花生撿拾收獲機降塵系統設計與試驗

劉 斌,尚書旗,譚 營,王東偉,何曉寧,周子涵

(青島農業大學 機電工程學院 ,山東 青島 266000)

0 引言

花生在我國的種植面積和產量均位于世界前列,2020年,花生產量高達1799.27萬t[1],而傳統人工收獲已難以應對如此巨大的收獲作業,故花生收獲機械化得到快速發展。目前,我國花生機械化收獲主要有兩種作業形式,分別為聯合收獲作業和兩段式收獲作業。兩段式收獲因收獲品質好、作業效率高被廣泛使用,如花生撿拾收獲機是兩段式收獲的作業機器[8-9];但使用花生撿拾收獲機進行收獲作業時花生秧基本已干,收獲過程中需要將夾帶著大量塵土的花生秧粉碎后利用風機吹送至集秧箱,集秧箱出風口處會產生數十米高的揚塵,對收獲機壽命、駕駛員及周邊村民健康都會產生不利影響,且嚴重污染環境。

在我國花生主產區,如河南省、山東省,收獲粉塵已成為重要空氣污染源。目前,我國花生撿拾收獲機大多缺乏降塵裝置,僅有少數企業研發的針對農業機械的降塵裝置還在試驗階段,所以解決花生收獲時造成的粉塵污染問題迫在眉睫。

國外最早在20世紀末開始致力于農機降塵的研究,主要是降低堅果收獲產塵量[12]。Law針對杏仁等堅果收獲時產生的粉塵,設計了一種低塵堅果收獲機,在收獲機上加裝分離降塵器和靜電除塵器,前者用于去除PM10等大粒徑粉塵,后者主要針對PM2.5等小粒徑粉塵,靜電除塵器通過帶電噴霧使粉塵荷電,再利用靜電場分離粉塵[2];但是堅果產塵特性與花生存在差異,收獲環境與國內也存在不同,且靜電除塵器成本較高,無法適應我國花生撿拾收獲機的降塵需求。國內已有對花生撿拾收獲機的降塵研究。王申瑩設計了一種花生撿拾收獲機降塵裝置,主要由揚塵回收管和勻風裝置組成。工作時,揚塵回收管一端與集秧箱頂部排氣口相連,另一端通過勻風裝置與振動篩和摘果裝置相連,且降塵裝置可以改變集秧箱廢氣排放方向,降低揚塵排放高度[3]。高宏林等人設計的花生撿拾收獲機降塵裝置通過安裝噴頭,在預定范圍進行噴淋,實現了降塵[4]。

為此,以市場上廣泛使用的花生撿拾收獲機為研究對象,設計了一種適用于4ZJH-2500型花生撿拾收獲機的降塵系統,并通過仿真分析和田間試驗,確定最優結構參數和工作參數,從而進一步完善我國農業機械降塵領域技術體系。

1 降塵系統總體設計

1.1 粉塵特性分析

在花生撿拾收獲機降塵系統設計中,需要分析收獲機作業時產生的粉塵特性及在不同區域粉塵質量濃度值,以此獲得降塵系統設計依據。

利用粉塵濃度檢測儀對花生撿拾收獲機進行收獲作業時產生的粉塵質量濃度進行檢測,結果如表1所示。

表 1 不同收獲機速度下各區域PM10粉塵質量濃度檢測結果Table 1 Detection results of PM10 dust mass concentration in different regions at different harvester speeds

利用激光粒度儀[5]對粉塵粒徑進行分析,得出花生收獲產生的粉塵粒徑范圍為0.1～130μm,中位粒徑為22.6μm,粒徑為17μm的粉塵占比最大,粒徑在100μm以下粉塵占比為91%,此類粉塵是造成空氣污染的主要原因,粒徑在10μm以下和2.5μm以下粉塵分別占44.5%和7.5%,當人體吸入這類粉塵時會造成呼吸道和肺部相關疾病。

根據粉塵在收獲機不同位置的質量濃度值及粉塵粒徑,采用旋風除塵器加噴淋裝置復合的降塵系統,用于集秧箱降塵。

1.2 降塵系統結構組成

設計的降塵系統結構由旋風除塵器、噴淋裝置組成,安裝于花生撿拾收獲機集秧箱尾部,并根據樣機參數在制圖軟件Solidworks中進行三維建模,如圖1所示。

1.進風箱 2.水管 3.箱體 4.進風口 5.噴淋管 6.旋風除塵器 7.出風口 8.污水排放口 9.集灰箱圖1 降塵系統三維模型Fig.1 Three-dimensional model of dustfall system

1.3 旋風除塵器結構設計

旋風除塵器設計需要與氣力輸送工藝參數相匹配,風機配置、含塵氣量、壓力參數需要與旋風除塵器的直徑、長度相匹配[6-7],具體結構參數[11]如表2所示。

表2 旋風除塵器主要結構參數Table 2 Main structural parameters of cyclone dust collector

1.4 降塵原理

降塵系統工作過程:花生撿拾收獲機發動機啟動,動力通過變速箱傳遞到風機轉動軸,帶動風機葉片做高速旋轉,形成負壓氣流;夾帶著大量塵土的破碎秧蔓通過風機被吹送至集秧箱,集秧箱與降塵裝置中間設有濾網,以攔截少量碎秧蔓,含塵氣流穿過集秧箱進入降塵系統中。

降塵系統過濾原理[14]:含塵氣流通過進風箱切向進入旋風除塵器,受入口速度、動量兩重影響會高速旋轉形成較大離心力;而粉塵的慣性比空氣大,故粉塵受到指向壁面的離心力作用,隨著氣流貼著旋風除塵器壁面螺旋向下,發生徑向位移。含塵氣流在直筒段和錐筒段形成雙渦分離模型,氣流運動至錐筒段時會轉為向上的內旋渦,致使脫塵后的氣流從旋風除塵器頂部排氣管排出,粉塵滑落至集灰箱[10]。

據粉塵濃度檢測儀檢測發現,粒徑在5μm以下的粉塵無法被分離,會在錐筒末端隨著脫塵氣流折返,從頂部排氣管排出[16-17]。

噴淋裝置的工作過程:在進風箱內布置水管,水泵將水打入水管中,通過噴頭進行噴淋,噴出的水霧捕集粒徑小于5μm的粉塵,且進風箱中的水管可以吸收含塵氣流中的熱量,間接降低收獲機溫度,提高使用壽命。

2 旋風除塵器氣流場仿真分析及優化

為保障降塵系統工作的穩定性及降塵效率,通過FLUENT軟件對旋風除塵器內部流場進行模擬分析,以優化旋風除塵器關鍵結構參數[15]。

試驗發現,旋風除塵器排氣管深度對其內部流場分布具有顯著影響,故選取4種常見旋風除塵器排氣管深度進行分析,探究排氣管深度對旋風除塵器壓強場的影響,如圖2所示。

圖2 旋風分離器內部流場壓強流線矢量分布圖Fig.2 Pressure streamline vector distribution of internal flow field in cyclone separator

進風口面積一定時,排氣管深度越大,內部流場壓強越容易出現負壓,且壓力分布不均勻,不利于粉塵和干凈氣流分離并排出。從仿真結果看,排氣管插入深度為0.4m和0.5m時風場分布最為均勻,排氣管壓強最小,無負壓出現;當排氣管深度增大至0.7m時,內部流場出現明顯的紊流現象,導致氣流和粉塵發生混合,排氣管出現負壓,脫塵后的干凈氣流無法正常排出,實現降塵。

由仿真結果可知:隨著排氣管深度的增大,旋風除塵器內部壓強逐漸增大,當深度增大到一定程度時,內部流場會出現紊流的現象,多處位置出現負壓,氣流無法順利排出;當排氣管深度為0.5m時,壓強分布最為理想,內部流場最穩定。

3 花生撿拾收獲機降塵系統田間試驗

旋風除塵器是花生撿拾收獲機降塵系統的主要部件,其性能的好壞決定降塵效果。所設計的旋風除塵器需要在田間隨著花生撿拾收獲機的作業實現降塵,因此降塵系統需要有較好的穩定性,在不同的作業環境下均能達到較強的降塵效果。

為驗證花生撿拾收獲機降塵系統的可靠性,并優化工作參數,2020年9月在河南省正陽縣花生種植示范區進行田間試驗,如圖3所示。利用粉塵濃度測試儀在花生收獲現場進行濃度檢測,發現收獲機前進速度、集秧箱風機轉速和土壤濕度影響降塵效率。

圖3 降塵系統田間試驗Fig.3 Field test of dust removal system

4ZJH-2500型花生撿拾收獲機速度范圍為2～5.9km/h,風機轉速范圍為1954～4057r/min,收獲現場土壤含水率為8%～15%。

采用Box-Benhnken試驗方案,以收獲機前進速度、風機轉速、土壤濕度為試驗因素,降塵效率為試驗指標,設計三因素三水平試驗。試驗因素水平如表3所示;試驗方案設計17個試驗點,試驗響應結果如表4所示。

表3 試驗因素與水平Table 3 Test factors and levels

表4 試驗結果Table 4 Test results

因田間試驗受風速等環境影響較大,故試驗結果與理論分析結果可能存在誤差。

運用Design-Expert軟件處理試驗數據,得到集秧箱降塵效率Y對收獲機前進速度A、風機轉速B、土壤濕度C的二次多項式回歸模型,即

Y=72.14-11.25A+11.58B-1.77C-4.9AB- 0.8AC+0.00BC-1.22A2-6.07B2+0.33C2

利用響應面分析法對回歸方程進行分析,通過繪制響應曲面以尋求最佳工作參數。

圖4(a)為土壤濕度位于中心水平時,收獲機速度和風機轉速之間的響應曲面圖。當風機轉速固定在某一水平時,集秧箱降塵效率隨收獲機前進速度的增加而下降,且下降速率隨著速度的增加而加快;當收獲機速度固定在某一水平時,降塵效率隨風機轉速的增長而上升。

圖4(b)為風機轉速位于中心水平時,收獲機速度與土壤濕度之間的響應曲面圖。當收獲機速度固定在某一水平時,降塵效率隨著土壤濕度的增加而下降;當土壤濕度固定在某一水平時,降塵效率隨著收獲機前進速度的增加而下降。

圖4(c)為收獲機速度位于中心水平時,風機轉速與土壤濕度之間的響應曲面圖。當風機轉速固定在某一水平時,降塵效率隨土壤濕度的增加而下降;當土壤濕度固定時,降塵效率隨風機轉速增加而上升,上升速率隨風機轉速的增加而減緩。

利用Optimization模塊對試驗結果進行參數優化,并結合田間實際情況對理論值進行調整,得出最佳參數組合:收獲機速度3.95km/h,風機轉速2990r/min,土壤濕度11.5%,集秧箱降塵效率平均值為83.2%,滿足花生撿拾收獲作業要求。

(a) 土壤濕度C為11.71%

(b) 風機轉速B為3155.76r/min

(c) 收獲機速度C為3.17m/s圖4 交互因素對降塵率的影響Fig.4 Effect of interaction factors on dustfall rate

4 結論

1)根據花生撿拾收獲機進行收獲作業時產生的粉塵物理特性、不同位置粉塵質量濃度、收獲機工作及結構特性,參考氣力輸送工程相關理論知識,設計了一種適合4ZJH-2500型花生撿拾收獲機的降塵系統。

2)采用FLUENT軟件對旋風除塵器進行流場分析并優化關鍵結構參數,主要研究了4種排氣管深度對旋風除塵器壓強場的影響。當排氣管深度為0.5m時,壓強分布最為理想。

3)進行樣機田間試驗,結合理論分析,確定花生撿拾收獲機最優工作參數, 探明交互因素對降塵性能影響規律,確定最佳工作參數組合:收獲機速度3.95km/h,風機轉速2990r/min,土壤濕度11.5%,此時集秧箱降塵效率平均值為83.2%。