基于響應(yīng)曲面的切段式甘蔗收獲機除雜風(fēng)機優(yōu)化

沈毅，唐永治，郭斌，吳進炎，潘滎春

（廣西柳工農(nóng)業(yè)機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

我國甘蔗種植面積達146.67萬hm2[1]，甘蔗生產(chǎn)全程機械化是大勢所趨。收獲環(huán)節(jié)是制約甘蔗實現(xiàn)全程機械化生產(chǎn)的短板，而目前我國中大型甘蔗收獲機存量也不能滿足需求[2]，需要農(nóng)機研發(fā)制造企業(yè)不斷改進產(chǎn)品，提高收獲質(zhì)量和作業(yè)效益。在目前推出的甘蔗收獲機中，切段式甘蔗收獲機是主流機型，衡量其收獲質(zhì)量的一個重要指標(biāo)是其輸出蔗段的含雜率。在收獲過程中負責(zé)清除蔗葉等雜質(zhì)的是收獲機上的除雜風(fēng)機（以下簡稱“風(fēng)機”），這是收獲機的一個重要部件。風(fēng)機性能的優(yōu)劣直接影響收獲甘蔗的含雜率（收獲質(zhì)量）和機器的功率消耗。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞甘蔗收割機排雜風(fēng)機進行了一些研究。郭無極等[3]研究了甘蔗收割機排雜仿真建模方法；朱鴻運等研究了甘蔗收割機排雜風(fēng)機氣流場[4]；謝福祥[5]設(shè)計了一種排雜風(fēng)機，并進行了試驗；邢浩男等通過改變風(fēng)機結(jié)構(gòu)和葉片形狀優(yōu)化對風(fēng)機進行了優(yōu)化[6]；溫翔等[7]利用離散元仿真技術(shù)，對風(fēng)機除雜過程進行了模擬，并對其中的仿真參數(shù)進行看標(biāo)定和驗證，袁成宇[8]對風(fēng)選排雜系統(tǒng)進行了研究；Fenglei Wang等[9]通過研究甘蔗成分的懸浮性能，得出除雜性能重點在于如何有效分離甘蔗收割機的重型摘穗和莖稈上；農(nóng)宏亮[10]通過Solid Works Flow Simulation軟件模擬分析得出不同葉輪轉(zhuǎn)速和輪轂垂入導(dǎo)風(fēng)罩深度等參數(shù)影響下排雜裝置的性能。

對現(xiàn)有風(fēng)機進行了優(yōu)化試驗，包括主要性能的參數(shù)進行分析、優(yōu)化，并測試了其整體性能，效果較好。

1 除雜風(fēng)機

風(fēng)機由出料通道、錐筒、直筒、風(fēng)帽、風(fēng)扇葉片等結(jié)構(gòu)組成。出料通道、錐筒和直筒組成集流區(qū)，風(fēng)扇葉片和直筒組成旋轉(zhuǎn)域，風(fēng)機帽組成出流區(qū),如圖1所示。工作時，風(fēng)機風(fēng)扇葉片在風(fēng)道內(nèi)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，將空氣從出料通道吸入，通過風(fēng)道從出流區(qū)吹出。當(dāng)被切段的物料從出料通道口不斷涌出時，散開的小段甘蔗、葉子、尾梢等各類物質(zhì)受到風(fēng)選力的作用，重量小面積大的葉子和部分尾梢等雜質(zhì)被風(fēng)機吸進風(fēng)道吹出，重量大面積小的甘蔗和部分尾梢因受到重力落入收集裝置。通過以上連續(xù)作用實現(xiàn)了除雜。風(fēng)選力與通道的風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速過小，導(dǎo)致除雜不干凈；風(fēng)速過大，則可能將含糖的蔗段一并吹出，造成損失，同時也造成一部分能量的過剩。

圖1 除雜風(fēng)機的組成

2 風(fēng)機優(yōu)化過程

（1）對現(xiàn)有風(fēng)機進行除雜試驗，按照該種機型常見工況選擇畝產(chǎn)達到一定標(biāo)準(zhǔn)、機器收割時甘蔗喂入量達到一定值，并在風(fēng)機葉片達到最大轉(zhuǎn)速時作業(yè)。通過試驗結(jié)果，在保證出料過程不變的前提下，根據(jù)經(jīng)驗對風(fēng)機集流區(qū)進行改進，直到含雜率達到最小值。

（2）綜合權(quán)衡糖廠與蔗農(nóng)的利益與需求，確定一個合適的含雜率K。從第一步的試驗中與找到與K對應(yīng)的風(fēng)機結(jié)構(gòu)模型（初始風(fēng)機模型），對其進行CFD空氣流場分析，計算其在切段裝置出料口處的平均風(fēng)選力F（圖3）和風(fēng)機的風(fēng)量Qv，得到風(fēng)選力F1和風(fēng)量Qv1。

（3）將風(fēng)選力F和風(fēng)量Qv作為響應(yīng)，其值作為響應(yīng)曲面優(yōu)化的期望值。在出料口排出蔗段的區(qū)域建立簡化的蔗段模型，對初始風(fēng)機模型進行CFD空氣流場分析。流場的風(fēng)速云圖(圖2)，得出其各項性能見表1。經(jīng)過各項液壓性能測試及經(jīng)濟性考慮，確定Dk作為響應(yīng)曲面優(yōu)化風(fēng)機的設(shè)計轉(zhuǎn)速。

圖2 風(fēng)機空氣流場速度云圖

表1 初始風(fēng)機性能表

（4）風(fēng)機除雜作用機理分析

圖3是風(fēng)機除雜過程簡圖，最下方的曲線是由入口進入的某個空氣分子從P1點運動到P2點的流線。

圖3 風(fēng)機除雜過程簡圖

全壓P為出口面總壓P2與進口面總壓P1的差值。

進口面全壓P1、出口面全壓P2值為：

Ps1、Ps2分別為進口面靜壓、出口面靜壓，進口面動壓Pd1和出口面動壓Pd2值為：

因空氣密度小，出口面與進口面高度差小，忽略空氣高度壓差的變化，由伯努利方程有：

式中：ρ為空氣密度，V1為進口面風(fēng)速，V2為出口面風(fēng)速，qv為風(fēng)量，A1為進口面面積，A2為出口面面積，△hf1為集流區(qū)沿程損失，△hf2為出流區(qū)沿程損失，ηi為葉輪效率，Pa為軸功率。

葉片在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生扭矩T，軸功率Pa式有：

風(fēng)機效率是反映風(fēng)機性能的重要參數(shù)，其算式有：

全壓效率η

靜壓效率ηst

葉輪效率ηi

由簡圖3可知，物料與氣流相對運動時受到的作用力F大小為：

式中：K為阻力系數(shù)，Va為氣流速度，V為物料速度，A為迎風(fēng)面積。

（5）確定風(fēng)機結(jié)構(gòu)變量因子

由軸功率式（7）可知，軸功率大小Pa與風(fēng)扇葉片扭矩T、轉(zhuǎn)速n有關(guān)，在n一定的前提下，T越小，Pa越小。將T作為響應(yīng)對象，最小值作為優(yōu)化目標(biāo)。

根據(jù)經(jīng)驗初步判定風(fēng)機各結(jié)構(gòu)參數(shù)與風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv、葉片扭矩T強相關(guān)，并綜合零部件相關(guān)性、裝配、制造難度、售后維護以及優(yōu)化因子數(shù)量等因素，擬定了一共7個變量因子[11-13]與風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv、葉片扭矩T強相關(guān)，作為風(fēng)機主結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4所示。每個因子兩個水平，見表2。

表2 風(fēng)機結(jié)構(gòu)因子變量

圖4 風(fēng)機結(jié)構(gòu)變量因子簡圖

（6）響應(yīng)曲面模型及主效應(yīng)分析

響應(yīng)曲面是以實驗設(shè)計為基礎(chǔ)的用于多變量建模與分析的一套統(tǒng)計處理技術(shù)[14]。利用已知的實驗數(shù)據(jù)擬合出響應(yīng)與各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，通常采用簡單的二階多項式響應(yīng)曲面（PRS），表述如式（11），工程上使用該式即可滿足精度的要求。

式中：y為響應(yīng)；x為因子；C為多項式系數(shù)；ε0為隨機誤差；n為因子的維數(shù)。

采用BBD（Box-Behnken Design）試驗設(shè)計，共建立62組風(fēng)機結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，分析各組數(shù)據(jù)的風(fēng)機性能，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)與風(fēng)機性能響應(yīng)圖（圖5）。

從主效應(yīng)分析圖5可以看出，對Y1風(fēng)量、Y5風(fēng)選力、Y7葉片扭矩影響最大的風(fēng)機主結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為A4、A1、A1。

圖5 主效應(yīng)分析

（7）優(yōu)化

風(fēng)機轉(zhuǎn)速Dkr/min為設(shè)計轉(zhuǎn)速，風(fēng)機結(jié)構(gòu)的7個主參數(shù)為變量，風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv和風(fēng)扇葉片扭矩T為響應(yīng)，進行分析。從響應(yīng)曲面回歸結(jié)果得出，風(fēng)選力F與A1、A3、A4、A7強相關(guān)（P＜0.05）；風(fēng)機風(fēng)量Qv與A1、A2、A4、A5、A7強相關(guān)；葉片扭矩T與A1、A2、A4、A5強相關(guān)。分別得到了風(fēng)選力F、風(fēng)量Qv和風(fēng)扇葉片扭矩T的傳遞方程。針對7個風(fēng)機主結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，使其期望風(fēng)選力為F1；風(fēng)量為Qv1；風(fēng)扇葉片扭矩T望小。進而得到了7個最佳風(fēng)機主結(jié)構(gòu)參數(shù)。

針對得到的7個最佳風(fēng)機主結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立模型，進行CFD空氣流場分析[15-16]。該風(fēng)機性能計算結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化后風(fēng)機性能

圖6 分析計算的空氣流場速度云圖及除雜試驗

計算結(jié)果與優(yōu)化得到的傳遞函數(shù)預(yù)測值基本一致，說明得到的傳遞函數(shù)是準(zhǔn)確的。由計算結(jié)果得知，優(yōu)化后風(fēng)機風(fēng)扇扭矩為初始風(fēng)機模型的80.93%，葉輪效率提高到初始模型的110%。結(jié)果就是風(fēng)機設(shè)計轉(zhuǎn)速Dkr/min，保證風(fēng)選力和風(fēng)量不變情況下，風(fēng)機能耗下降了30%。

3 驗證

3.1 穩(wěn)態(tài)風(fēng)場模型驗證

如圖7所示，在出風(fēng)口處用鋼絲布置，相交點為測量點，相鄰點之間相隔100 mm，對測量點進行風(fēng)速測試，利用德圖Testo416高精密型葉輪風(fēng)速儀（測量精度±0.2 m/s+1.5%測量值，分辨率0.1 m/s）進行測量。一共測量了兩種葉輪轉(zhuǎn)速下的風(fēng)速，部分測試點測量結(jié)果與理論結(jié)果對比如下，兩個轉(zhuǎn)速下的風(fēng)速實際值與理論值誤差均小于10%，仿真具有較高的準(zhǔn)確性。

圖7 部分測試點理論與實際風(fēng)速對比

3.2 除雜試驗

進行田間除雜試驗[17]。如圖8所示，用兩臺相同機型的收割機分別裝配優(yōu)化前后風(fēng)機，風(fēng)機出風(fēng)口用網(wǎng)兜套住，收集風(fēng)機除雜質(zhì)量，在額定喂入量1～2倍和額定的收割速度下，同一塊區(qū)域?qū)膳_收割機進行至少3個行程的風(fēng)機除雜性能試驗。網(wǎng)兜和工作裝置分別接取行程內(nèi)的甘蔗莖、雜質(zhì)及清選分離物，分別稱重記錄，計算含雜率。圖9為除雜試驗結(jié)果，從試驗結(jié)果可以看出，優(yōu)化前風(fēng)機除雜含雜率大于5%，優(yōu)化后含雜率小于5%，除雜效果滿足預(yù)定要求，風(fēng)機性能指標(biāo)與計算結(jié)果相符。

圖8 風(fēng)機除雜試驗

圖9 優(yōu)化前后含雜率部分?jǐn)?shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

通過風(fēng)機除雜試驗，采集試驗數(shù)據(jù)，綜合用戶需求確定了最佳風(fēng)機性能。結(jié)合響應(yīng)曲面法得到了風(fēng)機性能與風(fēng)機主結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳遞方程，在設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)下得到了最優(yōu)風(fēng)機主結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了風(fēng)機優(yōu)化。優(yōu)化后的風(fēng)機，在滿足除雜含雜率低于5%的前提下，風(fēng)機理論能耗下降了30%。