花生捡拾收获机降尘系统设计与试验

刘 斌,尚书旗,谭 营,王东伟,何晓宁,周子涵

(青岛农业大学 机电工程学院 ,山东 青岛 266000)

0 引言

花生在我国的种植面积和产量均位于世界前列,2020年,花生产量高达1799.27万t[1],而传统人工收获已难以应对如此巨大的收获作业,故花生收获机械化得到快速发展。目前,我国花生机械化收获主要有两种作业形式,分别为联合收获作业和两段式收获作业。两段式收获因收获品质好、作业效率高被广泛使用,如花生捡拾收获机是两段式收获的作业机器[8-9];但使用花生捡拾收获机进行收获作业时花生秧基本已干,收获过程中需要将夹带着大量尘土的花生秧粉碎后利用风机吹送至集秧箱,集秧箱出风口处会产生数十米高的扬尘,对收获机寿命、驾驶员及周边村民健康都会产生不利影响,且严重污染环境。

在我国花生主产区,如河南省、山东省,收获粉尘已成为重要空气污染源。目前,我国花生捡拾收获机大多缺乏降尘装置,仅有少数企业研发的针对农业机械的降尘装置还在试验阶段,所以解决花生收获时造成的粉尘污染问题迫在眉睫。

国外最早在20世纪末开始致力于农机降尘的研究,主要是降低坚果收获产尘量[12]。Law针对杏仁等坚果收获时产生的粉尘,设计了一种低尘坚果收获机,在收获机上加装分离降尘器和静电除尘器,前者用于去除PM10等大粒径粉尘,后者主要针对PM2.5等小粒径粉尘,静电除尘器通过带电喷雾使粉尘荷电,再利用静电场分离粉尘[2];但是坚果产尘特性与花生存在差异,收获环境与国内也存在不同,且静电除尘器成本较高,无法适应我国花生捡拾收获机的降尘需求。国内已有对花生捡拾收获机的降尘研究。王申莹设计了一种花生捡拾收获机降尘装置,主要由扬尘回收管和匀风装置组成。工作时,扬尘回收管一端与集秧箱顶部排气口相连,另一端通过匀风装置与振动筛和摘果装置相连,且降尘装置可以改变集秧箱废气排放方向,降低扬尘排放高度[3]。高宏林等人设计的花生捡拾收获机降尘装置通过安装喷头,在预定范围进行喷淋,实现了降尘[4]。

为此,以市场上广泛使用的花生捡拾收获机为研究对象,设计了一种适用于4ZJH-2500型花生捡拾收获机的降尘系统,并通过仿真分析和田间试验,确定最优结构参数和工作参数,从而进一步完善我国农业机械降尘领域技术体系。

1 降尘系统总体设计

1.1 粉尘特性分析

在花生捡拾收获机降尘系统设计中,需要分析收获机作业时产生的粉尘特性及在不同区域粉尘质量浓度值,以此获得降尘系统设计依据。

利用粉尘浓度检测仪对花生捡拾收获机进行收获作业时产生的粉尘质量浓度进行检测,结果如表1所示。

表 1 不同收获机速度下各区域PM10粉尘质量浓度检测结果Table 1 Detection results of PM10 dust mass concentration in different regions at different harvester speeds

利用激光粒度仪[5]对粉尘粒径进行分析,得出花生收获产生的粉尘粒径范围为0.1～130μm,中位粒径为22.6μm,粒径为17μm的粉尘占比最大,粒径在100μm以下粉尘占比为91%,此类粉尘是造成空气污染的主要原因,粒径在10μm以下和2.5μm以下粉尘分别占44.5%和7.5%,当人体吸入这类粉尘时会造成呼吸道和肺部相关疾病。

根据粉尘在收获机不同位置的质量浓度值及粉尘粒径,采用旋风除尘器加喷淋装置复合的降尘系统,用于集秧箱降尘。

1.2 降尘系统结构组成

设计的降尘系统结构由旋风除尘器、喷淋装置组成,安装于花生捡拾收获机集秧箱尾部,并根据样机参数在制图软件Solidworks中进行三维建模,如图1所示。

1.进风箱 2.水管 3.箱体 4.进风口 5.喷淋管 6.旋风除尘器 7.出风口 8.污水排放口 9.集灰箱图1 降尘系统三维模型Fig.1 Three-dimensional model of dustfall system

1.3 旋风除尘器结构设计

旋风除尘器设计需要与气力输送工艺参数相匹配,风机配置、含尘气量、压力参数需要与旋风除尘器的直径、长度相匹配[6-7],具体结构参数[11]如表2所示。

表2 旋风除尘器主要结构参数Table 2 Main structural parameters of cyclone dust collector

1.4 降尘原理

降尘系统工作过程:花生捡拾收获机发动机启动,动力通过变速箱传递到风机转动轴,带动风机叶片做高速旋转,形成负压气流;夹带着大量尘土的破碎秧蔓通过风机被吹送至集秧箱,集秧箱与降尘装置中间设有滤网,以拦截少量碎秧蔓,含尘气流穿过集秧箱进入降尘系统中。

降尘系统过滤原理[14]:含尘气流通过进风箱切向进入旋风除尘器,受入口速度、动量两重影响会高速旋转形成较大离心力;而粉尘的惯性比空气大,故粉尘受到指向壁面的离心力作用,随着气流贴着旋风除尘器壁面螺旋向下,发生径向位移。含尘气流在直筒段和锥筒段形成双涡分离模型,气流运动至锥筒段时会转为向上的内旋涡,致使脱尘后的气流从旋风除尘器顶部排气管排出,粉尘滑落至集灰箱[10]。

据粉尘浓度检测仪检测发现,粒径在5μm以下的粉尘无法被分离,会在锥筒末端随着脱尘气流折返,从顶部排气管排出[16-17]。

喷淋装置的工作过程:在进风箱内布置水管,水泵将水打入水管中,通过喷头进行喷淋,喷出的水雾捕集粒径小于5μm的粉尘,且进风箱中的水管可以吸收含尘气流中的热量,间接降低收获机温度,提高使用寿命。

2 旋风除尘器气流场仿真分析及优化

为保障降尘系统工作的稳定性及降尘效率,通过FLUENT软件对旋风除尘器内部流场进行模拟分析,以优化旋风除尘器关键结构参数[15]。

试验发现,旋风除尘器排气管深度对其内部流场分布具有显著影响,故选取4种常见旋风除尘器排气管深度进行分析,探究排气管深度对旋风除尘器压强场的影响,如图2所示。

图2 旋风分离器内部流场压强流线矢量分布图Fig.2 Pressure streamline vector distribution of internal flow field in cyclone separator

进风口面积一定时,排气管深度越大,内部流场压强越容易出现负压,且压力分布不均匀,不利于粉尘和干净气流分离并排出。从仿真结果看,排气管插入深度为0.4m和0.5m时风场分布最为均匀,排气管压强最小,无负压出现;当排气管深度增大至0.7m时,内部流场出现明显的紊流现象,导致气流和粉尘发生混合,排气管出现负压,脱尘后的干净气流无法正常排出,实现降尘。

由仿真结果可知:随着排气管深度的增大,旋风除尘器内部压强逐渐增大,当深度增大到一定程度时,内部流场会出现紊流的现象,多处位置出现负压,气流无法顺利排出;当排气管深度为0.5m时,压强分布最为理想,内部流场最稳定。

3 花生捡拾收获机降尘系统田间试验

旋风除尘器是花生捡拾收获机降尘系统的主要部件,其性能的好坏决定降尘效果。所设计的旋风除尘器需要在田间随着花生捡拾收获机的作业实现降尘,因此降尘系统需要有较好的稳定性,在不同的作业环境下均能达到较强的降尘效果。

为验证花生捡拾收获机降尘系统的可靠性,并优化工作参数,2020年9月在河南省正阳县花生种植示范区进行田间试验,如图3所示。利用粉尘浓度测试仪在花生收获现场进行浓度检测,发现收获机前进速度、集秧箱风机转速和土壤湿度影响降尘效率。

图3 降尘系统田间试验Fig.3 Field test of dust removal system

4ZJH-2500型花生捡拾收获机速度范围为2～5.9km/h,风机转速范围为1954～4057r/min,收获现场土壤含水率为8%～15%。

采用Box-Benhnken试验方案,以收获机前进速度、风机转速、土壤湿度为试验因素,降尘效率为试验指标,设计三因素三水平试验。试验因素水平如表3所示;试验方案设计17个试验点,试验响应结果如表4所示。

表3 试验因素与水平Table 3 Test factors and levels

表4 试验结果Table 4 Test results

因田间试验受风速等环境影响较大,故试验结果与理论分析结果可能存在误差。

运用Design-Expert软件处理试验数据,得到集秧箱降尘效率Y对收获机前进速度A、风机转速B、土壤湿度C的二次多项式回归模型,即

Y=72.14-11.25A+11.58B-1.77C-4.9AB- 0.8AC+0.00BC-1.22A2-6.07B2+0.33C2

利用响应面分析法对回归方程进行分析,通过绘制响应曲面以寻求最佳工作参数。

图4(a)为土壤湿度位于中心水平时,收获机速度和风机转速之间的响应曲面图。当风机转速固定在某一水平时,集秧箱降尘效率随收获机前进速度的增加而下降,且下降速率随着速度的增加而加快;当收获机速度固定在某一水平时,降尘效率随风机转速的增长而上升。

图4(b)为风机转速位于中心水平时,收获机速度与土壤湿度之间的响应曲面图。当收获机速度固定在某一水平时,降尘效率随着土壤湿度的增加而下降;当土壤湿度固定在某一水平时,降尘效率随着收获机前进速度的增加而下降。

图4(c)为收获机速度位于中心水平时,风机转速与土壤湿度之间的响应曲面图。当风机转速固定在某一水平时,降尘效率随土壤湿度的增加而下降;当土壤湿度固定时,降尘效率随风机转速增加而上升,上升速率随风机转速的增加而减缓。

利用Optimization模块对试验结果进行参数优化,并结合田间实际情况对理论值进行调整,得出最佳参数组合:收获机速度3.95km/h,风机转速2990r/min,土壤湿度11.5%,集秧箱降尘效率平均值为83.2%,满足花生捡拾收获作业要求。

(a) 土壤湿度C为11.71%

(b) 风机转速B为3155.76r/min

(c) 收获机速度C为3.17m/s图4 交互因素对降尘率的影响Fig.4 Effect of interaction factors on dustfall rate

4 结论

1)根据花生捡拾收获机进行收获作业时产生的粉尘物理特性、不同位置粉尘质量浓度、收获机工作及结构特性,参考气力输送工程相关理论知识,设计了一种适合4ZJH-2500型花生捡拾收获机的降尘系统。

2)采用FLUENT软件对旋风除尘器进行流场分析并优化关键结构参数,主要研究了4种排气管深度对旋风除尘器压强场的影响。当排气管深度为0.5m时,压强分布最为理想。

3)进行样机田间试验,结合理论分析,确定花生捡拾收获机最优工作参数, 探明交互因素对降尘性能影响规律,确定最佳工作参数组合:收获机速度3.95km/h,风机转速2990r/min,土壤湿度11.5%,此时集秧箱降尘效率平均值为83.2%。