葵花脱籽机清选装置的设计与模拟分析

郭书杰，杨 栋，汪山刚，万芳新

(甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

向日葵属菊科，是我国主要油料作物之一，其种植面积达到96万hm2，葵花籽年产量接近200万吨，约占世界总产量的6%[1]。在美国和日本等发达国家，向日葵已经实现了机械化生产[2-4]。目前我国市场上有很多葵花脱籽机，但是由于清选装置分离籽粒与杂质效果不佳，因此很多情况下无法满足作业需求。针对葵花脱籽机存在的问题，设计了一种新型葵花脱籽机的清选装置。通过对其模拟分析，得出了最佳的清选条件，为低破碎葵花脱粒机的研制提供了理论依据。

1 葵花脱籽机整机结构和工作原理

结合现有葵花脱籽机的优点，设计了一种新型低破碎葵花脱籽机，主要由机架、动力系统、传动系统、进料装置、脱粒装置和清选装置等组成，其结构如图1所示。

工作时，电动机或汽油机通过皮带带动安装在外壳内的脱籽辊高速旋转，葵花盘由进料口喂入。脱籽辊为纹杆轴流式，葵花盘在外壳内壁导向板的作用下轴向移动，在脱籽辊、凹板的搓擦、冲击作用下将葵花籽脱出，通过凹板间隙落入振动清选装置，脱完籽的葵花盘沿轴向由出料口排出。清选装置采用风选式，由电动机带动风机旋转，利用葵花不同脱出物空气动力学特性的不同，将大杂、葵花籽和微小杂余分离，完成葵花脱籽过程。

图1 葵花脱粒机结构三维图 1.进料 2.保护装置装置 2.动力装置 3.清选装置 4.脱籽装置

2 清选装置的设计

2.1 清选装置结构设计

脱粒机目前主要采用筛网式、风选式和螺旋式三种清选装置。其中振动分级筛清选机构的结构简单、成本低廉，但是工作时噪音大，摇杄容易损坏。螺旋推进式清选机构的清选净度高、工作稳定可靠，但是制造成本高，具有一定的生产局限性[5-7]。风筛比重式清选结构的清选净度高、运动平稳、易操作，适合作为葵花脱粒机的清选装置[8]。

如图2所示。葵花脱粒机清选装置由扇叶、分机外壳和风机安装支撑架等机构组成。其中扇叶由轴和长方体铝板组合而成，风机外壳呈水桶状，分选装置有两个相邻出口，分别为杂质出口和葵花籽出口。工作时扇叶高速旋转，具有一定的风速，然后在风机的引导下实现清选作业。

2.2 清选装置工作原理

葵花脱粒机工作时，葵花盘通过脱粒装置脱籽后，葵花籽和杂质同时进入风选装置，在脱籽辊的传输作用下，部分杂质由于体积较大和葵花盘一起排出。由于饱满的葵花籽密度相对较大，气流给其水平向的速度不大，而一些杂质密度较小。筛选后的籽粒混合物进入气流场，在气流场的作用下，依据组成物各成分的漂浮系数差异，有效地分离形状尺寸相近的脱出物。

3 清选装置数值模拟分析

3.1 数值模型的建立

图3为清选机构的二维截面简图。将采用多重参考系模型进行求解，用二维模型来模拟清选装置中的气流流动。其中搅拌的流体为大气，研究体系为定常流动。清选机构的结构参数如表1所示。

图2 清选装置构造示意图 图3 清选机构数值模型

表1 清选装置的机构及运动参数

3.2 几何建模和网格生成

结合表1的数据，对风选机构进行三维建模，利用Gambit对其进行网格划分。采用三角状网格，总单元为数24296个，Active Elements个数为24180。网格划分后的浆叶和外壳如图4所示。

图4 网格划分

空气为流体介质，清选腔内部为不可压缩的二维湍流流动。采用Realizablek-ε双方程湍流模型构成封闭的方程组，采用压力耦合方程组的隐式方法(SIMPLE算法)对离散方程进行求解。

3.3 边界条件设置

边界条件的设置是模拟仿真的关键。主要对压力出口、压力进口和叶轮转速进行设置，压力出口为外壳缺口处，压力进口为叶轮轴处，外壳设定为WALL。主要分析不同叶轮转速作用下出口的压力和风速，叶轮转速分别设置为300 r/min、600 r/min和900 r/min，对其进行迭代运算，迭代结果如图5。

图5 迭代收敛图

3.4 模拟结果与分析

如图6、7所示。参考表1的几何参数，模拟仿真出清选装置内不同转速的压力云图和速度矢量图。

图6 不同转速的压力云图

从图6和图7中可以直观的看出，转速越大，清选腔受到压力越大。风速太大会把葵花籽和杂质一起排出，风速太小不能实现清选功能。需要根据模拟结果结合理论分析确定适当的转速。

(1)

f=ma

(2)

根据葵花籽质量、杂质质量和清选机构的具体参数，通过式(1)、(2)计算可知，叶轮转速为900 r/min时可获得较好的清选效果，这与数值模拟仿真结果基本一致。

图7 不同转速的速度矢量图

4 结 论

(1) 针对我国葵花脱籽含杂率高等问题，设计了一种风选式葵花脱籽机的清选装置，主要由扇叶、分机外壳和风机安装支撑架等部件组成。

(2) 利用FLUENT软件对清选装置进行流场模拟，得到不同转速下的压力云图和速度矢量图，结合理论分析可知：当风选机构转速在900 r/min时，能够获得较好的清选效果。