收獲機(jī)械貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

中圖分類號(hào)：S226.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）07-0007-05

Abstract：Toaddressthechallengeoflowwindspeedatthetailendandinsufficientairflowonbothsidesofthefrontend of thecross-flow faninthe windfiledofharvest machinery，thisstudy focusedonthemultifunctionalcombined grain harvester.Key influencing factorswereidentified，including thevolute shape，sidesealing plate，front-end inlet clearance，back-endinlet clearance andupper-endoutlet clearance.Using Fluent fluid simulationanalysisand prototype optimization，each factor was systematicall tested andanalyzed to determine its efect on fan performance. Thegoal was tooptimize the parameters with the most significant impact andtherebyenhance theoverallperformance of thefan.The results showed that the volute shape，side sealing plate，and upper outlet clearance had the most substantial influenceonthewindfielddistribution.Specifically，ading twosidesealing platesincreasedthewindspeedat the front end from 9-10m/s to 12-13m/s . Optimizing the volute shape and adjusting the rear-end upper clearance improved the average wind speed at the tail end from 6-6.5m/s to 6.5-7.5m/s ：

Keywords：harvesting machinery；cleaning device；cross-flow fan；structural parameter optimization；spiral shel

0 引言

貫流風(fēng)機(jī)是利用風(fēng)機(jī)內(nèi)部偏心蝸特性工作的新型風(fēng)機(jī)，體積小且流場(chǎng)分布均勻。近年來，貫流風(fēng)機(jī)在收獲機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛，如何調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)獲得更大風(fēng)力，是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)方向之一。貫流風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)研究始于法國[1]。我國學(xué)者為提高貫流風(fēng)機(jī)效率開展大量科研工作。20世紀(jì)80年代，朱永寧等[2]對(duì)貫流風(fēng)機(jī)作專題研究，奠定我國貫流風(fēng)機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)。路修強(qiáng)3采用CFD—DEM耦合仿真技術(shù)對(duì)小麥聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)速、傾角等參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化。孫曉曉4利用氣固兩相耦合仿真技術(shù)對(duì)食葵收獲機(jī)清選裝置的風(fēng)速、振頻、振幅進(jìn)行分析優(yōu)化。趙男等[5采用Fluent—EDEM耦合方法分析大豆聯(lián)合收獲機(jī)清選系統(tǒng)的貫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)。從理論上進(jìn)一步完善我國貫流風(fēng)機(jī)參數(shù)研究。國外Gebrehiwot等采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）研究橫流開度對(duì)具有2個(gè)平行出口的前彎式離心風(fēng)機(jī)沿寬度方向流動(dòng)分布的影響。Sampat等通過改變?nèi)~輪和機(jī)匣幾何形狀、進(jìn)口和隔舌間隙來改善性能。Badretdinov等8提出了聯(lián)合收割機(jī)清洗系統(tǒng)中空氣谷物堆流類別的確定方法，以對(duì)清選氣流工作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。Himeur等9通過流體力學(xué)CFD模擬和優(yōu)化算法結(jié)合，得出Eck/Laing貫流風(fēng)機(jī)效率計(jì)算公式。發(fā)達(dá)國家一些農(nóng)機(jī)企業(yè)，如CASEAxialFlow6130軸流滾筒聯(lián)合收獲機(jī)也開始應(yīng)用貫流風(fēng)機(jī)。

但是，由于貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部雷諾數(shù)和脈動(dòng)頻率的變化，以及內(nèi)部特有的偏心蝸現(xiàn)象，對(duì)于貫流風(fēng)機(jī)還沒有成熟可靠的設(shè)計(jì)理論或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式。當(dāng)內(nèi)部偏心蝸的位置發(fā)生變動(dòng)時(shí)，貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部所有特性就會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。在影響貫流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能以及流場(chǎng)特性的眾多因素中，風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有決定性作用，因此，優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高風(fēng)機(jī)性能的重要途徑[10]

本文針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)械的新型貫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分布和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過Fluent流體仿真和變化影響因子試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)和性能優(yōu)化，并提出改進(jìn)建議。

1 貫流風(fēng)機(jī)工作原理

貫流風(fēng)機(jī)由葉輪和蝸殼兩部分組成，其中葉輪主要由葉輪軸、葉片、幅盤組成。李磊等[研究表明，斜風(fēng)葉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相比于直風(fēng)葉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)具有較高的出風(fēng)量，本文采用斜風(fēng)葉片結(jié)構(gòu)，傾斜角度 10^° 。蝸殼主要由風(fēng)機(jī)底殼、左右側(cè)板、側(cè)密封板、上蓋板、后密封板等組成，葉輪由葉片、幅盤、葉輪軸等組成。葉輪結(jié)構(gòu)通常為多葉片、長(zhǎng)圓筒形，葉片呈翼形向前。工作原理如圖1所示，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣從葉輪蝸殼上方敞開處由葉片帶入蝸殼，當(dāng)氣流通過葉輪的葉片時(shí)，由于翼形葉片的升力作用，氣流的速度會(huì)加快，壓力會(huì)升高。進(jìn)而通過外殼的導(dǎo)流作用，將氣流均勻地引導(dǎo)到出口，形成一定的風(fēng)壓和風(fēng)量。

貫流風(fēng)機(jī)工作過程中，空氣從葉輪的開口進(jìn)入，穿過葉輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后從另一側(cè)排出。氣流在葉輪內(nèi)流動(dòng)情況很復(fù)雜，氣流速度場(chǎng)不穩(wěn)定，通常在葉輪內(nèi)部形成一個(gè)漩渦，稱作偏心蝸。這個(gè)漩渦導(dǎo)致葉輪出口處形成循環(huán)流，葉輪內(nèi)部的氣流呈現(xiàn)弧形流線。葉輪外緣上不同點(diǎn)的流速不一致，靠近漩渦舌的速度較高，而接近漩渦舌的速度較低。因此，風(fēng)機(jī)出口處的氣流速度和工作壓力不均勻，風(fēng)機(jī)的流量系數(shù)和壓力指數(shù)是平均值。在Fluent流體模擬中，運(yùn)用湍流模型：K—Omega模型，設(shè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1300r/min ，葉片為72個(gè)，葉片傾角為 10^° ，葉輪直徑為 280mm ，殼體寬度為 1200mm ，求解器殘差為0.0002，全局松弛因子為0.75，流體松弛因子為0.9，湍流松弛因子為1.0。貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)模擬如圖2所示。

2貫流風(fēng)機(jī)參數(shù)試驗(yàn)

對(duì)某機(jī)型多功能聯(lián)合收獲機(jī)貫流風(fēng)機(jī)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，在收獲機(jī)現(xiàn)有參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)提取的5個(gè)蝸殼結(jié)構(gòu)影響因子進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，通過測(cè)試找出風(fēng)場(chǎng)分布最佳的參數(shù)優(yōu)化方案，提升該機(jī)型貫流風(fēng)機(jī)性能。5種結(jié)構(gòu)的參數(shù)影響因子位置如圖3所示，分別是：蝸殼優(yōu)化形狀、側(cè)面封板、進(jìn)風(fēng)口前端間隙、進(jìn)風(fēng)口后端間隙、出風(fēng)口上端間隙。

風(fēng)速檢測(cè)工具為CEMDT一3880高精度測(cè)風(fēng)儀，測(cè)量范圍為 0.1～25.0m/s ，測(cè)量精度為 ±5% ，分辨率為 0.01m/s 。測(cè)量環(huán)境條件：環(huán)境溫度為 33^°C ，東南風(fēng)2級(jí)。收獲機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定： 1300r/min ，上篩開度為 16mm ，下篩開度為 12mm 。

圖3試驗(yàn)點(diǎn)位示意圖

試驗(yàn)步驟：（1）測(cè)試當(dāng)前風(fēng)場(chǎng)分布圖并建模；（2）變化蝸殼形狀測(cè)試風(fēng)場(chǎng)分布圖并建模；（3）變更兩側(cè)封板為全封閉結(jié)構(gòu)測(cè)試風(fēng)場(chǎng)分布并建模；（4）將進(jìn)風(fēng)口前端用膠皮密封調(diào)小，測(cè)試風(fēng)場(chǎng)分布并建模；（5）調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口后端間隙測(cè)試風(fēng)場(chǎng)并建模；（6）調(diào)整出風(fēng)口上端間隙測(cè)試風(fēng)場(chǎng)并建模。通過各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)整機(jī)風(fēng)速空氣流場(chǎng)造成的影響可在測(cè)試點(diǎn)位體現(xiàn)，測(cè)試點(diǎn)位選定在風(fēng)機(jī)吹出后作用的篩面上。為獲得收獲機(jī)械清選篩整個(gè)篩面流場(chǎng)的分布規(guī)律，在收獲機(jī)內(nèi)部振動(dòng)篩網(wǎng)清選出風(fēng)位置布置7行7列共49個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，如圖4所示。選取圖4中收獲機(jī)篩面后側(cè)方向?yàn)?X 軸，在 0～1400mm 內(nèi)分7行；收獲機(jī)右側(cè)方向?yàn)?Y 軸，在 0～1200mm 內(nèi)分7列；左前側(cè)為原點(diǎn)坐標(biāo)（0，0），右后側(cè)坐標(biāo)為（1400，1200）。由于風(fēng)速表在檢測(cè)過程中顯示值始終變化，為提高分析準(zhǔn)確性，同一測(cè)試點(diǎn)位讀取記錄3組數(shù)據(jù)，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。選定點(diǎn)位陣列可組成收獲機(jī)工作所需風(fēng)速變化，形成空氣流場(chǎng)二維平面分布圖，有效反映收獲機(jī)內(nèi)空氣流場(chǎng)的整體和細(xì)節(jié)變化。

圖4風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)位 Fig. 4Wind speed measurement points

3 建模分析

3.1蝸殼優(yōu)化形狀測(cè)試

結(jié)合黃馳等[12]對(duì)貫流風(fēng)機(jī)蝸殼型線基于遺傳算法進(jìn)行的優(yōu)化分析和貫流風(fēng)機(jī)CFD模擬效果對(duì)蝸殼形狀進(jìn)行優(yōu)化，擴(kuò)大蝸殼下部出風(fēng)通道，收窄前部進(jìn)風(fēng)通道。如圖5（a）所示，白色透明的部位為變化前蝸殼形狀，深色的部位為變化后蝸殼形狀。變化前對(duì)點(diǎn)陣測(cè)試風(fēng)速結(jié)果如圖5（b）所示，變化后對(duì)點(diǎn)陣測(cè)試風(fēng)速結(jié)果如圖5（c）所示。經(jīng)過對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)得出風(fēng)速增量如圖5（d）所示，蝸殼改進(jìn)后各個(gè)點(diǎn)位風(fēng)速均值增加1～4m/s ，平均風(fēng)速顯著增加。通過形狀對(duì)比可知，變化后的底殼空間相較變化前的空間向后側(cè)做移動(dòng)，更利于空氣吸入和吹出，形成更大風(fēng)力。

3.2 側(cè)面封板測(cè)試

對(duì)風(fēng)機(jī)側(cè)面做全封閉處理，使風(fēng)機(jī)左右空間成密閉狀態(tài)，如圖6（a）和圖6（b）所示。對(duì)比圖6（c）和圖5（c）得出風(fēng)速增量，如圖6（d）所示。前端兩側(cè)風(fēng)速提升 ，其余各測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速變化在 -1～ 2m/s ，橫向風(fēng)力更加均勻，兩側(cè)密封板的添加將前端兩側(cè)風(fēng)場(chǎng)均速由 9～10m/s 提升至 12～13m/s ?？梢姡L(fēng)機(jī)兩側(cè)增加密封板對(duì)貫流風(fēng)機(jī)空氣流場(chǎng)分布也有所影響，可以使整個(gè)空氣流場(chǎng)風(fēng)速更加均勻穩(wěn)定。

圖6側(cè)封板密封對(duì)風(fēng)速的影響

Fig.6Influence of side sealing plate seal on wind speed

3.3進(jìn)風(fēng)口前端間隙測(cè)試

如圖7（a）所示，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口前端間隙大小調(diào)整進(jìn)行測(cè)試，前端間隙由 6mm 減小至 3mm 。對(duì)比圖7（b）和圖6（c）得出風(fēng)速增量，如圖7（c）所示，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口前端間隙調(diào)整前后風(fēng)速變化不大，變化范圍為 -1～1m/s ，微增微減。由此可見，在有限尺寸變化內(nèi)，風(fēng)機(jī)前端進(jìn)風(fēng)口對(duì)風(fēng)速空氣流場(chǎng)變化影響有限。

圖7進(jìn)風(fēng)口前端間隙對(duì)風(fēng)速的影響 Fig.7Influence of air inlet front gap on wind speed

3.4進(jìn)風(fēng)口后端間隙測(cè)試

將風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口前端間隙恢復(fù)至原始尺寸 6mm ，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口后端間隙由 2mm 增加至 10mm ，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，如圖8（a）所示。對(duì)比圖8（b）和圖6（c）得出風(fēng)速增量，如圖8（c）所示，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口后端間隙調(diào)整前后風(fēng)速變化不大，變化范圍為 -0.5～0.5m/s 。由此可見，在有限尺寸變化內(nèi)，風(fēng)機(jī)后端進(jìn)風(fēng)口對(duì)風(fēng)速空氣流場(chǎng)變化影響有限。

圖8進(jìn)風(fēng)口后端間隙對(duì)風(fēng)速的影響 Fig.8Influence of the rear end gap of the air inlet on the wind speed

3.5 出風(fēng)口上端間隙測(cè)試

將風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口上端間隙恢復(fù)至原始設(shè)計(jì)尺寸2mm ，對(duì)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上端進(jìn)行間隙調(diào)整測(cè)試，間隙從5mm 調(diào)整至 2mm 和 0mm 分別測(cè)試。對(duì)比間隙5mm 和 0mm 測(cè)試結(jié)果得出風(fēng)速增量，如圖9（d）所示，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上端調(diào)整無間隙后，變化范圍為一 10～ 2m/s ，兩側(cè)風(fēng)速前端由 12～14m/s 減小至 6～ 8m/s 。對(duì)比間隙 5mm 和 2mm 測(cè)試結(jié)果得出風(fēng)速增量，如圖9（e）所示。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上端間隙調(diào)整至2mm 后，前端風(fēng)速減小而中后端風(fēng)速增大，風(fēng)速變化范圍在 -2～2m/s ，相比于 5mm 間隙，空氣流場(chǎng)前后更加均勻，后端風(fēng)速提升明顯，尾端均速由 6～ 6.5m/s 提升至 6.5～7.5m/s 。通過試驗(yàn)結(jié)果全方位對(duì)比可知，根據(jù)收獲機(jī)械風(fēng)速需求特點(diǎn)，可以選擇圖9（c所示空氣流場(chǎng)作為最優(yōu)選用工況。

圖9出風(fēng)口上端間隙對(duì)風(fēng)速的影響

Fig.9Influence of the upper gap of the air outlet on the wind speed

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過多輪測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。

表1試驗(yàn)分析結(jié)果Tab.1Experimental analysis results

在收獲機(jī)械中，貫流風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口前端和后端間隙參數(shù)的變化不會(huì)對(duì)風(fēng)速空氣流場(chǎng)造成明顯的影響。而一些參數(shù)在毫米單位范圍內(nèi)變化卻會(huì)改變整個(gè)風(fēng)速空氣流場(chǎng)的分布。造成這種變化的原因有3點(diǎn)：（1）蝸殼形狀結(jié)構(gòu)變化前的出風(fēng)通道過窄，造成空氣出風(fēng)通道中堆積不暢，增大出風(fēng)壓力，降低偏心蝸效應(yīng)，蝸殼形狀變化后情況改善。（2）風(fēng)機(jī)側(cè)面增加密封板可有效抵抗環(huán)境風(fēng)力變化對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能影響，增大前側(cè)主要進(jìn)風(fēng)口吸力，在入口位置壓力橫向分布更加均勻。（3）出風(fēng)口上端間隙密封會(huì)導(dǎo)致出風(fēng)口壓力增大，降低偏心蝸效應(yīng)，預(yù)留間隙可適當(dāng)降低出風(fēng)口背壓，出風(fēng)更加順暢。

5 結(jié)論

1）運(yùn)用Fluent流體仿真模擬貫流風(fēng)機(jī)工作原理，分析偏心蝸和弧形氣流形成機(jī)制。從5種影響因子中分析出3種對(duì)整機(jī)影響較大結(jié)構(gòu)因素：蝸殼形狀、側(cè)面增加密封板、出風(fēng)口上端間隙，其中蝸殼形狀和出風(fēng)口上端間隙對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響最為顯著。

2）通過兩側(cè)密封板的添加將兩側(cè)風(fēng)場(chǎng)均速由 9～ 10m/s 提升至 12～13m/s ，蝸殼形狀優(yōu)化和后端上口間隙調(diào)整將尾端均速由 6～6.5m/s 提升至 6.5～ 7.5m/s 。收獲機(jī)械在風(fēng)速大小、風(fēng)場(chǎng)分布、風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定性等方面得到提升，更加適應(yīng)作業(yè)需求。

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