浮動式氣力卷膜裝置作業(yè)過程仿真分析與試驗

徐鵬慶,戴 飛,趙武云,史瑞杰,王 鋒,宋學(xué)鋒

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯是我國第四大糧食作物,因其適應(yīng)性強、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、營養(yǎng)齊全的特點,在世界范圍內(nèi)被廣泛種植[1]。2021年我國馬鈴薯種植面積達到5.46×106hm2,總產(chǎn)量高達1.22×108t[2]。我國北方干旱馬鈴薯種植區(qū)為實現(xiàn)節(jié)水保墑、增產(chǎn)增收,廣泛采用地膜覆蓋栽培技術(shù),然而由于殘膜回收困難、易破碎、難降解,隨著地膜使用量與使用面積的逐年增加,其帶來的環(huán)境污染與土壤污染問題也日益嚴重[3]。因此,研發(fā)切實有效的殘膜治理體系及配套作業(yè)機具成為當務(wù)之急[4]。現(xiàn)階段,我國科技工作者針對馬鈴薯收獲后田間殘膜的回收作業(yè)研制了多種機具,并取得了一定進展[5]。其中,鏈條導(dǎo)軌式地膜回收機、馬鈴薯挖掘與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機、馬鈴薯挖掘與殘膜回收一體機等機型能夠同時實現(xiàn)薯塊的挖掘與殘膜的回收。但上述機具采用的機械式卷膜裝置在作業(yè)過程中容易出現(xiàn)殘膜堵塞、滯留現(xiàn)象,且每次初始卷膜必須由人工導(dǎo)入,費時費力,不利于卷膜作業(yè)的持續(xù)進行[6-8]。為解決上述機具在卷膜作業(yè)中存在的問題,甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)北方特色作物生產(chǎn)機械化與農(nóng)廢資源化利用團隊前期設(shè)計研發(fā)了一種馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機,其采用的浮動式氣力卷膜裝置利用離心風機產(chǎn)生的高速氣流將地表的殘膜吹送和引導(dǎo)進入裝置內(nèi)部,并纏繞至卷膜輥上,實現(xiàn)殘膜的自動喂入與纏繞。該裝置在作業(yè)過程中具有殘膜回收率高、不易出現(xiàn)堵塞、滯留現(xiàn)象、含雜率低等顯著的作業(yè)效果[9]。為進一步優(yōu)化提升其作業(yè)性能,本研究基于浮動式氣力卷膜裝置的作業(yè)特點,結(jié)合先進技術(shù)手段與方法進行作業(yè)過程優(yōu)化仿真分析與試驗。

目前流體仿真的軟件主要有Ansys Fluent、Ansys Cfx、Numeca、Flow Simulation等,其中Flow Simulation軟件數(shù)據(jù)輸入簡潔、用戶界面友好、模型輸出準確,近年來被廣泛應(yīng)用于氣力殘膜回收機具作業(yè)過程的仿真分析中。李天文等[10]利用Flow Simulation軟件對其設(shè)計的氣力脫膜裝置進行流場特性分析,得到了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下吹氣口壓強與風速的分布特征。本文擬采用該軟件依托課題組前期研究成果建立浮動式氣力卷膜裝置內(nèi)部流場模型,進一步探討影響卷膜效果的因素,提升該裝置低含雜殘膜回收作業(yè)性能。

1 浮動式氣力卷膜裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

浮動式氣力卷膜裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,裝置安裝在土薯抖動升運裝置上端,主要由卷膜輥、卷膜驅(qū)動輥、卷膜從動輥、氣流導(dǎo)膜板、支撐架、升運導(dǎo)膜桿和離心風機等組成。

1.升運鏈;2.地輪;3.鏈條I;4.卷膜驅(qū)動輥;5.浮動滑槽架;6.氣流導(dǎo)膜板;7.卷膜輥;8.卷膜從動輥;9.鏈條II;10.升運導(dǎo)膜桿;11.離心式風機1. Lift chain; 2. Earth wheel; 3. Chain I; 4. Film roll;5. Floating chute frame; 6. Air flow guide plate;7. Roll film; 8. Roll film driven roller; 9. Chain II;10. Lifting guide rod; 11. Centrifugal fan

田間作業(yè)時,馬鈴薯挖掘與殘膜回收一體機由拖拉機牽引,拖拉機后輸出軸提供動力,經(jīng)挖掘鏟挖掘后的“膜-土-薯”復(fù)合體輸送至升運鏈下部;在升運鏈輪和抖動輪的共同作用下,復(fù)合體不斷上升并分層,其中較大的土塊在上升過程中被抖動破碎后通過升運鏈滑落,馬鈴薯上升至升運鏈末端后在重力作用下落入下一道收獲工序。而田間殘膜因其質(zhì)量輕、連片狀的特性會被抖動至復(fù)合體的最上層,當其運移至升運導(dǎo)膜桿部件時,在后續(xù)物料的推擠作用下會沿著升運導(dǎo)膜桿斜向上運移,殘膜運移至升運導(dǎo)膜桿末端的弧形脫膜齒附近時,會受到下側(cè)安裝的離心風機所產(chǎn)生的高速氣流的作用,使殘膜緊貼在卷膜從動輥表面,同時在其表面設(shè)置的8組螺紋桿的摩擦牽引下,將殘膜及時抓取并運移進入浮動式氣力卷膜裝置。

1.2 作業(yè)過程分析

氣力卷膜裝置作業(yè)過程如圖2所示,作業(yè)時,地輪順時針轉(zhuǎn)動,通過鏈條帶動卷膜驅(qū)動輥與從動輥順時針轉(zhuǎn)動,卷膜輥在自身重力以及彈簧預(yù)緊力的作用下被緊壓在卷膜驅(qū)動輥與卷膜從動輥上,并在摩擦力驅(qū)動下逆時針轉(zhuǎn)動。當卷膜從動輥在氣流的輔助下連續(xù)將殘膜運移進入浮動式氣力卷膜裝置內(nèi)時,斜向上的氣流會在水平方向上產(chǎn)生氣流分量,吹送并引導(dǎo)殘膜穿過卷膜輥底部到達導(dǎo)膜板與卷膜主動輥交界處的閉合區(qū)域,同時進入該區(qū)域的高速氣流由于受到導(dǎo)膜板的導(dǎo)向作用會沿著導(dǎo)膜板下表面流出卷膜裝置。由于導(dǎo)膜板的弧線與卷膜輥外輪廓基本保持一致且二者距離適中,因此殘膜會在卷膜輥的帶動及氣流的輔助導(dǎo)向下連續(xù)地纏繞在卷膜輥上。

為在后續(xù)的浮動式氣力卷膜裝置內(nèi)部流場仿真試驗中表示不同參數(shù)組合下裝置卷膜效果的優(yōu)劣,本文根據(jù)裝置實際工作過程,選取如圖3所示的v1、v2和v3這3個位置處速度的測量值作為殘膜回收指標來綜合評價裝置的殘膜回收效果。

v1為卷膜從動輥前側(cè)豎直方向氣流速度,該速度方向的氣流是由離心風機產(chǎn)生的高速氣流受到卷膜從動輥表面的阻擋后,部分氣流改變方向所產(chǎn)生;該方向的氣流會將裹挾在殘膜中的土壤等雜質(zhì)去除,但是當殘膜進入卷膜裝置時會阻礙其吸附在卷膜從動輥上,使得升運導(dǎo)膜桿上的殘膜無法被卷膜從動輥上及時抓取,殘膜回收作業(yè)過程中會出現(xiàn)殘膜堵塞現(xiàn)象,降低整機作業(yè)效率;綜合考慮其影響結(jié)果,發(fā)現(xiàn)速度v1相對小一點卷膜效果更佳。v2為卷膜輥底部水平方向氣流速度,該速度方向的氣流是進入浮動式氣力卷膜裝置的氣流受到卷膜輥與卷膜從動輥的作用后,在該方向產(chǎn)生的氣流分量;當殘膜被卷膜從動輥運移至卷膜輥底部時,該方向的氣流會在此處產(chǎn)生負壓,從而引導(dǎo)和吹送殘膜向前運動,避免了機械卷膜中常出現(xiàn)的殘膜堆積現(xiàn)象,因此速度v2越大越有利于殘膜回收。v3為導(dǎo)膜板下表面氣流速度,該方向的氣流是由進入裝置的氣流受到導(dǎo)膜板的折射與引流作用所產(chǎn)生;該方向的氣流會吹送殘膜沿著卷膜輥切線方向纏繞,同時使得殘膜在卷膜輥上纏繞緊密,因此,該方向氣流速度越大作業(yè)效果越好。

1.風機氣流;2.卷膜從動輥;3.浮動滑槽架;4.卷膜輥;5.氣流導(dǎo)膜板;6.卷膜驅(qū)動輥;7.田間殘膜;8.升運導(dǎo)膜桿1. Fan airflow; 2. Roll film driven roller; 3. Floating chute frame; 4. Roll film;5. Air flow membrane guide plate; 6. Film driving roller; 7. Field mulch; 8. Lift membrane guide rod

圖3 評價指標選取位置

根據(jù)浮動式氣力卷膜裝置的工作原理與過程可知,影響裝置卷膜效果的因素較多。其中卷膜裝置內(nèi)氣流的流向、分布、流速、殘膜的喂入量等因素對卷膜效果具有決定性作用,同時需要考慮卷膜輥旋轉(zhuǎn)時對裝置內(nèi)流場產(chǎn)生的擾動。因此本試驗選定離心風機的安裝角度(進入氣力卷膜裝置內(nèi)氣流流向)、入口氣流速度以及卷膜輥的轉(zhuǎn)速為影響因素。在仿真試驗中,首先通過單因素試驗確定各因素的范圍值,然后采用響應(yīng)面法設(shè)計試驗,通過流體仿真試驗確定并優(yōu)化工作參數(shù)[11]。

2 建立模擬流場模型

為探究浮動式氣力卷膜裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對其內(nèi)流場變化的影響規(guī)律,同時得到卷膜效果最佳的參數(shù)組合,本文運用SolidWorks建立三維模型并利用其附帶的CFD插件Flow Simulation進行裝置模擬流場仿真試驗[12]。

2.1 幾何建模

浮動式氣力卷膜裝置在實際工況下其流場應(yīng)為外部流場,然而,本仿真試驗為了考慮流體在固體壁面上的流動情況采用內(nèi)部流場,在浮動式氣力卷膜裝置模型外創(chuàng)立封閉區(qū)域(長、寬、高分別為1 140、706、466 mm)。為模擬田間實際卷膜作業(yè),在建模時將卷膜輥向上升起15 mm(圖4a,見313頁)。在迭代計算前需要對流場模型進行氣密性檢查,即通過模型檢查工具檢查模型是否完全封閉以及裝配體各零部件之間是否存在無效接觸,然后使用封蓋功能封閉模型的出口。由于卷膜輥相對于氣流導(dǎo)膜板為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,將卷膜輥旋轉(zhuǎn)區(qū)域定義為一個部件,在該部件上指定旋轉(zhuǎn)條件并采用旋轉(zhuǎn)坐標系進行計算,在后續(xù)仿真試驗中,根據(jù)試驗組號定義不同的旋轉(zhuǎn)速度[13]。模型中的其余流動采用局部坐標系計算。

2.2 網(wǎng)格劃分

如圖4b所示,SolidWorks Flow Simulation插件會將計算域切片化處理,并進一步細分為長方體網(wǎng)格從而產(chǎn)生大量計算網(wǎng)格。之后為了得到較為精確的氣流軌跡,網(wǎng)絡(luò)單元格會再次細分,生成離散與時間相關(guān)的Navier-Stokes方程組,并根據(jù)生成的單元格求解[14]。權(quán)衡所需的求解精度,通過試錯法設(shè)置初始網(wǎng)格級別來生成合適的單元格數(shù)量。

2.3 設(shè)定邊界條件

邊界條件和項目目標是控制計算有解和收斂目標的先決條件。按照浮動式氣力卷膜裝置實際工作環(huán)境設(shè)置溫度為25℃。如圖4c所示的氣流入口封蓋內(nèi)側(cè)加載入口速度邊界條件,根據(jù)試驗組號設(shè)置速度值,其他封蓋內(nèi)側(cè)加載環(huán)境壓力作為邊界條件。高速氣流進入氣力卷膜裝置中,在氣力卷膜板的導(dǎo)向作用下氣流會圍繞卷膜輥旋轉(zhuǎn),因此在該流場中存在湍流。根據(jù)經(jīng)驗,對于內(nèi)部流場而言,當雷諾數(shù)Re>2 300時,流動一定為湍流,因此,本文采用標準k-e模型及默認定義量[15]。分別選取3組響應(yīng)值測量表面作為表面參數(shù)選擇面,選用靜壓、X、Y軸方向的平均速度和體積流量等表面參數(shù)作為分析參數(shù)。

圖4 模擬流場建立過程

2.4 單因素仿真試驗

為確定模型工作參數(shù)的范圍,需要進行單因素仿真試驗,根據(jù)裝置作業(yè)原理以及殘膜的相關(guān)物理特性參量,分別確定氣流速度、卷膜輥轉(zhuǎn)速以及風機安裝角的試驗取值范圍。

2.4.1 離心風機氣流速度范圍確定 離心風機產(chǎn)生的高速氣流主要使脫膜齒附近的殘膜吸附在卷膜從動輥上,并對運移至浮動式氣力卷膜裝置內(nèi)的殘膜起吹送與引導(dǎo)作用,因此氣流速度必須大于殘膜的臨界懸浮速度。臨界殘膜懸浮速度與殘膜表面積的相關(guān)性很小,但是與殘膜質(zhì)量關(guān)系密切,相關(guān)系數(shù)r達到了0.985[16]。按照試驗過程中升運導(dǎo)膜桿弧形脫膜齒處的殘膜質(zhì)量4.5～5.1 g計算,懸浮速度介于2.0～2.4 m·s-1,考慮作業(yè)機在田間實際工作情況,從升運鏈傳輸上來的殘膜會裹挾土壤、薯秧等雜質(zhì),實際的氣流速度需要高于殘膜的懸浮速度,但不能過高,否則會增大消耗功率,同時導(dǎo)致塵土飛揚和工作環(huán)境惡化。綜合考慮,風機氣流速度需控制在2.4～4.0 m·s-1。

2.4.2 卷膜輥轉(zhuǎn)速范圍確定 作業(yè)時卷膜輥是在卷膜主動輥和卷膜從動輥的共同摩擦帶動下逆時針轉(zhuǎn)動,將由氣流吹送進入卷膜裝置內(nèi)的殘膜進行纏繞,是殘膜回收作業(yè)過程中的關(guān)鍵部件之一,其轉(zhuǎn)速大小直接影響到整機的作業(yè)質(zhì)量。由于田間地膜經(jīng)過長時間的風化已經(jīng)老化,若轉(zhuǎn)速過高可能造成其在回收過程中撕裂,同時會對氣力卷膜裝置內(nèi)部流場產(chǎn)生大的擾動,使得裝置內(nèi)氣流的流向發(fā)生改變,甚至產(chǎn)生旋渦,導(dǎo)致殘膜從卷膜主動輥與卷膜從動輥間隙穿過,降低殘膜回收效率。相反,若轉(zhuǎn)速過低,則無法及時回收由氣流吹送進入裝置內(nèi)的殘膜,導(dǎo)致發(fā)生地膜滯留堵塞現(xiàn)象;因此在相同時間內(nèi)地輪前進距離應(yīng)與卷膜輥卷起的地膜長度一致[17]。即

(1)

式中,D為地輪直徑(mm);d4為卷膜輥直徑(mm);ω1為地輪旋轉(zhuǎn)角速度(rad·s-1);ω4為卷膜輥旋轉(zhuǎn)角速度(rad·s-1);t為機具前進時間(s)。

隨著機具作業(yè)的進行,卷膜輥直徑不斷增大,但是卷膜輥在預(yù)緊彈簧的作用下始終與卷膜驅(qū)動輥、卷膜從動輥接觸,因此三者的輪緣線速度相同,即

(2)

式中,d2為驅(qū)動輥直徑(mm);d3為從動輥直徑(mm);ω2為驅(qū)動輥轉(zhuǎn)動角速度(rad·s-1);ω3為從動輥旋轉(zhuǎn)角速度(rad·s-1)。

由鏈傳動系統(tǒng)可知空載時:

(3)

式中,z1為地輪端鏈輪齒數(shù);z2為卷膜驅(qū)動輥端鏈輪齒數(shù)。

所以,當整機作業(yè)速度介于1.8～3.2 m·s-1,即地輪轉(zhuǎn)動角速度介于30～42 rad·s-1時,卷膜輥轉(zhuǎn)動角速度介于15～21 rad·s-1。

2.4.3 風機安裝角的確定 為使氣力卷膜裝置中氣流對殘膜達到較好的吹送與引導(dǎo)效果,在進行后續(xù)試驗前需要通過單因素試驗來獲得風機安裝角度的取值范圍,按上文所述在Flow Simulation軟件中建立流體模型,設(shè)置邊界條件:離心風機氣流速度為3.25 m·s-1,卷膜輥轉(zhuǎn)速為15 rad·s-1。通過改變模型中氣流進入角度,得到相應(yīng)的氣流軌跡和3個速度響應(yīng)值的變化曲線(如圖5、6所示,圖5見313頁)。

單因素試驗表明,保持其他因素水平不變,風機安裝角由5°增大至25°時,速度v1降低至1.5 m·s-1,速度v2降低至2.8 m·s-1,速度v3升高至1.6 m·s-1。這是由于風機安裝角度的增大使得入口處的氣流與卷膜從動輥的接觸角減小,有效接觸面積降低,受到卷膜從動輥表面的阻擋后流向豎直方向的氣流量減少,同時穿過卷膜輥與卷膜從動輥間隙間的氣流量也降低,從而使v1、v2降低;然而,入口處氣流角度越大,對氣流在導(dǎo)模板下表面的流動越有利,從而使v3升高。風機安裝角由25°增大至35°時,v1降低至0.8 m·s-1,v2降低至2.3 m·s-1,v3降低至1.4 m·s-1。究其原因主要是風機安裝角度的持續(xù)增大使得進入卷膜裝置內(nèi)的氣流量減少,從而導(dǎo)致3個位置處的流速均降低。根據(jù)浮動式氣力卷膜裝置卷膜作業(yè)過程分析,速度v1較低時卷膜效果更佳,而速度v2和v3越大越有利于卷膜,因此可以通過圖中符合要求的點來確定浮動式氣力卷膜裝置風機安裝角的范圍。通過分析,風機安裝角度的最佳取值范圍介于15°～35°。

3 數(shù)值模擬優(yōu)化試驗

3.1 BOX-Behnken試驗設(shè)計

按照2.4節(jié)所述單因素試驗所確定的作業(yè)參數(shù)范圍,以風機安裝角、氣流速度和卷膜輥轉(zhuǎn)速為自變量,以速度v1、v2、v3為響應(yīng)值,依照 Box-Behnken試驗設(shè)計原理,采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法,分別建立各因素與響應(yīng)Y1、Y2和Y3之間的數(shù)學(xué)模型,并對各因素及其交互作用進行分析,各試驗因素編碼如表1所示。分別實施17組響應(yīng)面分析試驗,結(jié)果如表2所示,其中x1、x2、x3為試驗因素編碼值。應(yīng)用Design-Expert 13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理分析[18-19]。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 回歸模型的建立及檢驗 數(shù)值模擬試驗結(jié)果如表2所示,利用 Design-Expert 13.0軟件對試驗結(jié)果進行分析,分別獲得Y1、Y2和Y3的二次回歸模型:

(4)

(5)

(6)

式中,Y1為速度v1(m·s-1);Y2為速度v2(m·s-1);Y3為速度v3(m·s-1);x1為風機安裝角編碼水平值(°);x2為氣流速度編碼水平值(m·s-1);x3為卷膜輥轉(zhuǎn)速編碼水平值(m·s-1)。

表1 試驗因素水平編碼表

表2 試驗方案與結(jié)果

3.2.2 回歸方程方差分析 對上述二次回歸模型進行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗,依照速度v1模型響應(yīng)曲面方差分析可知,回歸模型P<0.01,表明獲得的速度v1二次回歸模型極其顯著;失擬項P>0.05,失擬不顯著,說明模型所擬合的二次回歸方程與數(shù)值模擬試驗結(jié)果相符合,能正確反映從動輥表面豎直方向氣流速度v1與x1、x2和x3之間的關(guān)系,回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗中各種試驗結(jié)果進行預(yù)測。其中模型的一次項x1、x2、x3的影響均極顯著;交互項x1x2影響極顯著,x1x3、x2x3影響均不顯著;二次項x12影響極為顯著,x22影響較為顯著,x32的影響不顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小,可得到各因素對響應(yīng)Y1的影響順序為x1>x2>x3,即風機安裝角>入口氣流速度>卷膜輥轉(zhuǎn)速。

依照速度v2模型響應(yīng)曲面方差分析可知,回歸模型P<0.01,表明獲得的速度v3的二次回歸模型極其顯著;失擬項P>0.05,說明模型所擬合的二次回歸方程與數(shù)值模擬試驗結(jié)果相符合,能正確反映響應(yīng)Y2與x1、x2和x3之間的關(guān)系,回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗中各種試驗結(jié)果進行預(yù)測。其中模型的一次項x1、x2的影響均極為顯著,x3的影響較為顯著;交互項x1x2、x1x3的影響較為顯著,x2x3的影響不顯著;二次項x12、x22、x32的影響均不顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小,可得到各因素對響應(yīng)Y2的影響順序為x2>x1>x3,即入口氣流速度>風機安裝角>卷膜輥轉(zhuǎn)速。

依照速度v3模型響應(yīng)曲面方差分析可知,回歸模型P<0.01,表明獲得的速度v3的二次回歸模型極其顯著;失擬項P>0.05,說明模型所擬合的二次回歸方程與數(shù)值模擬試驗結(jié)果相符合,能正確反映響應(yīng)Y3與x1、x2和x3之間的關(guān)系,回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗中各種試驗結(jié)果進行預(yù)測。其中模型的一次項x1、x2影響均極為顯著,x3影響較為顯著;交互項x1x2、x1x3影響較為顯著,x2x3影響不顯著;二次項x12、x22影響均不顯著,x32的影響極為顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)的大小,可得到各因素對響應(yīng)Y3的影響順序為x1>x2>x3,即風機安裝角>入口氣流速度>卷膜輥轉(zhuǎn)速。

3.2.3 模型交互項的解析 為了分析試驗因素不同交互水平對各指標的相對影響程度,根據(jù)得到的二次回歸模型,分別繪制氣流速度、風機安裝角、卷膜輥轉(zhuǎn)速三因素不同交互水平對3個響應(yīng)指標影響顯著的響應(yīng)曲面圖[20-21]。

響應(yīng)曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強弱[22],由圖7等高線密度與響應(yīng)曲面形狀可以看出,風機安裝角與氣流速度交互作用對速度v1的影響極為顯著。當氣流速度為3.2 m·s-1,風機安裝角由5°向35°逐漸增大時,速度v1呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。這主要是由于風機安裝角增加,入口處的氣流與卷膜從動輥接觸面積不斷降低,使得該位置處總氣流量降低。風機安裝角降低至25°后,隨著風機安裝角與流速的增大,速度v1降低至1.0 m·s-1,此時氣流流速的增大無法補償氣流與卷膜從動輥接觸面積降低所帶來的流量減小。

由圖8可以看出,風機安裝角與氣流速度交互作用對速度v2的影響較為顯著。速度v2為氣流入口速度的余弦值,其大小受入口速度與角度的共同影響,同時也受卷膜輥與卷膜從動輥間隙的影響。當氣流速度固定在某一水平,風機安裝角由5°遞增至35°時,速度v2呈現(xiàn)出持續(xù)降低的變化趨勢;其中,風機安裝角介于5°～20°時變化較慢,而介于20°～35°時變化較快。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是當進入浮動式氣力卷膜裝置的殘膜量恒定,風機安裝角在一定范圍內(nèi)時,進入卷膜輥與卷膜從動輥間隙的氣流量較大,此時氣流速度與角度的變化對速度v2的影響較小。

圖7 風機安裝角度與氣流速度交互作用對速度v1的影響

圖8 風機安裝角度與氣流速度交互作用對速度v2的影響

由圖9可以看出,風機安裝角與氣流速度交互作用對速度v3的影響較為顯著。當氣流速度為3.2 m·s-1,風機安裝角由5°向35°遞增時,速度v3先增大后降低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是入口氣流速度一定時,入口處氣流角度越大,對氣流在導(dǎo)模板下表面的流動越有利,因此速度v3升高;當風機安裝角增大至20°后進入卷膜裝置內(nèi)的氣流量減少,使得v3降低。

由圖10可以看出,氣流速度與卷膜輥轉(zhuǎn)速的交互作用對速度v3的影響較為顯著。導(dǎo)膜板與卷膜輥形成的空間區(qū)域隨著導(dǎo)膜板的弧線其體積不斷減小,因此該區(qū)域氣流量小但是流速v3較大,卷膜輥轉(zhuǎn)動對該區(qū)域流場的擾動就更加明顯,當氣流速度為4 m·s-1,卷膜輥轉(zhuǎn)速由15 rad·s-1向21 rad·s-1遞增時,速度v3先增大后降低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是入口氣流速度一定時,卷膜輥的低速轉(zhuǎn)動會帶動導(dǎo)膜板位置處氣流速度增加,當轉(zhuǎn)速過高時,卷膜輥前側(cè)會產(chǎn)生速度向下的氣流,該方向氣流使得進入卷膜輥與卷膜從動輥間隙的氣流量減少,導(dǎo)致速度v3降低。

3.2.4 最優(yōu)工作參數(shù)確定 根據(jù)二次回歸模型結(jié)果與響應(yīng)面分析,為進一步提升氣力卷膜裝置的作業(yè)性能,以風機安裝角(x1)、入口氣流速度(x2)和卷膜輥轉(zhuǎn)速(x3)為自變量,以速度v1最小、速度v2最大和速度v3最小為優(yōu)化指標,在各試驗因素水平約束條件下,建立性能指標全因子二次回歸方程,進行目標優(yōu)化與最優(yōu)工作參數(shù)確定[23]。

(7)

其中

(8)

用Design-Expert軟件中的優(yōu)化求解器對回歸方程模型(4)、(5)、(6)進行目標(7)下的優(yōu)化求解,最終得到優(yōu)化試驗指標Y1、Y2、Y3分別為2.78、2.29、1.94 m·s-1;最優(yōu)工作參數(shù):風機安裝角33°、入口氣流速度3.50 m·s-1、卷膜輥轉(zhuǎn)速17 rad·s-1。

以因素水平試驗3、11為例對比一般工作參數(shù)與最優(yōu)工作參數(shù)下浮動式氣力卷膜裝置內(nèi)部流場仿真模擬結(jié)果。由所得氣流軌跡圖(圖11)可知,在一般工作參數(shù)下,進入裝置內(nèi)的氣流量少、流速低,使得殘膜無法及時纏繞在卷膜輥上,導(dǎo)致裝置內(nèi)產(chǎn)生殘膜的堵塞與滯留,同時部分氣流軌跡與殘膜在裝置內(nèi)的運移軌跡不重合,氣流穿過卷膜主動輥與卷膜從動輥的間隙,會使進入裝置內(nèi)的殘膜重新落回至導(dǎo)膜桿,降低殘膜回收效率。在最優(yōu)工作參數(shù)下,氣流軌跡與裝置設(shè)計的殘膜運移軌跡重合,在裝置內(nèi)無其他軌跡,氣流在卷膜輥周圍分布均勻,流速穩(wěn)定,且氣流沖擊區(qū)域集中在卷膜從動輥最下端至卷膜輥中部區(qū)域,無效氣流量少,整機能耗降低。

4 田間驗證試驗

為進一步驗證在最優(yōu)參數(shù)組合下浮動式氣力卷膜裝置的作業(yè)性能,在甘肅省定西市安定區(qū)香泉鎮(zhèn)進行了整機的田間工作性能試驗。試驗地土壤為黃綿土,含水率為13.6%,馬鈴薯種植品種為‘大西洋’,種植方式為大壟雙行覆膜栽培種植模式,使用0.01 mm厚的黑色地膜,寬度為1 200 mm。按照樣機預(yù)期優(yōu)化目標,參照國家行業(yè)標準GB/T25412-2021《殘地膜回收機》和NY/T648-2002《馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[24-25]所規(guī)定的試驗方法進行整機的田間作業(yè)性能驗證,試驗如圖12所示。

隨機選取試驗小區(qū),測試區(qū)域長度為30 m。每次試驗結(jié)束后,將卷膜輥上的殘膜卸下,分離出殘膜與雜質(zhì),用電子秤分別測量殘膜和雜質(zhì)的質(zhì)量,計算出殘膜回收率和含雜率作為評價指標,取10次試驗的平均值作為試驗結(jié)果[26-27]。計算方法如下:

(9)

式中,Z1為殘膜回收率(%);Z2為含雜率(%);m0為試驗小區(qū)回收到卷膜輥上殘膜中雜質(zhì)質(zhì)量(g);m1為試驗小區(qū)未回收殘膜質(zhì)量(g);m2為試驗小區(qū)纏繞在卷膜輥上殘膜質(zhì)量(g)。

整機田間試驗結(jié)果如表3所示,優(yōu)化浮動式氣力卷膜裝置相關(guān)參數(shù)后,馬鈴薯收獲與氣力輔助殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機殘膜回收率(91.6%)、含雜率(7.5%)均達到國家與行業(yè)要求。

表3 整機性能試驗結(jié)果

試驗驗證過程中發(fā)現(xiàn),優(yōu)化參數(shù)后的浮動式氣力卷膜裝置在挖掘薯塊時可及時回收殘膜,殘膜進入卷膜裝置平穩(wěn)順暢,殘膜在卷膜輥上纏繞緊密且在回收的殘膜中含雜較少。入口處的氣流與卷膜輥和卷膜從動輥的接觸面積較大,減小了卷膜裝置的氣流損耗量,從而降低了離心風機的功率損耗。同時流向作業(yè)機前端的氣流速度降低,不會揚起大量塵土,極大改善了駕駛者的作業(yè)環(huán)境。結(jié)果表明,在該優(yōu)化工作參數(shù)條件下,浮動式氣力卷膜裝置能夠按照設(shè)計要求完成馬鈴薯收獲后的殘膜回收作業(yè),回歸模型可靠。

圖9 風機安裝角度與氣流速度交互作用對速度v3的影響

圖10 氣流速度與卷膜輥轉(zhuǎn)速交互作用對速度v3的影響

圖11 卷膜氣流軌跡對比

圖12 田間驗證試驗

5 結(jié) 論

1)針對浮動式氣力卷膜裝置的作業(yè)特點,建立氣力卷膜裝置內(nèi)部氣流場模型,分析得出評價卷膜輥卷膜效果的3個關(guān)鍵位置處的氣流速度值作為響應(yīng)指標。結(jié)合馬鈴薯收獲與殘膜回收的農(nóng)藝要求,應(yīng)用SolidWorks Flow Simulation軟件建立浮動式氣力卷膜裝置內(nèi)部流場模型,分析了影響殘膜回收效果的3個關(guān)鍵因素(離心風機安裝角度、入口氣流速度和卷膜輥轉(zhuǎn)速),確定了入口氣流速度(2.4～4.0 m·s-1)和卷膜輥轉(zhuǎn)速(15～21 rad·s-1)范圍,并采用單因素試驗得出風機安裝角度的最佳取值范圍(15°～35°)。

2)結(jié)合Box-Behnken試驗設(shè)計原理,采用三因素三水平響應(yīng)曲面分析法,進行不同工作參數(shù)組合下浮動式氣力卷膜裝置作業(yè)仿真試驗,借助Design-Expert 13.0軟件獲得從動輥表面豎直方向氣流速度、卷膜輥表面水平方向氣流速度和導(dǎo)膜板下表面氣流速度的二次回歸模型;分析了離心風機安裝角、入口氣流速度和卷膜輥轉(zhuǎn)速對3組速度響應(yīng)值的影響,得到浮動式氣力卷膜裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合,即風機安裝角33°、氣流速度3.50 m·s-1、卷膜輥轉(zhuǎn)速17 rad·s-1。

3)以整機的殘膜回收率和含雜率作為評價指標,通過田間試驗驗證所得的浮動式氣力卷膜裝置最優(yōu)工作參數(shù),發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的作業(yè)機殘膜回收率(91.6%)、含雜率(7.5%)均達到國家與行業(yè)要求,表明仿真試驗結(jié)果合理,該流體模型能夠準確模擬相關(guān)作業(yè)效果,所得的最優(yōu)工作參數(shù)組合可為氣力卷膜裝置的設(shè)計提供參考。