葵花脫籽機清選裝置的設計與模擬分析

郭書杰，楊 棟，汪山剛，萬芳新

(甘肅農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

向日葵屬菊科，是我國主要油料作物之一，其種植面積達到96萬hm2，葵花籽年產(chǎn)量接近200萬噸，約占世界總產(chǎn)量的6%[1]。在美國和日本等發(fā)達國家，向日葵已經(jīng)實現(xiàn)了機械化生產(chǎn)[2-4]。目前我國市場上有很多葵花脫籽機，但是由于清選裝置分離籽粒與雜質(zhì)效果不佳，因此很多情況下無法滿足作業(yè)需求。針對葵花脫籽機存在的問題，設計了一種新型葵花脫籽機的清選裝置。通過對其模擬分析，得出了最佳的清選條件，為低破碎葵花脫粒機的研制提供了理論依據(jù)。

1 葵花脫籽機整機結構和工作原理

結合現(xiàn)有葵花脫籽機的優(yōu)點，設計了一種新型低破碎葵花脫籽機，主要由機架、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、進料裝置、脫粒裝置和清選裝置等組成，其結構如圖1所示。

工作時，電動機或汽油機通過皮帶帶動安裝在外殼內(nèi)的脫籽輥高速旋轉(zhuǎn)，葵花盤由進料口喂入。脫籽輥為紋桿軸流式，葵花盤在外殼內(nèi)壁導向板的作用下軸向移動，在脫籽輥、凹板的搓擦、沖擊作用下將葵花籽脫出，通過凹板間隙落入振動清選裝置，脫完籽的葵花盤沿軸向由出料口排出。清選裝置采用風選式，由電動機帶動風機旋轉(zhuǎn)，利用葵花不同脫出物空氣動力學特性的不同，將大雜、葵花籽和微小雜余分離，完成葵花脫籽過程。

圖1 葵花脫粒機結構三維圖 1.進料 2.保護裝置裝置 2.動力裝置 3.清選裝置 4.脫籽裝置

2 清選裝置的設計

2.1 清選裝置結構設計

脫粒機目前主要采用篩網(wǎng)式、風選式和螺旋式三種清選裝置。其中振動分級篩清選機構的結構簡單、成本低廉，但是工作時噪音大，搖杄容易損壞。螺旋推進式清選機構的清選凈度高、工作穩(wěn)定可靠，但是制造成本高，具有一定的生產(chǎn)局限性[5-7]。風篩比重式清選結構的清選凈度高、運動平穩(wěn)、易操作，適合作為葵花脫粒機的清選裝置[8]。

如圖2所示。葵花脫粒機清選裝置由扇葉、分機外殼和風機安裝支撐架等機構組成。其中扇葉由軸和長方體鋁板組合而成，風機外殼呈水桶狀，分選裝置有兩個相鄰出口，分別為雜質(zhì)出口和葵花籽出口。工作時扇葉高速旋轉(zhuǎn)，具有一定的風速，然后在風機的引導下實現(xiàn)清選作業(yè)。

2.2 清選裝置工作原理

葵花脫粒機工作時，葵花盤通過脫粒裝置脫籽后，葵花籽和雜質(zhì)同時進入風選裝置，在脫籽輥的傳輸作用下，部分雜質(zhì)由于體積較大和葵花盤一起排出。由于飽滿的葵花籽密度相對較大，氣流給其水平向的速度不大，而一些雜質(zhì)密度較小。篩選后的籽粒混合物進入氣流場，在氣流場的作用下，依據(jù)組成物各成分的漂浮系數(shù)差異，有效地分離形狀尺寸相近的脫出物。

3 清選裝置數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

圖3為清選機構的二維截面簡圖。將采用多重參考系模型進行求解，用二維模型來模擬清選裝置中的氣流流動。其中攪拌的流體為大氣，研究體系為定常流動。清選機構的結構參數(shù)如表1所示。

圖2 清選裝置構造示意圖 圖3 清選機構數(shù)值模型

表1 清選裝置的機構及運動參數(shù)

3.2 幾何建模和網(wǎng)格生成

結合表1的數(shù)據(jù)，對風選機構進行三維建模，利用Gambit對其進行網(wǎng)格劃分。采用三角狀網(wǎng)格，總單元為數(shù)24296個，Active Elements個數(shù)為24180。網(wǎng)格劃分后的漿葉和外殼如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

空氣為流體介質(zhì)，清選腔內(nèi)部為不可壓縮的二維湍流流動。采用Realizablek-ε雙方程湍流模型構成封閉的方程組，采用壓力耦合方程組的隱式方法(SIMPLE算法)對離散方程進行求解。

3.3 邊界條件設置

邊界條件的設置是模擬仿真的關鍵。主要對壓力出口、壓力進口和葉輪轉(zhuǎn)速進行設置，壓力出口為外殼缺口處，壓力進口為葉輪軸處，外殼設定為WALL。主要分析不同葉輪轉(zhuǎn)速作用下出口的壓力和風速，葉輪轉(zhuǎn)速分別設置為300 r/min、600 r/min和900 r/min，對其進行迭代運算，迭代結果如圖5。

圖5 迭代收斂圖

3.4 模擬結果與分析

如圖6、7所示。參考表1的幾何參數(shù)，模擬仿真出清選裝置內(nèi)不同轉(zhuǎn)速的壓力云圖和速度矢量圖。

圖6 不同轉(zhuǎn)速的壓力云圖

從圖6和圖7中可以直觀的看出，轉(zhuǎn)速越大，清選腔受到壓力越大。風速太大會把葵花籽和雜質(zhì)一起排出，風速太小不能實現(xiàn)清選功能。需要根據(jù)模擬結果結合理論分析確定適當?shù)霓D(zhuǎn)速。

(1)

f=ma

(2)

根據(jù)葵花籽質(zhì)量、雜質(zhì)質(zhì)量和清選機構的具體參數(shù)，通過式(1)、(2)計算可知，葉輪轉(zhuǎn)速為900 r/min時可獲得較好的清選效果，這與數(shù)值模擬仿真結果基本一致。

圖7 不同轉(zhuǎn)速的速度矢量圖

4 結 論

(1) 針對我國葵花脫籽含雜率高等問題，設計了一種風選式葵花脫籽機的清選裝置，主要由扇葉、分機外殼和風機安裝支撐架等部件組成。

(2) 利用FLUENT軟件對清選裝置進行流場模擬，得到不同轉(zhuǎn)速下的壓力云圖和速度矢量圖，結合理論分析可知：當風選機構轉(zhuǎn)速在900 r/min時，能夠獲得較好的清選效果。