。

圖7 入口速度為12 m/s時的速度云圖Fig.7 Velocity cloud diagram when entrance velocity is 12 m/s

圖8 入口速度為15 m/s時的速度云圖Fig.8 Velocity cloud diagram when entrance velocity is 15 m/s

通過分析初步模擬仿真的速度云圖信息，確定以12和15 m/s為初始速度進行模擬，設計實驗方案。

方案I：分別以風速12和15 m/s吹入第1入口。

方案II：分別以風速12和15 m/s吹入第2入口。

方案III：分別以風速12和15 m/s同時吹入2個入口。

方案IV：第1入口風速為12 m/s，第2入口風速為15 m/s；第1入口風速為15 m/s，第2入口風速為12 m/s。

2.3.2 試驗結果及分析

依據試驗方案的4個分組，通過ANSYS Fluid Flow(Fluent)分別對每套方案的每種情況進行仿真模擬，試驗結果如表1所示。

表1 仿真試驗結果Tab.1 Simulation test results 單位：m/s

經過分析，前3種方案中滾筒與柵格凹板之間的流場速度均小于蕎麥籽粒的漂浮速度；方案IV中滾筒與柵格凹板之間的流場速度仍然小于蕎麥籽粒的漂浮速度，已接近蕎麥的漂浮速度。若再增加風速則會產生功率浪費，所以改變風速入口面積繼續分析，在保證開放2個風速入口且2個入口風速不相同(第1入風口風速為15 m/s，第2入口風速為12 m/s)的前提下，增加1根通風管，即為增加了0.005 m2的入口面積，其模擬結果如圖9所示。

圖9 增大入口面積后2個入口不同風速速度云圖Fig.9 Clouds of different wind velocity at two entrances after increasing entrance area

由圖9分析可知，在增大風速入口面積之后，脫粒滾筒和柵格凹板之間的清選流場速度為3.8～8.3 m/s，柵格凹板下方的流場速度為7～15 m/s，大于蕎麥籽粒的漂浮速度，且清選流場的不流動區域變少，清選效果更好。因此，增大風速入口面積且2個入風口以不同(第1入風口風速為15 m/s，第2入口風速為12 m/s)的風速吹入清選氣流為最佳方案。

3 結論

為了解決脫粒過程中籽粒殘留和含雜率高的問題，設計了一種具有自清潔功能的閉式切流紋桿脫粒裝置。其中包含2個風速入口，第1個風速入口和蕎麥喂入口在同一側，在氣流的作用下，脫粒裝置風場的氣流橫向流動；第2個風速入口位于脫粒滾筒和逐稿輪的上方，在氣流的作用下，脫粒裝置風場的氣流大體為縱向流動。采用Fluent軟件對脫粒裝置風場進行數值模擬和流場分析，結果表明，在2個風速入口處分別設置5個和紋桿脫粒滾筒方向相同的長820 mm、直徑27 mm的細管路，并分別在每1根細管路上方開有直徑12 mm、間隔6 mm的圓孔，當第1入風口風速為15 m/s，第2入口風速為12 m/s時，脫粒滾筒和柵格凹板之間的流場速度為3.8～8.3 m/s，大于蕎麥籽粒的漂浮速度，柵格凹板下方的流場速度為7～15 m/s，流場內負壓減少，能達到最佳清潔效果。