切段式甘蔗收割机排杂仿真建模方法研究

郭无极,杨 望,温 翔,杨 坚,莫建霖,曾伯胜,农宏亮

(1.广西大学 机械工程学院,南宁 530004;2.广西农业机械研究院有限公司,南宁 530007)

0 引言

含杂率是切段式甘蔗收割机(简称收割机)作业质量的重要指标,而含杂率的高低主要受收割机排杂装置的作业性能影响。因此,排杂装置作业机理的研究对排杂装置优化、减少含杂率和提高收割机作业质量具有重要意义。

近年来,国内外学者围绕收割机排杂装置进行了一些研究。RP Viator等研究了不同前进速度和排杂风机转速对排杂效果的影响[1];解福祥等设计了一种排杂装置的新型风机,并进行了试验研究[2];黄峥等采用Fluent软件对 HN4GDL-91 型收割机排杂装置的内部流场进行了模拟[3];农宏亮等用 SolidWorks 建立了排杂装置的简化模型,通过 SolidWorks Flow Simulation 软件模拟分析了排杂装置的内部流场情况[4];Wang, FL自制了排杂装置试验平台,并进行三因素三水平正交试验,以探讨风扇转速、甘蔗进料速率、甘蔗长度对杂质率及甘蔗损失的影响[5],并在试验台上进行了6项单因素试验,以检验甘蔗组分的悬浮特性[6]。

目前,排杂装置作业机理研究匮乏,因此本文利用计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)和离散元方法DEM(Discrete Element Method)的耦合方法,建立收割机排杂装置作业的耦合仿真模型,并进行物理试验验证,为开展排杂装置作业机理研究提供参考。

1 结构及工作原理

甘蔗蔗叶是收割作业的主要杂质,排杂装置是去除甘蔗蔗叶的主要设备。排杂装置可分为集流室、旋转域与出流室3个部分,如图1所示。

1.集流室 2.出流室 3.旋转域 4.切断辊 5.集蔗斗图1 甘蔗收割机排杂装置Fig.1 Excluder devices of sugarcane harvester。

作业过程中,旋转域风机的旋转使排杂装置内产生自下向上的风,蔗料由切断辊处抛出进入集流室;由于蔗叶相对于蔗秆段具有密度小、滑移速度小等特点,在风压与风速的共同作用下,蔗叶从排杂装置出口抛出,蔗秆段则下落至集蔗斗内。

2 仿真模型建立

2.1 几何模型的建立

建模时,为减少仿真计算时间,做以下化简:省去螺栓等对流场影响较小的零部件;不考虑壳体厚度,仅保留与空气介质有接触的壁面。本文通过SolidWorks建立收割机排杂装置的几何模型,导入ICEM进行简化与几何清理。清理后的几何模型如图2所示。

图2 排杂装置几何模型Fig.2 Geometric model of excluder devices。

甘蔗被切断后,大致可分为3类:①可用于榨糖的蔗秆段;②属于杂质且不易被排杂机构排出的蔗尾(碎蔗);③属于杂质但易被排杂机构排出的蔗叶,如图3所示。

图3 蔗料分类Fig.3 Material classification。

建模时,考虑蔗秆段和蔗尾(碎蔗)多为圆柱体,故将其几何模型建为圆柱;碎叶形状近似长方体,取长方体作为其几何模型,测量相关尺寸后建立几何模型。图4为蔗秆段、蔗尾(碎蔗)、蔗叶及其几何模型。

图4 蔗秆段、蔗尾(碎蔗)、蔗叶的几何模型Fig.4 Geometric model of sugarcane stems and leaves。

2.2 网格划分及颗粒填充

在流体仿真中,为了在模拟仿真时尽可能地接近实际情况、方便设置出入口条件,应同时在出入口延伸出流体域,流体域截面积要比出入口面积大[7]。流体域的网格采用非结构网格,为满足计算精度要求和尽量减少计算时间,生成329万四面体单元,如图5所示。通过网格检验,正交质量高于0.32,正交偏斜小于0.65,符合仿真要求。

1.集流室 2.旋转域 3.出流室 4.延伸出口域 5.延伸入口域图5 网格划分Fig.5 Mesh generation。

将蔗秆段、蔗尾(碎蔗)、蔗叶的几何模型导入EDEM,通过自定义颗粒工厂API填充几何模型,生成蔗秆段、蔗尾与蔗叶的颗粒模型,如图6所示。

图6 蔗秆段、蔗尾(碎蔗)、蔗叶的离散元模型Fig.6 DEM model of sugarcane leaves and stems。

2.3 材料模型

2.3.1 排杂装置材料模型

排杂装置壁面与扇叶均为钢材,其密度为7 850kg/m3,弹性模量为206GPa,泊松比为0.28。流体为空气,视为牛顿流体,密度为1.225kg/m3,动力粘度为1.7894e-5N·s/m2。排杂风机正常工作时,其最大转速为1 700r/min,旋转域半径为0.45m,流场内最大流速为80m/s,马赫数Ma为0.235,小于0.3,视为不可压缩流体。

2.3.2 蔗秆段及蔗叶本征属性的测量方法

由于蔗秆段、蔗尾、碎蔗均为甘蔗茎秆的一部分,本文中在本征属性、接触参数的测量和标定中将它们按蔗秆段处理。

根据文献[8-9]中所述方法,通过WDW3100微机控制电子万能试验机对蔗秆段进行弯曲试验、蔗叶进行拉伸试验求取该种材料的弹性模量,通过天平量筒法测量密度。

2.3.3 蔗秆段、蔗叶与钢板间接触参数的测量

根据文献[10-11]中的测量方法,通过斜板试验分别测量蔗秆段和蔗叶与钢板之间的摩擦接触参数,通过碰撞试验分别测量蔗秆段-蔗秆段、蔗秆段-钢板间的恢复系数。

2.3.4 蔗秆段、蔗叶与钢板间接触参数的标定方法

根据文献[11]中的测量方法,进行蔗秆段在钢箱内的堆积角试验,将蔗秆段堆积于钢箱右侧由隔板阻挡,迅速抽出隔板使蔗杆自然滑落形成堆积角,通过图像处理测量堆积角。因摩擦因数与恢复系数主要与物料表面粗糙度、物料材质有关,而受物料形状影响较小,测量原有尺寸的蔗叶堆积角非常困难,所以将蔗叶裁剪为边长为20mm的正方形小块,根据文献[10]中的测量方法,利用钢制圆筒进行了蔗叶的堆积角试验。将圆筒静置于钢板上,向圆筒内倒入蔗叶之后垂直提起圆筒使蔗叶滑落形成堆积角,通过图像处理测量堆积角,如图7(a)所示。在EDEM中建立上述两种堆积角试验模型,仿真结果如图7(b)所示。根据文献[11]中的标定方法,采用 L25(56)正交表安排仿真标定试验,对钢板-蔗秆段、蔗秆段-蔗秆段、钢板-蔗叶、蔗叶-蔗叶4组接触参数进行标定。

图7 堆积角试验Fig.7 Accumulation angle test。

通过Python编程进行图像处理分别获取物理试验与仿真试验的堆积角,如图7(c)、(d)所示。根据极差法对相对误差进行分析。

茎秆与蔗叶的摩擦参数参照文献[10]中仿真斜板试验的方法进行标定。

2.4 初边条件

2.4.1 排杂装置风场模型

风场边界条件取延伸入口域入口为压力入口,延伸出口域出口为压力出口,通过Fluent软件,采用多参考系模型Multiple Reference Frame(MRF)处理叶片旋转,设置风机转速,进行稳态分析。

仿真中重力方向选为z轴负方向,重力加速度为9.81m/s2。湍流模型选用工程上广泛应用的k-ε模型,壁面处理选用标准壁面函数法(Standard Wall Function)[12]。压力项选用标准差分格式,速度项、湍流动能项和湍流粘性系数项均采用二阶迎风格式。

2.4.2 排杂装置-蔗秆段-蔗叶耦合系统模型

通过EDEM和Fluent软件,将颗粒流与流体进行耦合计算的耦合模型有两种,即Lagrangian模型和Eulerian模型[13]。在排杂装置作业过程中,颗粒相所占体积较小,故而选用Lagrangian(DPM)模型进行耦合。

将排杂装置网格导入EDEM,设置重力方向沿z轴负方向,依标定结果设置颗粒材料及其接触属性,导入颗粒模板,在排杂装置切断辊对应位置设置颗粒工厂,排杂装置的实体壁面设为钢材料,设定风机转速。为达到计算要求,计算步设置小于瑞利时间步的20%。

以上述在Fluent计算得到的风场的稳态仿真结果作为初始条件,设置为瞬态仿真,将旋转区域及壁面设置由Frame Motion改为Mesh Motion。时间步长取EDEM时间步长的整数倍,一般设在1:10～1:100之间,每个时间步的迭代次数取20～60次。通过耦合接口连接EDEM,耦合模式设为DPM。选择颗粒相曳力模型为nospherical模型,根据模型与等体积球形的表面积之比设置Shape Factor。耦合模型如图8所示。

图8 耦合系统模型Fig.8 Coupled system model。

3 模型的验证

3.1 稳态风场模型的验证

正确的稳态风场模型是瞬态风场初始条件,是保证耦合模型正确的基础,因而在验证耦合模型前需先进行稳态风场模型的验证。

因排杂装置出流室出风口的风速、流量较装置内部及集流室入口更易测量,故而选取出风口风速及流量验证稳态风场模型的正确性。出风口测风点共48个,位置如图9(a)所示。根据行、列将测风点自下向上、自左至右标记为Pi,j,如最下层最左端的测风点记为P1,1。测量时,通过细铁丝在出风口拉出网格线确定测风点位置,如图9(b)所示。测量选用加野Kanomax KA23/KA33热线风速仪,测量精度为0.1m/s,采集频率为2Hz,每点测量20s,采用时均法求得各测风点平均风速。对1 100、1 400、1 700r/min等3种不同转速下的出流室出风口风速进行测量。

图9 风速测量试验Fig.9 Wind speed measurement test。

风速的测量在广西农业机械研究院室内进行,设置转速为1 100、1 400、1 700r/min,在Fluent中进行稳态仿真。对比仿真计算可知:测风点风速与物理试验测量风速,风速变化趋势较为一致,转速为1 100r/min时出风口测风点风速分布图曲线如图10所示。对比不同转速下排杂装置流量,如图11所示。

图10 1 100r/min时出风口风速对比Fig.10 Comparison of outlet air velocity at 1 100r/min。

图11 不同转速下出风口流量对比Fig.11 Contrast of outlet flow rate at different rotational speed。

3个转速下流量误差均小于10%。通过物理试验与仿真试验结果对比,表明该风场仿真方法合理。

3.2 排杂装置-蔗秆段-蔗叶耦合系统模型的验证

耦合模型的验证拟选用田间试验所测的含杂率与排杂率两个指标与仿真所得进行对比验证。田间试验在广西崇左市扶绥县蕾陇村进行,甘蔗品种为粤糖93/159。所选蔗田种植密度均匀,生长情况良好。

根据文献[6, 14]中方法,将一个周长为4m、长为2m的铁纱网兜开口端固定于排杂风机出风口,用于收集通过排杂装置排出的杂物,将帆布平铺于抛蔗出口下方的作业区间用于收集抛蔗出口坠落物料,如图12所示。将风机转速设定为1 700r/min,待收割机工况稳定后实际转速稳定在1 660r/min,对单行甘蔗进行收割作业,距离为5m,记录作业时间t。测量网兜中蔗叶质量A、帆布上蔗叶质量B、帆布上蔗尾及碎蔗质量C、帆布上蔗秆段质量D,通过下式计算出排杂率和含杂率,即

图12 田间收割试验Fig.12 Field harvesting test。

(1)

(2)

试验结果如表1所示。

表1 试验结果Table 1 Test Result。

排杂率/%含杂率/%蔗秆段喂入速度/kg·s-1杂物喂入速度/kg·s-1蔗叶喂入速度/kg·s-191.23.03.960.111.30。

物理试验的蔗秆段的平均长度为165.8mm,平均直径为26.1mm;蔗尾的平均长度为153.6mm,平均直径为10.22;蔗叶的平均尺寸为184.2mm×8.2mm×0.5mm。依照2.1所述方法建立蔗秆段、蔗尾(碎蔗)、蔗叶的几何模型,标定其本征参数及接触参数。标定结果如表2～表4所示。

表2 蔗秆段及蔗叶的本征属性Table 2 Intrinsic properties of sugarcane stalk and leaf。

表3 接触参数Tab.3 Contact parameter。

表4 标定结果Table 4 Contact parameter。

根据田间试验测量结果设定颗粒喂入速度,颗粒生成位置随机,结果表明:颗粒初始速度按照切断辊转速为260r/min时切向速度计算,沿x方向速度为3.54m/s,z方向速度为2.48m/s,颗粒工厂工作时间为0.1s,风机工作时间为1.1s。

仿真结果如图13所示。0～0.1s时,颗粒工厂共生成蔗秆段362.4g,蔗尾9.1g,蔗叶128.7g;2s时,仿真系统内物体均恢复静止状态,此时362.4g蔗秆段及9.1g不易排出杂质全部掉出集流室,117.0g叶片由出流室出风口飞出,7.8g蔗叶由集流室入口坠落,1.9g蔗叶残留在排杂装置内部。通过计算,得到排杂率为84.9%,含杂率为4.4%,而物理试验的排杂率为91.2%,含杂率为3.0%。仿真试验和物理试验结果较一致,表明该模型合理,可用于切段式甘蔗收割机排杂装置排杂机理的研究。

图13 耦合仿真结果Fig.13 Coupling simulation results。

4 结论

1)测量了蔗料的本征属性与接触参数,标定了蔗料在EDEM中的的接触参数,得到了蔗料的离散元模型。

2)测量了排杂装置出风口风速,对比仿真实验,得到了合理的排杂装置风场仿真方法。

3)测量了4GZQ180B型收割机田间作业的基本参数,对比仿真试验,得到了合理的排杂装置-蔗秆段-蔗叶耦合模型的构建方法。

4)通过该耦合模型,可进一步研究蔗料在排杂装置中的行为、风场的变化对排杂过程的影响,为切段式甘蔗收割机排杂装置的优化研究提供依据。