玉米收獲機(jī)苞葉粉碎風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬與試驗

解福祥， 宋 健， 姜軍生

(濰坊學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 山東 濰坊 261061)

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玉米收獲機(jī)苞葉粉碎風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬與試驗

解福祥， 宋 健， 姜軍生

(濰坊學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 山東 濰坊 261061)

為了解決玉米聯(lián)合收獲機(jī)的苞葉粉碎還田問題，利用ANSYS軟件對軸向進(jìn)風(fēng)的苞葉粉碎風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在試驗臺上進(jìn)行了驗證試驗研究。以苞葉粉碎風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、全壓、靜壓和動壓為試驗指標(biāo)，對風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了單因素試驗。數(shù)值模擬結(jié)果表明，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100、1 400和1 800 r/min三個水平時，風(fēng)機(jī)靜壓平均值分別為151.75、257.18和379.73 Pa，全壓平均值分別為230.09、331.31和454.36 Pa，風(fēng)速平均值分別為9.51、10.56和11.77 m/s。驗證試驗結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100、1 400、1 800 r/min時，出風(fēng)口風(fēng)速平均值分別為8.043、9.79和12.643 m/s；出風(fēng)口動壓平均值分別為76.33、103.7和241.5 Pa；全壓平均值分別為75.83、102.03和214.37 Pa。數(shù)值模擬與驗證試驗結(jié)果一致，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速三個水平中以風(fēng)速為試驗指標(biāo)數(shù)值模擬結(jié)果與驗證試驗結(jié)果近似率分別為84.54%，92.71%，93.12%。

玉米; 苞葉粉碎; 風(fēng)機(jī); 數(shù)值模擬; 試驗

0 引 言

玉米收獲機(jī)械化程度和普及率不高，玉米收獲機(jī)苞葉粉碎還田技術(shù)的水平低下目前已經(jīng)成為制約和阻礙玉米收獲技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素[1-2]。玉米聯(lián)合收獲工藝是適合我國玉米生產(chǎn)體系的機(jī)械化工藝，但普遍存在苞葉粉碎還田困難的技術(shù)難題。針對當(dāng)前玉米聯(lián)合收獲機(jī)苞葉粉碎還田這一難題，對苞葉粉碎裝置中風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究。當(dāng)前風(fēng)機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程技術(shù)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在貫流式、離心式和軸流式三個方面。貫流式風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用于空調(diào)和稻麥聯(lián)合收獲機(jī)清選機(jī)構(gòu)中[3-6]；離心式風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用于吸糧機(jī)、清糧機(jī)和谷物聯(lián)合收割機(jī)[7-10]。軸流式風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用于稻麥聯(lián)合收獲機(jī)和全喂入聯(lián)合收獲機(jī)[11-14]等。苞葉粉碎風(fēng)機(jī)輪在蝸殼中的進(jìn)風(fēng)口方式為軸向進(jìn)風(fēng)，軸向進(jìn)風(fēng)是沿苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪的軸線方向。

1 苞葉粉碎風(fēng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

當(dāng)氣體質(zhì)點進(jìn)入苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪時，以絕對速度v1流經(jīng)苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪葉片進(jìn)口a處，如圖1所示，此時，葉輪正在高速旋轉(zhuǎn)，氣體質(zhì)點同時隨著苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪做圓周運(yùn)動，氣體質(zhì)點的牽連速度為u1,因此氣流以相對速度ω1開始進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪葉片進(jìn)口a處。風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體的圓周速度u1與氣體的相對速度ω1的矢量和即是絕對速度v1。若經(jīng)時間t后，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪葉片a-b轉(zhuǎn)到c-d位置，此時氣體質(zhì)點如果同時運(yùn)動到出口d處，在苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪出口處氣流相對于葉片以相對速度ω2流出葉道，但是因為葉輪出口處具有圓周速度u2，故苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪氣流實際上是以絕對速度v2進(jìn)行流動。風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體的絕對速度v1與氣體質(zhì)點的牽連速度u1構(gòu)成的夾角是θ1，氣體的絕對速度v2與氣體的圓周速度u2構(gòu)成的角度是θ2。

圖1 苞葉粉碎風(fēng)機(jī)內(nèi)流場分析圖

根據(jù)通風(fēng)機(jī)的基本方程式[15]，

(1)

式中:P為苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪對每kg質(zhì)量氣體所做的功，N/m；ρ為氣體密度，kg/m3；v1u為絕對速度v1的周向分速度，m/s；v2u為絕對速度v2的周向分速度，m/s。

利用圖1中進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的速度三角形，運(yùn)用余弦定理得出：

(2)

(3)

根據(jù)式(2)和(3)得出：

(4)

(5)

將式(4)、(5)代入式(1)得：

(6)

式(6)是歐拉方程式的另一種表達(dá)形式。

1.2 苞葉粉碎風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)葉輪安裝在苞葉粉碎裝置通道中。根據(jù)苞葉粉碎風(fēng)機(jī)的安裝位置關(guān)系，參考文獻(xiàn)[16]選取苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪為貫流風(fēng)機(jī)葉輪，其外圈的直徑為200 mm，內(nèi)圈的直徑為170 mm，風(fēng)機(jī)葉輪葉片的厚度為1 mm，長度為490 mm。苞葉粉碎風(fēng)機(jī)蝸殼的作用是凝聚氣流。風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)方式為軸向進(jìn)風(fēng)，蝸殼的最大外徑為290 mm，長度為510 mm，風(fēng)機(jī)葉輪和蝸殼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 苞葉粉碎風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬

2.1 建模條件

對苞葉粉碎風(fēng)機(jī)氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析時，根據(jù)文獻(xiàn)[16],風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別確定為1 100、1 400和1 800 r/min三個水平。苞葉粉碎風(fēng)機(jī)的流體計算所用氣體參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013 25×105Pa， 密度1.205 kg/m3，黏度1.83×10-5Pa·s，運(yùn)動粘滯系數(shù)15.7×10-6m2/s，絕對溫度293 K。

2.2 計算模型的選取

根據(jù)流體力學(xué)可知，在苞葉粉碎風(fēng)機(jī)中氣體速度較低(遠(yuǎn)小于音速)的情況下，由于苞葉粉碎風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體流動過程中的壓強(qiáng)和溫度變化較小，因此將苞葉粉碎風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體密度看做是常數(shù)，是不可壓縮氣體。

3.加強(qiáng)對選拔任用干部工作情況的監(jiān)督檢查。以解決選拔任用干部中的突出問題、提高選人用人的公信度為切入點，重點監(jiān)督檢查被巡視單位違規(guī)違紀(jì)用人、拉票、跑官要官、買官賣官等問題，促進(jìn)被巡視單位防止和克服選人用人上的不正之風(fēng)。檢查的情況要如實向黨委和組織部門匯報和通報，對重要情況，要及時請示報告。對“跑官要官”的，要嚴(yán)肅批評，記錄在案，并取消其被推薦、考察和作為候選人的資格，情節(jié)嚴(yán)重的要進(jìn)行組織處理；對行賄“買官”的，一律先免去職務(wù)，再按有關(guān)規(guī)定處理；對受賄“賣官”的，要依紀(jì)依法嚴(yán)懲；對在民主推薦和選舉中搞拉幫結(jié)派、拉票賄選的，要堅決查處，已經(jīng)提拔的要從領(lǐng)導(dǎo)崗位上撤下來，堅決糾正用人上的不正之風(fēng)。

由于在苞葉粉碎風(fēng)機(jī)內(nèi)流體的流動大多處于湍流狀態(tài)，因此本文將對苞葉粉碎風(fēng)機(jī)進(jìn)行湍流分析。利用ANSYS軟件對風(fēng)機(jī)進(jìn)行流體分析的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[17]。

2.3 網(wǎng)格劃分

首先通過ANSYS軟件對苞葉粉碎風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取自由網(wǎng)格劃分方式，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動流場劃分為19 264個網(wǎng)格，蝸殼流動區(qū)域劃分為8 057個網(wǎng)格，共有19 255個結(jié)點。苞葉粉碎風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.4.1 風(fēng)機(jī)在1 100 r/min時流場分析

圖4是風(fēng)機(jī)在1 100 r/min時，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)靜壓分布、全壓分布、速度分布和速度矢量分布圖。通過風(fēng)機(jī)靜壓分布圖得出，風(fēng)機(jī)由內(nèi)到外靜壓逐漸增大，在蝸殼與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口拐點處，風(fēng)機(jī)靜壓最大，其靜壓值為198～226 Pa。由全壓分布圖可知，風(fēng)機(jī)內(nèi)部全壓分布比較均勻，風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部全壓為負(fù)值，由內(nèi)到外全壓逐漸增大，全壓值為209～254 Pa。速度分布圖表明，在風(fēng)機(jī)葉輪外緣區(qū)域的風(fēng)速最大，蝸殼與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口拐點處，風(fēng)機(jī)風(fēng)速最小，其值為5.59～7.83 m/s。速度矢量分布圖表明，風(fēng)機(jī)風(fēng)速矢量皆流向風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口區(qū)域形成湍流。數(shù)值模擬結(jié)果表明，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)靜壓平均值為151.75 Pa，全壓平均值為230.09 Pa，風(fēng)速平均值為9.51 m/s。

(a)靜壓模擬圖(b)全壓模擬圖

(c)速度模擬圖(d)速度矢量模擬圖

圖4 1 100 r/min時風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬結(jié)果

圖5是風(fēng)機(jī)在1 400 r/min時，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)靜壓分布、全壓分布、速度分布和速度矢量分布圖。通過風(fēng)機(jī)靜壓分布圖得出，風(fēng)機(jī)由內(nèi)到外靜壓逐漸增大，在蝸殼與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口拐點處，風(fēng)機(jī)靜壓最大，其靜壓值為313～375 Pa。由全壓分布圖可知，風(fēng)機(jī)內(nèi)部全壓分布比較均勻，風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部全壓為負(fù)值，由內(nèi)到外全壓逐漸增大，全壓值為301～382 Pa。速度分布圖表明，在風(fēng)機(jī)葉輪外緣區(qū)域的風(fēng)速最大，蝸殼與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口拐點處，風(fēng)機(jī)風(fēng)速最小，其值為6.49～8.12 m/s。速度矢量分布圖表明，風(fēng)機(jī)風(fēng)速矢量皆流向風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口區(qū)域形成湍流。數(shù)值模擬結(jié)果表明，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)靜壓平均值為257.18 Pa，全壓平均值為331.31 Pa，風(fēng)速平均值為10.56 m/s。

(a)靜壓模擬圖(b)全壓模擬圖

(c)速度模擬圖(d)速度矢量模擬圖

圖5 1 400 r/min時風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬結(jié)果

2.4.3 風(fēng)機(jī)在1 800 r/min時流場分析

圖6是風(fēng)機(jī)在1 800 r/min時，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)靜壓分布、全壓分布、速度分布和速度矢量分布圖。通過風(fēng)機(jī)靜壓分布圖得出，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)由內(nèi)到外靜壓逐漸增大，在蝸殼與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口拐點處，風(fēng)機(jī)靜壓最大，其靜壓值為474～595 Pa。由全壓分布圖可知，風(fēng)機(jī)內(nèi)部全壓分布比較均勻，風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部全壓為負(fù)值，由內(nèi)到外全壓逐漸增大，全壓值為444～647 Pa。速度分布圖表明，在風(fēng)機(jī)葉輪外緣區(qū)域的風(fēng)速最大，蝸殼與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口拐點處，風(fēng)機(jī)風(fēng)速最小，其值為10.7～12.8 m/s。速度矢量分布圖表明，風(fēng)機(jī)風(fēng)速矢量皆流向風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口區(qū)域形成湍流。數(shù)值模擬結(jié)果表明，

(a)靜壓模擬圖(b)全壓模擬圖

(c)速度模擬圖(d)速度矢量模擬圖

圖6 1 800 r/min時風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬結(jié)果

苞葉粉碎風(fēng)機(jī)靜壓平均值為379.73 Pa，全壓平均值為454.36 Pa，風(fēng)速平均值為11.77 m/s。

苞葉粉碎風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，風(fēng)機(jī)內(nèi)出風(fēng)口處靜壓、全壓和風(fēng)速逐漸增大。苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速在1 800 r/min時，風(fēng)機(jī)具有較好的效果。葉輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升導(dǎo)致整機(jī)的功耗變大，因此，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)在1 800 r/min時，風(fēng)機(jī)性能最佳，其出風(fēng)口平均值為11.77 m/s。

3 試 驗

3.1 試驗設(shè)備與試驗指標(biāo)

試驗在濰坊學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院實驗室內(nèi)進(jìn)行。試驗設(shè)備為苞葉粉碎風(fēng)機(jī)試驗臺。其他設(shè)備還有，轉(zhuǎn)速測試儀、數(shù)碼相機(jī)、風(fēng)速風(fēng)壓儀(讀數(shù)精度0.1 m/s,0.1 Pa)。

根據(jù)苞葉粉碎風(fēng)機(jī)內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果，風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速分別選取1 100、1 400和1 800 r/min三個水平進(jìn)行單因素試驗。試驗指標(biāo)為風(fēng)機(jī)風(fēng)速、動壓和全壓。研究苞葉粉碎風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)對于風(fēng)機(jī)風(fēng)速、動壓和全壓的影響，通過單因素試驗得出苞葉粉碎風(fēng)機(jī)的最佳參數(shù)。

3.2 試驗結(jié)果與分析

圖7中x軸表示苞葉粉碎風(fēng)機(jī)測量點，y軸表示苞葉粉碎風(fēng)機(jī)風(fēng)速平均值。苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其出風(fēng)口風(fēng)速平均值越大。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)風(fēng)速平均值達(dá)到最大。試驗結(jié)果表明，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100、1 400和1 800 r/min三個水平時，風(fēng)速平均值分別為8.043、9.79和12.643 m/s。

圖7 風(fēng)機(jī)風(fēng)速平均值

圖8中x軸表示苞葉粉碎風(fēng)機(jī)測量點，y軸表示苞葉粉碎風(fēng)機(jī)動壓和全壓平均值。苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，動壓和全壓平均值最大。其5個測量點的動壓平均值依次為：301.83、274.0、215.67、171.83、244.17 Pa。全壓平均值依次為：286.5、221.17、195.67、162.83、205.67 Pa。試驗結(jié)果表明，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100、1 400、1 800 r/min時，出風(fēng)口動壓平均值76.33、103.7和241.5 Pa。全壓平均值分別為75.83、102.03和214.37 Pa。隨著苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，其出風(fēng)口風(fēng)壓平均值逐漸增大。驗證試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，在苞葉粉碎風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速三個水平中風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果與驗證試驗結(jié)果近似率分別為84.54%，92.71%，93.12%。

4 結(jié) 語

通過ANSYS軟件主要對苞葉粉碎風(fēng)機(jī)內(nèi)部的靜壓和全壓進(jìn)行了數(shù)值模擬，而驗證試驗主要測量了出風(fēng)口的動壓和全壓，屬于風(fēng)機(jī)的外部。因此兩組試驗結(jié)果針對風(fēng)壓這一試驗指標(biāo)有差異。根據(jù)以風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為試驗指標(biāo)的試驗結(jié)果可知，數(shù)值模擬結(jié)果與驗證試驗結(jié)果非常接近，近似率達(dá)到90.12%。因此數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可信性，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以得出風(fēng)機(jī)內(nèi)部的性能指標(biāo)，為苞葉粉碎風(fēng)機(jī)下一步的設(shè)計與試驗提供依據(jù)。

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)在1 100、1 400和1 800 r/min時，風(fēng)速平均值分別為9.51、10.56和11.77 m/s，風(fēng)機(jī)靜壓平均值分別為151.75、257.18和379.73 Pa，全壓平均值分別為230.09、331.31和454.36 Pa。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其靜壓、全壓和風(fēng)速越大。風(fēng)機(jī)在1 800 r/min時，風(fēng)機(jī)性能最佳。

(2) 驗證試驗結(jié)果表明，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100、1 400、1 800 r/min時，出風(fēng)口風(fēng)速平均值分別為8.043、9.79和12.643 m/s；出風(fēng)口動壓平均值分別為76.33、103.7和241.5 Pa；全壓平均值分別為75.83、102.03和214.37 Pa。

(3) 驗證試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，苞葉粉碎風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速三個水平中以風(fēng)速為試驗指標(biāo)的數(shù)值模擬結(jié)果與驗證試驗結(jié)果近似率分別為84.54%，92.71%，93.12%。

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Numerical Simulation and Experiment on Bract Smash Fan of Corn Harvester

XIEFu-xiang,SONGJian,JIANGJun-sheng

(School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Weifang University, Weifang 261061, China)

To solve the return land on bract smash of corn harvester, the axial inlet of fan was numerically simulated of bract smash by ANSYS software and verified by experimental research of test bed. The test indexes were taken as bract crush fan speed, total pressure, static pressure and dynamic pressure, and single-factor test was completed by the rotational speed of fan. Numerical simulation results showed that when the fan rotational speeds are 1 100, 1 400 and 1 800 r/min, the mean static pressures of fan outlet are respectively 151.75, 257.18 and 379.73 Pa; total pressure averages are 230.09, 331.31 and 454.36 Pa; the average wind speeds are 9.51, 10.56 and 11.77 m/s. Verification test results showed that when the fan speeds are 1 100, 1 400, 1 800 r/min, the average speeds are 8.043, 9.79 and 12.643 m/s; mean dynamic pressures of outlet are 76.33, 103.7 and 241.5 Pa; the averages of total pressure are 75.83, 102.03 and 214.37 Pa, respectively. The verifying test results are consistent with the numerical simulation, approximate rates which in three levels of fan speed and verify test results reach 84.54%, 92.71%, 93.12%, respectively.

corn; bract smash; fan; numerical simulation; experiments

2015-12-30

國家自然科學(xué)基金項目(51505337)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2014EEP013)；濰坊市科技發(fā)展計劃項目(201301046); 濰坊學(xué)院博士科研啟動基金資助項目(2013BS07)

解福祥(1982-)，男，山東臨沂人，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與試驗研究。E-mail：xfx608@126.com

S 225.5+1

A

1006-7167(2016)09-0101-04