基于响应曲面的切段式甘蔗收获机除杂风机优化

2022-11-10沈毅唐永治郭斌吴进炎潘荥春

装备制造技术 2022年8期

沈毅，唐永治，郭斌，吴进炎，潘荥春

（广西柳工农业机械股份有限公司，广西柳州 545007）

0 引言

我国甘蔗种植面积达146.67万hm2[1]，甘蔗生产全程机械化是大势所趋。收获环节是制约甘蔗实现全程机械化生产的短板，而目前我国中大型甘蔗收获机存量也不能满足需求[2]，需要农机研发制造企业不断改进产品，提高收获质量和作业效益。在目前推出的甘蔗收获机中，切段式甘蔗收获机是主流机型，衡量其收获质量的一个重要指标是其输出蔗段的含杂率。在收获过程中负责清除蔗叶等杂质的是收获机上的除杂风机（以下简称“风机”），这是收获机的一个重要部件。风机性能的优劣直接影响收获甘蔗的含杂率（收获质量）和机器的功率消耗。

近年来，国内外学者围绕甘蔗收割机排杂风机进行了一些研究。郭无极等[3]研究了甘蔗收割机排杂仿真建模方法；朱鸿运等研究了甘蔗收割机排杂风机气流场[4]；谢福祥[5]设计了一种排杂风机，并进行了试验；邢浩男等通过改变风机结构和叶片形状优化对风机进行了优化[6]；温翔等[7]利用离散元仿真技术，对风机除杂过程进行了模拟，并对其中的仿真参数进行看标定和验证，袁成宇[8]对风选排杂系统进行了研究；Fenglei Wang等[9]通过研究甘蔗成分的悬浮性能，得出除杂性能重点在于如何有效分离甘蔗收割机的重型摘穗和茎秆上；农宏亮[10]通过Solid Works Flow Simulation软件模拟分析得出不同叶轮转速和轮毂垂入导风罩深度等参数影响下排杂装置的性能。

对现有风机进行了优化试验，包括主要性能的参数进行分析、优化，并测试了其整体性能，效果较好。

1 除杂风机

风机由出料通道、锥筒、直筒、风帽、风扇叶片等结构组成。出料通道、锥筒和直筒组成集流区，风扇叶片和直筒组成旋转域，风机帽组成出流区,如图1所示。工作时，风机风扇叶片在风道内稳定旋转，将空气从出料通道吸入，通过风道从出流区吹出。当被切段的物料从出料通道口不断涌出时，散开的小段甘蔗、叶子、尾梢等各类物质受到风选力的作用，重量小面积大的叶子和部分尾梢等杂质被风机吸进风道吹出，重量大面积小的甘蔗和部分尾梢因受到重力落入收集装置。通过以上连续作用实现了除杂。风选力与通道的风速有关，风速过小，导致除杂不干净；风速过大，则可能将含糖的蔗段一并吹出，造成损失，同时也造成一部分能量的过剩。

图1 除杂风机的组成

2 风机优化过程

（1）对现有风机进行除杂试验，按照该种机型常见工况选择亩产达到一定标准、机器收割时甘蔗喂入量达到一定值，并在风机叶片达到最大转速时作业。通过试验结果，在保证出料过程不变的前提下，根据经验对风机集流区进行改进，直到含杂率达到最小值。

（2）综合权衡糖厂与蔗农的利益与需求，确定一个合适的含杂率K。从第一步的试验中与找到与K对应的风机结构模型（初始风机模型），对其进行CFD空气流场分析，计算其在切段装置出料口处的平均风选力F（图3）和风机的风量Qv，得到风选力F1和风量Qv1。

（3）将风选力F和风量Qv作为响应，其值作为响应曲面优化的期望值。在出料口排出蔗段的区域建立简化的蔗段模型，对初始风机模型进行CFD空气流场分析。流场的风速云图(图2)，得出其各项性能见表1。经过各项液压性能测试及经济性考虑，确定Dk作为响应曲面优化风机的设计转速。

图2 风机空气流场速度云图

表1 初始风机性能表

（4）风机除杂作用机理分析

图3是风机除杂过程简图，最下方的曲线是由入口进入的某个空气分子从P1点运动到P2点的流线。

图3 风机除杂过程简图

全压P为出口面总压P2与进口面总压P1的差值。

进口面全压P1、出口面全压P2值为：

Ps1、Ps2分别为进口面静压、出口面静压，进口面动压Pd1和出口面动压Pd2值为：

因空气密度小，出口面与进口面高度差小，忽略空气高度压差的变化，由伯努利方程有：

式中：ρ为空气密度，V1为进口面风速，V2为出口面风速，qv为风量，A1为进口面面积，A2为出口面面积，△hf1为集流区沿程损失，△hf2为出流区沿程损失，ηi为叶轮效率，Pa为轴功率。

叶片在旋转时产生扭矩T，轴功率Pa式有：

风机效率是反映风机性能的重要参数，其算式有：

全压效率η

静压效率ηst

叶轮效率ηi

由简图3可知，物料与气流相对运动时受到的作用力F大小为：

式中：K为阻力系数，Va为气流速度，V为物料速度，A为迎风面积。

（5）确定风机结构变量因子

由轴功率式（7）可知，轴功率大小Pa与风扇叶片扭矩T、转速n有关，在n一定的前提下，T越小，Pa越小。将T作为响应对象，最小值作为优化目标。

根据经验初步判定风机各结构参数与风选力F、风量Qv、叶片扭矩T强相关，并综合零部件相关性、装配、制造难度、售后维护以及优化因子数量等因素，拟定了一共7个变量因子[11-13]与风选力F、风量Qv、叶片扭矩T强相关，作为风机主结构参数，如图4所示。每个因子两个水平，见表2。

表2 风机结构因子变量

图4 风机结构变量因子简图

（6）响应曲面模型及主效应分析

响应曲面是以实验设计为基础的用于多变量建模与分析的一套统计处理技术[14]。利用已知的实验数据拟合出响应与各参数之间的函数关系，通常采用简单的二阶多项式响应曲面（PRS），表述如式（11），工程上使用该式即可满足精度的要求。

式中：y为响应；x为因子；C为多项式系数；ε0为随机误差；n为因子的维数。

采用BBD（Box-Behnken Design）试验设计，共建立62组风机结构数据，分析各组数据的风机性能，得出结构参数与风机性能响应图（图5）。

从主效应分析图5可以看出，对Y1风量、Y5风选力、Y7叶片扭矩影响最大的风机主结构参数分别为A4、A1、A1。

图5 主效应分析

（7）优化

风机转速Dkr/min为设计转速，风机结构的7个主参数为变量，风选力F、风量Qv和风扇叶片扭矩T为响应，进行分析。从响应曲面回归结果得出，风选力F与A1、A3、A4、A7强相关（P＜0.05）；风机风量Qv与A1、A2、A4、A5、A7强相关；叶片扭矩T与A1、A2、A4、A5强相关。分别得到了风选力F、风量Qv和风扇叶片扭矩T的传递方程。针对7个风机主结构参数进行优化，使其期望风选力为F1；风量为Qv1；风扇叶片扭矩T望小。进而得到了7个最佳风机主结构参数。

针对得到的7个最佳风机主结构参数，建立模型，进行CFD空气流场分析[15-16]。该风机性能计算结果见表4。

表4 优化后风机性能

图6 分析计算的空气流场速度云图及除杂试验

计算结果与优化得到的传递函数预测值基本一致，说明得到的传递函数是准确的。由计算结果得知，优化后风机风扇扭矩为初始风机模型的80.93%，叶轮效率提高到初始模型的110%。结果就是风机设计转速Dkr/min，保证风选力和风量不变情况下，风机能耗下降了30%。

3 验证

3.1 稳态风场模型验证

如图7所示，在出风口处用钢丝布置，相交点为测量点，相邻点之间相隔100 mm，对测量点进行风速测试，利用德图Testo416高精密型叶轮风速仪（测量精度±0.2 m/s+1.5%测量值，分辨率0.1 m/s）进行测量。一共测量了两种叶轮转速下的风速，部分测试点测量结果与理论结果对比如下，两个转速下的风速实际值与理论值误差均小于10%，仿真具有较高的准确性。

图7 部分测试点理论与实际风速对比

3.2 除杂试验

进行田间除杂试验[17]。如图8所示，用两台相同机型的收割机分别装配优化前后风机，风机出风口用网兜套住，收集风机除杂质量，在额定喂入量1～2倍和额定的收割速度下，同一块区域对两台收割机进行至少3个行程的风机除杂性能试验。网兜和工作装置分别接取行程内的甘蔗茎、杂质及清选分离物，分别称重记录，计算含杂率。图9为除杂试验结果，从试验结果可以看出，优化前风机除杂含杂率大于5%，优化后含杂率小于5%，除杂效果满足预定要求，风机性能指标与计算结果相符。