甘薯秧回收機(jī)輸送管流體仿真分析與彎管結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

穆桂脂，亓協(xié)騰，張琛，王旭，呂釗欽，鄭文秀

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018； 2. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安，271018； 3. 東營(yíng)職業(yè)學(xué)院石油裝備與機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)，257091)

0 引言

我國(guó)是甘薯種植大國(guó)，甘薯秧蔓產(chǎn)量大，是良好的飼料[1-3]。甘薯秧回收機(jī)可將甘薯秧蔓粉碎后進(jìn)行回收利用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。拋送裝置是甘薯秧回收機(jī)的重要組成部件[4]。目前很多學(xué)者對(duì)葉片式拋送裝置的拋送機(jī)理、內(nèi)部流場(chǎng)等進(jìn)行了研究[5-9]，并對(duì)拋送葉輪的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析優(yōu)化，但現(xiàn)有的研究成果缺乏對(duì)輸送管的研究分析，翟之平等[10]利用Fluent軟件仿真分析了葉片式拋送裝置輸送管內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)，輸送管的結(jié)構(gòu)形式對(duì)拋送裝置內(nèi)物料、氣流運(yùn)動(dòng)影響顯著，因此研究輸送管的結(jié)構(gòu)對(duì)甘薯秧回收性能的影響，可為提升甘薯秧回收機(jī)拋送裝置的性能提供依據(jù)。因此，文章以甘薯秧回收機(jī)輸送管作為研究對(duì)象，利用CFX軟件仿真分析不同輸送管形狀對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的影響，以期獲得輸送管的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為甘薯秧回收機(jī)輸送裝置的性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 甘薯秧回收機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

甘薯秧回收機(jī)[4]主要由切割粉碎裝置、拋送裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。切割粉碎裝置主要由仿壟刀輥及甩刀組成，將挑秧刀挑起的甘薯秧粉碎并將其拋至風(fēng)機(jī)殼內(nèi)。拋送裝置主要由風(fēng)機(jī)、輸送管及收集箱組成，將碎薯秧拋至收集箱。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變速箱、萬向傳動(dòng)裝置及帶傳動(dòng)裝置組成，其主要功能是將拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力通過傳動(dòng)裝置傳遞給變速箱，由變速箱改變動(dòng)力的傳遞方向及傳動(dòng)比并通過皮帶輪帶動(dòng)刀輥及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 粉碎拋送式甘薯秧回收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

回收機(jī)工作時(shí)，刀輥及其上的甩刀高速旋轉(zhuǎn)將挑刀挑起的甘薯秧在半封閉式粉碎室內(nèi)切斷、粉碎，并將碎薯秧拋入風(fēng)機(jī)殼內(nèi)，在風(fēng)機(jī)的拋送作用下碎薯秧通過輸送管進(jìn)入收集箱。甘薯秧回收機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 拋送裝置組成

拋送裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸送管是拋送裝置的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括直管高度、彎管弧度、彎管收縮曲線及風(fēng)機(jī)入口開度等。

圖2 拋送裝置結(jié)構(gòu)

2 輸送彎管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 仿真模型

甘薯秧回收機(jī)拋送裝置模型參數(shù)及仿真工作參數(shù)為：葉片數(shù)量3，葉輪直徑340 mm，葉片寬度10 mm，葉片長(zhǎng)度1 180 mm，葉片后傾角7°，葉片區(qū)外殼直徑400 mm，長(zhǎng)度1 200 mm，輸送直管高度400 mm，風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速880 r/min，刀輥轉(zhuǎn)速2 000 r/min。

2.2 流體動(dòng)力學(xué)控制方程

利用CFX軟件對(duì)拋送裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，選擇有限體積法離散控制方程，旋轉(zhuǎn)域法對(duì)葉輪進(jìn)行處理，歐拉-歐拉法求解計(jì)算氣固兩相流，k-ε模型計(jì)算湍流。

流體的流動(dòng)需要遵循守恒定律，主要包括：能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律。拋送裝置工作時(shí)溫度變化不大，內(nèi)部流體的熱交換可以忽略，因此不考慮能量守恒方程[11-12]。

質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：ρ——流體密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

動(dòng)量守恒方程

(2)

(3)

(4)

式中：p——微體壓力，Pa；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s；

SU,SV,SW——?jiǎng)恿渴睾惴匠痰膹V義源項(xiàng)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程[13]

Gk-ρε+Sk

(5)

(6)

式中：Gk——時(shí)均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；

k——湍動(dòng)能，J；

xi、xj——x在i、j方向分量；

ε——湍流耗散率；

ui——流體動(dòng)力黏度，Pa·s；

μt——流體湍動(dòng)黏度，Pa·s；

Sk、Sε——黏性應(yīng)力和湍動(dòng)應(yīng)力，N/m2；

σk——k方程湍流Prandtl數(shù)，取1.0；

σε——ε方程湍流Prandtl數(shù)，取1.3；

C1ε、C2ε——ε方程其他有關(guān)常數(shù)取值分別為1.44、1.92。

2.3 彎管弧度設(shè)計(jì)與仿真

2.3.1 彎管弧度設(shè)計(jì)

彎管弧度設(shè)計(jì)三種方案，如圖3所示。(1) 彎管上壁面第一段弧度曲率半徑600 mm，第二段弧曲率半徑400 mm，開口向前；(2) 彎管的上壁面分為三段弧度，三段弧度曲率半徑分別為1 000 mm、500 mm、250 mm，為了方便物料顆粒進(jìn)入收集箱，開口略微向下；(3) 保證出口朝下的角度一定時(shí)，輸送直管相對(duì)豎直面傾斜一定角度，可以減輕輸送彎管的彎曲程度，增大曲率半徑[14]。輸送直管相對(duì)豎直面傾斜30°，彎管的上壁面分為三段弧度，三段弧度曲率半徑分別為1 000 mm、500 mm、250 mm。

(a) 方案一

2.3.2 不同彎管弧度輸送管仿真分析

三種設(shè)計(jì)方案的輸送管內(nèi)壓力分布規(guī)律基本一致，壓力云圖如圖4，均為左下角區(qū)域的壓力最大，中間區(qū)域較為均勻，彎管上壁面的壓力較大。測(cè)量進(jìn)入彎管100 mm處的近壁面點(diǎn)處壓力值，三種方案壓力值分別為101.2 Pa、71.2 Pa、76.2 Pa，可見方案一的壓力值最高，方案二的壓力值最低。方案二中直管與彎管過渡的上壁面曲率半徑較大，物料顆粒由直管進(jìn)入彎管時(shí)，顆粒速度方向與彎管切線的夾角減小，發(fā)生碰撞和擠壓程度減輕，產(chǎn)生的壓力最小。

(a) 方案一

輸送管內(nèi)速度矢量分布規(guī)律基本一致，均為上壁面附近速度高，下壁面附近速度較低，見圖5。

(a) 方案一

測(cè)量進(jìn)入彎管100 mm處的上壁面點(diǎn)處速度值，三種方案的速度值分別為6.63 m/s、6.76 m/s、6.24 m/s，方案二的速度值最高。方案二、三的直管與彎管過渡圓弧彎曲程度較輕、曲率半徑較大，進(jìn)入彎管后顆粒運(yùn)動(dòng)變化較小，碰撞等損失較低。設(shè)計(jì)三稍低于方案二是因?yàn)槠漭斔椭惫軆A斜了30°，有一部分拋出顆粒的速度與該直管壁面不平行，發(fā)生了一定的碰撞和接觸，導(dǎo)致速度有損失。

測(cè)量進(jìn)入彎管100 mm處的近壁面點(diǎn)體積濃度。三種方案的體積分?jǐn)?shù)分別為69.8%、60.7%及82.9%，可見方案三發(fā)生堵塞的可能性最大，方案二堵塞可能性最小?？梢妼⑤斔椭惫軆A斜30°后，拋出的顆粒更多得位于上壁面處，顆粒聚集較多。

綜上分析，三段弧度結(jié)合方案，輸送管壁內(nèi)壓力值最低，氣流速度最高，發(fā)生堵塞可能最小，最有助于甘薯秧的輸送。

2.4 彎管收縮曲線設(shè)計(jì)與仿真分析

在質(zhì)量流量一定的前提下，出口面積減小，可提高出口處物料的拋出速度，增大拋出距離，但是出口面積也不能太小，否則會(huì)增大堵塞的可能，使拋送效果變差。管道入口面積不變，出口面積變小，需要輸送管道出口端進(jìn)行一定的收縮，實(shí)現(xiàn)由大變小。

2.4.1 彎管收縮曲線設(shè)計(jì)

輸送管不同的收縮形狀、曲線會(huì)影響顆粒流動(dòng)的狀態(tài)和特征，進(jìn)而影響拋出的效率、拋出速度等。從直管250 mm高的位置開始逐漸向里收縮，在出口面積基本相同的前提下設(shè)計(jì)了三種收縮方案，見圖6。(1)直線收縮過渡，得到傾斜面，傾斜的角度18.43°；(2)曲率半徑為845 mm的弧線收縮過渡；(3)曲率半徑為1 000 mm、800 mm、500 mm的三段弧線組合收縮過渡。

(a) 直線收縮

2.4.2 不同彎管收縮曲線輸送管仿真分析

三種彎管收縮曲線設(shè)計(jì)的輸送管壁面壓力如圖7所示，直線收縮時(shí)，在開始收縮的拐角處出現(xiàn)壓力最大的紅色區(qū)域?？梢姴捎弥本€過渡，兩相流的速度方向與壁面的夾角較大，碰撞擠壓程度最大；而另兩種采用圓弧過渡，減輕了碰撞程度，降低了壓力和能量損耗。

(a) 直線收縮

測(cè)量輸送管出口處速度，測(cè)量值分別為6.78 m/s、7.19 m/s、7.14 m/s。采用直線收縮出口速度最低，主要因?yàn)閮上嗔髟谶^渡開始的拐角處碰撞、擠壓程度大，能量損失大。

綜上分析，采用單一曲率半徑收縮過渡圓滑，出口處速度最高，有助于提高拋送距離。

2.5 風(fēng)機(jī)入口開度設(shè)計(jì)與仿真分析

甘薯秧蔓被高速旋轉(zhuǎn)的甩刀擊碎后，以一定的速度進(jìn)入拋送室，被風(fēng)機(jī)進(jìn)一步拋送。風(fēng)機(jī)入口開度影響甘薯秧蔓能否順利進(jìn)入拋送室、對(duì)葉輪是否產(chǎn)生干擾等，進(jìn)而影響拋送裝置的工作性能。設(shè)計(jì)三種風(fēng)機(jī)入口開度：(1)開度一，開口最小，寬度為150 mm；(2)開度二，開口寬度為200 mm，與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑相等。(3)開度三，開口寬度250 mm，比開度二延長(zhǎng)50 mm。

三種開度下輸送管內(nèi)物料的體積濃度如圖8所示，可以看出隨著風(fēng)機(jī)入口開度增加，葉輪區(qū)物料體積濃度減小，輸送管道中物料體積濃度分布也更均勻。

(a) 開度一

測(cè)量輸送管出口以及直管底面(Y=0.4 m)處速度值和出口質(zhì)量流量值，如表2所示。Y=0.4m平面速度值可以反映剛被拋出的物料顆粒的速度大小。從表1中可以看出，隨著風(fēng)機(jī)入口處開度的增加，速度值越小。這是因?yàn)殚_度越小氣流速度越高。但出口處速度隨開度增加卻增加，說明開度增加，顆粒分布越均勻進(jìn)入彎管后產(chǎn)生的碰撞干涉最輕，速度降低程度越小。隨著開度增加，出口處質(zhì)量流量先增加后減少，可見風(fēng)機(jī)入口開度不宜過大。

表2 不同風(fēng)機(jī)入口開度測(cè)量值

2.6 優(yōu)化仿真試驗(yàn)

2.6.1 仿真試驗(yàn)方案

前述仿真結(jié)果表明：輸送彎管上壁面采用三段弧度結(jié)合方案，彎管收縮曲線采用單一曲率半徑收縮過渡，合適的風(fēng)機(jī)入口開度有助于提高拋送裝置性能。葉片式拋送裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含：功耗，拋送效率等。功耗可用比功耗表示，用風(fēng)機(jī)拋送消耗的功率與喂入量(質(zhì)量流量)的比值表示。拋送效率(甘薯秧回收率)用出口的質(zhì)量流量與入口質(zhì)量流量的百分比來表示。與以上評(píng)價(jià)指標(biāo)有關(guān)的物理量均可以在Ansys CFX-post后處理模塊中，進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量。為確定最佳優(yōu)化方案，考慮三者交互因素，利用Design-Expert 8.0軟件，以彎管弧度X1，收縮曲線曲率半徑X2，入口開度X3為試驗(yàn)因素，以回收機(jī)拋送裝置比功耗Y1、甘薯秧回收率Y2為響應(yīng)值進(jìn)行三因素三水平中心組合試驗(yàn)。試驗(yàn)因素及編碼如表3所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值如表4所示。

表3 仿真試驗(yàn)因素及水平

表4 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.6.2 優(yōu)化模型與顯著性分析

根據(jù)表4中的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立以X1、X2、X3為自變量，Y1、Y2為因變量的響應(yīng)面回歸方程

Y1=620-17.38X1+1.75X2-22.88X3-

15X1X2-28.25X1X3-10X2X3+

100X12+47X22+43X32

(7)

Y2=95.95+0.66X1-0.84X2+1.43X3+

0.28X1X2-0.58X1X3-0.055X2X3-

1.29X12-0.93X22-3.43X32

(8)

對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。模型的顯著水平(P值)都遠(yuǎn)小于0.01，表明2個(gè)回歸模型高度顯著；2個(gè)模型失擬項(xiàng)P值都大于0.05表明回歸方程(7)、方程(8)的擬合度高，可以優(yōu)化分析甘薯秧回收機(jī)拋送裝置輸送彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由表5可知，X1、X2、X3對(duì)拋送裝置比功耗的影響主次順序?yàn)椋篨3、X1、X2；X1X3交互作用對(duì)拋送裝置比功耗影響顯著；3個(gè)因素對(duì)甘薯秧回收率的影響主次順序?yàn)椋篨3、X2、X1；三因素交互作用對(duì)甘薯秧回收率影響都不顯著。

表5 回歸方程方差分析

2.6.3 參數(shù)優(yōu)化

為尋求甘薯秧回收機(jī)拋送裝置輸送彎管的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行降低比功耗、提高甘薯秧回收率多目標(biāo)優(yōu)化，利用Design Expert8.0軟件的Numerical模塊對(duì)2個(gè)指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型(7)、(8)進(jìn)行求解。由表4可知隨著彎管弧度增加拋送裝置比功耗先減小后增加，甘薯秧回收率先快速增加后緩慢減小；隨著收縮曲線曲率半徑的增加比功耗先減小后快速增加，甘薯秧回收率先增加后減?。浑S著入口開度增加比功耗先減小后增加，甘薯秧回收率先快速增加后緩慢減小。由于各因素對(duì)目標(biāo)值的影響不一致，以拋送裝置比功耗最小，甘薯秧回收率最大為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)彎管弧度X1，收縮曲線X2，入口開度X33個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，目標(biāo)函數(shù)與約束條件

(9)

經(jīng)優(yōu)化求解，在入口開度X3在0.31水平，彎管弧度X1在0.128水平，收縮曲線X2在0.04水平時(shí)，出現(xiàn)最優(yōu)的期望值0.272，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)面如圖9所示。

圖9 優(yōu)化結(jié)果響應(yīng)面圖

對(duì)應(yīng)的優(yōu)化組合為：當(dāng)彎管上壁面弧度為三段弧組合R1 026 mm +R513 mm +R256 mm，收縮曲線曲率半徑為849 mm，入口開度為215.53 mm時(shí)，拋送裝置比功耗為616 m2/s2，甘薯秧回收率為96.07%。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)比

為驗(yàn)證輸送管結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化結(jié)果是否有效及對(duì)比分析輸送管結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后甘薯秧回收機(jī)的拋送性能，利用搭建的甘薯秧回收機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)送秧機(jī)構(gòu)與實(shí)際甘薯種植基地薯壟尺寸一致，甘薯秧為甘薯收獲期整株甘薯秧，甘薯秧喂入量1.62 kg/s。甘薯秧回收機(jī)主要工作部件粉碎刀輥機(jī)構(gòu)和風(fēng)機(jī)分別由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，與其相連的動(dòng)扭矩傳感器將刀輥及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)輸送給測(cè)控系統(tǒng)?；厥諜C(jī)輸送彎管結(jié)構(gòu)改進(jìn)前結(jié)構(gòu)參數(shù)彎管弧度采用2.3.1部分的方案1，收縮曲線設(shè)計(jì)采用2.4.1部分的方案1，風(fēng)機(jī)入口開度為250 mm。優(yōu)化后輸送彎管結(jié)構(gòu)參數(shù)為彎管上壁面弧度采用三段弧組合R1 026 mm+R513 mm+R256 mm，收縮曲線曲率半徑850 mm，風(fēng)機(jī)入口開度為216 mm(為便于實(shí)際應(yīng)用，輸送彎管尺寸參數(shù)對(duì)優(yōu)化的參數(shù)理論值進(jìn)行了適當(dāng)圓整)，回收機(jī)其他工作參數(shù)同仿真試驗(yàn)相同。

調(diào)整刀輥及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值，用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測(cè)量風(fēng)機(jī)功率，除以單位喂入量，得到回收機(jī)拋送裝置比功耗；用每次試驗(yàn)后回收的甘薯秧質(zhì)量除以送入甘薯秧質(zhì)量，得到甘薯秧回收率。試驗(yàn)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知比功耗和回收率實(shí)際試驗(yàn)值與仿真優(yōu)化值之間相對(duì)誤差分別為7.14%、2.96%，均小于8%，驗(yàn)證了仿真優(yōu)化試驗(yàn)是可靠的?；厥諜C(jī)輸送彎管優(yōu)化改進(jìn)后有效降低了拋送裝置比功耗，降低幅度達(dá)到9.71%，同時(shí)甘薯秧回收率提高了1.04%，可見輸送彎管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有效改善了甘薯秧回收機(jī)的性能。

表6 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

輸送管結(jié)構(gòu)形狀對(duì)甘薯秧回收機(jī)性能影響顯著，利用CFX軟件仿真分析不同輸送管結(jié)構(gòu)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的影響，仿真結(jié)果表明：輸送彎管的上壁面三段弧度結(jié)合方案，輸送管內(nèi)壓力值最低，氣流速度最高，最有助于甘薯秧的輸送；輸送彎管采用單一曲率半徑收縮過渡圓滑，出口處速度最高，有助于提高拋送裝置距離；適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)入口開度有助于提高拋送裝置性能。

以彎管弧度，收縮曲線，入口開度為試驗(yàn)因素，以回收機(jī)拋送裝置比功耗、甘薯秧回收率為響應(yīng)值進(jìn)行三因素三水平中心組合試驗(yàn)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：輸送彎管上壁面弧度采用三段弧組合R1 026 mm+R513 mm+R256 mm，收縮曲線曲率半徑為850 mm，風(fēng)機(jī)入口開度為216 mm時(shí)，拋送裝置比功耗、甘薯秧回收率分別為660 m2/s2、93.23%。試驗(yàn)表明拋送裝置優(yōu)化改進(jìn)后比功耗降低9.71%，甘薯秧回收率提高1.04%，證明了薯秧回收機(jī)輸送彎管仿真優(yōu)化的有效性。這種方法可有效縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本，改進(jìn)后的輸送管更有利于甘薯秧的輸送回收。