導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)流動特性研究

張全忠，熱合買提江·依明，買買提明·艾尼，2，夏先偉

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.烏魯木齊佰博機(jī)電科技有限公司，新疆烏魯木齊830011)

0 前言

氣力輸送系統(tǒng)是采棉機(jī)的重要功能部件，利用它可將采摘頭采摘的棉花通過氣力輸送至集棉箱內(nèi)。采棉機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中，由于采摘頭采摘效率偏低、棉花棉桃早熟較多、采摘頭外圍部件與棉株碰撞等因素會使得部分棉花落地，導(dǎo)致一定的經(jīng)濟(jì)損失。本文作者提出一種導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)，是新型的采摘方式，通過在采摘頭前方設(shè)計(jì)一種新型的吸棉機(jī)構(gòu)吸附棉株上容易脫落的籽棉，以降低落地棉的損失率。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要對采棉機(jī)輸送系統(tǒng)中管道易塞、輸送不暢采取相關(guān)措施，以解決落地棉較多問題。雖然從理論方面進(jìn)行了優(yōu)化，在一定程度上提高了采棉機(jī)作業(yè)效率，但未考慮到容易脫落的棉花，在采棉機(jī)工作中引起的相互碰撞易使得籽棉掉落。本文作者針對上述問題，綜合考慮導(dǎo)致棉花落地的諸多因素，對采摘頭導(dǎo)向器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高采棉機(jī)采摘效率、減少落地棉。但是，導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要有一定的理論基礎(chǔ)，因此通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)設(shè)計(jì)幾種新型導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)，再通過有限元方法對不同的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行氣流場分析。

1 導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)

導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)由吸棉系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)組成。

1.1 輸棉系統(tǒng)工作原理

負(fù)壓式輸送系統(tǒng)是采棉機(jī)的主要輸送方式。負(fù)壓式輸送系統(tǒng)又稱氣流輸送系統(tǒng)，利用氣流能量，在密閉管道內(nèi)沿氣流方向輸送顆粒狀物料。氣力輸送系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、占地較小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。該導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、輸棉管道、分流器、吸棉裝置、導(dǎo)向器等組成，在風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓吸力作用下將籽棉吸附到吸棉器內(nèi)，通過輸棉管道把棉花輸送至集棉箱。

1.2 吸棉系統(tǒng)工作原理

采棉機(jī)采摘頭前方設(shè)有一種扁管狀的導(dǎo)向器，在實(shí)際作業(yè)過程中起到梳理棉株和撥拉棉桿等作用，但是導(dǎo)向器的存在會將成熟過早的棉花碰撞脫落在地。新型導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)是在導(dǎo)向器表面增加幾個(gè)吸風(fēng)口，通過負(fù)壓風(fēng)力吸附容易脫落的棉花，再通過原始的輸棉系統(tǒng)將吸附的棉花輸送至集棉箱。新型導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)由吸棉口、吸棉器及輸送管道等關(guān)鍵部件組成。氣力采棉裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣力采棉裝置工作原理

2 導(dǎo)向式氣力采摘裝置建模

2.1 理論計(jì)算

設(shè)吸力采棉裝置的吸口直徑為,吸棉口速度為(m/s),吸棉口直徑為,給定吸口速度為60 m/s，吸棉口數(shù)量為。

(1)

2.2 幾何模型

根據(jù)棉花莖稈物理特性可知，吸棉裝置的幾何模型和結(jié)構(gòu)尺寸對導(dǎo)向式氣力采摘系統(tǒng)有很大影響,因此需要確定吸棉裝置幾何模型、結(jié)構(gòu)尺寸和邊界參數(shù)。導(dǎo)向式吸棉裝置采用以下4種幾何模型：

導(dǎo)向器總高度為1.2 m、最大寬度為0.4 m,將吸棉裝置設(shè)置于導(dǎo)向器內(nèi)，上端為吸口，其側(cè)面設(shè)有吸棉口，如圖2所示。

(1)結(jié)構(gòu)1中選用圓形管道為幾何模型，每組管道表面設(shè)有10個(gè)吸棉口，吸棉裝置由2組圓形管道組合而成，共設(shè)有20個(gè)吸棉口，因輸送風(fēng)量在管道內(nèi)逐漸損失，因此設(shè)計(jì)吸棉管道直徑逐漸縮小來提高管道內(nèi)的輸送風(fēng)力；

(2)結(jié)構(gòu)2中根據(jù)導(dǎo)向器的形狀，將吸棉裝置設(shè)計(jì)為上端小下端大且向前端傾斜一定角度的幾何模型，其吸棉裝置表面設(shè)有16個(gè)吸棉口；

(3)結(jié)構(gòu)3中選用正方體模型，前表面設(shè)有6個(gè)吸棉口，后表面連接吸棉管道，其吸棉裝置由3組正方體模型組合而成，共設(shè)有18個(gè)吸棉口；

(4)結(jié)構(gòu)4中選用圓柱體模型，前表面設(shè)有16個(gè)吸棉口，后表面連接吸棉管道。

圖2 吸棉裝置主要結(jié)構(gòu)

通過公式(1)可得到不同氣力采棉裝置的邊界參數(shù)，如表1所示。

表1 吸棉裝置邊界參數(shù)

3 計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分

3.1 計(jì)算方法

考慮到影響氣力采摘系統(tǒng)性能的參數(shù)比較多，以采棉機(jī)導(dǎo)向式氣力吸棉輸送系統(tǒng)為例；吸棉口處的風(fēng)速大于棉桃的懸浮速度，忽略風(fēng)機(jī)到吸棉口的風(fēng)量損 失。氣體在輸棉管道內(nèi)流動時(shí)，認(rèn)為流體在管道內(nèi)是湍流流動。根據(jù)吸棉裝置的特點(diǎn)，設(shè)吸棉裝置內(nèi)部流場為不可壓、定常且等溫流場，湍流采用-湍流模型，則在直角坐標(biāo)下相應(yīng)的控制方程和連續(xù)性方程由質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)而來，適用于可壓縮和不可壓縮流動,流場內(nèi)的氣體流動可用下述模型描述：

連續(xù)方程:

(2)

式中：為流體的密度；流體流速。

動量守恒方程：

(3)

-湍流方程：

(4)

3.2 網(wǎng)格劃分

以結(jié)構(gòu)1模型為例，按照不同結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)建立吸棉裝置結(jié)構(gòu)三維模型，并把模型導(dǎo)入Fluent的前處理軟件Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選用四面體單元以自動網(wǎng)格劃分的方式對吸棉裝置模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格總數(shù)約為25萬、網(wǎng)格最大尺寸為5 mm。同時(shí)，檢查網(wǎng)格質(zhì)量為0.85，對質(zhì)量較差的網(wǎng)格進(jìn)行修改，從而保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。吸棉裝置網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 吸棉裝置網(wǎng)格模型

4 結(jié)果與分析

4.1 導(dǎo)向式采棉裝置流場分析

采用Fluent數(shù)據(jù)處理模塊Streamline，分別模擬計(jì)算出吸棉裝置模型內(nèi)部流線、吸棉口速度和壓力分布規(guī)律，如圖4、圖5所示。

圖4 4種結(jié)構(gòu)的速度流線分布云圖

圖5 4種結(jié)構(gòu)的壓力分布云圖

由圖4可知：不同結(jié)構(gòu)的吸棉裝置模型對內(nèi)部速度影響較大，4種結(jié)構(gòu)都采用負(fù)壓吸送式，給定吸口速度為60 m/s。由圖(a)可知：當(dāng)速度取值為20～160 m/s時(shí)，管道內(nèi)流線較為平滑，無湍流形成，但其管道內(nèi)部流線顏色由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，吸棉口速度由黃色逐漸變?yōu)榫G色，說明該結(jié)構(gòu)吸棉口速度分布在70～120 m/s之間，吸棉口最值差為50 m/s。由圖(b)可知：當(dāng)速度取值為20～88 m/s時(shí)，吸棉裝置內(nèi)流線流向清晰可見，無明顯渦流形成，但其內(nèi)部流線顏色由淡黃色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，吸棉口速度由淡紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，說明該結(jié)構(gòu)吸棉口速度分布在50～88 m/s之間，吸棉口最值差為38 m/s。由圖(c)可知：當(dāng)速度取值為50～80 m/s時(shí)，吸棉裝置內(nèi)流線混亂，有許多湍流形成，其內(nèi)部流線均為藍(lán)色，吸棉口速度基本保持為綠色和淡綠色，說明該結(jié)構(gòu)吸棉口速度分布在56～70 m/s之間，最值差為14 m/s。由圖(d)可知：當(dāng)速度取值為6～44 m/s時(shí)，吸棉裝置內(nèi)流線平滑，內(nèi)部無明顯湍流形成，但在吸棉口附近有少量渦流形成，這是因?yàn)槲蘅谂c內(nèi)部流線相垂直，因此吸棉口流線因改變方向而形成少量渦流，內(nèi)部流線顏色由紅變?yōu)樗{(lán)色再轉(zhuǎn)化為淺綠色或淡黃色，吸棉口速度基本呈現(xiàn)出橘黃色，說明該結(jié)構(gòu)吸棉口速度分布在38～42 m/s之間，最值差為4 m/s。

由圖5(a)可以看出：當(dāng)壓力取值為-12～-2 kPa時(shí)，管道內(nèi)部顏色由淡藍(lán)色變?yōu)樯铧S色，吸棉口處壓力顏色變化明顯，說明該結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力變化較大，其速度變化較大。由圖(b)可以看出：當(dāng)壓力取值為-6～-1.6 kPa時(shí)，吸棉裝置內(nèi)顏色變化大，吸棉口處壓力顏色變化明顯，說明該結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力變化大，其速度變化大。由圖(c)可以看出：當(dāng)壓力取值為-4～-1 kPa時(shí)，吸棉裝置內(nèi)部顏色變化小，吸棉口處壓力顏色變化不明顯，說明該結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力變化小，內(nèi)部速度變化小。由圖(d)可以看出：當(dāng)壓力取值為-1.4～-1 kPa時(shí)，吸棉裝置內(nèi)顏色變化較小，吸棉口處壓力顏色基本為黃色，說明該結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力變化較小，其速度變化小。

4.2 導(dǎo)向式吸棉裝置吸棉口速度分析

當(dāng)吸口速度為60 m/s時(shí)，選用模型結(jié)構(gòu)中16個(gè)吸棉口的速度和壓力分別繪制出吸棉口平均速度和壓力折線圖,如圖6、圖7所示。

圖6 吸棉口平均速度 圖7 吸棉口平均壓力

由圖6可知：吸棉裝置吸棉口速度隨著結(jié)構(gòu)模型的變化而改變，結(jié)構(gòu)1吸棉口平均速度曲線變化率最大，吸棉裝置吸棉口速度最值差為33 m/s；結(jié)構(gòu)2吸棉口平均速度曲線變化率較大，吸棉裝置吸棉口速度最值差為27.3 m/s;結(jié)構(gòu)3吸棉口平均速度曲線變化率小，吸棉裝置吸棉口速度最值差為4.7 m/s，但此結(jié)構(gòu)需要3組模型組合,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;結(jié)構(gòu)4吸棉口平均速度曲線變化率較小，吸棉裝置吸棉口速度最值差為2.4 m/s，基本趨于一條直線。

由圖7可知：結(jié)構(gòu)1吸棉口平均壓力曲線變化率最大，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為4 726 Pa；結(jié)構(gòu)2吸棉口平均壓力曲線變化率較大，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為2 290 Pa；結(jié)構(gòu)3吸棉口平均壓力曲線變化率小，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為334 Pa；結(jié)構(gòu)4吸棉口平均壓力曲線變化率低，吸棉裝置吸棉口壓力最值差為127 Pa,內(nèi)部壓力場保持穩(wěn)定。

綜上所述，前3種吸棉結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場參數(shù)變化不定，與理論計(jì)算相比，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力產(chǎn)生突變，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)流場不穩(wěn)定，吸棉口平均速度變化較大，因此前3種結(jié)構(gòu)不適合作為吸棉裝置模型結(jié)構(gòu)；由結(jié)構(gòu)4分析結(jié)果看出，其內(nèi)部流場基本平滑無渦流形成，與理論計(jì)算數(shù)值相比誤差較低，同時(shí)能夠滿足氣力吸棉工作需求。

5 總結(jié)

為提高采棉機(jī)工作效率，基于導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)與采摘頭工作原理，結(jié)合采摘條件，確定導(dǎo)向式氣力吸棉輸送裝置優(yōu)化模型。為實(shí)現(xiàn)氣力吸棉裝置最優(yōu)吸輸模型，對氣力吸棉裝置設(shè)計(jì)了相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下不同的結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析、數(shù)值建模和仿真分析,得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)棉株物理特性,通過吸棉裝置的理論計(jì)算和數(shù)值分析等方法，提出氣力吸棉口吸附速度大于40 m/s，從而保障吸力輸棉系統(tǒng)能夠穩(wěn)定吸附籽棉且吸棉裝置內(nèi)無堵塞；

(2)吸棉裝置結(jié)構(gòu)對吸棉口速度和內(nèi)部流線影響較大，由模型分析結(jié)果可知吸棉口速度與理論計(jì)算速度相差較大，內(nèi)部流速存在突變現(xiàn)象，使得吸棉裝置內(nèi)產(chǎn)生諸多湍流，影響輸送效率；

(3)當(dāng)吸棉裝置為圓柱體模型時(shí)，吸棉口速度與理論相差較小，合理地分配了內(nèi)部速度與壓力場流線，它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。