浮动式气力卷膜装置作业过程仿真分析与试验.pdf
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1、第 卷第 期 年 月干 旱 地 区 农 业 研 究 .文章编号:():./.浮动式气力卷膜装置作业过程仿真分析与试验徐鹏庆戴 飞赵武云史瑞杰王 锋宋学锋(甘肃农业大学机电工程学院甘肃 兰州)摘 要:为深入研究浮动式气力卷膜装置在残膜回收作业过程中不同工作参数对其卷膜效果的影响利用 软件建立了浮动式气力卷膜装置内部气流场模型模拟卷膜作业过程中气流流动的动态变化过程 采用三因素三水平 试验设计方法建立风机安装角、入口气流速度、卷膜辊转速与评价浮动式气力卷膜装置作业效果相关 个不同位置处速度值(从动辊表面竖直方向气流速度、卷膜辊表面水平方向气流速度 和导膜板下表面气流速度)的数学模型寻求浮动式气力卷
2、膜装置的最优参数组合并进行田间验证试验仿真试验结果表明当风机安装角为、入口气流速度为.、卷膜辊转速为 时评价浮动式气力卷膜装置作业效果的响应值达到最优 田间试验验证结果表明浮动式气力卷膜装置的工作参数优化后马铃薯收获与气力辅助残膜回收联合作业机残膜回收率为.、含杂率为.达到国家与行业要求关键词:气力卷膜装置残膜回收流场仿真参数优化中图分类号:.文献标志码:():.().收稿日期:修回日期:基金项目:甘肃省陇原青年创新创业人才项目()国家自然科学基金()甘肃省杰出青年基金()甘肃省技术创新引导计划科技专员专项()作者简介:徐鹏庆()男甘肃武威人硕士生研究方向为西北旱区膜土机器作物互作系统机理:.
3、通信作者:戴飞()男甘肃兰州人博士教授硕士生导师主要从事西北旱区膜土机器作物互作系统机理研究:.:马铃薯是我国第四大粮食作物因其适应性强、高产稳产、营养齐全的特点在世界范围内被广泛种植 年我国马铃薯种植面积达到.总产量高达.我国北方干旱马铃薯种植区为实现节水保墒、增产增收广泛采用地膜覆盖栽培技术然而由于残膜回收困难、易破碎、难降解随着地膜使用量与使用面积的逐年增加其带来的环境污染与土壤污染问题也日益严重 因此研发切实有效的残膜治理体系及配套作业机具成为当务之急 现阶段我国科技工作者针对马铃薯收获后田间残膜的回收作业研制了多种机具并取得了一定进展 其中链条导轨式地膜回收机、马铃薯挖掘与残膜回收联
4、合作业机、马铃薯挖掘与残膜回收一体机等机型能够同时实现薯块的挖掘与残膜的回收 但上述机具采用的机械式卷膜装置在作业过程中容易出现残膜堵塞、滞留现象且每次初始卷膜必须由人工导入费时费力不利于卷膜作业的持续进行 为解决上述机具在卷膜作业中存在的问题甘肃农业大学北方特色作物生产机械化与农废资源化利用团队前期设计研发了一种马铃薯收获与气力辅助残膜回收联合作业机其采用的浮动式气力卷膜装置利用离心风机产生的高速气流将地表的残膜吹送和引导进入装置内部并缠绕至卷膜辊上实现残膜的自动喂入与缠绕 该装置在作业过程中具有残膜回收率高、不易出现堵塞、滞留现象、含杂率低等显著的作业效果 为进一步优化提升其作业性能本研究
5、基于浮动式气力卷膜装置的作业特点结合先进技术手段与方法进行作业过程优化仿真分析与试验目前流体仿真的软件主要有 、等 其中 软件数据输入简洁、用户界面友好、模型输出准确近年来被广泛应用于气力残膜回收机具作业过程的仿真分析中 李天文等利用 软件对其设计的气力脱膜装置进行流场特性分析得到了不同结构参数下吹气口压强与风速的分布特征 本文拟采用该软件依托课题组前期研究成果建立浮动式气力卷膜装置内部流场模型进一步探讨影响卷膜效果的因素提升该装置低含杂残膜回收作业性能浮动式气力卷膜装置结构及工作原理.结构组成与工作原理浮动式气力卷膜装置结构如图 所示装置安装在土薯抖动升运装置上端主要由卷膜辊、卷膜驱动辊、卷
6、膜从动辊、气流导膜板、支撑架、升运导膜杆和离心风机等组成.升运链.地轮.链条.卷膜驱动辊.浮动滑槽架.气流导膜板.卷膜辊.卷膜从动辊.链条.升运导膜杆.离心式风机.图 浮动式气力卷膜装置结构图.田间作业时马铃薯挖掘与残膜回收一体机由拖拉机牵引拖拉机后输出轴提供动力经挖掘铲挖掘后的“膜土薯”复合体输送至升运链下部在升运链轮和抖动轮的共同作用下复合体不断上升并分层其中较大的土块在上升过程中被抖动破碎后通过升运链滑落马铃薯上升至升运链末端后在重力作用下落入下一道收获工序 而田间残膜因其质量轻、连片状的特性会被抖动至复合体的最上层当其运移至升运导膜杆部件时在后续物料的推挤作用下会沿着升运导膜杆斜向上运
7、移残膜运移至升运导膜杆末端的弧形脱膜齿附近时会受到下侧安装的离心风机所产生的高速气流的作用使残膜紧贴在卷膜从动辊表面同时在其表面设置的 组螺纹杆的摩擦牵引下将残膜及时抓取并运移进入浮动式气力卷膜装置.作业过程分析气力卷膜装置作业过程如图 所示作业时地轮顺时针转动通过链条带动卷膜驱动辊与从动辊顺时针转动卷膜辊在自身重力以及弹簧预紧力的 干旱地区农业研究 第 卷作用下被紧压在卷膜驱动辊与卷膜从动辊上并在摩擦力驱动下逆时针转动 当卷膜从动辊在气流的辅助下连续将残膜运移进入浮动式气力卷膜装置内时斜向上的气流会在水平方向上产生气流分量吹送并引导残膜穿过卷膜辊底部到达导膜板与卷膜主动辊交界处的闭合区域同时
8、进入该区域的高速气流由于受到导膜板的导向作用会沿着导膜板下表面流出卷膜装置 由于导膜板的弧线与卷膜辊外轮廓基本保持一致且二者距离适中因此残膜会在卷膜辊的带动及气流的辅助导向下连续地缠绕在卷膜辊上为在后续的浮动式气力卷膜装置内部流场仿真试验中表示不同参数组合下装置卷膜效果的优劣本文根据装置实际工作过程选取如图 所示的、和 这 个位置处速度的测量值作为残膜回收指标来综合评价装置的残膜回收效果为卷膜从动辊前侧竖直方向气流速度该速度方向的气流是由离心风机产生的高速气流受到卷膜从动辊表面的阻挡后部分气流改变方向所产生该方向的气流会将裹挟在残膜中的土壤等杂质去除但是当残膜进入卷膜装置时会阻碍其吸附在卷膜从
9、动辊上使得升运导膜杆上的残膜无法被卷膜从动辊上及时抓取残膜回收作业过程中会出现残膜堵塞现象降低整机作业效率综合考虑其影响结果发现速度 相对小一点卷膜效果更佳 为卷膜辊底部水平方向气流速度该速度方向的气流是进入浮动式气力卷膜装置的气流受到卷膜辊与卷膜从动辊的作用后在该方向产生的气流分量.风机气流.卷膜从动辊.浮动滑槽架.卷膜辊.气流导膜板.卷膜驱动辊.田间残膜.升运导膜杆.图 浮动式气力卷膜装置作业过程.图 评价指标选取位置.当残膜被卷膜从动辊运移至卷膜辊底部时该方向的气流会在此处产生负压从而引导和吹送残膜向前运动避免了机械卷膜中常出现的残膜堆积现象因此速度 越大越有利于残膜回收 为导膜板下表面
10、气流速度该方向的气流是由进入装置的气流受到导膜板的折射与引流作用所产生该方向的气流会吹送残膜沿着卷膜辊切线方向缠绕同时使得残膜在卷膜辊上缠绕紧密因此该方向气流速度越大作业效果越好根据浮动式气力卷膜装置的工作原理与过程可知影响装置卷膜效果的因素较多 其中卷膜装第 期 徐鹏庆等:浮动式气力卷膜装置作业过程仿真分析与试验置内气流的流向、分布、流速、残膜的喂入量等因素对卷膜效果具有决定性作用同时需要考虑卷膜辊旋转时对装置内流场产生的扰动 因此本试验选定离心风机的安装角度(进入气力卷膜装置内气流流向)、入口气流速度以及卷膜辊的转速为影响因素 在仿真试验中首先通过单因素试验确定各因素的范围值然后采用响应面
11、法设计试验通过流体仿真试验确定并优化工作参数 建立模拟流场模型为探究浮动式气力卷膜装置相关结构参数的改变对其内流场变化的影响规律同时得到卷膜效果最佳的参数组合本文运用 建立三维模型并利用其附带的 插件 进行装置模拟流场仿真试验.几何建模浮动式气力卷膜装置在实际工况下其流场应为外部流场然而本仿真试验为了考虑流体在固体壁面上的流动情况采用内部流场在浮动式气力卷膜装置模型外创立封闭区域(长、宽、高分别为、)为模拟田间实际卷膜作业在建模时将卷膜辊向上升起 (图 见 页)在迭代计算前需要对流场模型进行气密性检查即通过模型检查工具检查模型是否完全封闭以及装配体各零部件之间是否存在无效接触然后使用封盖功能封
12、闭模型的出口 由于卷膜辊相对于气流导膜板为旋转区域将卷膜辊旋转区域定义为一个部件在该部件上指定旋转条件并采用旋转坐标系进行计算在后续仿真试验中根据试验组号定义不同的旋转速度 模型中的其余流动采用局部坐标系计算.网格划分如图(见 页)所示 插件会将计算域切片化处理并进一步细分为长方体网格从而产生大量计算网格 之后为了得到较为精确的气流轨迹网络单元格会再次细分生成离散与时间相关的 方程组并根据生成的单元格求解 权衡所需的求解精度通过试错法设置初始网格级别来生成合适的单元格数量.设定边界条件边界条件和项目目标是控制计算有解和收敛目标的先决条件 按照浮动式气力卷膜装置实际工作环境设置温度为 如图(见
13、页)所示的气流入口封盖内侧加载入口速度边界条件根据试验组号设置速度值其他封盖内侧加载环境压力作为边界条件 高速气流进入气力卷膜装置中在气力卷膜板的导向作用下气流会围绕卷膜辊旋转因此在该流场中存在湍流 根据经验对于内部流场而言当雷诺数 时流动一定为湍流因此本文采用标准 模型及默认定义量分别选取 组响应值测量表面作为表面参数选择面选用静压、轴方向的平均速度和体积流量等表面参数作为分析参数.单因素仿真试验为确定模型工作参数的范围需要进行单因素仿真试验根据装置作业原理以及残膜的相关物理特性参量分别确定气流速度、卷膜辊转速以及风机安装角的试验取值范围.离心风机气流速度范围确定离心风机产生的高速气流主要使
14、脱膜齿附近的残膜吸附在卷膜从动辊上并对运移至浮动式气力卷膜装置内的残膜起吹送与引导作用因此气流速度必须大于残膜的临界悬浮速度 临界残膜悬浮速度与残膜表面积的相关性很小但是与残膜质量关系密切相关系数 达到了.按照试验过程中升运导膜杆弧形脱膜齿处的残膜质量.计算悬浮速度介于.考虑作业机在田间实际工作情况从升运链传输上来的残膜会裹挟土壤、薯秧等杂质实际的气流速度需要高于残膜的悬浮速度但不能过高否则会增大消耗功率同时导致尘土飞扬和工作环境恶化 综合考虑风机气流速度需控制在.卷膜辊转速范围确定作业时卷膜辊是在卷膜主动辊和卷膜从动辊的共同摩擦带动下逆时针转动将由气流吹送进入卷膜装置内的残膜进行缠绕是残膜回
15、收作业过程中的关键部件之一其转速大小直接影响到整机的作业质量 由于田间地膜经过长时间的风化已经老化若转速过高可能造成其在回收过程中撕裂同时会对气力卷膜装置内部流场产生大的扰动使得装置内气流的流向发生改变甚至产生旋涡导致残膜从卷膜主动辊与卷膜从动辊间隙穿过降低残膜回收效率 相反若转速过低则无法及时回收由气流吹送进入装置内的残膜导致发生地膜滞留堵塞现象因此在相同时间内地轮前进距离应与卷膜辊卷起的地膜长度一致 即()式中 为地轮直径()为卷膜辊直径()干旱地区农业研究 第 卷为地轮旋转角速度()为卷膜辊旋转角速度()为机具前进时间()随着机具作业的进行卷膜辊直径不断增大但是卷膜辊在预紧弹簧的作用下始
16、终与卷膜驱动辊、卷膜从动辊接触因此三者的轮缘线速度相同即()式中为驱动辊直径()为从动辊直径()为驱动辊转动角速度()为从动辊旋转角速度()由链传动系统可知空载时:()式中为地轮端链轮齿数为卷膜驱动辊端链轮齿数所以当整机作业速度介于.即地轮转动角速度介于 时卷膜辊转动角速度介于 .风机安装角的确定为使气力卷膜装置中气流对残膜达到较好的吹送与引导效果在进行后续试验前需要通过单因素试验来获得风机安装角度的取值范围按上文所述在 软件中建立流体模型设置边界条件:离心风机气流速度为.卷膜辊转速为 通过改变模型中气流进入角度得到相应的气流轨迹和 个速度响应值的变化曲线(如图、所示图 见 页)单因素试验表明
17、保持其他因素水平不变风机安装角由 增大至 时速度 降低至.速度 降低至.速度 升高至.这是由于风机安装角度的增大使得入口处的气流与卷膜从动辊的接触角减小有效接触面积降低受到卷膜从动辊表面的阻挡后流向竖直方向的图 风机安装角度对响应指标的影响.气流量减少同时穿过卷膜辊与卷膜从动辊间隙间的气流量也降低从而使、降低然而入口处气流角度越大对气流在导模板下表面的流动越有利从而使 升高 风机安装角由 增大至 时降低至.降低至.降低至.究其原因主要是风机安装角度的持续增大使得进入卷膜装置内的气流量减少从而导致 个位置处的流速均降低 根据浮动式气力卷膜装置卷膜作业过程分析速度 较低时卷膜效果更佳而速度 和 越
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