基于有限元方法的采棉機(jī)集棉筒氣流場分析與優(yōu)化

吾爾科木·冉合木，古麗巴哈爾·托乎提，買買提明·艾尼，熱依汗古麗·木沙

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.塔城地區(qū)市場監(jiān)管局特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測所，新疆 塔城 834700）

1 引言

氣力輸送系統(tǒng)是采棉機(jī)主要的棉花輸送方式[1]，實(shí)際運(yùn)行過程中，采棉頭將部分棉枝、棉桃和棉葉等同時(shí)采收，籽棉與棉枝、棉桃、棉葉、土塵等硬顆粒含雜物在氣流的推動(dòng)下混合形成氣-柔-剛多體多相混合顆粒群[2-3]，該顆粒群具有結(jié)構(gòu)不規(guī)則、密度不同、體積易變、易纏繞等特性，這種被送物體所需的氣力大于棉花所需的實(shí)際懸浮速度，從而導(dǎo)致采棉機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中容易引起集棉筒內(nèi)部堵塞問題。

采棉機(jī)氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要保證氣力輸送管道內(nèi)部氣流速度大于多相混合顆粒群所需臨界速度，從而避免輸棉管道和集棉筒內(nèi)部堵塞問題。

由于從理論方面提出多體混合物輸送臨界值難度大[4]，因此過去經(jīng)常以加大風(fēng)機(jī)風(fēng)量和減少含雜率的方法去解決集棉筒堵塞問題[5]，實(shí)踐證明，加大風(fēng)機(jī)風(fēng)量會(huì)引起集棉筒內(nèi)部出現(xiàn)湍流和提高含雜率的現(xiàn)象，不能夠確切地解決集棉筒內(nèi)部堵塞問題。

近些年來，許多研究者關(guān)于不同的采棉機(jī)氣力輸送裝置進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[6-8]對(duì)統(tǒng)收式采棉機(jī)氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部流場動(dòng)力學(xué)研究，根據(jù)物料物理特性確定風(fēng)速風(fēng)壓，同時(shí)在輸送管道內(nèi)設(shè)計(jì)一種除雜裝置。

文獻(xiàn)[9]將各種不同類型的物料輸送系統(tǒng)進(jìn)行比較，對(duì)梳齒式采棉機(jī)輸送管道內(nèi)部出現(xiàn)渦流現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)；文獻(xiàn)[10-12]對(duì)垂直摘錠式采棉機(jī)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場和輸送管道彎曲程度與輸送風(fēng)量的關(guān)系進(jìn)行研究。

這里以改變集棉筒結(jié)構(gòu)尺寸和邊界條件為研究手段，通過Fluent軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件的集棉筒內(nèi)部氣流場進(jìn)行仿真分析，提出解決集棉筒堵塞問題的新方法和技術(shù)參數(shù)，為籽棉氣力輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 氣力輸棉系統(tǒng)工作原理

2.1 采摘頭工作原理

垂直摘錠式采棉機(jī)由三組采摘頭組成，每一組采摘頭分為左右采摘器，采摘器由兩組采摘滾筒、三組脫棉刷、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)架、引導(dǎo)板、輸送管道等關(guān)鍵部件組成，采摘滾筒將棉花采摘下來，并將其輸送到脫面刷工作空間，脫棉刷與滾筒相互轉(zhuǎn)動(dòng)，將棉花送入輸送管道集棉筒，再通過輸送系統(tǒng)將棉花輸送到集棉箱內(nèi)部，采摘頭結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 某采棉機(jī)采摘頭工作原理圖Fig.1 Working Schematic Diagram of Cotton Picking Head of a Cotton Picker

2.2 輸棉系統(tǒng)工作原理

吸送式輸棉系統(tǒng)是采棉機(jī)主要的棉花輸送方式，是利用氣流能量，在密閉管道內(nèi)沿氣流方向輸送顆粒狀物料[13-14]。

本采棉機(jī)輸棉系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、輸送管道、集棉筒等基本部件組成，在負(fù)壓風(fēng)機(jī)吸附力的作用下將采摘的棉花吸附到集棉筒，并通過輸送管道輸送到集棉箱內(nèi)，輸棉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 輸送系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working Principle of Cotton Conveying System

3 集棉筒數(shù)值建模及方法

3.1 集棉筒結(jié)構(gòu)主參數(shù)及網(wǎng)格劃分

輸棉系統(tǒng)集棉筒是一種管狀結(jié)構(gòu)，總高度0.81m，橫截面由半圓與矩形組合而成，半圓半徑R為0.12m，矩形寬度0.08m，出口尺寸與管狀橫截面一致，入口是矩形結(jié)構(gòu)，高度L為0.64m，寬度0.06m，處于長度方向采摘系統(tǒng)置外側(cè)，集棉筒結(jié)構(gòu)主要尺寸、出入口與視圖方向，如圖3所示。

圖3 集棉筒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣流出入口Fig.3 Parameters of Cotton Collector and Airflow Outlet and Inlet

為分析集棉筒結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其內(nèi)部流場的影響，以集棉筒入口幾何尺寸設(shè)為設(shè)計(jì)變量，改變籽棉吸入口高度（入口1的長度L）建立了四種不同的結(jié)構(gòu)，在保證集棉筒入口寬度B不變的情況下，改變籽棉吸入口幾何高度L，其結(jié)構(gòu)主要幾何參數(shù)，如表2所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)主參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Structural Optimization

表2 連接口速度數(shù)據(jù)Tab.2 Connection Port Speed Data

按照優(yōu)化結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)建立了集棉筒結(jié)構(gòu)三維模型，并選用四面體單元以自動(dòng)網(wǎng)格劃分的方式對(duì)集棉筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分網(wǎng)格，其中最大網(wǎng)格尺寸為5mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖4所示。

圖4 不同籽棉吸入口高度的集棉筒網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh of Cotton Collector with Different Cotton Suction Port Height

3.2 基本假設(shè)和邊界條件

假定氣力風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，管道內(nèi)流動(dòng)定常，集棉筒內(nèi)部的物料受重力、入口壓力和出口壓力的影響。為了數(shù)值分析模型與實(shí)際集棉筒邊界條件吻合，其入口速度與脫棉刷風(fēng)速測定值為準(zhǔn)，取值為8m/s；出口速度為負(fù)壓輸送管道與集棉筒連接處的速度值，測試風(fēng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下連接口速度，如表3所示。

可知風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大值1395r/min時(shí)，連接口速度為41.8m/s，考慮實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境，選取風(fēng)機(jī)流量安全因數(shù)0.95[13]，則連接口速度確定為40m/s；集棉筒內(nèi)部氣流流速最小值大于混合籽棉團(tuán)12m/s[15-16]。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 集棉筒速度場分析

集棉筒入口位于采摘器外側(cè)方向，其內(nèi)部流場不對(duì)稱，為了便于觀察不同方向流場分布，圖4視圖a、b、c、d、e方向，采用Fluent數(shù)據(jù)處理Streamline模塊，設(shè)置籽棉物理參數(shù)，調(diào)整速度場衰減系數(shù)顯示速度場流動(dòng)方向，并提取速度云圖，分析不同集棉筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場變化規(guī)律。各結(jié)構(gòu)速度云圖及顆粒流動(dòng)狀況，如圖5所示。

圖5 四種結(jié)構(gòu)的速度流線分布云圖Fig.5 Velocity Distribution Field Nephogram of 4 Types

如圖5所示，集棉筒入口尺寸的變化對(duì)內(nèi)部速度場的影響不是很大，四種結(jié)構(gòu)背著進(jìn)口方向的底部拐角處流體速度都低于混合籽棉團(tuán)的懸浮速度值，在集棉筒底部容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象；隨著進(jìn)口高度的降低，集棉筒內(nèi)部流體速度值局部變小，在b端面局部拐角處產(chǎn)生湍流，湍流強(qiáng)度隨著入口高端的增大局部減弱，在入口上部區(qū)域湍流基本消失；由于集棉筒結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，入口位置處于一側(cè)，結(jié)構(gòu)存在突變從而容易導(dǎo)致湍流現(xiàn)象。

集棉筒內(nèi)部流通速度場參數(shù)不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)突變處產(chǎn)生湍流，高度方向流體速度值變化率大等問題導(dǎo)致集棉筒內(nèi)部產(chǎn)生棉花逆行、回旋或棉花落地、堆積、堵塞等問題的主要影響因素。

為解決以上問題，在集棉筒結(jié)構(gòu)1模型的基礎(chǔ)上，在底部設(shè)計(jì)如圖3（e）的正向上方的速度入口，并設(shè)置底部速度入口大小為0m/s（自由入口）、15m/s、20 m/s，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，提取了集棉筒內(nèi)部速度場和壓力場，不同入口速度下集棉筒管道內(nèi)部速度場云圖，如圖6所示。

圖6 不同入口速度和邊界條件下集棉筒內(nèi)部速度流線分布云圖Fig.6 Velocity Distribution Field Nephogram of Cotton Collector Inside with Different Inlet Velocity and Boundary Condition

如圖6所示，集棉筒底部設(shè)置速度入口能夠避免湍流現(xiàn)象，底部入口速度可以加強(qiáng)內(nèi)部速度場穩(wěn)定性。

其中底部封閉狀態(tài)和自由入口狀態(tài)下同樣存在底部速度偏低、有湍流和速度場不穩(wěn)定等現(xiàn)象；底部速度入口為15m/s情況下，湍流現(xiàn)象基本消失，流體速度從底部向上逐漸變大，集棉筒基本符合集棉筒輸送棉花的技術(shù)要求；底部速度入口為20m/s情況下，無湍流現(xiàn)象，流體速度方向基本上符合集棉筒輸棉方向，同時(shí)處處滿足大于混合籽棉懸浮速度的工作需求。

分析圖7可知，集棉筒管道內(nèi)部流體速度隨著高度的增加線性增大，在底部封閉和自由入口條件下的速度變化率較大，底部速度恒等于零，在高度200mm以下處處速度都小于混合籽棉團(tuán)懸浮速度（12m/s），速度變化率大導(dǎo)致集棉筒管道內(nèi)部流場處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此這兩種狀態(tài)不能夠完成正常輸棉工作；在集棉筒底部施加于一定的入口速度18m/s，發(fā)現(xiàn)集棉筒管道內(nèi)部流速都大于混合籽棉團(tuán)懸浮速度，速度變化率相對(duì)較小，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；

圖7 籽棉吸入口高度與幾何中心速度關(guān)系Fig.7 Relationship Between Cotton Height and Geometric Center Velocity

在入口速度36m/s的條件下，集棉筒管道內(nèi)部速度大幅度增大，入口速度隨著集棉筒管道內(nèi)部的動(dòng)量增大，這種狀態(tài)下雖然流速都大于籽棉懸浮速度，但是底部懸浮速度過高會(huì)引起強(qiáng)制吸入土塵和棉花秸稈等問題，同時(shí)會(huì)增大湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度、湍流耗散率等，所以底部進(jìn)口速度的選取不易過大，建議在（12～18）m/s范圍內(nèi)比較合理。

4.2 集棉筒內(nèi)壓力場分析

管道內(nèi)速度場反映流體運(yùn)動(dòng)的速度，對(duì)控制域內(nèi)部流體進(jìn)行流場分析，壓力差也具有決定性意義，管道內(nèi)壓力反映被輸送物料所受的外力大小，在吸送式籽棉輸送系統(tǒng)中壓力值為負(fù)壓，負(fù)壓值越大物體所受到外力越大。

根據(jù)幾何中心速度值用標(biāo)點(diǎn)提取的方法，同樣提取集棉筒橫截面幾何中心高度方向分布的壓力值，在不同邊界條件下，集棉筒內(nèi)部高度方向壓力分布，如圖8所示。

圖8 籽棉吸入口高度與幾何中心壓力關(guān)系Fig.8 Relationship Between Cotton Height and Geometric Center Pressure

由壓力分布圖8可知，隨著高度的增大，管道內(nèi)負(fù)壓值相應(yīng)的增大，并且在底部速度入口為零的情況下壓力值變化是一種拋物形式，其入口速度越低壓力值變化率越快，且底部施加速度入口降低了管道內(nèi)部負(fù)壓值，這是因?yàn)榈撞克俣热肟谔幱谡龎骸⒊隹谔幱谪?fù)壓狀態(tài)。在吸送式和壓送式綜合輸送狀態(tài)下，負(fù)壓與正壓以線性疊加導(dǎo)致負(fù)壓值降低。若集棉筒內(nèi)部流速偏大并保持恒定狀態(tài)，則集棉筒側(cè)向入口壓力值偏低，將導(dǎo)致集棉筒不能較好的收集籽棉，從而可確定集棉筒底部速度入口速度不需要太大，能夠滿足內(nèi)部速度值大于混合籽棉團(tuán)懸浮速度即可。

4.3 數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)誤差對(duì)比

理論速度是在簡化物理模型的基礎(chǔ)上所得的結(jié)果，其與實(shí)際速度值有一定的誤差，為了確保理論計(jì)算數(shù)據(jù)可靠性，制作了集棉筒實(shí)體模型，同時(shí)搭建了集棉筒可控性風(fēng)速風(fēng)壓氣力試驗(yàn)平臺(tái)，測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理，如圖9所示。

圖9 集棉筒速度場測試試驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Test Bench for Speed Field of Cotton Collector

測試平臺(tái)風(fēng)機(jī)流量4700m3/h，全壓13.2Pa，轉(zhuǎn)速可用CFC610變頻器調(diào)節(jié)（0～2900）r/min范圍，輸送管道長度1m和7m（底部正壓管道）；集棉筒最大出口速度為42m/s，底部入口速度通過調(diào)節(jié)7m長管道的纏繞率，可調(diào)范圍為（15～38）m/s；風(fēng)速計(jì)安裝在三腳架上，三腳架高度調(diào)節(jié)范圍（0～650）mm。

通過調(diào)節(jié)集棉筒出入口速度值，高度方向每50mm為測量單位，管道橫截面幾何中心為測試點(diǎn)，測試進(jìn)口高度650mm處的13組數(shù)據(jù)。

由于條件限制，本試驗(yàn)測試選用底部入口在自由速度入口和36m/s的兩種情況，再以定點(diǎn)理論計(jì)算方法，在集棉筒模擬數(shù)據(jù)中提取與試驗(yàn)測試相應(yīng)測試點(diǎn)相同位置的速度值，試驗(yàn)值與理論計(jì)算值對(duì)比圖，如圖10所示。

數(shù)值分析和實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果都表明，集棉筒管道內(nèi)部流體速度隨著高度的增加線性增大，在底部自由入口條件下的速度變化率較大，底邊速度恒等于零，隨著高度的增大速度值相應(yīng)的增大，在高度（0～200）mm處速度都小于混合籽棉團(tuán)懸浮速度12m/s，因此這兩種狀態(tài)不能夠完成正常輸棉工作；從集棉筒底部施加36m/s的入口速度結(jié)果可看出集棉筒底部流速都增大，大于混合籽棉團(tuán)懸浮速度。同時(shí)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值基本吻合，底部自由入口試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為1.2%，底部入口速度為36m/s試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為1.5%，考慮測速儀誤差值、試驗(yàn)平臺(tái)尺寸精度及邊界條件等偏差，這些誤差值是可以忽略不計(jì)，即確定理論計(jì)算結(jié)果基本吻合實(shí)測結(jié)果，以上集棉筒的數(shù)值建模方法可行和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠。

5 總結(jié)

（1）集棉筒內(nèi)部速度場和壓力場分布的不均勻，集棉筒底部風(fēng)速小于混合籽棉團(tuán)懸浮速度，集棉筒內(nèi)部存在旋渦等問題是導(dǎo)致集棉筒堵塞的主要因素。

（2）集棉筒背著進(jìn)口方向的底部拐角處風(fēng)速都很小，低于混合籽棉團(tuán)的漂浮速度值12m/s，集棉筒結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，入口與出口方向在結(jié)構(gòu)上存在突變，容易產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，因此改變集棉筒入口尺寸，對(duì)內(nèi)部速度場運(yùn)動(dòng)機(jī)理影響不是很大。

（3）將吸送式輸棉系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為吸壓組合輸送系統(tǒng)，能夠保證集棉筒內(nèi)籽棉的場通輸送。

具體條件是，在集棉筒底部入口2處施加速度大于混合籽棉團(tuán)懸浮速度值12m/s 的速度入口，建議佘施加風(fēng)速大小在（12～18）m/s范圍，這樣可保證集棉筒內(nèi)部流速大于混合籽棉團(tuán)懸浮速度，同時(shí)能夠消除集棉筒內(nèi)部旋渦現(xiàn)象，進(jìn)一步解決集棉筒堵塞問題。