氣力式秸稈深埋還田機(jī)輸送裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田 陽 林 靜 李寶筏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866)

0 引言

秸稈還田有粉碎翻壓、旋耕混拌和秸稈覆蓋還田等形式[1-5]。秸稈不易腐爛，留在地表影響播種質(zhì)量和出苗率，還會(huì)導(dǎo)致土壤病菌增加，作物病害增加等不良現(xiàn)象。因此采取合理的秸稈還田措施，才能起到良好的還田效果。針對(duì)這種現(xiàn)象農(nóng)學(xué)專家提出了秸稈深埋還田，構(gòu)建合理耕層[6-9]。秸稈深埋還田除了解決秸稈過剩問題外，還能給土壤表面提供良好的播種環(huán)境，打破犁底層，給種床提供“暖被”提高地表溫度，增加土壤孔隙度，在雨季吸水、納水還可防止來年春季干旱等。

王學(xué)農(nóng)等[10]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)拋送式秸稈粉碎還田機(jī)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究。翟之平等[11]應(yīng)用Mixture模型，將玉米秸稈粉碎顆粒簡(jiǎn)化為球形顆粒后，模擬了葉片式拋送裝置內(nèi)氣固兩相流動(dòng)。宋學(xué)鋒等[12]應(yīng)用CFD-DEM氣固耦合法模擬了揉絲機(jī)排料裝置內(nèi)絲狀物料的運(yùn)動(dòng)。吳峰等[13]優(yōu)化設(shè)計(jì)了秸稈輸送裝置的拋送管道，提高了玉米秸稈的拋送速度。林靜等[14]根據(jù)滑道升運(yùn)器式撿拾器設(shè)計(jì)了彈齒式秸稈輸送裝置。氣力輸送裝置輸送過程中玉米秸稈通過風(fēng)機(jī)和輸送管道落入深埋溝內(nèi)，其主要問題是由于玉米秸稈產(chǎn)量大、含水率高、韌性高，導(dǎo)致秸稈輸送裝置易發(fā)生堵塞以及卸料口氣流速度過大易將秸稈吹出掩埋溝，影響秸稈深埋質(zhì)量。

本文以氣力式秸稈深埋還田機(jī)氣力輸送裝置作為研究對(duì)象，以玉米秸稈作為輸送物料，應(yīng)用CFD-DEM氣固耦合法對(duì)氣力輸送裝置的輸送過程進(jìn)行數(shù)值模擬，初步揭示氣力輸送裝置內(nèi)氣固兩相流速度場(chǎng)分布和秸稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上以深埋合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片彎角、秸稈覆蓋量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得氣力輸送裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)，提高深埋質(zhì)量，解決堵塞問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

氣力式秸稈深埋還田機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、破茬裝置、撿拾粉碎裝置、氣力輸送裝置、開溝裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)具一次作業(yè)完成破茬、秸稈撿拾粉碎、開溝碎土、行間深松、秸稈深埋、覆土鎮(zhèn)壓等功能，最終將秸稈深埋于行間土壤深度20 cm以下，實(shí)現(xiàn)秸稈深埋還田的同時(shí)構(gòu)建虛實(shí)并存耕層結(jié)構(gòu)。

圖1 氣力式秸稈深埋還田機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of pneumatic straw deep burying and returning machine1.破茬裝置 2.機(jī)架 3.前傳動(dòng)箱 4.懸掛裝置 5.后傳動(dòng)箱 6.覆土裝置 7.鎮(zhèn)壓裝置 8.開溝分土裝置 9.氣力輸送裝置 10.撿拾粉碎裝置

圖2 氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagrams of pneumatic conveying device1.風(fēng)機(jī)葉輪 2.風(fēng)機(jī)殼 3.輸送管道 4.卸料管道 5.螺旋輸送裝置

1.2 工作機(jī)理

氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由風(fēng)機(jī)葉輪、風(fēng)機(jī)殼、輸送管道、卸料管道、螺旋輸送裝置組成。其工作時(shí)撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后拋送至螺旋輸送裝置，螺旋輸送裝置將碎秸稈推送至風(fēng)機(jī)，秸稈在葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和高速氣流的綜合作用下被送入開溝裝置后方的掩埋溝內(nèi)。

2 氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 玉米秸稈懸浮速度試驗(yàn)

為了研究氣力輸送裝置的工作原理，確定氣流輸送速度，對(duì)玉米秸稈各部分進(jìn)行空氣動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，測(cè)試其懸浮速度。影響物料懸浮速度的主要參數(shù)有密度、質(zhì)量、外形尺寸等。

試驗(yàn)儀器及材料：PS-20型物料懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)、BL310型電子天平、皮托管、微壓計(jì)、游標(biāo)卡尺等。

秸稈上、中、下3段物理特性有較大差異，所以將其分為3部分分別進(jìn)行試驗(yàn)。隨機(jī)選取50根玉米秸稈作為試驗(yàn)樣本。撿拾粉碎裝置將秸稈粉碎后，秸稈長(zhǎng)度小于10 cm，所以試驗(yàn)秸稈長(zhǎng)度為10 cm。測(cè)量每個(gè)樣本的物理特性同時(shí)進(jìn)行編號(hào)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 玉米秸稈物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of corn straw

2.2 氣力輸送裝置參數(shù)計(jì)算

(1)為了保證玉米秸稈能在管道中順利輸送而不堵塞，輸送裝置的生產(chǎn)率和空氣流量應(yīng)有適當(dāng)?shù)谋壤P(guān)系，即秸稈在空氣中的質(zhì)量濃度不高于一定值[15-16]。

(1)

式中mc——混合濃度比

Qa——單位時(shí)間內(nèi)通過輸送管道截面的空氣質(zhì)量，kg/s

Qj——輸送裝置生產(chǎn)率，kg/s

玉米秸稈為長(zhǎng)桿狀顆粒且體積較大，輸送裝置的混合濃度比不宜過大，選擇混合濃度比mc為1.3。

為了保證輸送秸稈的流暢性，氣流速度應(yīng)該略大于秸稈懸浮速度。

va=kavp

(2)

式中va——輸送氣流速度，m/s

ka——輸送氣流系數(shù)，在1.1～2.5范圍內(nèi)變化，與輸送物的濃度有關(guān)

vp——輸送物懸浮速度，m/s

輸送物料為秸稈且混合濃度比mc在1.0～2.0時(shí)選取ka值為2.2，秸稈的懸浮速度vp選取3部分的平均值11.9 m/s，則輸送氣流速度va為26.2 m/s。

(2)輸送管邊長(zhǎng)計(jì)算公式為

(3)

式中dg——輸送管邊長(zhǎng)，m

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3

當(dāng)田間秸稈量為16 000 kg/hm2[17]，機(jī)具作業(yè)速度為0.83 m/s，工作幅寬為1.3 m時(shí)，輸送裝置的生產(chǎn)率Qj約為1.7 kg/s，混合濃度比mc為1.3，空氣密度ρa(bǔ)為1.25 kg/m3，計(jì)算得輸送管邊長(zhǎng)dg為0.2 m。

(3)氣力輸送裝置的全壓Δp由靜壓Δps和動(dòng)壓Δpd組成，其中靜壓主要由管道全程壓力損失Δpq、局部壓力損失Δpb、加速壓力損失Δpj等組成。其中局部壓力損失Δpb比較小，可以忽略不計(jì)。全程壓力損失計(jì)算公式為

(4)

其中

αq=1+λqmc

(5)

式中αq——壓力損失比

Kq——管道粗糙度系數(shù)

rg——水力半徑，m

Lq——輸送管道全長(zhǎng)，m

λq——壓力損失比系數(shù)

λq與輸送物料種類、氣流速度、混合濃度比相關(guān)，其取值范圍為0.3～2.0，取λq為0.5，計(jì)算得αq為1.65。

Lq=Lp+εcLc+εθsinθLθ+εwLw

(6)

式中Lp——水平管道長(zhǎng)度，m

εc——垂直管道系數(shù)

Lc——垂直管道長(zhǎng)度，m

εθ——傾斜管道系數(shù)

θ——傾斜角，(°)

Lθ——傾斜管道長(zhǎng)度，m

εw——彎曲管道系數(shù)

Lw——彎曲管道長(zhǎng)度，m

其中Lp為0，垂直管道系數(shù)εc取1.8，垂直管道長(zhǎng)度Lc為0.4 m，傾斜管道系數(shù)εθ取1，傾斜管道長(zhǎng)度Lθ為1.22 m，傾斜角θ為71.2°，彎曲管道系數(shù)εw取5，彎曲管道長(zhǎng)度Lw為1.17 m，計(jì)算得Lq為7.72 m。

對(duì)于新焊接方管Kq取1.2，對(duì)于正方形截面管rg為0.05 m，計(jì)算得全程壓力損失為590.2 Pa。

當(dāng)玉米秸稈進(jìn)入輸送管道時(shí)，在運(yùn)動(dòng)方向上速度一般是零，要靠氣流將它加速到一定速度才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸送，在加速段內(nèi)玉米秸稈與氣流有較大速度差，因而有一部分能量要消耗在秸稈的加速上，這就是加速壓力損失，加速壓力損失計(jì)算公式為

(7)

式中λj——加速壓力損失系數(shù)

λj由輸送氣流和懸浮速度決定，取0.41，則加速壓力損失為228.7 Pa。

動(dòng)壓計(jì)算公式為

(8)

計(jì)算得動(dòng)壓Δpd為429 Pa，則全壓Δp為1 247.9 Pa，考慮其他損失將全壓加大10%左右，取1 373 Pa。

(4)轉(zhuǎn)速和葉輪直徑的關(guān)系為

(9)

式中Dy——葉輪直徑，m

φf——風(fēng)機(jī)系數(shù)

nf——轉(zhuǎn)速，r/min

在滿足氣力輸送裝置生產(chǎn)率的前提下，理論上葉輪直徑越大，所需要的轉(zhuǎn)速越小。結(jié)合機(jī)具作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)殼體須有一定離地間隙的要求，設(shè)計(jì)葉輪直徑為0.55 m，農(nóng)用風(fēng)機(jī)φf一般取0.3，則轉(zhuǎn)速nf為2 101.2 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速取整為2 100 r/min。

(5)葉輪寬度計(jì)算公式為

(10)

式中by——葉輪寬度，m

Ay——葉輪數(shù)

βj——輸送物料自然休止角，(°)

γ——被輸送物料的單位容積質(zhì)量，t/m3

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速nf為2 100 r/min。機(jī)具工作時(shí)玉米秸稈通過風(fēng)機(jī)內(nèi)部，為防止堵塞且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，葉輪數(shù)Ay為3，葉片徑向圓周均勻分布。γ為0.02 t/m3。φf取0.3，Dy為0.55 m，βj為23°，計(jì)算得by為0.17 m。與風(fēng)機(jī)殼保持15 mm的間隙，則殼體寬度Bk為0.2 m。

(6)殼體進(jìn)氣口直徑計(jì)算公式為

(11)

式中Dk——?dú)んw進(jìn)氣口直徑，m

λk——?dú)んw進(jìn)氣口直徑系數(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)械中λk取值范圍為0.5～1，取0.75，計(jì)算得殼體進(jìn)氣口直徑Dk為0.26 m。

(7)為了減少卸料口氣流和秸稈的速度，防止秸稈被氣流從掩埋溝內(nèi)吹出，將卸料管道設(shè)計(jì)成梯形體，使橫截面逐漸增大，氣流逐漸減小，卸料管道出口橫截面尺寸為390 mm×250 mm。

2.3 螺旋參數(shù)

螺旋輸送裝置生產(chǎn)率計(jì)算公式為

Qj=4.17π[(Dl+2λ)2-d2]KdSnlKβγ

(12)

式中Dl——螺旋外徑，mS——螺距，m

nl——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min

λ——螺旋外徑與輸送管內(nèi)表面間隙，m

d——螺旋軸直徑，m

Kβ——傾斜輸送系數(shù)

Kd——充滿系數(shù)

由于螺旋輸送物料為長(zhǎng)度小于10 cm的碎秸稈，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[16]及其設(shè)計(jì)需求，選取螺旋外徑Dl為0.25 m，螺距S為0.2 m，螺旋軸直徑d為0.09 m，螺旋外徑與輸送管內(nèi)表面的間隙λ為0.005 m，傾斜輸送系數(shù)Kβ為1，充滿系數(shù)Kd為0.4，玉米秸稈單位容積質(zhì)量0.02 t/m3，螺旋葉片厚度δ為0.003 m，當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速nl>709 r/min時(shí)，其推進(jìn)量可達(dá)到1.7 kg/s。

3 仿真

3.1 計(jì)算模型

桿狀顆粒的離散元模型[18]為

(13)

(14)

式中mk——質(zhì)量，kg

Ik——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

vk——線速度，m/s

Fc——周圍顆粒碰撞力，N

Ff——周圍顆粒摩擦力，N

ωk——角速度，rad/s

Mt——切向碰撞力產(chǎn)生的力矩，N·m

Mn——法向碰撞力產(chǎn)生的力矩，N·m

Mr——滾動(dòng)摩擦力矩，N·m

g——重力加速度，m/s2

t——時(shí)間，s

桿狀顆粒和氣相耦合作用的流體相控制方程為[19]

(15)

(16)

其中

(17)

式中ρf——流體密度，kg/m3

u——流體速度，m/s

p——流體壓力，Pa

fpi——流體和顆粒i間作用力，Pa

kc——計(jì)算單元內(nèi)顆粒數(shù)量

τ——液體黏性應(yīng)力張量，Pa

ε——局部孔隙率

Vi——顆粒i體積，m3

流體-顆粒作用力[20]

fp=-Viρgg+fd

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

式中ρg——顆粒密度，kg/m3

fd——桿狀顆粒i曳力，N

Ai——桿狀顆粒等效體積球截面積，m2

Cd——桿狀顆粒i阻力系數(shù)

ui——顆粒i質(zhì)心處虛擬氣體速度，m/s

vi——顆粒i速度，m/s

εi——顆粒i局部孔隙率

xl——關(guān)于雷諾的系數(shù)

Rei——顆粒i雷諾數(shù)

dV——桿狀顆粒i等效體積球直徑，m

μf——流體黏度，Pa·s

φ——等效體積球與實(shí)際顆粒表面積比值

φc——等效體積球截面積與實(shí)際顆粒在垂直來流方向投影面積比值

3.2 建立仿真模型及其參數(shù)確定

EDEM采用表面網(wǎng)格來描述邊界表面，從而實(shí)現(xiàn)與CFD流體網(wǎng)格邊界表面元素點(diǎn)對(duì)點(diǎn)耦合。首先使用三維建模軟件Pro/E建立氣力輸送裝置實(shí)體模型，然后將Pro/E所產(chǎn)生的實(shí)體模型導(dǎo)入到CFD前處理軟件ICEM中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分后分別導(dǎo)入到Fluent和EDEM中。在EDEM中采用多球面聚合法建立單個(gè)秸稈顆粒模型，由14個(gè)直徑為11.2 mm圓球相互重疊構(gòu)造而成的秸稈離散元模型，長(zhǎng)度為10 cm。研究中涉及到的離散元參數(shù)主要分為材料參數(shù)和接觸參數(shù)兩類，材料參數(shù)包括秸稈和氣力輸送裝置的密度、泊松比和剪切模量等，接觸參數(shù)包括秸稈-秸稈、秸稈-氣力輸送裝置靜、滾動(dòng)摩擦因數(shù)和恢復(fù)系數(shù)等。其中秸稈密度通過測(cè)量獲得。秸稈-氣力輸送裝置的靜、動(dòng)摩擦因數(shù)通過標(biāo)定得到。其他參數(shù)則采用文獻(xiàn)[21-23]中的參數(shù)。如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Parameters used in simulation

EDEM中顆粒工廠每秒生成1.7 kg的秸稈。機(jī)具工作時(shí)由螺旋輸送裝置將秸稈輸送至風(fēng)機(jī)，則秸稈的初速度由螺旋的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速確定[24]。

(23)

式中vh——秸稈初速度，m/s

fg——秸稈與螺旋葉片間摩擦因數(shù)

rl——螺旋半徑，m

取螺距S為0.2 m，螺旋轉(zhuǎn)速nl分別為1 500、1 800、2 100 r/min，秸稈與葉片間的摩擦因數(shù)fg為0.12，螺旋半徑rl為0.125 m。計(jì)算得秸稈初速度vh分別為4.09、4.56、5.17 m/s。氣流入口邊界條件設(shè)為速度入口，與秸稈的初速度相同，出口為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1仿真結(jié)果與懸浮試驗(yàn)比較分析

為了驗(yàn)證CFD-DEM對(duì)秸稈在氣流輸送過程中仿真的可行性和秸稈模型在EDEM中參數(shù)的合理性，應(yīng)用CFD-DEM計(jì)算秸稈的懸浮速度，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果如表3所示。

由表3可知，仿真懸浮速度與試驗(yàn)懸浮速度誤差小于10%，說明秸稈參數(shù)設(shè)置合理，采用CFD-DEM模擬秸稈氣固兩相流計(jì)算結(jié)果可信。

3.3.2顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)分析

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，秸稈和氣流以5.17 m/s初速度進(jìn)入風(fēng)機(jī)殼內(nèi)時(shí)，對(duì)秸稈在氣力輸送裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3a、3b分別為仿真時(shí)間t=1.2 s時(shí)，氣力輸送裝置內(nèi)秸稈速度分布和氣流場(chǎng)分布。0.3、0.45、0.6 s時(shí)隨機(jī)選取一個(gè)進(jìn)入氣力輸送裝置的秸稈，其速度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

表3 懸浮速度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Tab.3 Comparison of measured and simulated suspension velocity

圖3 秸稈速度、氣流速度分布圖Fig.3 Distribution diagrams of straw and air flow velocity1.風(fēng)機(jī)殼出口 2.拐點(diǎn)1 3.拐點(diǎn)2 4.卸料管道出口

秸稈在給定初速度下，向風(fēng)機(jī)殼內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，當(dāng)秸稈進(jìn)入風(fēng)機(jī)殼的瞬間，受葉片和氣流作用，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，速度會(huì)突然減小，然后逐漸增加到最大。當(dāng)其進(jìn)入輸送管道時(shí)，速度會(huì)逐漸減小，經(jīng)過拐點(diǎn)1時(shí)速度會(huì)有較大的下降，在拐點(diǎn)1和拐點(diǎn)2中秸稈速度基本保持穩(wěn)定。經(jīng)過拐點(diǎn)2后速度再一次下降為進(jìn)入輸送管道后的最小速度。秸稈在拐點(diǎn)2和卸料管道出口間其運(yùn)動(dòng)方向和重力一致，使其速度會(huì)有小幅度的提升。從秸稈進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部到被排入掩埋溝內(nèi)需要0.5 s左右。將秸稈速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在風(fēng)機(jī)殼出口、拐點(diǎn)1、拐點(diǎn)2和卸料管道出口處。

圖4 秸稈速度變化曲線Fig.4 Changing curves of straw velocity

3.3.3轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈輸送的影響

根據(jù)3.3.2節(jié)，秸稈進(jìn)入風(fēng)機(jī)殼時(shí)在葉片和氣流共同作用下，速度逐漸增加到最大值，而非氣流單獨(dú)作用，所以輸送裝置中加速壓力損失小于計(jì)算值，即風(fēng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速也應(yīng)小于計(jì)算值，葉輪實(shí)際轉(zhuǎn)速應(yīng)該不大于2 100 r/min。以轉(zhuǎn)速為1 500、1 800、2 100 r/min和30°葉片彎角進(jìn)行仿真。3種轉(zhuǎn)速下4個(gè)區(qū)域的秸稈速度與氣流速度見表4。卸料管道將秸稈排出后直接送入掩埋溝內(nèi)，氣流和秸稈末速度不易過大，否則卸料管道出口氣流會(huì)將秸稈吹出掩埋溝外，同時(shí)消耗功率。1 500、1 800 r/min時(shí)秸稈和氣流末速度較小，較為合適。為了保證秸稈輸送的流暢性，秸稈在氣力輸送裝置中應(yīng)具有一定的速度，否則會(huì)導(dǎo)致管道堵塞。而1 500 r/min在拐點(diǎn)2處秸稈的速度僅為3.65 m/s，當(dāng)秸稈含水率或秸稈覆蓋量較大時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生堵塞，綜上所述，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)秸稈和氣流速度較為合適。

表4 不同轉(zhuǎn)速下的秸稈、氣流速度Tab.4 Straw and flow velocity at different fan speeds m/s

3.3.4葉片彎角對(duì)秸稈輸送的影響

葉片彎角會(huì)影響輸送玉米秸稈初速度和風(fēng)機(jī)排出物料能力。0°、30°、60°彎角如圖5所示。在上述流場(chǎng)中其他條件不變，以轉(zhuǎn)速為1 800 r/min和0°、30°、60°彎角進(jìn)行仿真，氣力輸送裝置內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度如表5所示。氣力輸送裝置內(nèi)秸稈數(shù)量如圖6所示。根據(jù)表5，0°彎角時(shí)秸稈在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度最大，其次是30°和60°，說明0°彎角時(shí)秸稈具有最大的輸送速度。根據(jù)圖6，0°彎角風(fēng)機(jī)內(nèi)的秸稈量最多，增幅也最大，說明秸稈隨葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)量最多。而30°彎角和60°彎角時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)部秸稈數(shù)量相近。葉輪應(yīng)盡快將秸稈送入輸送管道減少秸稈在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的停留時(shí)間，避免將上拋的秸稈帶回風(fēng)機(jī)，因此0°彎角輸送能力較差[25]。0°彎角時(shí)因?yàn)榻斩掚S葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，秸稈得到充分加速致其輸送速度最大，但是其輸送能力較差，所以不能選擇0°彎角。30°彎角和60°彎角時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)秸稈數(shù)量相近，但30°彎角時(shí)秸稈的輸送速度更快，故應(yīng)選擇30°彎角。

圖5 葉片彎角示意圖Fig.5 Diagrams of blade bending angle

m/s

圖6 秸稈數(shù)量變化曲線Fig.6 Changing curves of straw numbers

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)條件：田間試驗(yàn)在遼寧省鐵嶺市蔡牛鎮(zhèn)張莊合作社進(jìn)行，為春季玉米留茬地，留茬高度平均為18 cm，玉米播種行距58 cm，平均株距35 cm。秸稈覆蓋量平均為1.3 kg/m2，土壤為棕壤土，含水率均值17.5%。5 cm深處土壤的平均含水率為14.5%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 258 kPa；10 cm深處土層土壤平均含水率為16%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 294 kPa；20 cm深處土壤平均含水率為19.4%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 344 kPa；25 cm深土壤平均含水率為20%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 495 kPa；通過實(shí)地測(cè)量，土壤的內(nèi)摩擦角為36.90°。

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備：東方紅LX1000型拖拉機(jī)(100 kW);SM-2型高精度土壤水分測(cè)量?jī)x(澳作生態(tài)儀器有限公司)，測(cè)量范圍0.05～0.6 m3/m3，0～40℃時(shí)精度為0.05 m3/m3；SC900型土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x(澳作生態(tài)儀器有限公司)，量程0～5 cm、0～7 000 kPa，最大加載95 kg，分辨率2.5 cm、35 kPa，質(zhì)量1.25 kg；皮尺、卷尺、直尺等。

試驗(yàn)方法：基于前述理論分析，葉片彎角和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)輸送裝置的輸送性能有較大影響，而秸稈覆蓋量則直接影響風(fēng)機(jī)的喂入量，所以試驗(yàn)的影響因素為葉片彎角、秸稈覆蓋量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。因素水平值見表6。田間秸稈覆蓋量1.2 kg/m2對(duì)應(yīng)開溝寬度為310 mm，1.4 kg/m2對(duì)應(yīng)開溝寬度為355 mm，1.6 kg/m2對(duì)應(yīng)開溝寬度為400 mm。試驗(yàn)指標(biāo)為深埋合格率，指標(biāo)越大越好。機(jī)具作業(yè)速度為0.83 m/s。作業(yè)區(qū)域長(zhǎng)30 m、寬1.8 m，將作業(yè)區(qū)域內(nèi)的碎秸稈清理收集后，按試驗(yàn)所需的秸稈量將秸稈均勻鋪撒在作業(yè)區(qū)域內(nèi)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。將作業(yè)區(qū)域分為5個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心畫出180 cm×60 cm的矩形區(qū)域采集所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。田間試驗(yàn)及作業(yè)效果如圖7所示。

表6 因素水平Tab.6 Factors and levels

圖7 田間試驗(yàn)及作業(yè)效果圖Fig.7 Photos of field experiment and its operation effect

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

該機(jī)具主要目的是將秸稈深埋，因此深埋合格率是該機(jī)具試驗(yàn)主要指標(biāo)。其計(jì)算公式為

(24)

式中Y——深埋合格率，%

m1——掩埋深度大于20 cm的秸稈質(zhì)量，kg

m2——測(cè)試區(qū)域秸稈質(zhì)量，kg

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表7所示(A、B、C為因素水平值，E為誤差項(xiàng))，試驗(yàn)結(jié)果方差分析如表8所示。

表7 試驗(yàn)方案和結(jié)果Tab.7 Test scheme and result

表8 正交試驗(yàn)方差分析Tab.8 Variance analysis result of orthogonal test

注：** 表示差異高度顯著(P<0.01)。

根據(jù)表8可知，對(duì)深埋合格率影響因素的主次順序?yàn)镃、A、B，較優(yōu)方案為A2B1C2。其中葉片彎角和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)深埋合格率的影響較大。因?yàn)闄C(jī)具為全量秸稈還田，秸稈覆蓋量是不可控因素，所以深埋合格率不應(yīng)受到地表秸稈覆蓋量的影響。本試驗(yàn)中秸稈覆蓋量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著性不明顯，符合機(jī)具的作業(yè)要求。

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在葉片彎角30°、轉(zhuǎn)速1 800 r/min、秸稈覆蓋量分別為1.2、1.4、1.6 kg/m2條件下進(jìn)行試驗(yàn)，深埋合格率為93.2%。改進(jìn)后的氣力輸送裝置提高了深埋質(zhì)量，作業(yè)流暢，解決了秸稈堵塞問題。試驗(yàn)結(jié)果滿足行業(yè)技術(shù)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈深埋還田技術(shù)要求。相對(duì)于秸稈地表還田深度大，更能夠改善深層土壤結(jié)構(gòu)剖面，如圖8所示，對(duì)合理耕層構(gòu)建有一定意義。

圖8 耕層結(jié)構(gòu)剖面Fig.8 Structural profile of construction of plough layer1.新壟 2.原壟 3.耕層 4.犁底層 5.秸稈層

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：輸送管截面為0.2 m×0.2 m(方形管)；葉輪直徑為0.55 m，葉輪寬度為0.17 m，進(jìn)氣口直徑為0.26 m，風(fēng)機(jī)殼寬度為0.2 m；螺旋軸直徑為0.09 m，螺旋葉片外徑為0.25 m，螺距為0.2 m，螺旋葉片厚度為0.003 m，螺旋外徑與輸送管內(nèi)表面間隙為0.005 m。

(2)通過玉米秸稈懸浮速度試驗(yàn)測(cè)得，長(zhǎng)度為10 cm玉米秸稈上、中、下部分的懸浮速度分別為10.4、12.3、12.7 m/s，平均值為11.9 m/s，試驗(yàn)結(jié)果與仿真誤差為7%。

(3)通過CFD-DEM氣固耦合方法建立秸稈離散元模型，對(duì)不同葉片彎角和轉(zhuǎn)速對(duì)比，研究氣力輸送裝置內(nèi)氣固兩相流動(dòng)。研究表明葉片彎角30°、轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)秸稈輸送效果最佳。輸送管道中秸稈最小速度為5.21 m/s，所對(duì)應(yīng)的氣流速度為17～27 m/s；出口處玉米秸稈速度為6.06 m/s，所對(duì)應(yīng)的氣流速度為2～27 m/s。

(4)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)具作業(yè)速度為0.83 m/s時(shí)，氣力輸送裝置性能參數(shù)最優(yōu)組合為葉片彎角30°，秸稈覆蓋量1.2 kg/m2，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min。在彎角30°，轉(zhuǎn)速1 800 r/min，秸桿覆蓋量分別為1.2、1.4、1.6 kg/m2條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，深埋合格率為93.2%。通過改進(jìn)輸送裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以有效提高深埋質(zhì)量，并解決秸稈堵塞問題。