切段式甘蔗收割機(jī)排雜仿真建模方法研究

郭無極,楊 望,溫 翔,楊 堅(jiān),莫建霖,曾伯勝,農(nóng)宏亮

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004;2.廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司,南寧 530007)

0 引言

含雜率是切段式甘蔗收割機(jī)(簡(jiǎn)稱收割機(jī))作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo),而含雜率的高低主要受收割機(jī)排雜裝置的作業(yè)性能影響。因此,排雜裝置作業(yè)機(jī)理的研究對(duì)排雜裝置優(yōu)化、減少含雜率和提高收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者圍繞收割機(jī)排雜裝置進(jìn)行了一些研究。RP Viator等研究了不同前進(jìn)速度和排雜風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)排雜效果的影響[1];解福祥等設(shè)計(jì)了一種排雜裝置的新型風(fēng)機(jī),并進(jìn)行了試驗(yàn)研究[2];黃崢等采用Fluent軟件對(duì) HN4GDL-91 型收割機(jī)排雜裝置的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬[3];農(nóng)宏亮等用 SolidWorks 建立了排雜裝置的簡(jiǎn)化模型,通過 SolidWorks Flow Simulation 軟件模擬分析了排雜裝置的內(nèi)部流場(chǎng)情況[4];Wang, FL自制了排雜裝置試驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),以探討風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、甘蔗進(jìn)料速率、甘蔗長(zhǎng)度對(duì)雜質(zhì)率及甘蔗損失的影響[5],并在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了6項(xiàng)單因素試驗(yàn),以檢驗(yàn)甘蔗組分的懸浮特性[6]。

目前,排雜裝置作業(yè)機(jī)理研究匱乏,因此本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)和離散元方法DEM(Discrete Element Method)的耦合方法,建立收割機(jī)排雜裝置作業(yè)的耦合仿真模型,并進(jìn)行物理試驗(yàn)驗(yàn)證,為開展排雜裝置作業(yè)機(jī)理研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

甘蔗蔗葉是收割作業(yè)的主要雜質(zhì),排雜裝置是去除甘蔗蔗葉的主要設(shè)備。排雜裝置可分為集流室、旋轉(zhuǎn)域與出流室3個(gè)部分,如圖1所示。

1.集流室 2.出流室 3.旋轉(zhuǎn)域 4.切斷輥 5.集蔗斗圖1 甘蔗收割機(jī)排雜裝置Fig.1 Excluder devices of sugarcane harvester。

作業(yè)過程中,旋轉(zhuǎn)域風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)使排雜裝置內(nèi)產(chǎn)生自下向上的風(fēng),蔗料由切斷輥處拋出進(jìn)入集流室;由于蔗葉相對(duì)于蔗稈段具有密度小、滑移速度小等特點(diǎn),在風(fēng)壓與風(fēng)速的共同作用下,蔗葉從排雜裝置出口拋出,蔗稈段則下落至集蔗斗內(nèi)。

2 仿真模型建立

2.1 幾何模型的建立

建模時(shí),為減少仿真計(jì)算時(shí)間,做以下化簡(jiǎn):省去螺栓等對(duì)流場(chǎng)影響較小的零部件;不考慮殼體厚度,僅保留與空氣介質(zhì)有接觸的壁面。本文通過SolidWorks建立收割機(jī)排雜裝置的幾何模型,導(dǎo)入ICEM進(jìn)行簡(jiǎn)化與幾何清理。清理后的幾何模型如圖2所示。

圖2 排雜裝置幾何模型Fig.2 Geometric model of excluder devices。

甘蔗被切斷后,大致可分為3類:①可用于榨糖的蔗稈段;②屬于雜質(zhì)且不易被排雜機(jī)構(gòu)排出的蔗尾(碎蔗);③屬于雜質(zhì)但易被排雜機(jī)構(gòu)排出的蔗葉,如圖3所示。

圖3 蔗料分類Fig.3 Material classification。

建模時(shí),考慮蔗稈段和蔗尾(碎蔗)多為圓柱體,故將其幾何模型建為圓柱;碎葉形狀近似長(zhǎng)方體,取長(zhǎng)方體作為其幾何模型,測(cè)量相關(guān)尺寸后建立幾何模型。圖4為蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉及其幾何模型。

圖4 蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的幾何模型Fig.4 Geometric model of sugarcane stems and leaves。

2.2 網(wǎng)格劃分及顆粒填充

在流體仿真中,為了在模擬仿真時(shí)盡可能地接近實(shí)際情況、方便設(shè)置出入口條件,應(yīng)同時(shí)在出入口延伸出流體域,流體域截面積要比出入口面積大[7]。流體域的網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,為滿足計(jì)算精度要求和盡量減少計(jì)算時(shí)間,生成329萬四面體單元,如圖5所示。通過網(wǎng)格檢驗(yàn),正交質(zhì)量高于0.32,正交偏斜小于0.65,符合仿真要求。

1.集流室 2.旋轉(zhuǎn)域 3.出流室 4.延伸出口域 5.延伸入口域圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh generation。

將蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的幾何模型導(dǎo)入EDEM,通過自定義顆粒工廠API填充幾何模型,生成蔗稈段、蔗尾與蔗葉的顆粒模型,如圖6所示。

圖6 蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的離散元模型Fig.6 DEM model of sugarcane leaves and stems。

2.3 材料模型

2.3.1 排雜裝置材料模型

排雜裝置壁面與扇葉均為鋼材,其密度為7 850kg/m3,彈性模量為206GPa,泊松比為0.28。流體為空氣,視為牛頓流體,密度為1.225kg/m3,動(dòng)力粘度為1.7894e-5N·s/m2。排雜風(fēng)機(jī)正常工作時(shí),其最大轉(zhuǎn)速為1 700r/min,旋轉(zhuǎn)域半徑為0.45m,流場(chǎng)內(nèi)最大流速為80m/s,馬赫數(shù)Ma為0.235,小于0.3,視為不可壓縮流體。

2.3.2 蔗稈段及蔗葉本征屬性的測(cè)量方法

由于蔗稈段、蔗尾、碎蔗均為甘蔗莖稈的一部分,本文中在本征屬性、接觸參數(shù)的測(cè)量和標(biāo)定中將它們按蔗稈段處理。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]中所述方法,通過WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)蔗稈段進(jìn)行彎曲試驗(yàn)、蔗葉進(jìn)行拉伸試驗(yàn)求取該種材料的彈性模量,通過天平量筒法測(cè)量密度。

2.3.3 蔗稈段、蔗葉與鋼板間接觸參數(shù)的測(cè)量

根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]中的測(cè)量方法,通過斜板試驗(yàn)分別測(cè)量蔗稈段和蔗葉與鋼板之間的摩擦接觸參數(shù),通過碰撞試驗(yàn)分別測(cè)量蔗稈段-蔗稈段、蔗稈段-鋼板間的恢復(fù)系數(shù)。

2.3.4 蔗稈段、蔗葉與鋼板間接觸參數(shù)的標(biāo)定方法

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的測(cè)量方法,進(jìn)行蔗稈段在鋼箱內(nèi)的堆積角試驗(yàn),將蔗稈段堆積于鋼箱右側(cè)由隔板阻擋,迅速抽出隔板使蔗桿自然滑落形成堆積角,通過圖像處理測(cè)量堆積角。因摩擦因數(shù)與恢復(fù)系數(shù)主要與物料表面粗糙度、物料材質(zhì)有關(guān),而受物料形狀影響較小,測(cè)量原有尺寸的蔗葉堆積角非常困難,所以將蔗葉裁剪為邊長(zhǎng)為20mm的正方形小塊,根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的測(cè)量方法,利用鋼制圓筒進(jìn)行了蔗葉的堆積角試驗(yàn)。將圓筒靜置于鋼板上,向圓筒內(nèi)倒入蔗葉之后垂直提起圓筒使蔗葉滑落形成堆積角,通過圖像處理測(cè)量堆積角,如圖7(a)所示。在EDEM中建立上述兩種堆積角試驗(yàn)?zāi)Ｐ?仿真結(jié)果如圖7(b)所示。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的標(biāo)定方法,采用 L25(56)正交表安排仿真標(biāo)定試驗(yàn),對(duì)鋼板-蔗稈段、蔗稈段-蔗稈段、鋼板-蔗葉、蔗葉-蔗葉4組接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

圖7 堆積角試驗(yàn)Fig.7 Accumulation angle test。

通過Python編程進(jìn)行圖像處理分別獲取物理試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)的堆積角,如圖7(c)、(d)所示。根據(jù)極差法對(duì)相對(duì)誤差進(jìn)行分析。

莖稈與蔗葉的摩擦參數(shù)參照文獻(xiàn)[10]中仿真斜板試驗(yàn)的方法進(jìn)行標(biāo)定。

2.4 初邊條件

2.4.1 排雜裝置風(fēng)場(chǎng)模型

風(fēng)場(chǎng)邊界條件取延伸入口域入口為壓力入口,延伸出口域出口為壓力出口,通過Fluent軟件,采用多參考系模型Multiple Reference Frame(MRF)處理葉片旋轉(zhuǎn),設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。

仿真中重力方向選為z軸負(fù)方向,重力加速度為9.81m/s2。湍流模型選用工程上廣泛應(yīng)用的k-ε模型,壁面處理選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法(Standard Wall Function)[12]。壓力項(xiàng)選用標(biāo)準(zhǔn)差分格式,速度項(xiàng)、湍流動(dòng)能項(xiàng)和湍流粘性系數(shù)項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式。

2.4.2 排雜裝置-蔗稈段-蔗葉耦合系統(tǒng)模型

通過EDEM和Fluent軟件,將顆粒流與流體進(jìn)行耦合計(jì)算的耦合模型有兩種,即Lagrangian模型和Eulerian模型[13]。在排雜裝置作業(yè)過程中,顆粒相所占體積較小,故而選用Lagrangian(DPM)模型進(jìn)行耦合。

將排雜裝置網(wǎng)格導(dǎo)入EDEM,設(shè)置重力方向沿z軸負(fù)方向,依標(biāo)定結(jié)果設(shè)置顆粒材料及其接觸屬性,導(dǎo)入顆粒模板,在排雜裝置切斷輥對(duì)應(yīng)位置設(shè)置顆粒工廠,排雜裝置的實(shí)體壁面設(shè)為鋼材料,設(shè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。為達(dá)到計(jì)算要求,計(jì)算步設(shè)置小于瑞利時(shí)間步的20%。

以上述在Fluent計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果作為初始條件,設(shè)置為瞬態(tài)仿真,將旋轉(zhuǎn)區(qū)域及壁面設(shè)置由Frame Motion改為Mesh Motion。時(shí)間步長(zhǎng)取EDEM時(shí)間步長(zhǎng)的整數(shù)倍,一般設(shè)在1:10～1:100之間,每個(gè)時(shí)間步的迭代次數(shù)取20～60次。通過耦合接口連接EDEM,耦合模式設(shè)為DPM。選擇顆粒相曳力模型為nospherical模型,根據(jù)模型與等體積球形的表面積之比設(shè)置Shape Factor。耦合模型如圖8所示。

圖8 耦合系統(tǒng)模型Fig.8 Coupled system model。

3 模型的驗(yàn)證

3.1 穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模型的驗(yàn)證

正確的穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模型是瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)初始條件,是保證耦合模型正確的基礎(chǔ),因而在驗(yàn)證耦合模型前需先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模型的驗(yàn)證。

因排雜裝置出流室出風(fēng)口的風(fēng)速、流量較裝置內(nèi)部及集流室入口更易測(cè)量,故而選取出風(fēng)口風(fēng)速及流量驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模型的正確性。出風(fēng)口測(cè)風(fēng)點(diǎn)共48個(gè),位置如圖9(a)所示。根據(jù)行、列將測(cè)風(fēng)點(diǎn)自下向上、自左至右標(biāo)記為Pi,j,如最下層最左端的測(cè)風(fēng)點(diǎn)記為P1,1。測(cè)量時(shí),通過細(xì)鐵絲在出風(fēng)口拉出網(wǎng)格線確定測(cè)風(fēng)點(diǎn)位置,如圖9(b)所示。測(cè)量選用加野Kanomax KA23/KA33熱線風(fēng)速儀,測(cè)量精度為0.1m/s,采集頻率為2Hz,每點(diǎn)測(cè)量20s,采用時(shí)均法求得各測(cè)風(fēng)點(diǎn)平均風(fēng)速。對(duì)1 100、1 400、1 700r/min等3種不同轉(zhuǎn)速下的出流室出風(fēng)口風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。

圖9 風(fēng)速測(cè)量試驗(yàn)Fig.9 Wind speed measurement test。

風(fēng)速的測(cè)量在廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院室內(nèi)進(jìn)行,設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 100、1 400、1 700r/min,在Fluent中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真。對(duì)比仿真計(jì)算可知:測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速與物理試驗(yàn)測(cè)量風(fēng)速,風(fēng)速變化趨勢(shì)較為一致,轉(zhuǎn)速為1 100r/min時(shí)出風(fēng)口測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速分布圖曲線如圖10所示。對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下排雜裝置流量,如圖11所示。

圖10 1 100r/min時(shí)出風(fēng)口風(fēng)速對(duì)比Fig.10 Comparison of outlet air velocity at 1 100r/min。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下出風(fēng)口流量對(duì)比Fig.11 Contrast of outlet flow rate at different rotational speed。

3個(gè)轉(zhuǎn)速下流量誤差均小于10%。通過物理試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,表明該風(fēng)場(chǎng)仿真方法合理。

3.2 排雜裝置-蔗稈段-蔗葉耦合系統(tǒng)模型的驗(yàn)證

耦合模型的驗(yàn)證擬選用田間試驗(yàn)所測(cè)的含雜率與排雜率兩個(gè)指標(biāo)與仿真所得進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。田間試驗(yàn)在廣西崇左市扶綏縣蕾隴村進(jìn)行,甘蔗品種為粵糖93/159。所選蔗田種植密度均勻,生長(zhǎng)情況良好。

根據(jù)文獻(xiàn)[6, 14]中方法,將一個(gè)周長(zhǎng)為4m、長(zhǎng)為2m的鐵紗網(wǎng)兜開口端固定于排雜風(fēng)機(jī)出風(fēng)口,用于收集通過排雜裝置排出的雜物,將帆布平鋪于拋蔗出口下方的作業(yè)區(qū)間用于收集拋蔗出口墜落物料,如圖12所示。將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 700r/min,待收割機(jī)工況穩(wěn)定后實(shí)際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 660r/min,對(duì)單行甘蔗進(jìn)行收割作業(yè),距離為5m,記錄作業(yè)時(shí)間t。測(cè)量網(wǎng)兜中蔗葉質(zhì)量A、帆布上蔗葉質(zhì)量B、帆布上蔗尾及碎蔗質(zhì)量C、帆布上蔗稈段質(zhì)量D,通過下式計(jì)算出排雜率和含雜率,即

圖12 田間收割試驗(yàn)Fig.12 Field harvesting test。

(1)

(2)

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test Result。

排雜率/%含雜率/%蔗稈段喂入速度/kg·s-1雜物喂入速度/kg·s-1蔗葉喂入速度/kg·s-191.23.03.960.111.30。

物理試驗(yàn)的蔗稈段的平均長(zhǎng)度為165.8mm,平均直徑為26.1mm;蔗尾的平均長(zhǎng)度為153.6mm,平均直徑為10.22;蔗葉的平均尺寸為184.2mm×8.2mm×0.5mm。依照2.1所述方法建立蔗稈段、蔗尾(碎蔗)、蔗葉的幾何模型,標(biāo)定其本征參數(shù)及接觸參數(shù)。標(biāo)定結(jié)果如表2～表4所示。

表2 蔗稈段及蔗葉的本征屬性Table 2 Intrinsic properties of sugarcane stalk and leaf。

表3 接觸參數(shù)Tab.3 Contact parameter。

表4 標(biāo)定結(jié)果Table 4 Contact parameter。

根據(jù)田間試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果設(shè)定顆粒喂入速度,顆粒生成位置隨機(jī),結(jié)果表明:顆粒初始速度按照切斷輥轉(zhuǎn)速為260r/min時(shí)切向速度計(jì)算,沿x方向速度為3.54m/s,z方向速度為2.48m/s,顆粒工廠工作時(shí)間為0.1s,風(fēng)機(jī)工作時(shí)間為1.1s。

仿真結(jié)果如圖13所示。0～0.1s時(shí),顆粒工廠共生成蔗稈段362.4g,蔗尾9.1g,蔗葉128.7g;2s時(shí),仿真系統(tǒng)內(nèi)物體均恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)362.4g蔗稈段及9.1g不易排出雜質(zhì)全部掉出集流室,117.0g葉片由出流室出風(fēng)口飛出,7.8g蔗葉由集流室入口墜落,1.9g蔗葉殘留在排雜裝置內(nèi)部。通過計(jì)算,得到排雜率為84.9%,含雜率為4.4%,而物理試驗(yàn)的排雜率為91.2%,含雜率為3.0%。仿真試驗(yàn)和物理試驗(yàn)結(jié)果較一致,表明該模型合理,可用于切段式甘蔗收割機(jī)排雜裝置排雜機(jī)理的研究。

圖13 耦合仿真結(jié)果Fig.13 Coupling simulation results。

4 結(jié)論

1)測(cè)量了蔗料的本征屬性與接觸參數(shù),標(biāo)定了蔗料在EDEM中的的接觸參數(shù),得到了蔗料的離散元模型。

2)測(cè)量了排雜裝置出風(fēng)口風(fēng)速,對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn),得到了合理的排雜裝置風(fēng)場(chǎng)仿真方法。

3)測(cè)量了4GZQ180B型收割機(jī)田間作業(yè)的基本參數(shù),對(duì)比仿真試驗(yàn),得到了合理的排雜裝置-蔗稈段-蔗葉耦合模型的構(gòu)建方法。

4)通過該耦合模型,可進(jìn)一步研究蔗料在排雜裝置中的行為、風(fēng)場(chǎng)的變化對(duì)排雜過程的影響,為切段式甘蔗收割機(jī)排雜裝置的優(yōu)化研究提供依據(jù)。