聯合收獲機多風道清選裝置氣流場分布與風機參數優化

寧小波，許 磊，孫春虎，楊漢生

(巢湖學院 機械與電子學院，合肥 238000)

0 引言

聯合收獲機清選裝置是谷物經脫粒分離后物料進行篩分和清選的重要工作部件。在現有的風篩式清選室中，清選風機多為單風道離心風機，盡管該類風機結構簡單、運行穩定，但仍存在產生的氣流方向和速度不能滿足整個篩面篩分物料的要求。此外，隨著現代聯合收獲機朝著大喂入量方向發展，這種傳統的單風道清選室因其風量小、吹散力低等缺點也無法滿足現代聯合收獲機高效率、高質量的收獲要求[1-4]。

目前，歐美大型農機公司(如CASE、CLAAS、John Deere、New Holland等)研制的2388、TUCANO470、988STS和CR980等聯合收獲機清選裝置均采用了多個風機或多風道清選室使清選裝置的作業效率和作業質量獲得提高[5-7]。多風道清選室設計思想是上出風口風道吹散從抖動板落下的物料，使輕雜余直接排出機外，達到對脫粒排出物進行預清選的目的，同時控制振動篩篩前的氣流；下出風口兩個風道則控制振動篩篩中、篩尾的氣流。目前，國內研究人員已經采用CFD技術對清選風機的內部流場進行了分析和研究，但對于多風道清選風機和清選室的整體內部流場數值模擬與清選風機參數優化的研究并不多見[8-13]。

本文通過SolidWorks三維設計軟件建立聯合收獲機多風道清選裝置的實體模型，并利用Ansys Fluent對其內部流場進行數值模擬，獲得壓力與速度等參數的分布圖，在此基礎上改變風機葉片數、葉輪轉速和分風板角度來改善清選裝置氣流場的分布，為多風道清選風機的優化設計提供依據。

1 多風道清選裝置基本參數與結構模型

為了便于建模，以典型結構的雙出風口三風道單風機、單層篩結構的風篩式清選裝置為原型，采用SolidWorks三維設計軟件建立其物理模型。圖1所示為葉片數為4、出風口角度為20°的結構模型。

1.振動篩 2.清選室壓力出口 3.清選室 4.清選室上方壓力入口 5.風機上出風口 6.風機進風口 7.風機葉輪 8.風機蝸殼 9.風機下出風口

模型結構主要包括振動篩、清選室、風機葉輪、風機蝸殼，以及風機進風口、風機上出風口、風機下出風口、清選室壓力入口、清選室壓力出口。

模型中篩面傾角4°，篩子孔徑為10mm，孔隙率為66.8%，篩面前沿距清選室出風口的高度尺寸和軸向尺寸分別為300mm和100mm[4]。風機參考離心風機設計方法[1,14]，采用雙面進氣形式，葉片為平直型，葉片數分別為4和6、出風口安裝角度為20°和25°多種情形，風機葉輪直徑為394mm，進風口直徑為240mm。

2 清選裝置氣流場數值計算

傳統流體機械裝置的設計方法大都來自于大量試驗，試驗工作量繁復且耗費較大。隨著計算流體力學方法的發展，可采用CFD(Computational Fluid Dynamics)技術進行數值計算來模擬流體機械裝置內部的流動狀況，認識流體機械裝置內部的流動規律，為流體機械裝置的優化設計提供可靠的依據，減少試驗的工作量和成本。

2.1 ICEM網格劃分

根據建立的清選裝置物理模型，同時考慮到風篩式清選裝置內氣流場在橫向上具有一定的對稱性，為了降低數值計算時間，此處采用ICEM軟件進行網格化分的清選裝置在橫向寬度上僅取100mm[4,12]，如圖2所示。

圖2 清選裝置網格Fig.2 Cleaning device meshes

2.2 求解方法

根據清選裝置的工作環境，假設低速情況下空氣為不可壓縮流體，同時不考慮粘度和溫度的變化，利用Ansys Fluent軟件對網格模型進行數值計算，湍流模型采用k-epsilon兩方程湍流模型。采用標準壁面函數和分離隱式求解器，選擇SIMPLE算法對清選裝置內部氣流壓力和速度進行耦合計算，迭代次數設置為3 000，收斂殘差設置為1.0×10-5。

2.3 邊界條件設定

將離心風機的蝸殼、清選室的內表面設置為WALL，將葉輪區域設置為Moving Wall，分別給定相應的轉速1 080r/min和1 250r/min，風機出風口角度也分別設置為20°和25°；將工作壓力設置為1個大氣壓(101 325Pa)，風機進風口壓力入口條件給定為220Pa，清選室上方壓力入口的條件給定為100Pa，清選室壓力出口條件給定為0Pa。

2.4 清選裝置正交水平實驗方案的確定

為了獲得風機在不同設計參數下對清選裝置氣流場分布的影響，分別以離心風機的轉速、葉輪的葉片數和風機出風口角度3個設計參數作為實驗因素，對清選裝置內部氣流場進行三因素二水平正交仿真實驗，并考察清選室內部氣流全壓分布和篩面中心篩孔處(A點)、清選室壓力出口中心處(B點)的風速。正交實驗因素及水平如表1所示。

表1 正交實驗因素及其水平Table 1 Factors and levels

3 清選室氣流場壓力與速度分析

根據氣流清選原理[8,11]，要求清選裝置氣流場內壓強波動較小，氣流場變化穩定，同時在篩面上點的氣流速度介于輕雜余(穎殼和碎葉)與籽粒的懸浮速度之間，而出風口的氣流速度則要小于籽粒的懸浮速度。篩孔處的風速若超過癟谷的懸浮速度，則癟谷不能從篩孔落下，但如果篩孔處風速過大，籽粒通過篩孔也會受阻，收獲機的清選性能也會下降；當風速超過谷粒的懸浮速度時，則籽粒不能有效通過篩孔。出風口處風速理論上在保證能將癟谷吹離的前提下，不能超出籽粒的懸浮速度，否則籽粒就可能被吹出機外，清選損失就會增大。根據相關文獻[8,15]，飽滿籽粒的漂浮速度為6.28～8.12m/s，不飽滿籽粒的懸浮速度為4.23～6.82m/s，帶籽粒的小枝梗的懸浮速度為5.68～7.64m/s，輕雜余(穎殼和碎葉)的懸浮速度為2.51～3.12m/s，短莖稈的懸浮速度為4.05～7.82m/s。

3.1 全壓云圖對比分析

設置風機轉速分別為1 080r/min和1 250r/min，風機出風口角度分別調整為20°和25°，風機葉輪葉片數以4片和6片分別建立模型。在上述條件下，對聯合收獲機清選裝置物理模型進行4個水平的全壓云圖數值計算，如圖3、圖4所示。

圖3 葉輪轉速為1 080r/min壓力云圖Fig.3 Total pressure diagram of impeller speed 1 050r/min

圖4 葉輪轉速為1 250r/min壓力云圖Fig.4 Total pressure diagram of impeller speed 1 250r/min

由全壓云圖可知：離心式風機進口處氣流全壓最大，之后沿半徑方向壓力降低，氣流隨風機葉輪的旋轉做離心運動，并沿上、下出風口3個風道進入清選室。清選室內全壓分布是由離心風機和脫粒滾筒旋轉運動所形成的。從全壓云圖的顏色分布可以看出：清選篩上部靠近清選室頂部的氣壓較高，從壓力進口到壓力出口逐漸降低，但降低幅度不大，靠近篩面的氣流壓力較低，有利于籽粒與秸稈、輕雜余的分離。清選篩下部氣壓云圖主要由風機下出風口氣流形成，從云圖顏色部分可以看出：圖3(a)、(b)和圖4(a)、(b)中氣流壓力分布離散，不利于將輕雜余從篩分物中分離；而圖3(c)、(d)和圖4(c)、(d)中氣流從下出風口至壓力出口，并靠近清選篩篩面形成一股氣流，氣流壓力逐步降低，但相對于清選篩篩面下部的其他部位氣流壓力，其全壓較高，有利于將輕雜余從篩分物中分離。圖3(a)、(b)和圖4(a)、(b)中清選室底部渦流現象不明顯，圖3(c)、(d)和圖4(c)、(d)清選室底部均存在一個較大而明顯的渦流，也會有利于清選后籽粒中輕雜余的排出。但在振動篩面交界處，圖4(c)、(d)篩面篩孔處上部低壓區分布較大，不利于籽粒從脫出物中有效分離；而圖3(c)、(d)篩面篩孔處上部低壓分布區域相對較小，有利于籽粒從脫出物中有效分離。因此，根據全壓云圖分析可以得出：清選裝置在葉輪轉速為1 080r/min、出風口角度為25°、葉片數為4或6時，有利于籽粒從脫粒后物料中的有效分離和籽粒的清選。

3.2 速度矢量圖對比分析

由圖5、圖6可以看出：由于葉輪旋轉的作用，空氣流從風機進風口流入，風速較大，在風道與葉輪旋轉邊界的交界處，氣流做離心運動，沿葉片切線方向流出，形成較為流暢的氣流場。清選室氣流場形成由兩部分組成：一部分是由脫粒滾筒帶動作物旋轉形成的氣流進入清選室，主要在篩面上方形成氣流場；另一部份是風機氣流形成的氣流場。對于風機出風口角度為20°的清選裝置，氣流主要在篩面下方流動，并在清選室底部形成局部渦流；而對于風機出風口角度為25°的清選裝置，氣流有小部分進入篩面上部，大部分進入篩面下部，清選室底部存在明顯的渦流。在篩面中部，由于篩面的反射作用，氣流通過篩孔的流量降低，使得篩面中部靠近篩面的氣流減少。在篩面上方的清選空間內，中下部氣流速度較低，上部氣流速度較高。篩面中心篩孔處(A點)、清選室壓力出口中心處(B點)兩處考察點的風速大小詳見表2所示。由表2可以看出：序號3、4、7、8下篩面中心篩孔處(A點)風速較低，有利于籽粒從脫粒滾筒脫出后的物料中有效分離；但根據出風口處風速理論上在保證能將癟谷吹離的前提下不能超出飽滿籽粒的懸浮速度這一要求來看，序號4、7中壓力出口中心處(B點)的風速分別為9.03m/s和8.64m/s，均超出規定的風速，不符合要求。因此，由速度矢量圖對比分析中可以看出：清選裝置在葉輪轉速為1 080r/min或1 250r/min、出風口角度為25°、葉片數為4或6時，有利于籽粒從脫出物中有效分離和籽粒的清選。

表2 仿真試驗分組與考察點速度Table 2 Simulation experiment groups and velocity of inspection points

圖5 葉輪轉速為1 080r/min速度矢量圖Fig.5 Flow velocity vector diagram of impeller speed 1 080r/min

圖6 葉輪轉速為1 250r/min速度矢量圖Fig.6 Flow velocity vector diagram of impeller speed 1 250r/min

綜合多風道清選室全壓云圖和速度矢量圖對比分析的結果，選擇葉片數為4、風機葉輪轉速為1 080r/min、風機出風口角度為25°時，清選裝置有利于籽粒從脫出物中有效分離和籽粒的清選。

4 結論

1) 針對現代聯合收獲機多風道清選裝置的設計特點，以典型結構的雙出風口三風道單風機、單層篩結構的風篩式清選裝置為原型，采用SolidWorks三維設計軟件建立其物理模型。

2) 以離心風機的轉速、葉輪的葉片數和風機出風口角度3個設計參數作為實驗因素，對清選裝置內部氣流場分布進行三因素二水平正交仿真實驗。實驗結果顯示：多風道清選室在設計參數為葉片數為4、風機葉輪轉速為1 080r/min、風機出風口角度為25°時，清選裝置將有利于籽粒從脫出物中有效分離和籽粒的清選。