甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

邢浩男，馬少春※，莫建霖，曾伯勝，梁文鵬，李偉慶，王風(fēng)磊，白 靜，丁征亮

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083；2. 廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司，南寧530007）

0 引 言

隨著大量勞動(dòng)力從農(nóng)村流向城市，農(nóng)村地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)象，在此背景下甘蔗機(jī)械化收獲的推廣變得更加緊迫[1-3]。目前受?chē)?guó)內(nèi)生產(chǎn)模式和糖廠(chǎng)制糖工藝等因素影響，機(jī)械化收獲仍然未能得到廣泛認(rèn)可[2]，主要原因是相對(duì)于人工收獲，機(jī)械化收獲的甘蔗含雜率更高[4-6]，糖廠(chǎng)在收購(gòu)甘蔗時(shí)需要扣除雜質(zhì)的質(zhì)量，影響農(nóng)民收益，過(guò)多的雜質(zhì)也會(huì)降低蔗糖品質(zhì)，影響糖廠(chǎng)的利益[7-8]。以上問(wèn)題制約著中國(guó)甘蔗機(jī)械化收獲的推廣，也削弱了制糖業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。

切段式甘蔗收割機(jī)大多使用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排雜[9-11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)排雜風(fēng)機(jī)和排雜機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究，以期降低含雜率。為了研究甘蔗喂入量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響，Whiteing等[12]進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升后含雜率下降，同時(shí)損失率升高，并且隨著喂入量的升高，風(fēng)機(jī)的排雜效果被削弱，該研究對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)給出了建議但并未改進(jìn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。為了指導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，有學(xué)者對(duì)甘蔗收割機(jī)的排雜機(jī)理進(jìn)行了研究。Wang等[13]測(cè)定了蔗段、蔗葉以及蔗梢的懸浮速度，測(cè)定結(jié)果表明蔗段與雜質(zhì)的懸浮速度存在較大差異，適當(dāng)提高風(fēng)速有利于降低含雜率。袁成宇等[14]利用自制試驗(yàn)裝置測(cè)定了蔗葉在流場(chǎng)中的松弛時(shí)間，發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速的升高蔗葉能更快進(jìn)入穩(wěn)定的輸送狀態(tài)。排雜機(jī)理研究表明，適當(dāng)提高風(fēng)速有利于降低含雜率。為了獲得較高的風(fēng)速，操作人員通常將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到最大，但在栽培技術(shù)粗放、大面積倒伏等復(fù)雜田間環(huán)境的影響下現(xiàn)有風(fēng)機(jī)依然不能有效降低含雜率[15]。

葉輪是排雜風(fēng)機(jī)的主要部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響排雜效果[11]。李春曦等[16]利用葉片弦向彎掠技術(shù)對(duì)葉片進(jìn)行了改進(jìn)，研究表明使用前掠葉片能降低泄漏損失，提升葉輪的做功能力。葉學(xué)民等[17]通過(guò)在葉片頂部加工雙凹槽結(jié)構(gòu)改善了葉頂氣流泄漏現(xiàn)象，并確定了凹槽的最佳深度，提升了葉輪的性能。劉剛等[18]在葉片頂部增加了葉尖小翼結(jié)構(gòu)，并對(duì)其氣動(dòng)性能進(jìn)行了CFD仿真研究，結(jié)果表明，小翼結(jié)構(gòu)能夠有效提升軸流風(fēng)機(jī)的性能。這些研究中的葉輪具有工作環(huán)境清潔、壽命長(zhǎng)和制造成本高的特點(diǎn)，但是由于工作環(huán)境惡劣，排雜風(fēng)機(jī)葉輪經(jīng)常與固體雜質(zhì)發(fā)生碰撞和摩擦，導(dǎo)致其使用壽命遠(yuǎn)低于普通風(fēng)機(jī)葉輪[19-20]，而目前尚缺乏適用于排雜風(fēng)機(jī)葉輪的優(yōu)化方案。

為提高排雜風(fēng)機(jī)性能，本課題組已對(duì)廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的4GZQ-180切段式甘蔗收割機(jī)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化[21]，該研究改進(jìn)了風(fēng)機(jī)外殼的形狀，減少了漩渦流動(dòng)引起的能量損失，但未涉及葉輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，因此在復(fù)雜田間環(huán)境的影響下該風(fēng)機(jī)依然不能有效去除雜質(zhì)。本文采用數(shù)值模擬和響應(yīng)曲面優(yōu)化法對(duì)風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行優(yōu)化，并制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。以含雜率和損失率作為指標(biāo)對(duì)優(yōu)化前后的葉輪進(jìn)行性能評(píng)估。以期獲得氣動(dòng)性能好且成本低廉的葉輪，為排雜風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 排雜風(fēng)機(jī)與葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 排雜風(fēng)機(jī)

排雜風(fēng)機(jī)由外殼、葉輪、支撐架、液壓馬達(dá)和整流罩組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)機(jī)工作時(shí)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生氣流，此時(shí)蔗段和雜質(zhì)同時(shí)被拋灑進(jìn)風(fēng)機(jī)內(nèi)部，懸浮速度較低的雜質(zhì)隨氣流排出，而懸浮速度較高的雜質(zhì)受氣流影響較小難以從蔗段中分離，并且喂入量較大時(shí)風(fēng)機(jī)入口會(huì)被物料堵塞導(dǎo)致風(fēng)速降低影響排雜效果。

1.2 葉輪

1.2.1 葉輪結(jié)構(gòu)

圖2 a所示為風(fēng)機(jī)截面的主視圖（截面位置如圖2b所示）。葉輪由葉片和輪轂組成。排雜風(fēng)機(jī)內(nèi)部介質(zhì)中混有大量固體，因此葉片之間應(yīng)保留足夠的間隙使固體雜質(zhì)通過(guò)。為增加葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低制造成本，葉片安裝角和弦長(zhǎng)沿徑向不變[22]。

本文以葉片間隙占風(fēng)機(jī)橫截面面積的百分比（以下簡(jiǎn)稱(chēng)間隙占比）量化葉片間隙大?。ㄊ剑?）），以研究葉片稠密度對(duì)排雜效果的影響。優(yōu)化前排雜風(fēng)機(jī)和葉輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 排雜風(fēng)機(jī)和葉輪的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of extractor and impeller

式中G為間隙占比，%；S1為風(fēng)機(jī)橫截面面積，mm2；S2為葉片間隙面積，mm2。

1.2.2 葉輪參數(shù)與風(fēng)速關(guān)系

提高風(fēng)速有利于降低含雜率，因此對(duì)葉輪參數(shù)和風(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行分析以確定優(yōu)化中的影響因素。葉片升力能夠反映葉片吸力面和壓力面的壓力差，葉片升力較大時(shí)有益于產(chǎn)生更大風(fēng)速。圖3所示為葉片截面速度圖。

圖3 中體積微元的升力可表示為[22]

式中Fy為升力，N；cy為升力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3。

式（2）和式（3）表明，升力和軸向風(fēng)速與安裝角和葉片弦長(zhǎng)相關(guān)。軸向風(fēng)速正比于風(fēng)機(jī)風(fēng)速[22]，因此對(duì)安裝角和弦長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化可獲得高性能葉輪。其中葉片弦長(zhǎng)可由式（4）進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)槭剑?）中輪轂直徑和葉輪直徑受風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)限制不便改進(jìn)，所以安裝角、葉片數(shù)和間隙占比為葉輪氣動(dòng)性能的主要影響因素。

2 數(shù)值方法與仿真結(jié)果驗(yàn)證

采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不同葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系及作用機(jī)理，以為探究不同葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排雜性能的影響進(jìn)而對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 控制方程與邊界條件

排雜風(fēng)機(jī)中的空氣流動(dòng)為湍流，且葉輪附近流場(chǎng)具有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，因此采用Realizablek-ε湍流模型對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，該模型中包含了曲率和旋轉(zhuǎn)的相關(guān)項(xiàng)，已被廣泛用于風(fēng)機(jī)等帶有旋轉(zhuǎn)和分離流動(dòng)的流場(chǎng)計(jì)算[23-25]。

為盡可能真實(shí)的模擬外界環(huán)境，如圖4所示，在風(fēng)機(jī)入口和出口位置分別添加了尺寸遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)直徑的圓柱形延長(zhǎng)段[26]。將模型進(jìn)口和出口分別設(shè)定為壓力進(jìn)口和壓力出口，相對(duì)壓力為0，用于計(jì)算空載風(fēng)機(jī)流場(chǎng)；將模型出口設(shè)定為壓力出口，進(jìn)口設(shè)定為速度入口用于計(jì)算風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速時(shí)的全壓。壁面邊界條件為無(wú)滑移壁面。模型內(nèi)部交界面設(shè)定為Interface以實(shí)現(xiàn)接觸面的數(shù)據(jù)傳遞。采用一階迎風(fēng)離散模型，使用Simple算法進(jìn)行求解。

2.2 網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)證

延長(zhǎng)段使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分以減少網(wǎng)格數(shù)量加快計(jì)算速度[25]。風(fēng)機(jī)內(nèi)部形狀復(fù)雜，因此使用形狀適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[21,24-25]。為提高仿真精度，對(duì)葉片表面的網(wǎng)格進(jìn)行加密，遠(yuǎn)離葉片區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置得較稀疏以節(jié)省計(jì)算資源[24]。

為驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 650 r/min，將初始網(wǎng)格數(shù)量（2.2×106）分別提高2、2.5、3和3.5倍并計(jì)算空載時(shí)的葉輪扭矩和風(fēng)速。結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到2倍以上，2個(gè)指標(biāo)均達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)綜合評(píng)價(jià)后，使用數(shù)量為5.59×106的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

2.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

2.3.1 測(cè)量裝置與方法

使用北京中儀聯(lián)控科技有限公司的風(fēng)速儀（型號(hào)：JY-GD680；分辨率：0.01 m/s）對(duì)不同轉(zhuǎn)速下原型風(fēng)機(jī)的空載風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定以驗(yàn)證仿真結(jié)果。測(cè)量方法按照GBT10178—2006《工業(yè)通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)》[27]所述步驟進(jìn)行。

2.3.2 測(cè)量結(jié)果

如表2所示，7種轉(zhuǎn)速下空載風(fēng)速的仿真值與測(cè)量值相比最大誤差為5.24%，平均誤差為4.29%。仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

表2 各轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)速的仿真值和測(cè)量值Table 2 Simulation value and measured value at each fan speed

3 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

葉輪是排雜風(fēng)機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響風(fēng)速，從而影響排雜效果，因此需對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高風(fēng)速進(jìn)而應(yīng)對(duì)復(fù)雜田間環(huán)境。

3.1 預(yù)試驗(yàn)研究

因?yàn)檫^(guò)低的間隙占比可能導(dǎo)致雜質(zhì)被葉輪阻擋而無(wú)法排出，所以預(yù)試驗(yàn)以含雜率為指標(biāo)，測(cè)定了不同間隙占比時(shí)風(fēng)機(jī)的排雜能力，以確定優(yōu)化試驗(yàn)中間隙占比的取值范圍。當(dāng)間隙占比小于47.5%或大于70%時(shí)，易發(fā)生堵塞和風(fēng)速明顯降低的現(xiàn)象，因此預(yù)試驗(yàn)測(cè)定了間隙占比為47.5%、55%、62.5%（原葉輪）、70%葉輪的排雜效果。前期研究測(cè)定了原葉輪在1 650 r/min時(shí)的空載風(fēng)速為18.87 m/s。由于不同葉輪氣動(dòng)性能有所差異，有部分葉輪在最高轉(zhuǎn)速下的空載風(fēng)速無(wú)法達(dá)到18.87 m/s，因此根據(jù)前期研究所采用的試驗(yàn)方案[21]，設(shè)定空載風(fēng)速水平為11、13、15、17 m/s。

3.1.1 試驗(yàn)材料與方法

甘蔗收割機(jī)型號(hào)為4GZQ-180。試驗(yàn)用甘蔗品種為桂糖55。風(fēng)速測(cè)量方法與2.3.1節(jié)相同。為研究高負(fù)載工況下間隙占比對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，預(yù)試驗(yàn)將行駛速度設(shè)定為3 km/h。按照J(rèn)B/T 6275—2007《甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》測(cè)定含雜率[28]。含雜率計(jì)算公式如下：

式中Pi為含雜率，%；mi為雜質(zhì)的質(zhì)量，kg；mt為混合物的總質(zhì)量，kg。

3.1.2 結(jié)果與分析

如圖5所示，相同風(fēng)速下4種間隙占比葉輪對(duì)應(yīng)的含雜率無(wú)明顯差異，這表明間隙占比的取值并未對(duì)空載風(fēng)速和含雜率之間的關(guān)系造成影響。當(dāng)間隙占比為47.5%且空載風(fēng)速低于15 m/s時(shí)，葉輪下游容易堆積雜草和長(zhǎng)蔗葉等易纏繞的雜質(zhì)，造成排雜效果不穩(wěn)定，使重復(fù)試驗(yàn)難以得到近似的數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差大于其他數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此優(yōu)化試驗(yàn)中不采用間隙占比小于55%的葉輪。

3.2 響應(yīng)因素分析與結(jié)果

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)原風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果確定試驗(yàn)因素取值范圍。采用Box-Behnken Design進(jìn)行仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素編碼如表3所示。以風(fēng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速（1 650 r/min）時(shí)的空載風(fēng)速作為指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果由CFD仿真得到。使用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面分析。

表3 試驗(yàn)因素水平及編碼Table 3 Levels and codes of experimental factors

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示，試驗(yàn)共計(jì)17組，對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行5次重復(fù)。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Experiment plan and results

為充分研究交互作用增加了對(duì)N2G和G2N的顯著性分析?？蛰d風(fēng)速的方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance

由表5可知，β、N、G、N×G、β2、N2、N2G與空載風(fēng)速存在顯著性關(guān)系?？蛰d風(fēng)速與各因素值的回歸方程為

3.2.3 安裝角對(duì)空載風(fēng)速的影響

安裝角與其余2個(gè)因素?zé)o交互作用，因此將其余2個(gè)因素固定在0水平，得到不同安裝角下空載風(fēng)速的變化趨勢(shì)。如圖6所示，因?yàn)榘惭b角及其平方均與空載風(fēng)速存在顯著關(guān)系，所以空載風(fēng)速隨裝角的增加而上升，且上升趨勢(shì)減緩。

為研究安裝角對(duì)空載風(fēng)速的作用機(jī)理，對(duì)N=4，G=62.5%，β為20°、25°、30°的3種葉輪的葉片攻角變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算[22]。如圖3所示葉根附近截面的線(xiàn)速度較低，其做工能力較弱，所以葉片的主要做功區(qū)域位于2/3～1倍葉高處[21]。因此只需研究主要做功區(qū)域的攻角變化規(guī)律。當(dāng)β =20°時(shí)葉片主要做功區(qū)域的攻角為2.39°～8.06°；當(dāng)β =25°時(shí)，主要做功區(qū)域的攻角為3.66 °～10.41°；當(dāng)β =30°時(shí)，該區(qū)域的攻角為7.55°～14.61°。前期研究表明，攻角為12°時(shí)，葉片具有最強(qiáng)做功能力[21]。隨著安裝角的增加，葉片攻角更接近12°，因此提升了空載風(fēng)速。此外，β2對(duì)風(fēng)速有顯著影響，由圖6 可知，隨著安裝角的增加，曲線(xiàn)斜率減小，這是因?yàn)榘惭b角從20°提升到25°時(shí)，葉片主要做功區(qū)域的攻角升高但未達(dá)到12°，這提高了葉片所有截面的做功能力，使空載風(fēng)速快速提高；當(dāng)安裝角從25°提高到30°時(shí)，葉片大部分區(qū)域的性能繼續(xù)提高，但是葉尖部位攻角超過(guò)了12°，導(dǎo)致葉片局部性能降低，這減緩了空載風(fēng)速的上升趨勢(shì)，因此β2與空載風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān)。

3.2.4 交互因素對(duì)空載風(fēng)速的影響

圖7 為葉片數(shù)和間隙占比交互作用對(duì)空載風(fēng)速影響的響應(yīng)曲面。當(dāng)G= 70%時(shí)，隨著葉片數(shù)的增加，空載風(fēng)速單調(diào)遞減。由式（4）可知隨著葉片數(shù)增加，葉片弦長(zhǎng)減小，葉片做工能力減弱，因此3葉片葉輪的做工能力更強(qiáng)。但是，當(dāng)G=62.5%時(shí)，3葉片與4葉片葉輪的空載風(fēng)速差距減小且優(yōu)于5葉片葉輪。當(dāng)G=55%時(shí)，隨葉片數(shù)增加，空載風(fēng)速先增后減。

如圖7所示，隨著間隙占比升高，空載風(fēng)速降低。間隙占比高的葉輪葉片弦長(zhǎng)小，葉片的做功能力較差，反之則較好，因此間隙占比與評(píng)價(jià)指標(biāo)為負(fù)相關(guān)。但是，間隙占比對(duì)空載風(fēng)速的作用效果會(huì)隨著葉片數(shù)的取值而改變。當(dāng)N= 3時(shí)，間隙占比對(duì)空載風(fēng)速的作用效果較弱，隨著葉片數(shù)的增加，作用效果加強(qiáng)。

為進(jìn)一步研究葉片數(shù)和間隙占比交互作用的機(jī)理，計(jì)算了β=25°，G=55%，N為3、4、5的葉輪附近流場(chǎng)，并使用Q準(zhǔn)則識(shí)別葉輪附近的渦結(jié)構(gòu)[18,29-30]。如圖8所示，3種葉輪的葉根附近都產(chǎn)生了尺寸較大的渦帶，這是因?yàn)槿~根附近的攻角減小至負(fù)值，導(dǎo)致葉片壓力面出現(xiàn)氣流分離。渦帶內(nèi)部的壓力低于其他位置，并且渦帶附近有很大的壓力梯度，因此渦帶降低了葉輪效能。相同間隙占比（55%）時(shí)，3葉片葉輪的葉片弦長(zhǎng)遠(yuǎn)大于輪轂直徑，需對(duì)葉根部位進(jìn)行切割以安裝葉片，這破壞了葉根部位的流線(xiàn)形狀加劇了氣流分離，使渦帶尺寸增加，葉輪性能降低。當(dāng)葉片數(shù)為4時(shí)，葉片弦長(zhǎng)減小，葉根的切割量減少，使渦帶尺寸減小，葉輪性能提高。當(dāng)葉片數(shù)為5時(shí)，葉片未被切割，葉根附近渦帶僅因攻角過(guò)低引起，此時(shí)渦帶尺寸較小，但是由于葉片弦長(zhǎng)過(guò)小，葉片做工能力減弱，使葉尖附近的高壓區(qū)域面積減小，導(dǎo)致葉輪性能下降。因此當(dāng)G= 55%時(shí)，隨葉片數(shù)增加，空載風(fēng)速先升高后降低。隨著間隙占比升高至70%，葉片弦長(zhǎng)和葉根部位的切割量減小，這有利于減少葉根渦流的干擾，因此當(dāng)G= 70%時(shí)，空載風(fēng)速隨葉片數(shù)的增加單調(diào)遞減。

當(dāng)N=3時(shí)，葉片的弦長(zhǎng)較大，做功能力提高，但也導(dǎo)致葉根附近渦帶尺寸增加（與圖8原理相同）造成更多能量損失，2種作用相互抵消導(dǎo)致間隙占比對(duì)空載風(fēng)速的作用效果減弱。隨著葉片數(shù)的增加，葉根附近渦帶尺寸減小，間隙占比對(duì)空載風(fēng)速的作用效果受渦帶的影響隨之減小，因此作用效果加強(qiáng)。

3.4 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了獲得葉輪最佳參數(shù)，將空載風(fēng)速最大作為優(yōu)化目標(biāo)，其約束條件為β∈[20°, 30°]；N∈[3, 4]且N為整數(shù)；G∈[55%, 70%]。

優(yōu)化后得到的安裝角為30°，葉片數(shù)為4，間隙占比為55%。優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在1 650 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的空載風(fēng)速測(cè)量值為24.09 m/s，相對(duì)于優(yōu)化前的風(fēng)機(jī)提高了22.35%。優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的空載風(fēng)速高于蔗段的懸浮速度，但是甘蔗進(jìn)入風(fēng)機(jī)后會(huì)增加負(fù)載，使風(fēng)速降低至懸浮速度以下，因此優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)適用于高喂入量工況。為比較優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)性能的差異，計(jì)算了轉(zhuǎn)速為1 650 r/min時(shí)不同風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)全壓。如圖9所示風(fēng)速為12～16 m/s時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓有小幅度降低，這是因?yàn)轱L(fēng)速過(guò)低時(shí)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了失速現(xiàn)象，因此應(yīng)避免優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在此風(fēng)速范圍內(nèi)工作，當(dāng)入口平均風(fēng)速高于16 m/s時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓明顯升高。

4 風(fēng)機(jī)性能田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)場(chǎng)地與試驗(yàn)方法

為研究風(fēng)機(jī)在不同田間情況下的清選效果，于2021年1月在廣西壯族自治區(qū)南寧市武鳴區(qū)鑼圩鎮(zhèn)（試驗(yàn)場(chǎng)地Ⅰ）和大雷馬村（試驗(yàn)場(chǎng)地Ⅱ）選擇2種長(zhǎng)勢(shì)的甘蔗場(chǎng)地進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

試驗(yàn)場(chǎng)地Ⅰ（以下簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)地Ⅰ）甘蔗長(zhǎng)勢(shì)良好，雜草少，關(guān)閉風(fēng)機(jī)收獲時(shí)的含雜率為14.02%；試驗(yàn)場(chǎng)地Ⅱ（以下簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)地Ⅱ）甘蔗長(zhǎng)勢(shì)差，雜草多，關(guān)閉風(fēng)機(jī)收獲時(shí)的含雜率為36.04%。試驗(yàn)場(chǎng)地具體信息如表6所示。

表6 試驗(yàn)場(chǎng)地信息Table 6 The information of test sites

田間試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為含雜率和損失率。含雜率和損失率均按《甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》[28]進(jìn)行。根據(jù)優(yōu)化條件，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 650 r/min。為測(cè)定高負(fù)載下風(fēng)機(jī)排雜性能并考慮收割機(jī)輸送器的輸運(yùn)能力，將收割機(jī)行駛速度設(shè)定為2.5、3.0、3.5 km/h。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖11a所示，因?yàn)閳?chǎng)地Ⅰ的甘蔗本身雜質(zhì)較少，所以?xún)?yōu)化前后的2種風(fēng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的含雜率均較低且無(wú)明顯差異，這表明此收獲條件下已不能降低含雜率。但是在場(chǎng)地Ⅱ收獲時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的性能優(yōu)于優(yōu)化前的風(fēng)機(jī)：3種行駛速度下含雜率分別降低了2.34、2.2、2.4個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)閳?chǎng)地Ⅱ的甘蔗雜質(zhì)較多，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)具有更高的風(fēng)速，有利于分離纏繞在蔗段上的雜質(zhì)從而降低含雜率。

如圖11b所示，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)可能造成更高的損失率。當(dāng)行駛速度為2.5 km/h時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的損失率上升最多，在場(chǎng)地Ⅰ收獲時(shí)，損失率最多上升1.01個(gè)百分點(diǎn)，在場(chǎng)地Ⅱ收獲時(shí)，最多上升0.85個(gè)百分點(diǎn)。隨著行駛速度的提高，2種風(fēng)機(jī)損失率的差異減小，當(dāng)行駛速度為3.5 km/h時(shí)，損失率差異小于0.1個(gè)百分點(diǎn)。

田間試驗(yàn)表明，當(dāng)在場(chǎng)地Ⅰ收獲時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)會(huì)導(dǎo)致?lián)p失率升高，因此建議收獲長(zhǎng)勢(shì)較好的甘蔗時(shí)適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在場(chǎng)地Ⅱ收獲時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)效果較好，其含雜率降低值大于損失率上升值，這表明優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)有應(yīng)對(duì)復(fù)雜田間情況的潛力。

5 結(jié) 論

為提高切斷式甘蔗收割機(jī)排雜風(fēng)機(jī)的性能，本文以風(fēng)機(jī)葉輪為優(yōu)化對(duì)象，以葉片數(shù)、間隙占比、安裝角為因素，以風(fēng)機(jī)的空載風(fēng)速為指標(biāo)，利用仿真試驗(yàn)和響應(yīng)曲面法對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。得出的結(jié)論如下：

1）仿真試驗(yàn)表明，與測(cè)量值相比仿真值的平均誤差為4.29%。葉片數(shù)的平方、安裝角及其平方、間隙占比、葉片數(shù)的平方與間隙占比的交互作用對(duì)空載風(fēng)速影響極顯著（P<0.01），葉片數(shù)、葉片數(shù)與間隙占比的交互作用對(duì)空載風(fēng)速影響顯著（P<0.05）。優(yōu)化后得到的葉輪最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為葉片數(shù)為4、安裝角為30°、間隙占比為55%。

2）田間試驗(yàn)表明，在收獲長(zhǎng)勢(shì)良好的甘蔗時(shí)風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后含雜率無(wú)明顯差異。收獲長(zhǎng)勢(shì)較差的甘蔗時(shí)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)性能提高，3種行駛速度下，含雜率分別降低了2.34、2.2、2.4個(gè)百分點(diǎn)。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)會(huì)造成損失率升高，在收獲長(zhǎng)勢(shì)良好的甘蔗時(shí)損失率最多上升1.01個(gè)百分點(diǎn)，收獲長(zhǎng)勢(shì)較差的甘蔗時(shí)最多上升0.85個(gè)百分點(diǎn)。