收獲機械貫流風機結構參數優化研究

中圖分類號：S226.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0007-05

Abstract：Toaddressthechallengeoflowwindspeedatthetailendandinsufficientairflowonbothsidesofthefrontend of thecross-flow faninthe windfiledofharvest machinery，thisstudy focusedonthemultifunctionalcombined grain harvester.Key influencing factorswereidentified，including thevolute shape，sidesealing plate，front-end inlet clearance，back-endinlet clearance andupper-endoutlet clearance.Using Fluent fluid simulationanalysisand prototype optimization，each factor was systematicall tested andanalyzed to determine its efect on fan performance. Thegoal was tooptimize the parameters with the most significant impact andtherebyenhance theoverallperformance of thefan.The results showed that the volute shape，side sealing plate，and upper outlet clearance had the most substantial influenceonthewindfielddistribution.Specifically，ading twosidesealing platesincreasedthewindspeedat the front end from 9-10m/s to 12-13m/s . Optimizing the volute shape and adjusting the rear-end upper clearance improved the average wind speed at the tail end from 6-6.5m/s to 6.5-7.5m/s ：

Keywords：harvesting machinery；cleaning device；cross-flow fan；structural parameter optimization；spiral shel

0 引言

貫流風機是利用風機內部偏心蝸特性工作的新型風機，體積小且流場分布均勻。近年來，貫流風機在收獲機中的應用越來越廣泛，如何調整結構參數獲得更大風力，是國內外學者研究的重點方向之一。貫流風機的試驗研究始于法國[1]。我國學者為提高貫流風機效率開展大量科研工作。20世紀80年代，朱永寧等[2]對貫流風機作專題研究，奠定我國貫流風機應用基礎。路修強3采用CFD—DEM耦合仿真技術對小麥聯合收獲機清選裝置的貫流風機風速、傾角等參數進行分析與優化。孫曉曉4利用氣固兩相耦合仿真技術對食葵收獲機清選裝置的風速、振頻、振幅進行分析優化。趙男等[5采用Fluent—EDEM耦合方法分析大豆聯合收獲機清選系統的貫流風機流場。從理論上進一步完善我國貫流風機參數研究。國外Gebrehiwot等采用計算流體力學（CFD）研究橫流開度對具有2個平行出口的前彎式離心風機沿寬度方向流動分布的影響。Sampat等通過改變葉輪和機匣幾何形狀、進口和隔舌間隙來改善性能。Badretdinov等8提出了聯合收割機清洗系統中空氣谷物堆流類別的確定方法，以對清選氣流工作過程進行數學描述。Himeur等9通過流體力學CFD模擬和優化算法結合，得出Eck/Laing貫流風機效率計算公式。發達國家一些農機企業，如CASEAxialFlow6130軸流滾筒聯合收獲機也開始應用貫流風機。

但是，由于貫流風機內部雷諾數和脈動頻率的變化，以及內部特有的偏心蝸現象，對于貫流風機還沒有成熟可靠的設計理論或經驗設計公式。當內部偏心蝸的位置發生變動時，貫流風機內部所有特性就會發生相應改變。在影響貫流風機氣動性能以及流場特性的眾多因素中，風機的結構參數具有決定性作用，因此，優化風機結構設計是提高風機性能的重要途徑[10]

本文針對聯合收獲機械的新型貫流風機流場分布和關鍵部件結構參數，通過Fluent流體仿真和變化影響因子試驗測試，對貫流風機結構進行參數試驗和性能優化，并提出改進建議。

1 貫流風機工作原理

貫流風機由葉輪和蝸殼兩部分組成，其中葉輪主要由葉輪軸、葉片、幅盤組成。李磊等[研究表明，斜風葉風機系統相比于直風葉風機系統具有較高的出風量，本文采用斜風葉片結構，傾斜角度 10^° 。蝸殼主要由風機底殼、左右側板、側密封板、上蓋板、后密封板等組成，葉輪由葉片、幅盤、葉輪軸等組成。葉輪結構通常為多葉片、長圓筒形，葉片呈翼形向前。工作原理如圖1所示，葉輪轉動時，空氣從葉輪蝸殼上方敞開處由葉片帶入蝸殼，當氣流通過葉輪的葉片時，由于翼形葉片的升力作用，氣流的速度會加快，壓力會升高。進而通過外殼的導流作用，將氣流均勻地引導到出口，形成一定的風壓和風量。

貫流風機工作過程中，空氣從葉輪的開口進入，穿過葉輪內部結構，然后從另一側排出。氣流在葉輪內流動情況很復雜，氣流速度場不穩定，通常在葉輪內部形成一個漩渦，稱作偏心蝸。這個漩渦導致葉輪出口處形成循環流，葉輪內部的氣流呈現弧形流線。葉輪外緣上不同點的流速不一致，靠近漩渦舌的速度較高，而接近漩渦舌的速度較低。因此，風機出口處的氣流速度和工作壓力不均勻，風機的流量系數和壓力指數是平均值。在Fluent流體模擬中，運用湍流模型：K—Omega模型，設定風機轉速為 1300r/min ，葉片為72個，葉片傾角為 10^° ，葉輪直徑為 280mm ，殼體寬度為 1200mm ，求解器殘差為0.0002，全局松弛因子為0.75，流體松弛因子為0.9，湍流松弛因子為1.0。貫流風機內部流場模擬如圖2所示。

2貫流風機參數試驗

對某機型多功能聯合收獲機貫流風機實物進行測試試驗，在收獲機現有參數基礎上，對提取的5個蝸殼結構影響因子進行對比測試，通過測試找出風場分布最佳的參數優化方案，提升該機型貫流風機性能。5種結構的參數影響因子位置如圖3所示，分別是：蝸殼優化形狀、側面封板、進風口前端間隙、進風口后端間隙、出風口上端間隙。

風速檢測工具為CEMDT一3880高精度測風儀，測量范圍為 0.1～25.0m/s ，測量精度為 ±5% ，分辨率為 0.01m/s 。測量環境條件：環境溫度為 33^°C ，東南風2級。收獲機風機轉速設定： 1300r/min ，上篩開度為 16mm ，下篩開度為 12mm 。

圖3試驗點位示意圖

試驗步驟：（1）測試當前風場分布圖并建模；（2）變化蝸殼形狀測試風場分布圖并建模；（3）變更兩側封板為全封閉結構測試風場分布并建模；（4）將進風口前端用膠皮密封調小，測試風場分布并建模；（5）調節進風口后端間隙測試風場并建模；（6）調整出風口上端間隙測試風場并建模。通過各結構參數變化對整機風速空氣流場造成的影響可在測試點位體現，測試點位選定在風機吹出后作用的篩面上。為獲得收獲機械清選篩整個篩面流場的分布規律，在收獲機內部振動篩網清選出風位置布置7行7列共49個測試點位，如圖4所示。選取圖4中收獲機篩面后側方向為 X 軸，在 0～1400mm 內分7行；收獲機右側方向為 Y 軸，在 0～1200mm 內分7列；左前側為原點坐標（0，0），右后側坐標為（1400，1200）。由于風速表在檢測過程中顯示值始終變化，為提高分析準確性，同一測試點位讀取記錄3組數據，取平均值作為測試結果。選定點位陣列可組成收獲機工作所需風速變化，形成空氣流場二維平面分布圖，有效反映收獲機內空氣流場的整體和細節變化。

圖4風速測量點位 Fig. 4Wind speed measurement points

3 建模分析

3.1蝸殼優化形狀測試

結合黃馳等[12]對貫流風機蝸殼型線基于遺傳算法進行的優化分析和貫流風機CFD模擬效果對蝸殼形狀進行優化，擴大蝸殼下部出風通道，收窄前部進風通道。如圖5（a）所示，白色透明的部位為變化前蝸殼形狀，深色的部位為變化后蝸殼形狀。變化前對點陣測試風速結果如圖5（b）所示，變化后對點陣測試風速結果如圖5（c）所示。經過對比測試數據得出風速增量如圖5（d）所示，蝸殼改進后各個點位風速均值增加1～4m/s ，平均風速顯著增加。通過形狀對比可知，變化后的底殼空間相較變化前的空間向后側做移動，更利于空氣吸入和吹出，形成更大風力。

3.2 側面封板測試

對風機側面做全封閉處理，使風機左右空間成密閉狀態，如圖6（a）和圖6（b）所示。對比圖6（c）和圖5（c）得出風速增量，如圖6（d）所示。前端兩側風速提升 ，其余各測量點風速變化在 -1～ 2m/s ，橫向風力更加均勻，兩側密封板的添加將前端兩側風場均速由 9～10m/s 提升至 12～13m/s 。可見，風機兩側增加密封板對貫流風機空氣流場分布也有所影響，可以使整個空氣流場風速更加均勻穩定。

圖6側封板密封對風速的影響

Fig.6Influence of side sealing plate seal on wind speed

3.3進風口前端間隙測試

如圖7（a）所示，對風機進風口前端間隙大小調整進行測試，前端間隙由 6mm 減小至 3mm 。對比圖7（b）和圖6（c）得出風速增量，如圖7（c）所示，風機進風口前端間隙調整前后風速變化不大，變化范圍為 -1～1m/s ，微增微減。由此可見，在有限尺寸變化內，風機前端進風口對風速空氣流場變化影響有限。

圖7進風口前端間隙對風速的影響 Fig.7Influence of air inlet front gap on wind speed

3.4進風口后端間隙測試

將風機進風口前端間隙恢復至原始尺寸 6mm ，風機進風口后端間隙由 2mm 增加至 10mm ，進行對比測試，如圖8（a）所示。對比圖8（b）和圖6（c）得出風速增量，如圖8（c）所示，風機進風口后端間隙調整前后風速變化不大，變化范圍為 -0.5～0.5m/s 。由此可見，在有限尺寸變化內，風機后端進風口對風速空氣流場變化影響有限。

圖8進風口后端間隙對風速的影響 Fig.8Influence of the rear end gap of the air inlet on the wind speed

3.5 出風口上端間隙測試

將風機進風口上端間隙恢復至原始設計尺寸2mm ，對風機出風口上端進行間隙調整測試，間隙從5mm 調整至 2mm 和 0mm 分別測試。對比間隙5mm 和 0mm 測試結果得出風速增量，如圖9（d）所示，風機出風口上端調整無間隙后，變化范圍為一 10～ 2m/s ，兩側風速前端由 12～14m/s 減小至 6～ 8m/s 。對比間隙 5mm 和 2mm 測試結果得出風速增量，如圖9（e）所示。風機出風口上端間隙調整至2mm 后，前端風速減小而中后端風速增大，風速變化范圍在 -2～2m/s ，相比于 5mm 間隙，空氣流場前后更加均勻，后端風速提升明顯，尾端均速由 6～ 6.5m/s 提升至 6.5～7.5m/s 。通過試驗結果全方位對比可知，根據收獲機械風速需求特點，可以選擇圖9（c所示空氣流場作為最優選用工況。

圖9出風口上端間隙對風速的影響

Fig.9Influence of the upper gap of the air outlet on the wind speed

4試驗結果與分析

經過多輪測試驗證，結果如表1所示。

表1試驗分析結果Tab.1Experimental analysis results

在收獲機械中，貫流風機的進風口前端和后端間隙參數的變化不會對風速空氣流場造成明顯的影響。而一些參數在毫米單位范圍內變化卻會改變整個風速空氣流場的分布。造成這種變化的原因有3點：（1）蝸殼形狀結構變化前的出風通道過窄，造成空氣出風通道中堆積不暢，增大出風壓力，降低偏心蝸效應，蝸殼形狀變化后情況改善。（2）風機側面增加密封板可有效抵抗環境風力變化對貫流風機性能影響，增大前側主要進風口吸力，在入口位置壓力橫向分布更加均勻。（3）出風口上端間隙密封會導致出風口壓力增大，降低偏心蝸效應，預留間隙可適當降低出風口背壓，出風更加順暢。

5 結論

1）運用Fluent流體仿真模擬貫流風機工作原理，分析偏心蝸和弧形氣流形成機制。從5種影響因子中分析出3種對整機影響較大結構因素：蝸殼形狀、側面增加密封板、出風口上端間隙，其中蝸殼形狀和出風口上端間隙對風場影響最為顯著。

2）通過兩側密封板的添加將兩側風場均速由 9～ 10m/s 提升至 12～13m/s ，蝸殼形狀優化和后端上口間隙調整將尾端均速由 6～6.5m/s 提升至 6.5～ 7.5m/s 。收獲機械在風速大小、風場分布、風場穩定性等方面得到提升，更加適應作業需求。

參考文獻

[1]邱先鈞．貫流風機在聯合收割機中的應用及其設計[J].農業工程學報，2003，19（1）：110—112.Qiu Xianjun. Designandapplication of crossflowblower in combines [J].Transactions of the ChineseSociety ofAgricultural Engineering，20o3，19（1）：110—112.

[2]朱永寧，謝秀英，陶濱友.徑向進氣風扇與篩子配合性能的試驗研究[J].洛陽工學院學報，1986（2）：23-34.

[3]路修強.基于CFD—DEM耦合小麥收獲機清選裝置仿真分析與優化[D].泰安：山東農業大學，2017.

[4]孫曉曉.食葵收獲機清選裝置的設計與試驗研究[D].石河子：石河子大學，2022.