導向式氣力采摘系統流動特性研究

張全忠，熱合買提江·依明，買買提明·艾尼，2，夏先偉

(1.新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.烏魯木齊佰博機電科技有限公司，新疆烏魯木齊830011)

0 前言

氣力輸送系統是采棉機的重要功能部件，利用它可將采摘頭采摘的棉花通過氣力輸送至集棉箱內。采棉機實際作業過程中，由于采摘頭采摘效率偏低、棉花棉桃早熟較多、采摘頭外圍部件與棉株碰撞等因素會使得部分棉花落地，導致一定的經濟損失。本文作者提出一種導向式氣力采摘系統，是新型的采摘方式，通過在采摘頭前方設計一種新型的吸棉機構吸附棉株上容易脫落的籽棉，以降低落地棉的損失率。

目前，國內外相關學者主要對采棉機輸送系統中管道易塞、輸送不暢采取相關措施，以解決落地棉較多問題。雖然從理論方面進行了優化，在一定程度上提高了采棉機作業效率，但未考慮到容易脫落的棉花，在采棉機工作中引起的相互碰撞易使得籽棉掉落。本文作者針對上述問題，綜合考慮導致棉花落地的諸多因素，對采摘頭導向器進行優化設計，提高采棉機采摘效率、減少落地棉。但是，導向器結構的設計需要有一定的理論基礎，因此通過實際經驗總結設計幾種新型導向式氣力采摘系統，再通過有限元方法對不同的結構模型進行氣流場分析。

1 導向式氣力采摘系統

導向式氣力采摘系統由吸棉系統和輸送系統組成。

1.1 輸棉系統工作原理

負壓式輸送系統是采棉機的主要輸送方式。負壓式輸送系統又稱氣流輸送系統，利用氣流能量，在密閉管道內沿氣流方向輸送顆粒狀物料。氣力輸送系統具有設備簡單、結構緊湊、操作方便、占地較小、安全可靠等優點。該導向式氣力采摘系統由風機、輸棉管道、分流器、吸棉裝置、導向器等組成，在風機提供的負壓吸力作用下將籽棉吸附到吸棉器內，通過輸棉管道把棉花輸送至集棉箱。

1.2 吸棉系統工作原理

采棉機采摘頭前方設有一種扁管狀的導向器，在實際作業過程中起到梳理棉株和撥拉棉桿等作用，但是導向器的存在會將成熟過早的棉花碰撞脫落在地。新型導向式氣力采摘系統是在導向器表面增加幾個吸風口，通過負壓風力吸附容易脫落的棉花，再通過原始的輸棉系統將吸附的棉花輸送至集棉箱。新型導向式氣力采摘系統由吸棉口、吸棉器及輸送管道等關鍵部件組成。氣力采棉裝置結構如圖1所示。

圖1 氣力采棉裝置工作原理

2 導向式氣力采摘裝置建模

2.1 理論計算

設吸力采棉裝置的吸口直徑為,吸棉口速度為(m/s),吸棉口直徑為,給定吸口速度為60 m/s，吸棉口數量為。

(1)

2.2 幾何模型

根據棉花莖稈物理特性可知，吸棉裝置的幾何模型和結構尺寸對導向式氣力采摘系統有很大影響,因此需要確定吸棉裝置幾何模型、結構尺寸和邊界參數。導向式吸棉裝置采用以下4種幾何模型：

導向器總高度為1.2 m、最大寬度為0.4 m,將吸棉裝置設置于導向器內，上端為吸口，其側面設有吸棉口，如圖2所示。

(1)結構1中選用圓形管道為幾何模型，每組管道表面設有10個吸棉口，吸棉裝置由2組圓形管道組合而成，共設有20個吸棉口，因輸送風量在管道內逐漸損失，因此設計吸棉管道直徑逐漸縮小來提高管道內的輸送風力；

(2)結構2中根據導向器的形狀，將吸棉裝置設計為上端小下端大且向前端傾斜一定角度的幾何模型，其吸棉裝置表面設有16個吸棉口；

(3)結構3中選用正方體模型，前表面設有6個吸棉口，后表面連接吸棉管道，其吸棉裝置由3組正方體模型組合而成，共設有18個吸棉口；

(4)結構4中選用圓柱體模型，前表面設有16個吸棉口，后表面連接吸棉管道。

圖2 吸棉裝置主要結構

通過公式(1)可得到不同氣力采棉裝置的邊界參數，如表1所示。

表1 吸棉裝置邊界參數

3 計算方法和網格劃分

3.1 計算方法

考慮到影響氣力采摘系統性能的參數比較多，以采棉機導向式氣力吸棉輸送系統為例；吸棉口處的風速大于棉桃的懸浮速度，忽略風機到吸棉口的風量損 失。氣體在輸棉管道內流動時，認為流體在管道內是湍流流動。根據吸棉裝置的特點，設吸棉裝置內部流場為不可壓、定常且等溫流場，湍流采用-湍流模型，則在直角坐標下相應的控制方程和連續性方程由質量守恒定律推導而來，適用于可壓縮和不可壓縮流動,流場內的氣體流動可用下述模型描述：

連續方程:

(2)

式中：為流體的密度；流體流速。

動量守恒方程：

(3)

-湍流方程：

(4)

3.2 網格劃分

以結構1模型為例，按照不同結構幾何參數建立吸棉裝置結構三維模型，并把模型導入Fluent的前處理軟件Gambit中進行網格劃分。選用四面體單元以自動網格劃分的方式對吸棉裝置模型結構進行網格劃分，生成網格總數約為25萬、網格最大尺寸為5 mm。同時，檢查網格質量為0.85，對質量較差的網格進行修改，從而保證計算的準確性。吸棉裝置網格模型如圖3所示。

圖3 吸棉裝置網格模型

4 結果與分析

4.1 導向式采棉裝置流場分析

采用Fluent數據處理模塊Streamline，分別模擬計算出吸棉裝置模型內部流線、吸棉口速度和壓力分布規律，如圖4、圖5所示。

圖4 4種結構的速度流線分布云圖

圖5 4種結構的壓力分布云圖

由圖4可知：不同結構的吸棉裝置模型對內部速度影響較大，4種結構都采用負壓吸送式，給定吸口速度為60 m/s。由圖(a)可知：當速度取值為20～160 m/s時，管道內流線較為平滑，無湍流形成，但其管道內部流線顏色由綠色轉變為藍色，吸棉口速度由黃色逐漸變為綠色，說明該結構吸棉口速度分布在70～120 m/s之間，吸棉口最值差為50 m/s。由圖(b)可知：當速度取值為20～88 m/s時，吸棉裝置內流線流向清晰可見，無明顯渦流形成，但其內部流線顏色由淡黃色轉變為藍色，吸棉口速度由淡紅色轉變為綠色，說明該結構吸棉口速度分布在50～88 m/s之間，吸棉口最值差為38 m/s。由圖(c)可知：當速度取值為50～80 m/s時，吸棉裝置內流線混亂，有許多湍流形成，其內部流線均為藍色，吸棉口速度基本保持為綠色和淡綠色，說明該結構吸棉口速度分布在56～70 m/s之間，最值差為14 m/s。由圖(d)可知：當速度取值為6～44 m/s時，吸棉裝置內流線平滑，內部無明顯湍流形成，但在吸棉口附近有少量渦流形成，這是因為吸棉口與內部流線相垂直，因此吸棉口流線因改變方向而形成少量渦流，內部流線顏色由紅變為藍色再轉化為淺綠色或淡黃色，吸棉口速度基本呈現出橘黃色，說明該結構吸棉口速度分布在38～42 m/s之間，最值差為4 m/s。

由圖5(a)可以看出：當壓力取值為-12～-2 kPa時，管道內部顏色由淡藍色變為深黃色，吸棉口處壓力顏色變化明顯，說明該結構內部壓力變化較大，其速度變化較大。由圖(b)可以看出：當壓力取值為-6～-1.6 kPa時，吸棉裝置內顏色變化大，吸棉口處壓力顏色變化明顯，說明該結構內部壓力變化大，其速度變化大。由圖(c)可以看出：當壓力取值為-4～-1 kPa時，吸棉裝置內部顏色變化小，吸棉口處壓力顏色變化不明顯，說明該結構內部壓力變化小，內部速度變化小。由圖(d)可以看出：當壓力取值為-1.4～-1 kPa時，吸棉裝置內顏色變化較小，吸棉口處壓力顏色基本為黃色，說明該結構內部壓力變化較小，其速度變化小。

4.2 導向式吸棉裝置吸棉口速度分析

當吸口速度為60 m/s時，選用模型結構中16個吸棉口的速度和壓力分別繪制出吸棉口平均速度和壓力折線圖,如圖6、圖7所示。

圖6 吸棉口平均速度 圖7 吸棉口平均壓力

由圖6可知：吸棉裝置吸棉口速度隨著結構模型的變化而改變，結構1吸棉口平均速度曲線變化率最大，吸棉裝置吸棉口速度最值差為33 m/s；結構2吸棉口平均速度曲線變化率較大，吸棉裝置吸棉口速度最值差為27.3 m/s;結構3吸棉口平均速度曲線變化率小，吸棉裝置吸棉口速度最值差為4.7 m/s，但此結構需要3組模型組合,結構較為復雜;結構4吸棉口平均速度曲線變化率較小，吸棉裝置吸棉口速度最值差為2.4 m/s，基本趨于一條直線。

由圖7可知：結構1吸棉口平均壓力曲線變化率最大，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為4 726 Pa；結構2吸棉口平均壓力曲線變化率較大，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為2 290 Pa；結構3吸棉口平均壓力曲線變化率小，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為334 Pa；結構4吸棉口平均壓力曲線變化率低，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為127 Pa,內部壓力場保持穩定。

綜上所述，前3種吸棉結構內部流場參數變化不定，與理論計算相比，其結構內部壓力產生突變，使得結構內流場不穩定，吸棉口平均速度變化較大，因此前3種結構不適合作為吸棉裝置模型結構；由結構4分析結果看出，其內部流場基本平滑無渦流形成，與理論計算數值相比誤差較低，同時能夠滿足氣力吸棉工作需求。

5 總結

為提高采棉機工作效率，基于導向器的結構與采摘頭工作原理，結合采摘條件，確定導向式氣力吸棉輸送裝置優化模型。為實現氣力吸棉裝置最優吸輸模型，對氣力吸棉裝置設計了相同結構參數下不同的結構模型，并進行了詳細的理論分析、數值建模和仿真分析,得到以下結論：

(1)根據棉株物理特性,通過吸棉裝置的理論計算和數值分析等方法，提出氣力吸棉口吸附速度大于40 m/s，從而保障吸力輸棉系統能夠穩定吸附籽棉且吸棉裝置內無堵塞；

(2)吸棉裝置結構對吸棉口速度和內部流線影響較大，由模型分析結果可知吸棉口速度與理論計算速度相差較大，內部流速存在突變現象，使得吸棉裝置內產生諸多湍流，影響輸送效率；

(3)當吸棉裝置為圓柱體模型時，吸棉口速度與理論相差較小，合理地分配了內部速度與壓力場流線，它具有結構簡單、操作方便、性能穩定、經濟實用等優點。