摘要:為持續(xù)優(yōu)化立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的秸稈粉碎效果,對(duì)還田機(jī)粉碎裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用Fluent軟件對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)仿真模擬,得到3種不同粉碎刀軸轉(zhuǎn)速下粉碎室內(nèi)截面壓力云圖和速度云圖。以機(jī)具前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速和刀片折彎角為自變量,以秸稈粉碎合格率為應(yīng)變量進(jìn)行三因素三水平的田間試驗(yàn),通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,建立秸稈粉碎合格率的回歸數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明,最優(yōu)參數(shù)組合機(jī)具前進(jìn)速度為1.39 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,刀片折彎角為139.28°,此時(shí)秸稈粉碎合格率為98.50%。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn),得到秸稈粉碎合格率為96.89%,與軟件優(yōu)化結(jié)果誤差為1.61%。
關(guān)鍵詞:香蕉秸稈;立式秸稈粉碎還田機(jī);粉碎裝置;響應(yīng)曲面分析
中圖分類號(hào):S224.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A" " " 文章編號(hào):2095?5553 (2024) 10?0131?09
Optimized design and test of key components of vertical banana straw crushing device
GaoYang1, Li Yue1, Wei Shiquan1, Huang Chun1, Wu Zihan1, Li Yuan2
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University, Haikou, 570228, China; 2. Institute of
Scientific and Technical Information, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, 571700, China)
Abstract: In order to continuously optimize the straw crushing effect of the vertical banana straw crushing and field returning machine, the key components of the crushing device of the field returning machine were optimized and designed. The optimized structure was simulated by Fluent software, and the pressure and velocity maps of the crushing chamber were obtained under three different speeds of the crushing knife shaft. A three?factor and three?level field experiment was conducted with the forward speed of the machine, the rotational speed of the knife shaft and the bending angle of the blade as independent variables, and the qualified rate of straw crushing as the dependent variable, and the data analysis of the experimental results was carried out through the Design-Expert software to establish the regression mathematical model of the qualified rate of straw crushing and carry out the analysis of variance." The results show that the optimal combination of the parameters of the machine forward speed is 1.39 m/s, the rotational speed of the knife shaft is 1 500 r/min, the bending angle of the blade is 139.28°, and the qualified rate of straw crushing at this time is 98.50%. Through the verification test, the qualified rate of straw crushing is 96.89%, and the error with the software optimization result is 1.61%.
Keywords: banana straw; vertical straw crushing and returning machine; crushing device; response surface analysis
0 引言
香蕉的種植具有地域性特點(diǎn),多為熱帶或亞熱帶地區(qū),土壤多為黏著性較高的磚紅壤,會(huì)對(duì)機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)的正常行駛和粉碎裝置的高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成阻礙。相較傳統(tǒng)農(nóng)作物秸稈,香蕉秸稈纖維較長(zhǎng)、含水率高,進(jìn)行粉碎作業(yè)時(shí)容易纏繞機(jī)具[1]。合適的粉碎裝置決定還田機(jī)作業(yè)時(shí)的工作效率、整機(jī)功耗和粉碎質(zhì)量。
國(guó)外在20世紀(jì)60年代開始研究秸稈機(jī)械化還田技術(shù),生產(chǎn)機(jī)具主要應(yīng)用于大新農(nóng)場(chǎng)的小麥、玉米等作物[2]。而國(guó)內(nèi)香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的研制最早由曹衛(wèi)東等[3]提出,基于臥式粉碎機(jī)理,對(duì)粉碎刀具、數(shù)量及排布方式、位置參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì),使還田機(jī)的粉碎刀輥在作業(yè)時(shí)最大程度地與香蕉秸稈接觸。臥式香蕉秸稈粉碎機(jī)的工作效果較好,但存在著機(jī)具體積大、重量重造成功耗較大、功率浪費(fèi)的問(wèn)題。甘聲豹等[4]設(shè)計(jì)的立軸甩刀香蕉秸稈粉碎還田機(jī),可以一次完成喂入、鏟斷、抓取、粉碎、鎮(zhèn)壓作業(yè),試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)秸稈粉碎合格率達(dá)94.9%,覆蓋率達(dá)88.61%[5]。通過(guò)分析刀具的失效形式和機(jī)理,有學(xué)者對(duì)立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的粉碎刀具進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),有效提高了刀具的使用壽命。
由于香蕉秸稈獨(dú)特的生物特性,針對(duì)香蕉秸稈粉碎還田方面的研究還存在著很多不足。臥式香蕉秸稈粉碎機(jī)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟[5],而立式香蕉秸稈粉碎機(jī)還處于發(fā)展階段,雖然整機(jī)功耗降低,但基于立式秸稈粉碎機(jī)獨(dú)特的粉碎方式和苛刻的工作條件,所以對(duì)機(jī)具粉碎裝置的設(shè)計(jì)要求也逐漸提高,為使粉碎裝置達(dá)到高強(qiáng)度、低功耗、防纏繞和粉碎效果佳的工作要求,本研究在前代立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的基礎(chǔ)上基于CFD理論進(jìn)行粉碎裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò)田間試驗(yàn)研究粉碎裝置對(duì)秸稈粉碎質(zhì)量、工作效率等工作性能的影響,進(jìn)而確定相關(guān)技術(shù)參數(shù),提高秸稈粉碎合格率。
1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
秸稈粉碎裝置的變速箱輸入軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與拖拉機(jī)的輸出軸連接獲得動(dòng)力,隨后經(jīng)過(guò)變速箱的錐齒輪組傳動(dòng),使得動(dòng)力按齒輪傳動(dòng)比增速變向地通過(guò)傳動(dòng)軸向兩側(cè)分別傳遞給粉碎刀軸,粉碎刀軸進(jìn)行異向轉(zhuǎn)動(dòng),粉碎刀片進(jìn)行對(duì)切,傳動(dòng)箱的錐齒輪組起到了換向的作用。粉碎刀軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)粉碎刀盤繼而帶動(dòng)粉碎刀片進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn),粉碎刀片與機(jī)架兩側(cè)的定刀相互作用對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行粉碎,完成田間粉碎作業(yè)。粉碎裝置傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示,整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。
1.1 秸稈粉碎刀片的優(yōu)化設(shè)計(jì)
1.1.1 秸稈粉碎刀片的類型
粉碎刀片的選取直接影響機(jī)具的可靠性和秸稈粉碎效果。目前,用于立式秸稈粉碎還田機(jī)上的粉碎刀片主要有立式L型Ⅰ代和L型Ⅱ代,這兩種刀片各具特色,可以滿足不同的應(yīng)用需求。
1) 基于L型刀片,對(duì)彎刀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)了立式L型I代粉碎刀片。改進(jìn)后的L型彎刀正切刃長(zhǎng)350 mm,側(cè)切刃長(zhǎng)50 mm,折彎角為127°,結(jié)構(gòu)如圖2所示。高速旋轉(zhuǎn)下L型彎刀分別從水平方向和豎直方向,以打擊及切割兩種方式對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行砍切作業(yè)。但在實(shí)際情況中,L型彎刀容易出現(xiàn)端部脆性斷裂、刃口磨損等問(wèn)題,影響機(jī)具的作業(yè)效率和可靠度。
2) 立式L型Ⅱ代刀片是在Ⅰ代基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化設(shè)計(jì)后的粉碎刀片側(cè)切削刃長(zhǎng)為300 mm,刀刃刃角為45°,厚度為9 mm,刀片折彎角為125°,結(jié)構(gòu)如圖3所示。相較Ⅰ代刀片,Ⅱ代刀片能夠顯著降低切削阻力。然而,由于Ⅱ代刀片的刀身較長(zhǎng)且較薄,在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中不斷受到香蕉秸稈的沖擊影響,容易導(dǎo)致刀具彎折處出現(xiàn)明顯的扭曲變形,刀柄處出現(xiàn)斷裂的情況。
1.1.2 秸稈粉碎刀片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
總結(jié)現(xiàn)有的立式香蕉秸稈粉碎刀片的設(shè)計(jì),本研究基于L型刀片,優(yōu)化設(shè)計(jì)一種更加合理的立式香蕉秸稈粉碎刀片,以期提高粉碎刀片在田間作業(yè)中的正效應(yīng)。香蕉種植園內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,為了提高刀具的強(qiáng)度和硬度,選用具有高強(qiáng)度和耐磨性的65Mn彈簧鋼作為加工原材料,該材料具有良好的加工性能,能夠滿足粉碎刀片的應(yīng)用需求[6]。粉碎刀片主要由刀柄、刀身、刀刃、連接孔和折彎角組成,刀刃在刀身兩側(cè)均勻分布,如圖4所示。粉碎刀片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù):刀具厚度[t]、刀柄寬度[w]、刀柄長(zhǎng)度[l1]、刀刃長(zhǎng)度[l2]、折彎角[β]以及刀具的回轉(zhuǎn)半徑[R],如圖5所示。
粉碎刀片的橫向部分為刀柄,現(xiàn)有粉碎刀的刀柄寬度通常在30~100 mm內(nèi)[7]。為了粉碎裝置的穩(wěn)定性,防止刀具出現(xiàn)因受到?jīng)_擊發(fā)生變形的情況,刀柄寬度[w]設(shè)為80 mm,刀柄長(zhǎng)度[l1]為150 mm。粉碎刀片的厚度[t]過(guò)小,易導(dǎo)致刀具強(qiáng)度不夠,粉碎刀片的使用壽命降低;厚度t過(guò)大,會(huì)增加刀具自身的質(zhì)量,使機(jī)具功耗增高。為了增大刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,在保障加工成本的情況下,對(duì)粉碎刀片的厚度t進(jìn)行適度增加,有效提高刀具的安全系數(shù)[8]。因此,粉碎刀片厚度t設(shè)為10 mm。
切削刀刃長(zhǎng)度[l2]越長(zhǎng),機(jī)具的粉碎效率和粉碎質(zhì)量就越好,但同時(shí)也增加了粉碎刀片在作業(yè)過(guò)程中的阻力;若刀刃長(zhǎng)度[l2]過(guò)短,會(huì)存在漏切香蕉秸稈的現(xiàn)象,粉碎效果變差,需要增加更多的粉碎刀片,從而導(dǎo)致機(jī)具的功耗和作業(yè)成本增加[9]。因此,綜合考慮粉碎效率和功耗要求,刀刃長(zhǎng)度[l2]設(shè)計(jì)為180 mm。刀片兩側(cè)對(duì)稱開刃,而刀具刃角的大小影響著粉碎刀的切削力和工作性能,刀刃刃角θ越小,刀刃越薄和鋒利,但是在田間作業(yè)中容易受到切割阻力而出現(xiàn)磨損或缺口,抗磨性和耐久性隨之降低[10];刀刃刃角θ越大,刀具的保持性和強(qiáng)度越好,但會(huì)導(dǎo)致切削力過(guò)大,容易造成刀具斷裂或加工表面質(zhì)量不佳。為了保證刀具的最佳性能,結(jié)合香蕉秸稈材料特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)的刃角θ度數(shù)為30°。
粉碎刀的折彎角β影響著刀片與香蕉秸稈的接觸面積,當(dāng)折彎角β過(guò)大時(shí),粉碎刀片與香蕉秸稈的接觸面積變小,粉碎效果得不到提升;若折彎角β過(guò)小,會(huì)導(dǎo)致香蕉秸稈纖維纏繞刀片,粉碎刀的切削阻力變大,降低粉碎刀的使用壽命。國(guó)內(nèi)香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的粉碎刀折彎角通常在120°~160°之間,本文設(shè)計(jì)的折彎角β為140°。國(guó)內(nèi)還田機(jī)粉碎刀片回轉(zhuǎn)半徑在200~300 mm范圍內(nèi),考慮動(dòng)平衡等因素,本文選取刀片的回轉(zhuǎn)半徑R為280 mm。粉碎刀片與粉碎刀盤通過(guò)螺栓連接[11]。
1.2 粉碎刀片扇葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)在粉碎刀片上設(shè)計(jì)并安裝扇葉,可以在粉碎刀片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)促進(jìn)秸稈的流動(dòng),達(dá)到更好的粉碎效果[12]。扇葉主要由基準(zhǔn)面和迎風(fēng)面組成,扇葉的迎風(fēng)面與粉碎刀片刀柄面垂直,扇葉的基準(zhǔn)面與粉碎刀片通過(guò)螺栓螺母進(jìn)行緊固連接。綜合考慮粉碎刀片與粉碎刀盤的安裝尺寸,避免粉碎刀片出現(xiàn)卡刀現(xiàn)象,本文設(shè)計(jì)的扇葉結(jié)構(gòu)如圖6所示,扇葉厚度為3 mm,迎風(fēng)面寬度為34 mm,長(zhǎng)度為60 mm,基準(zhǔn)面寬度為80 mm,長(zhǎng)度為140 mm。扇葉與粉碎刀片裝配效果如圖7所示。
1.3 粉碎刀盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)
1.3.1 歷代粉碎刀盤的設(shè)計(jì)
針對(duì)立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī),所設(shè)計(jì)的粉碎刀盤主要分為兩種:雙刃式粉碎刀盤和三刃式粉碎刀盤。雙刃式粉碎刀盤上兩個(gè)刀座之間的夾角為180°,粉碎刀片對(duì)稱安裝在刀盤兩側(cè),其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示,分別用來(lái)搭配L型粉碎彎刀和直刀型粉碎刀片使用。雙刃式粉碎刀盤設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、加工難度小、成本低廉,但對(duì)刀具和刀盤的工作強(qiáng)度要求較高。
三刃式粉碎刀盤的結(jié)構(gòu)如圖9所示,刀盤上各個(gè)刀座之間的夾角為120°。相較于雙刃式,三刃式粉碎刀盤通過(guò)增加刀具數(shù)量來(lái)提高粉碎效果;但三刃式粉碎刀盤的刀座過(guò)長(zhǎng),粉碎刀片與刀盤的連接處較為薄弱,隨著粉碎作業(yè)時(shí)間的增加,易導(dǎo)致香蕉秸稈纖維纏繞在粉碎刀盤上,從而造成粉碎刀盤的斷裂和粉碎裝置的失效,影響機(jī)具的使用壽命。
1.3.2 粉碎刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于前代粉碎刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合粉碎刀片和扇葉的結(jié)構(gòu)參數(shù),以四等分圓形框架為基礎(chǔ),對(duì)粉碎刀盤進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),以期減少秸稈纖維纏繞的現(xiàn)象,提升粉碎裝置的強(qiáng)度,刀盤結(jié)構(gòu)如圖10所示。
粉碎刀盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖11所示。粉碎刀盤中心到刀槽的距離R1為175 mm,到粉碎刀片螺栓孔的距離R2為135 mm,螺栓孔的直徑D1為25 mm。刀槽的長(zhǎng)度l3為80 mm,深度為15 mm,粉碎刀片通過(guò)螺栓和刀槽與粉碎刀盤固定連接。粉碎刀盤與粉碎刀軸的連接處直徑D2為75 mm,刀盤通過(guò)花鍵與粉碎刀軸相連?;ㄦI的直徑為50 mm,底部設(shè)有螺栓孔對(duì)粉碎刀軸進(jìn)行固定連接。粉碎刀盤的厚度S為25 mm,為了增強(qiáng)粉碎刀盤的穩(wěn)定性和使用壽命,增加一個(gè)半徑R3為50 mm的凸臺(tái),并在四周加強(qiáng)筋以鞏固結(jié)構(gòu)。
1.4 定刀與粉碎刀片的動(dòng)力學(xué)分析
當(dāng)粉碎刀片、香蕉秸稈和定刀發(fā)生接觸時(shí),香蕉秸稈在粉碎刀片與定刀的相互作用下被切斷[13]。在香蕉秸稈受力的過(guò)程中,由于秸稈直徑相較于粉碎刀片和定刀的回轉(zhuǎn)半徑較小,因此在接觸香蕉秸稈表皮時(shí)粉碎刀片和定刀可視為平行位置[11]。香蕉秸稈粉碎過(guò)程的動(dòng)定刀受力如圖12所示,主要包括香蕉秸稈自身的重力mg、粉碎刀片對(duì)香蕉秸稈的支持力N1、粉碎刀片與香蕉秸稈之間的摩擦力f1、定刀對(duì)香蕉秸稈的支持力N2、定刀與香蕉秸稈之間的摩擦力f2以及離心力Fce。d1為香蕉秸稈與粉碎刀片刀柄螺栓孔的垂直接觸距離,d2為香蕉秸稈與定刀的垂直接觸距離。
粉碎刀片上的香蕉秸稈接觸到定刀的瞬間會(huì)被立即切斷,受慣性作用的影響,秸稈保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),停留在粉碎刀片上。因此粉碎刀片與定刀對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行切斷的瞬間處于力矩平衡狀態(tài),忽略氣流的影響,根據(jù)圖12中香蕉秸稈的受力情況,香蕉秸稈被切斷瞬間的動(dòng)力學(xué)平衡如式(1)所示。
[Fce+N1sinβ+mgcos(π2-γ)=f1cosβ+f2N2+mgsin(π2-γ)=f1sinβ+N1cosβf1=μ1N1f2=μ2N2Fce=mωf2ρ] (1)
式中: [μ1]——粉碎刀片與香蕉秸稈之間的摩擦系數(shù);
[μ2]——定刀與香蕉秸稈之間的摩擦系數(shù);
[Fce]——離心力,N;
[m]——香蕉秸稈的質(zhì)量,kg;
g——重力加速度,為9.8 m/s2;
[ωf]——粉碎刀片角速度,rad/s;
[ρ]——香蕉秸稈的回轉(zhuǎn)半徑,mm;
[β]——粉碎刀片的折彎角,(°);
[γ]——香蕉秸稈被粉碎時(shí)粉碎刀片與定刀相互作用力的夾角,(°)。
對(duì)式(1)求解可得
[N1=mgsinγ+mω2fρ+μ2mgcosγ(μ1+μ2)cosβ+(μ1μ2-1)sinβN2=(μ1sinβ+cosβ)(mgsinγ+mω2fρ+μ2mgcosγ)(μ1+μ2)cosβ+(μ1μ2-1)sinβ-mgcosγ] (2)
由式(2)可以看出,香蕉秸稈的受力[N1]、[N2]主要與[μ1]、[μ2]、[β]、[γ]和[ωf]相關(guān)。當(dāng)粉碎刀具的材料確定后,摩擦系數(shù)[μ1]、[μ2]為定值。刀片折彎角[β]為粉碎刀片的一個(gè)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù);角度[γ]的大小和粉碎刀片與定刀的相對(duì)位置有關(guān);粉碎刀片角速度[ωf]由粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速確定,當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí),秸稈所受的支持力也隨之增大。因此,[ωf]是影響香蕉秸稈粉碎效果的主要因素。在機(jī)具結(jié)構(gòu)可承載范圍內(nèi),香蕉秸稈所受的支持力越大,香蕉秸稈越易被粉碎,機(jī)具的秸稈粉碎率越高[14]。
2 基于CFD的粉碎室內(nèi)流場(chǎng)分析
2.1 實(shí)體模型的建立
粉碎室模型由機(jī)殼和粉碎刀盤、粉碎刀片、扇葉、粉碎刀軸以及防纏定刀組成,簡(jiǎn)化后的模型如圖13所示。
2.2 邊界條件設(shè)置
在進(jìn)行仿真計(jì)算前需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分和對(duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置,來(lái)確保模擬結(jié)果有且唯一,采用多參考系(MRF)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的仿真模擬。流體材料設(shè)置為空氣,不計(jì)重力的影響。定義入口inlet為壓力入口,出口outlet為壓力出口,壓力大小均設(shè)置為0 MPa。機(jī)殼表面定義為靜止壁面wall;粉碎刀軸的流域定義為旋轉(zhuǎn)流域,并對(duì)其轉(zhuǎn)速設(shè)置來(lái)進(jìn)行分析不同轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)特性,從上往下看旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn);粉碎刀軸的壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面moving wall,轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)置與粉碎刀軸流域保持一致;機(jī)殼內(nèi)其他流域均設(shè)置為靜止流域。旋轉(zhuǎn)流域與靜止流域的分界面分別定義為interface?inner和interface?outer,并在網(wǎng)格交界面選項(xiàng)卡中將其合并為interface,用于旋轉(zhuǎn)流域和靜止流域的數(shù)據(jù)傳遞[15]。求解方法選用COUPLED算法,最后利用后處理器CFD-Post輸出結(jié)果。為了便于分析,在粉碎室縱向方向的中間位置選取截面[16],并與X-Z平面平行,且穿過(guò)四個(gè)粉碎刀片,如圖14所示。
2.3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析
2.3.1 扇葉結(jié)構(gòu)的影響
為了驗(yàn)證粉碎裝置中扇葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)粉碎室內(nèi)流場(chǎng)有效影響,對(duì)有扇葉型和無(wú)扇葉型粉碎裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,將粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min,其他參數(shù)保持不變,得到不同扇葉結(jié)構(gòu)下粉碎室內(nèi)的截面速度云圖和壓力云圖。從圖15可知,有扇葉型粉碎刀尖處的氣流速度為67.9 m/s,無(wú)扇葉型粉碎刀尖處的氣流速度為69.93 m/s,二者差別不大。從圖16可知,有扇葉型負(fù)壓區(qū)的最大值為101.6 Pa,無(wú)扇葉型負(fù)壓區(qū)的最大值為47.62 Pa。
通過(guò)仿真對(duì)比可知,有扇葉型的負(fù)壓區(qū)最大值明顯增大,秸稈與粉碎刀片之間的相互作用力較大,更有助于秸稈進(jìn)入粉碎室內(nèi)進(jìn)行作業(yè),顯著提升了秸稈在粉碎室內(nèi)的流動(dòng),進(jìn)一步提高粉碎效率。因此,有扇葉型粉碎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。
2.3.2 粉碎刀軸轉(zhuǎn)速的影響
粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速直接影響著香蕉秸稈的粉碎效果。為了便于選取田間試驗(yàn)因素水平和仿真計(jì)算,粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min,其他參數(shù)設(shè)置保持不變。
不同轉(zhuǎn)速下的粉碎室截面壓力云圖如圖17所示,香蕉秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),負(fù)壓區(qū)主要集中在粉碎刀片末端的內(nèi)部,粉碎刀軸區(qū)域外各處壓力基本相同,壓力沿徑向分布比較均勻,粉碎刀片的刀尖處出現(xiàn)高壓區(qū)。不同的轉(zhuǎn)速會(huì)在粉碎刀軸區(qū)域內(nèi)形成不同的負(fù)壓區(qū),負(fù)壓區(qū)的面積越大,越有利于香蕉秸稈被卷入粉碎室內(nèi)進(jìn)行粉碎作業(yè)。由圖17可知,3種粉碎刀軸轉(zhuǎn)速下的負(fù)壓最大值分別為52.19 Pa(1 200 r/min)、101.60 Pa(1 500 r/min)和154.80 Pa(1 800 r/min),轉(zhuǎn)速每增大300 r/min時(shí),負(fù)壓最大值約增大50 Pa左右。隨著粉碎刀軸轉(zhuǎn)速的提高,粉碎室內(nèi)負(fù)壓最大值不斷增大,香蕉秸稈與粉碎刀片之間的相互作用力不斷加強(qiáng),繼而能提高機(jī)具的粉碎效果[17]。
不同轉(zhuǎn)速下的截面速度云圖如圖18所示,香蕉秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),粉碎刀軸區(qū)域內(nèi)氣流速度較大,其他區(qū)域氣流速度較小,這是因?yàn)榉鬯榈遁S進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)周圍氣流做功,使得粉碎刀軸區(qū)域氣流速度增大[12]。從圖18可以看出,粉碎刀軸區(qū)域內(nèi)中心處的氣流速度很小,粉碎刀片旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)的區(qū)域氣流速度明顯增大,且在粉碎刀片刀尖處氣流速度出現(xiàn)最大值。3種粉碎刀軸轉(zhuǎn)速下的氣流速度最大值分別為56.86 m/s(1 200 r/min)、67.90 m/s(1 500 r/min)和82.06 m/s(1 800 r/min),粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速每增大300 r/min時(shí),氣流速度約增大12.6 m/s左右。
當(dāng)粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí),香蕉秸稈所受的作用力較小,不能將香蕉秸稈充分粉碎,機(jī)具粉碎效果變差;當(dāng)粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),粉碎刀片末端處的氣流速度過(guò)大,將未粉碎好的香蕉秸稈帶出,降低粉碎合格率,機(jī)具的功耗也會(huì)提升,不利于秸稈拋撒還田。因此,在進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí),需結(jié)合粉碎室內(nèi)流場(chǎng)的負(fù)壓特性和速度特性,對(duì)粉碎刀軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理的選擇[18]。
3 田間試驗(yàn)
3.1 試驗(yàn)條件
為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性,2023年在海南大學(xué)儋州農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)田長(zhǎng)度50 m,寬度50 m,土壤為海南常見(jiàn)的磚紅壤,地勢(shì)平坦。田間香蕉植株的平均高度在2 000~2 800 mm之間,平均直徑150 mm左右,含水率約為85%,整體長(zhǎng)勢(shì)良好。田間試驗(yàn)所用機(jī)具為自行設(shè)計(jì)的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī),本研究?jī)?yōu)化后的粉碎裝置安裝在還田機(jī)上。
選取香蕉秸稈粉碎合格率作為試驗(yàn)指標(biāo),根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》(農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件,2008)的要求,在機(jī)具完成粉碎作業(yè)后,分別隨機(jī)測(cè)定往返行程中的5個(gè)測(cè)試區(qū)(1 m×1 m)的秸稈碎塊的總重量,記為[m1],挑選出碎塊長(zhǎng)度大于10 cm的秸稈并稱重,記為[m2],計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)田的香蕉秸稈粉碎合格率,如式(3)所示;對(duì)5個(gè)試驗(yàn)田的香蕉秸稈粉碎合格率取平均值即為最后的結(jié)果,如式(4)所示。
[Q=(m1-m2m1)×100%] (3)
[Q=i=15Qi5] (4)
式中: [m1]——試驗(yàn)田內(nèi)粉碎的香蕉秸稈的總質(zhì)量,g;
[m2]——試驗(yàn)田內(nèi)粉碎不合格的香蕉秸稈的質(zhì)量,g;
[Q] ——試驗(yàn)田的香蕉秸稈粉碎合格率,%;
[Q] ——香蕉秸稈平均粉碎合格率,%。
3.2 試驗(yàn)方案
各因素水平編碼如表2所示。
由雷沃M804拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛牽引立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。本試驗(yàn)以影響秸稈粉碎合格率的主要參數(shù):機(jī)具前進(jìn)速度A、刀軸轉(zhuǎn)速B和刀片折彎角C作為試驗(yàn)因素,以秸稈粉碎合格率Q作為試驗(yàn)指標(biāo),根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)方案,進(jìn)行三因素三水平的正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。
3.3 結(jié)果與分析
基于Design-Expert13軟件,根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,測(cè)試得到如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果??紤]各因素之間的交互作用,建立試驗(yàn)指標(biāo)與各因素之間的數(shù)學(xué)模型,對(duì)其進(jìn)行方差分析和響應(yīng)曲面分析。
3.4 方差分析
測(cè)試結(jié)果由Design-Expert13軟件進(jìn)行分析和處理,得到秸稈粉碎合格率Q對(duì)各因素參數(shù)的實(shí)際回歸方程為
[Q=-285.156 9+52.8A+0.060 8B+4.075C+0.047 1AB-0.171 9AC-0.000 35BC-35.812 5A2-0.000 018B2-0.011 887C2] (5)
由回歸方程一次項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值大小可知,各因素對(duì)秸稈粉碎合格率影響的顯著性排序:[Bgt;Cgt;A]。
從方差分析結(jié)果表4可知各因素顯著水平,根據(jù)[Plt;0.01]為極顯著,[0.01≤Plt;0.05]為顯著,得到一次項(xiàng)B為極顯著,C為顯著。二次項(xiàng)AB、A2和C2均顯著。失擬項(xiàng)不顯著,表明回歸方程和數(shù)據(jù)分析結(jié)果可靠,模型決定系數(shù)[R2=0.981 3],說(shuō)明擬合程度良好,校正決定系數(shù)調(diào)整[R2=0.957 3],說(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)際值具有高度的相關(guān)性。由方差分析的F值大小得出各因素對(duì)秸稈粉碎合格率影響順序:[Bgt;Cgt;A],與回歸方程分析一致。
3.5 響應(yīng)曲面分析
圖19為各因素交互作用對(duì)秸稈粉碎合格率的響應(yīng)曲面。由圖19可知,當(dāng)一個(gè)因素為定值時(shí),其他兩因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的響應(yīng)曲面均為開口向下的凸面,秸稈粉碎合格率存在最大值[19?25]。
由圖19(a)和圖20可知,當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加,秸稈粉碎合格率先增大后減小。這是因?yàn)殡S著機(jī)具前進(jìn)速度的增大,喂入機(jī)具內(nèi)的香蕉秸稈量也隨之增加,所以秸稈粉碎合格率升高。隨著機(jī)具前進(jìn)速度的不斷增加,導(dǎo)致秸稈喂入量過(guò)多,機(jī)具無(wú)法對(duì)秸稈進(jìn)行充分粉碎,秸稈粉碎合格率也隨之下降。由圖19(b)和圖20可知,當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí),隨著刀片折彎角的增大,秸稈粉碎合格率先增大后減小。這是因?yàn)殡S著刀片折彎角的增大,刀片旋轉(zhuǎn)時(shí)所掃過(guò)作業(yè)區(qū)的面積增大,秸稈粉碎合格率升高,隨著刀片折彎角的不斷增大,導(dǎo)致刀片不能充分接觸秸稈,秸稈粉碎合格率下降。由方差分析結(jié)果和圖19(c)可知,刀軸轉(zhuǎn)速和刀片折彎角的交互作用對(duì)秸稈粉碎合格率的影響不顯著。
如圖20所示,隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加秸稈粉碎合格率也隨之增大??紤]到秸稈粉碎效果、機(jī)身振動(dòng)和整機(jī)功耗等因素,刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200~1 500 r/min。
3.6 試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化
利用Design-Expert13軟件的Optimization功能,在機(jī)具前進(jìn)速度為0.9~1.7 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速為1 200~1 500 r/min,刀片折彎角為120°~160°的范圍內(nèi),根據(jù)秸稈粉碎合格率的望大原則,得到各個(gè)因素的最優(yōu)參數(shù)組合:機(jī)具前進(jìn)速度為1.39 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,刀片折彎角為139.28°,秸稈粉碎合格率為98.50%。
3.7 驗(yàn)證試驗(yàn)
為檢驗(yàn)上述試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用效果,根據(jù)優(yōu)化參數(shù)組合進(jìn)行田間試驗(yàn)。固定機(jī)具前進(jìn)速度為1.39 m/s,刀軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,重新研制折彎角為139.28°的刀片,在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行5次試驗(yàn)并取平均值,得到試驗(yàn)值秸稈粉碎合格率為96.89%,與軟件優(yōu)化值之間的誤差為1.61%,優(yōu)化值(98.50%)與試驗(yàn)值接近,表明軟件優(yōu)化結(jié)論可靠。
4 結(jié)論
1) 對(duì)粉碎裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括粉碎刀片、扇葉和粉碎刀盤。通過(guò)分析前代兩種L型粉碎刀片的特點(diǎn),基于L型刀對(duì)粉碎刀片進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),在粉碎刀片裝配扇葉來(lái)促進(jìn)秸稈在粉碎室內(nèi)的流動(dòng)。對(duì)香蕉秸稈的粉碎過(guò)程進(jìn)行受力分析,研究粉碎裝置的可行性。
2) 基于CFD數(shù)值模擬方法,利用Fluent軟件驗(yàn)證有扇葉型粉碎裝置結(jié)構(gòu)的合理性。通過(guò)分析不同轉(zhuǎn)速下粉碎室的壓力特性和速度特性,得出粉碎刀軸轉(zhuǎn)速每增大300 r/min,負(fù)壓值約增大50 Pa左右,氣流速度約增大12.6 m/s。
3) 根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),得到由Design-Expert軟件分析優(yōu)化參數(shù)組合:機(jī)具前進(jìn)速度1.39 m/s,粉碎刀軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min,刀片折彎角139.28°,香蕉秸稈粉碎合格率為98.50%。應(yīng)用上述優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn),得到秸稈粉碎合格率為96.89%,與軟件優(yōu)化結(jié)果誤差僅為1.61%,滿足秸稈粉碎還田機(jī)粉碎要求。
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