花生撿拾收獲機秧蔓輸送裝置設(shè)計與試驗

王伯凱 張 鵬 曹明珠 顧峰瑋 吳 峰 胡志超

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014； 2.中美花生生產(chǎn)工程技術(shù)聯(lián)合實驗室， 南京 210014)

0 引言

花生秧營養(yǎng)豐富，是一種優(yōu)質(zhì)飼料資源，對增加花生產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟附加值有重要作用[1-2]。我國花生秧年產(chǎn)量巨大，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年中國花生種植面積4.63×106hm2，居世界第2位；產(chǎn)量1.75×107t，居世界第1位。但當(dāng)前我國花生主產(chǎn)區(qū)花生撿拾收獲機作業(yè)過程中存在秧蔓輸送效率低、可靠性差等問題，導(dǎo)致大量斷枝、斷秧被遺留田間，這些殘秧既造成資源浪費，又增加后期處理成本[3-4]。因此，提高撿拾收獲機的殘秧輸送質(zhì)量和效果，對于提升花生生產(chǎn)附加值有重大意義。

國外學(xué)者針對氣流輸送技術(shù)進行研究并取得一定進展。KUANG等[5]采用周期性邊界條件對水平管道的氣力輸送系統(tǒng)進行CFD-DEM聯(lián)合仿真，分析不同流型下流場加速和充分發(fā)展階段的特性，建立加速階段長度、顆粒數(shù)量及固體流量的半理論公式。MARCO等[6]通過單個大顆粒在小顆粒懸浮流體內(nèi)的遷移運動試驗，驗證幾種關(guān)于固體和流體相互作用力的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，發(fā)現(xiàn)基于玻爾茲曼離散仿真獲得的曳力和浮力模型相對于其他方法獲得的關(guān)系式與試驗的吻合度較差。近年來，國內(nèi)學(xué)者對氣力輸送的研究也較為深入，杜俊等[7]對帶有彎管的稀相氣力輸送系統(tǒng)的流動特性進行耦合模擬，發(fā)現(xiàn)彎管管壁部受沖擊和磨損更嚴重，而氣流速度對顆粒分散影響很小。張鳳奎等[8]利用DEM-CFD對紅棗從氣力輸送裝置入口到出口的運動狀態(tài)、顆粒分布和氣流場分布進行仿真分析,通過仿真優(yōu)化試驗探究清選箱箱體的設(shè)計。龔智強等[9]運用Fluent軟件研究吸種區(qū)域氣流場中種子的受力情況，確定影響種子受力的因素。但目前針對花生撿拾收獲機作業(yè)過程中秧蔓氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)組配及參數(shù)優(yōu)化的研究較少。

為提高撿拾收獲機的殘秧輸送效率，減少殘秧浪費，本文設(shè)計一種秧蔓氣力輸送裝置，依據(jù)殘秧的物理特性和空氣流動特性，采用DEM-CFD耦合分析氣力輸送過程中殘秧的運動軌跡，并進行參數(shù)優(yōu)化分析，以實現(xiàn)殘秧高質(zhì)順暢輸送。

1 總體結(jié)構(gòu)與氣力輸送機理

1.1 試驗臺總體配置方案

針對軸流式花生撿拾收獲機的作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合殘秧的物理特征及空氣力學(xué)特性，設(shè)計由左風(fēng)機、右風(fēng)機、主輸送管有序組配的秧蔓氣力輸送裝置，并將其配置于自行研制的自走式撿拾收獲試驗臺上，該試驗臺總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由提升裝置、后輪、摘果裝置、驅(qū)動輪、輸送槽、螺旋輸送器、駕駛室、殘秧收集箱、秧蔓氣力輸送裝置等組成(圖1)，試驗臺可進行殘秧氣力輸送結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化試驗。

圖1 試驗臺總體配置方案Fig.1 Overall configuration scheme of experiment platform1.提升裝置 2.后輪 3.摘果裝置 4.驅(qū)動輪 5.輸送槽 6.螺旋輸送器 7.駕駛室 8.殘秧收集箱 9.秧蔓氣力輸送裝置 10.集果箱

秧蔓氣力輸送裝置如圖2所示，主要由上篩、左風(fēng)機、右風(fēng)機、主輸送管、吸秧口、摘果滾筒、進料口及機架等組成。兩風(fēng)機呈前后斜錯位布置，左風(fēng)機在主輸送管的左側(cè)(出秧口)產(chǎn)生負壓，右風(fēng)機對主輸送管垂直段的殘秧輸送起輔助作用。

圖2 秧蔓氣力輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of pneumatic conveying device for residual seedlings1.機架 2.上篩 3.連桿 4.左風(fēng)機 5.下篩 6.右風(fēng)機 7.支管 8.斜管 9. 主輸送管 10.摘果滾筒 11.進秧口

1.2 氣力輸送裝置工作機理

秧蔓氣力輸送裝置工作原理如圖3所示，花生收獲過程中，殘秧主要來源于3處：①花生株系經(jīng)摘果滾筒時莢果被摘取，莢果掉落下方，長秧稈(長度為100～150 mm，懸浮速度為5.9～12.8 m/s)在螺旋輸送器作用下向主輸送管方向運動，并在出秧口附近受左風(fēng)機負壓氣流作用被吸入主輸送管。②柵格篩上的中秧稈(長度為51～99 mm，懸浮速度為3.2～5.8 m/s)在左風(fēng)機作用下被吸入吸秧口，經(jīng)風(fēng)機由斜支管進入主輸送管與長秧稈匯集。③右風(fēng)機從下篩吸附的短秧稈(長度為20～50 mm，懸浮速度為2.1～3.8 m/s)在氣流作用下被輸送至主輸送管與長秧稈、中秧稈匯合，最后一起被輸送至集秧箱。

圖3 秧蔓氣力輸送裝置工作原理圖Fig.3 Schematic circuit of pneumatic conveying device for residual seedlings1.長秧稈 2.中秧稈 3.短秧稈

2 氣力輸送裝置設(shè)計

2.1 主輸送管設(shè)計

進秧量決定秧蔓氣力輸送裝置內(nèi)殘秧質(zhì)量濃度，主輸送管殘秧輸送量計算式為

q=k1m1vB1Q

(1)

式中q——主輸送管殘秧輸送量，kg/s

k1——蔓果質(zhì)量比，取1

m1——單株平均質(zhì)量，kg/株

v——前進速度，m/s

B1——作業(yè)幅寬，m

Q——花生鋪放密度，株/m2

根據(jù)河南花生主產(chǎn)區(qū)種植情況，植株平均長度400 mm，收獲含水率20%，蔓果質(zhì)量比為1，單株平均質(zhì)量0.1 kg/株，作業(yè)幅寬為2.5 m，收獲速度為0.5 m/s，花生鋪放密度為12.4株/m2。通過式(1)計算出主輸送管殘秧輸送量為1.55 kg/s。

管路配置如圖4所示，其中主輸送管內(nèi)殘秧由各管道的殘秧匯集而成，各管道的殘秧質(zhì)量濃度計算式為

圖4 管路配置簡圖Fig.4 Schematic of pipeline configuration1.左風(fēng)機 2.斜管 3.支管 4.右風(fēng)機 5.主輸送管

(2)

式中w0——主輸送管內(nèi)殘秧質(zhì)量濃度，kg/m3

A0——主輸送管豎直段截面面積，m2

v0——氣流速度，m/s

w1——輸送管S1S2段內(nèi)殘秧質(zhì)量濃度，kg/m3

w2——斜管內(nèi)殘秧質(zhì)量濃度，kg/m3

w3——支管內(nèi)殘秧質(zhì)量濃度，kg/m3

λ1——輸送管S1S2段進秧量占主輸送管殘秧輸送量比例

λ2——斜管進秧量占主輸送管殘秧輸送量比例

λ3——支管進秧量占主輸送管殘秧輸送量比例

A1——輸送管S1S2段截面積，m2

A2——斜管截面積，m2

A3——支管截面積，m2

v1——輸送管S1S2段氣流速度，m/s

v2——斜管氣流速度，m/s

v3——支管氣流速度，m/s

根據(jù)式(2)可知，秧蔓氣力輸送裝置各管道內(nèi)殘秧質(zhì)量濃度與撿拾收獲機的作業(yè)速度、作業(yè)幅寬、鋪放密度成正比，與輸送氣流速度、各管道截面積成反比。鋪放密度一定時，殘秧質(zhì)量濃度越大，越有利于增大秧蔓氣力輸送裝置的輸送能力，但殘秧質(zhì)量濃度過大，殘秧易滯留或堵塞主輸送管，降低殘秧輸送效率，主輸送管的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足殘秧輸送的濃度要求。主輸送管截面尺寸對壓力和流速有重要影響，是影響殘秧質(zhì)量濃度的關(guān)鍵參數(shù)，由式(2)可得主輸送管豎直段截面面積計算式為

(3)

氣流輸送質(zhì)量濃度一般小于10 kg/m3[10]，為避免殘秧滯留或堵塞輸送管，主輸送管內(nèi)殘秧質(zhì)量濃度w0設(shè)計為2 kg/m3，氣流輸送速度應(yīng)大于殘秧最大懸浮速度，殘秧懸浮速度為3.2～12.8 m/s，為保證順暢輸送，根據(jù)氣體輸送理論，主輸送管垂直段氣流速度設(shè)計為24 m/s，花生鋪放密度為12.4株/m2，代入式(3)計算可得主輸送管豎直截面面積A0=0.12 m2。綜合考慮秧蔓氣力輸送裝置整體結(jié)構(gòu)配置和安裝工藝，確定主輸送管截面為矩形，尺寸為0.28 m×0.36 m，并以主輸送管截面和殘秧輸送氣流速度為依據(jù)，確定主輸送管所需輸送氣流流量為

Q0=900λ4v0πD2

(4)

式中Q0——主輸送管所需輸送氣流流量，m3/h

λ4——輸送氣流流量系數(shù)，取1.1

D——管道等流量當(dāng)量直徑，m

根據(jù)主輸送管尺寸為0.28 m×0.36 m，管道等流量當(dāng)量直徑D=0.32 m，可得Q0=7 402 m3/h。

殘秧在主輸送管內(nèi)的流動狀態(tài)受氣流速度、殘秧外形尺寸、殘秧密度、輸送管截面尺寸及輸送量等因素影響，殘秧在主輸送管沿管底滑行或翻滾前進時的啟動速度滿足[11]

(5)

式中U——殘秧在主輸送管啟動速度，m/s

ρ2——殘秧密度，取302 kg/m3

ρ——空氣密度，取1.3 kg/m3

f——摩擦因數(shù)，取0.05

dm——殘秧群的等效粒徑，取0.013 m

Lg——重力力臂長度，取0.006 5 m

Lf——摩擦力力臂長度，取0.006 m

g——重力加速度，取9.8 m/s2

CD——顆粒曵力系數(shù)，取0.44

LD——流體曵力力臂長度，取0.006 5 m

通過式(5)得，最小啟動速度U為7.2 m/s。

輸送管S1S2段內(nèi)殘秧脫離管底運動的臨界氣流速度滿足條件

(6)

式中vc——殘秧脫離管底的臨界氣流速度，m/s

C1——彎管阻力系數(shù)，取0.5[12]

μ3——混合質(zhì)量濃度，取3.29 kg/m3

k2——輸送管S1S2段氣流速度與殘秧速度的比值，取1.5

b——輸送管S1S2段殘秧的形狀及尺寸系數(shù)，取5

由式(5)、(6)計算可得，殘秧在輸送管S1S2段底部流動的速度為7.2～13.3 m/s，當(dāng)超過13.3 m/s時，殘秧脫離輸送管S1S2段的底部運動。

根據(jù)氣體輸送理論，殘秧在主輸送管垂直段內(nèi)穩(wěn)定輸送的氣流速度滿足條件

v5=λ5vx

(7)

式中v5——主輸送管垂直段內(nèi)穩(wěn)定輸送的氣流速度，m/s

λ5——輸送氣流流量系數(shù)，取1.2

vx——殘秧的最大懸浮速度，為12.8 m/s

由式(7)計算得出主輸送管垂直段內(nèi)穩(wěn)定輸送的氣流速度為15.4 m/s。

2.2 吸秧口設(shè)計

吸秧口設(shè)計旨在平衡多個特性以實現(xiàn)最佳風(fēng)機性能，也是保證篩子上長秧稈被充分捕獲、吸集的關(guān)鍵點。其對整個系統(tǒng)的氣流和壓力要求有直接影響，合理的設(shè)計，使用較小的抽風(fēng)量就可以有效提升秧稈輸送效率。

吸秧口吸秧原理如圖5所示，根據(jù)吸秧口與篩子之間的位置關(guān)系，吸秧口到篩面的高度滿足條件

圖5 吸秧口吸秧原理圖Fig.5 Schematic of seedling suction principle at seedling suction port

hx=As+hy+hw

(8)

式中hx——吸秧口到篩面的高度，mm

As——篩子振幅，mm

hy——中秧稈平均平鋪高度，mm

hw——進氣高度，mm

長秧稈平鋪高度hx為100～180 mm，為保證不堵塞吸秧口，取hx=180 mm，參照文獻[13]上篩振幅設(shè)計為7 mm，根據(jù)設(shè)計尺寸，進氣高度hw為50～80 mm，則根據(jù)式(8)，吸秧口到篩面的高度hx=187 mm。

中秧稈從篩子被順暢吸入吸秧口，根據(jù)流體力學(xué)理論，進入吸秧口的風(fēng)量應(yīng)滿足條件[14-15]

(9)

式中Qx——進入吸秧口空氣的流量，m3/s

vr——上篩篩面上的風(fēng)速，m/s

a1——吸秧口斜邊長度，m

b1——吸秧口底邊長度，m

L1——吸秧口寬度，m

根據(jù)流體力學(xué)原理，吸秧入口處空氣速度為

(10)

為保證中秧稈從篩子被順暢吸入吸秧口，上篩篩面上風(fēng)速vr應(yīng)大于中秧稈最大懸浮速度(5.8 m/s)[16],取vr=6 m/s，并根據(jù)整體結(jié)構(gòu)配置a1設(shè)計為0.2 m，b1設(shè)計為0.19 m，吸秧口寬度L1設(shè)計為0.9 m，由式(9)得Qx=4.2 m3/s，由式(10)得吸秧口處空氣速度11.9 m/s。

2.3 風(fēng)機參數(shù)確定

2.3.1主輸送管壓損

當(dāng)殘秧在S1S2段時，混合氣流在水平管道內(nèi)的壓力損失為

(11)

式中 Δp1——混合氣流在S1S2段的壓力損失，Pa

λa——空氣摩擦因數(shù)，取0.12[17]

λz——殘秧摩擦阻力系數(shù)，取1.8

l1——輸送管S1S2段長度，m

vg——輸送管S1S2段氣體速度，m/s

由式(5)可知，殘秧在主輸送管沿管底前進時的最小啟動速度U=7.2 m/s，則S1S2段氣體速度vg≥7.2 m/s，管道等流量當(dāng)量直徑D為0.32 m，輸送管S1S2段長度設(shè)計為1.4 m，則由式(11)得Δp1≥104 Pa。

左風(fēng)機吸秧口的壓力損失為

(12)

式中 Δp2——左風(fēng)機吸秧口壓力損失，Pa

ζ——吸秧口阻力系數(shù)，取1.1[18]

μ4——左風(fēng)機吸秧口輸送質(zhì)量濃度，取1.6 kg/m3

γa——吸秧口入口處空氣重度，取12.7 N/m3

k3——物料種類、濃度系數(shù)，取0.92

由式(10)知吸秧口處速度為11.9 m/s，管道等流量當(dāng)量直徑D為0.32 m，則由式(12)得Δp2=58.5 Pa。

當(dāng)殘秧在垂直上升的S2S3段時，混合氣流局部壓損計算式為

(13)

式中 Δp3——混合氣流在直立管段內(nèi)的局部壓損，Pa

B2——S3S4段長度，m

v6——S3S4段氣流速度，m/s

Ks——混合氣流在S2S3段的綜合阻力系數(shù)，取1.2

μ5——S2S3段混合質(zhì)量濃度，取1.6 kg/m3

根據(jù)整機結(jié)構(gòu)空間配置，管道垂直段的長度B2在1.8～2.4 m之間，設(shè)計初始值B2=2.0 m，由式(13)得Δp3≥398.4 Pa。

當(dāng)殘秧在上水平管道S3S4段時，混合氣流內(nèi)的壓力損失為

(14)

式中 Δp4——S3S4段壓力損失，Pa

l2——S3S4段長度，m

v8——S3S4段氣體速度，m/s

由式(14)得Δp4=131.1 Pa。

根據(jù)流體力學(xué)理論，左風(fēng)機輸送總壓力損失為

Δp5=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4

(15)

式中 Δp5——左風(fēng)機輸送總壓力損失，Pa

由式(11)～(15)得Δp5≥692 Pa。

2.3.2左風(fēng)機轉(zhuǎn)速

左風(fēng)機結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由吸秧口、蝸殼、帶輪、風(fēng)機葉片等組成。主要參數(shù)包括風(fēng)壓全壓hf、風(fēng)機轉(zhuǎn)速n1。由于左、右風(fēng)機的結(jié)構(gòu)和工作原理相似，僅對左風(fēng)機參數(shù)進行設(shè)計。其作用是在吸秧口處產(chǎn)生足夠負壓風(fēng)壓和風(fēng)量，將篩面拋送的中秧稈從吸秧口吸入，從出口排出到斜管，經(jīng)由斜管送至主輸送管。

圖6 左風(fēng)機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Schematic of left fan structure1.吸秧口 2.蝸殼 3.風(fēng)機葉片 4.帶輪 5.出口

為保證中秧稈能夠由下吸秧口吸入，同時提高輸送效率，根據(jù)流體力學(xué)理論，應(yīng)滿足條件

hf=λ6Δp4

(16)

式中λ6——安全系數(shù)，取1.2

由式(16)計算得出，左風(fēng)機風(fēng)壓全壓hf≥760.2 Pa。 根據(jù)式(15)、(16)計算結(jié)果，通過查詢風(fēng)機性能曲線和風(fēng)機性能表，選擇4-79型離心風(fēng)機，根據(jù)前期試驗，確定左風(fēng)機工作轉(zhuǎn)速n1為1 400～1 600 r/min，對應(yīng)的流量為15 120～17 000 m3/h。由于左、右風(fēng)機兩者結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理基本相同，通過同樣的分析過程確定右風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 000～1 200 r/min，對應(yīng)的流量為8 650～10 800 m3/h。同時，由式(11)～(16)可知，主輸送管高度對各型顆粒運動狀態(tài)有重要影響，結(jié)合前期測試試驗確定主輸送管高度為1.8～2.4 m。

3 氣力輸送裝置性能優(yōu)化試驗

3.1 氣力輸送裝置仿真模型

使用Autodesk Inventor 2019對秧蔓氣力輸送裝置進行三維建模，保存成step 格式導(dǎo)入到ICEM 18.0中進行混合網(wǎng)格的劃分[19-20]，結(jié)果如圖7所示。

圖7 流場網(wǎng)格劃分Fig.7 Grid generation of flow field1.上出風(fēng)口 2.上進風(fēng)口 3.左進風(fēng)口 4.右進風(fēng)口

采用EDEM 2018和ANSYS Fluent 17.0軟件開展DEM-CFD氣固耦合仿真， 在 Fluent 17.0中設(shè)置3個進風(fēng)口均為壓力進風(fēng)，上出風(fēng)口設(shè)為壓力出風(fēng)，湍流模型選用RNGk-ε模型進行瞬態(tài)計算，管道壁面為無滑移壁面，采用基于壓力的SIMPLE 算法對速度場和壓力場進行耦合求解，動量項采用二階迎風(fēng)格式，湍流動能和湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式，殘差精度為10-3s。定義最大運算步數(shù)為1 000，時間步長設(shè)為4×10-4s。利用EDEM 2018設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對長秧稈、中秧稈、短秧稈進行顆粒造型(圖8)，設(shè)置輸送氣流為空氣，密度和粘性系數(shù)分別為1.29 kg/m3和1.79×10-5Pa·s，重力加速度為9.81 m/s2，時間步長設(shè)為2×10-4s，顆粒間的接觸采用Hertz-Mindlin (no slip)接觸理論，建立的殘秧氣力輸送仿真模型如圖9所示，其中長秧稈、中秧稈、短秧稈分別為紅色、綠色、藍色。

圖8 3種顆粒造型Fig.8 Three kinds of particle modeling

圖9 氣力輸送仿真模型Fig.9 Simulation model of pneumatic conveying of residual seedlings

3.2 仿真試驗方法

由于3種顆粒形狀、尺寸、質(zhì)量多樣，為提高運算效率，將3種顆粒視為由大小不同剛性體小球組合而成。各顆?；窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，EDEM模擬參數(shù)如表2所示，其中鋼的泊松比為0.25，剪切模量為2.0×1011Pa，密度為7 800 kg/m3。顆粒數(shù)量無限制，生成位置及方向為隨機。并根據(jù)前期試驗測定，各型顆粒間的摩擦因數(shù)設(shè)置如表3所示[21-22]，由于青花6號、駐花2號兩種品種的殘秧物理特性不同，其在受殘秧輸送裝置系統(tǒng)、擊打及挼搓過程后的空間姿態(tài)也不相同，也影響輸送效率，因此需對兩種品種殘秧的基本特性進行研究。

表1 各顆?；窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Basic structural parameters of three kinds of particles

表2 EDEM模擬參數(shù)Tab.2 Simulation parameters in EDEM

表3 各型顆粒間的摩擦因數(shù)Tab.3 Friction coefficient between three types of particles

通過對秧蔓氣力輸送裝置的設(shè)計與參數(shù)分析,并結(jié)合式(8)～(16)可知，左風(fēng)機影響殘秧與輸送氣流的混合效果及高壓區(qū)范圍；主輸送管高度影響輸送裝置主體內(nèi)長秧稈和短秧稈管壁沖擊和摩擦阻力系數(shù)、速度及運動軌跡；右風(fēng)機對主輸送管內(nèi)的垂直段氣流場分布、殘秧及輸送氣流有重要影響，影響秧蔓氣力輸送裝置的殘秧輸送效率。以左風(fēng)機轉(zhuǎn)速、主輸送管高度、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速為影響殘秧輸送效率的主要因素。采用響應(yīng)曲面法開展Box-Behnken試驗，每組試驗重復(fù)5次，確定輸送裝置最佳參數(shù)組合[23]。

基于秧蔓氣力輸送裝置氣流輸送機理，上進風(fēng)口、左進風(fēng)口、右下進風(fēng)口均為壓力進口，輸送過程中，殘秧在主輸送管先為水平輸送，后經(jīng)下彎管后垂直輸送，最后經(jīng)上彎管后水平輸出。

殘秧輸送效率計算公式為

(17)

式中Yi——殘秧輸送效率，kg/h

m——試驗次數(shù)，取5

xi——第i次試驗值，kg/h

3.3 性能試驗

3.3.1性能試驗設(shè)計與方法

選取對收獲質(zhì)量影響較大的左風(fēng)機轉(zhuǎn)速、主輸送管高度、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速為作為試驗因素。試驗中前進速度0.8 m/s，試驗以青花6號殘秧輸送效率Y1、駐花2號殘秧輸送效率Y2作為指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗，試驗因素與編碼見表4[24]。

表4 試驗因素與編碼Tab.4 Factors and codes of experiment

3.3.2數(shù)據(jù)分析與處理

試驗數(shù)據(jù)采用 Design-Expert 12.0軟件進行二次多項式回歸分析[25]，并利用響應(yīng)面分析法對各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進行分析研究。

3.4 試驗結(jié)果回歸分析

試驗設(shè)計方案及結(jié)果如表5所示，表中X1、X2、X3為因素編碼值。 對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合,可得各因素對殘秧輸送效率的回歸模型為[26-27]

表5 試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值結(jié)果Tab.5 Experiment design and response values

(18)

(19)

回歸方程的方差分析如表6所示。由表6可知，青花6號殘秧輸送效率Y1、駐花2號殘秧輸送效率Y2的P值均小于0.001，表明2個模型極顯著。其決定系數(shù)R2分別為0.992 0、0.990 6，表明99%以上的響應(yīng)值均可以由這2個模型解釋，因此，該模型可以預(yù)測秧蔓氣力輸送裝置的工作參數(shù)。

表6 回歸方程方差分析Tab.6 Variance analysis of regression equation

根據(jù)兩模型各因素回歸系數(shù)，可得到各因素對青花6號殘秧、駐花2號殘秧輸送效率的影響由大到小均為左風(fēng)機轉(zhuǎn)速、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速、主輸送管高度。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與分析

基于理論分析與試驗結(jié)果可知，左風(fēng)機轉(zhuǎn)速、主輸送管高度、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速對殘秧輸送效率均有顯著影響，其中左風(fēng)機轉(zhuǎn)速影響最顯著。以駐花2號殘秧輸送效率最高為評價指標(biāo)，通過Design-Expert 12.0求解，左風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 551.45 r/min、主輸送管高度為2.084 m、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，駐花2號殘秧最大輸送效率為1 468.36 kg/h，綜合考慮秧蔓氣力輸送裝置實際精度，以主輸送管高度為2.08 m、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，應(yīng)用DEM-CFD耦合仿真對比分析左風(fēng)機轉(zhuǎn)速分別為1 400 r/min(試驗水平最小值)、1 500 r/min(試驗水平中間值)、1 551 r/min(回歸模型最優(yōu)解)、1 600 r/min(試驗水平最大值)對殘秧和輸送氣流的影響。

秧蔓氣力輸送裝置主輸送管內(nèi)殘秧流線如圖10所示。圖10a中，綠色流線為殘秧由吸秧口進入左風(fēng)機內(nèi)的殘秧運動軌跡,藍色流線為殘秧由左風(fēng)機進入主輸送管內(nèi)的運動軌跡。根據(jù)式(17)計算左風(fēng)機轉(zhuǎn)速分別為1 400、1 500、1 551、1 600 r/min時，殘秧輸送效率分別為1 178.64、1 340.52、1 468.36、1 416.37 kg/h，均可實現(xiàn)殘秧與輸送氣流的順暢混合；左風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 551 r/min時，殘秧的輸送效率優(yōu)于左風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 400、1 500、1 600 r/min時。圖10a、10b中，殘秧流線少且出口流線短，表明殘秧的輸送速度和效率較低；圖10c、10d中，殘秧流線多且出口流線長，表明殘秧的輸送速度和效率較高；主輸送管內(nèi)輸送氣流速度分布如圖11所示。圖11中主輸送管豎直段輸送氣流速度高于下水平段輸送氣流速度，殘秧及輸送氣流經(jīng)主輸送管上水平段排出，圖11a、11b、11c中，輸送管豎直段輸送氣流速度隨左風(fēng)機轉(zhuǎn)速增加而升高，殘秧輸送效率也不斷增加，圖11c主輸送管上水平段氣流“高速區(qū)”較圖11d均勻穩(wěn)定，氣流波動少，且殘秧與氣流的混合效果也更好，更有利于提高殘秧輸送。

圖10 主輸送管內(nèi)殘秧流線圖Fig.10 Streamline diagrams of residual seedlings in main conveying pipe

圖11 主輸送管內(nèi)輸送氣流速度分布圖Fig.11 Velocity distribution diagrams of conveying air flow in main conveying pipe

3.6 氣流場試驗驗證

為保證模擬得到的氣流速度分布規(guī)律具有參考價值，使用DP3000型管道風(fēng)速測量儀(分辨率為0.01 m/s)對主輸送管上水平段出口附近的測量面進行氣流速度測定。將實測氣流速度數(shù)據(jù)與模擬流場氣流速度數(shù)據(jù)進行對比，以驗證仿真結(jié)果的可靠性。

采用布點法[28]，以主輸送管豎直段中心線與上水平段管道中心線交點為原點，選取上水平段管道寬度方向為x軸，主輸送管上水平段管道中心線為y軸，水平段管道高度方向為z軸。如圖12所示，沿y軸方向的3個測量面分別為前測量面(y=0 mm)、中間測量面(y=200 mm)和后測量面(y=400 mm)，其中每個測量面上均勻分布由x、z軸坐標(biāo)交錯構(gòu)成的27個測點，通過整理測點氣流速度，可以分析各測量面氣流的分布規(guī)律，3個測量面共計81個測點。x軸方向測量點為-130、-95、-65、0、35、65、130 mm；y軸方向測量點為0、200、400 mm；z軸方向測量點為0、170、340 mm。

圖12 氣流場測量面Fig.12 Layouts of air flow measurement points

通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，主輸送管上水平段出口附近的各測量面氣流速度分布差異較為明顯，氣流速度測量空間和測量點分布如圖13所示。

圖13 氣流場測量點布置圖Fig.13 Layout of air flow measurement points

圖14 前測量面不同測量點處風(fēng)速比較Fig.14 Comparison of wind speed at different measuring points on front measuring surface

圖15 中間測量面不同測量點處風(fēng)速比較Fig.15 Comparison of wind speed at different measuring points in middle measuring plane

圖16 后測量面不同測量點處風(fēng)速比較Fig.16 Comparison of wind speed at different measuring points on back measuring surface

3個測量面與不同測量點處風(fēng)速如圖14～16所示，3個測量面的實測值和模擬值的最大相對誤差分別為4.2%、2.3%、2.7%，均小于5%，可以判斷數(shù)值模擬準(zhǔn)確、有效，同工作參數(shù)下3個測量面氣流速度分布規(guī)律一致，但氣流速度略有差異，產(chǎn)生差異的原因在于風(fēng)速儀對氣流場的干擾、數(shù)值模擬參數(shù)中邊界條件、流動參數(shù)等因素造成結(jié)果的微小偏差[23]。

3.7 試驗驗證

由前文的氣力輸送裝置氣流場的數(shù)值模擬試驗，確定氣力輸送裝置參數(shù)優(yōu)化值，為驗證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在河南省周口市花生種植基地進行3次重復(fù)試驗(圖17)?？紤]試驗的可行性，將左風(fēng)機轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 550 r/min、主輸送管高度調(diào)節(jié)為2.08 m、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 200 r/min，前進速度為0.8 m/s，試驗結(jié)果見表7。

圖17 田間試驗現(xiàn)場Fig.17 Field test site

由表7可知，各響應(yīng)值試驗值與理論優(yōu)化值均比較吻合，試驗值與優(yōu)化值相對誤差均小于5%，因此，參數(shù)優(yōu)化模型可靠。在殘秧輸送作業(yè)時，采用該優(yōu)化參數(shù)組合，即左風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 550 r/min、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、主輸送管高度為2.08 m，此時兩種殘秧輸送效率分別為1 523.49、1 437.68 kg/h。

表7 優(yōu)化條件下各評價指標(biāo)Tab.7 Each evaluation index under optimized conditions

3.8 對比試驗

在同一地塊進行優(yōu)化前后對比試驗，花生鋪放密度為12.4株/m2，收獲含水率20.5%，優(yōu)化前后兩種秧蔓氣力輸送裝置均以前進速度為0.7、0.8、0.9 m/s開展殘秧輸送對比試驗，優(yōu)化后青花6號和駐花2號平均輸送效率為1 533.56、1 451.52 kg/h，比優(yōu)化前分別提高9.57%、8.61%，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 優(yōu)化前后對比試驗結(jié)果Tab.8 Contrast experiment result before and after optimization

4 結(jié)論

(1)設(shè)計一種適用于軸流式花生全喂入收獲機的秧蔓氣力輸送裝置，較現(xiàn)有花生撿拾收獲機的輸送裝置，能有效提升青花6號殘秧輸送效率和駐花2號殘秧輸送效率。

(2)在分析試驗臺工作原理的基礎(chǔ)上，進行秧蔓氣力輸送裝置關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)確定，并根據(jù)花生殘秧的物理特性和空氣動力學(xué)特點，對殘秧在管道中的運動狀態(tài)進行分析，確定左風(fēng)機轉(zhuǎn)速、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速、主輸送管高度作為影響花生殘秧輸送效率的主要因素。

(3)基于Box-Behnken試驗設(shè)計理論，以左風(fēng)機轉(zhuǎn)速、主輸送管高度、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速作為影響因子，開展仿真試驗研究。結(jié)果表明，輸送效率影響順序由大到小為左風(fēng)機轉(zhuǎn)速、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速、主輸送管高度，最優(yōu)參數(shù)組合為：左風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 550 r/min、右風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 200 r/min、主輸送管高度2.08 m。

(4)田間殘秧輸送對比試驗表明，優(yōu)化后青花6號和駐花2號平均輸送效率分別為1 533.56、1 451.52 kg/h，比優(yōu)化前分別提高9.57%、8.61%。