穆桂脂 呂皓玉 張婷婷 鄭文秀 張萬(wàn)枝 呂釗欽

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018)

0 引言

甘薯秧產(chǎn)量大，是良好的鮮飼料和青貯飼料。甘薯秧回收機(jī)可實(shí)現(xiàn)甘薯秧回收飼用，避免直接粉碎還田造成的資源浪費(fèi)及病蟲害的傳播[1]。拋送裝置是甘薯秧回收機(jī)的重要組成部件，完成粉碎后甘薯秧的輸送、提升和收集作業(yè)，但甘薯秧產(chǎn)量大、含水率高、柔韌性高，使拋送甘薯秧功耗很高。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)氣力式拋送裝置的拋送機(jī)理、功耗等進(jìn)行了研究[2-3]。DENNIS[4]首次用軟件Fluent 6.1仿真模擬了牽引式牧草收獲機(jī)內(nèi)部的氣流流場(chǎng)；LISOWSKI等[5]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了牧草收獲機(jī)出料口內(nèi)空氣和碎料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；翟之平等[6-7]采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法分析了葉片式秸稈拋送裝置的功耗，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并對(duì)拋送裝置進(jìn)行氣固兩相流模擬研究；AKHSHIK等[8]基于CFD模擬和離散元單元法(DEM)耦合，采用多球近似和滾動(dòng)阻力法對(duì)非球形顆粒與顆粒間的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬；張鋒偉等[9]采用氣固耦合法對(duì)揉絲機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下氣流與物料作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；田陽(yáng)等[10]利用CFD-DEM氣固耦合法對(duì)氣力式秸稈深埋還田機(jī)輸送裝置進(jìn)行模擬和試驗(yàn)研究，確定輸送裝置最優(yōu)參數(shù)組合；辛青青[11]采用Fluent-EDEM耦合的方法對(duì)馬鈴薯秧粉碎拋送裝置進(jìn)行了研究；劉鵬等[12]基于CFD-DEM耦合法分析了秸稈還田機(jī)內(nèi)碎稈的運(yùn)動(dòng)特性。這些成果沒(méi)有對(duì)在降低拋送功耗的同時(shí)提高拋送裝置的拋送性能及回收率等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文以甘薯秧回收機(jī)拋送裝置作為研究對(duì)象，在對(duì)拋送裝置中甘薯秧動(dòng)力學(xué)分析及裝置功耗分析基礎(chǔ)上，應(yīng)用CFD-DEM氣固耦合法對(duì)拋送裝置的輸送過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以期揭示出回收機(jī)內(nèi)氣流速度分布和碎甘薯秧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上以降低拋送裝置比功耗，提高甘薯秧回收率及拋送速度為目標(biāo)，采用仿真優(yōu)化試驗(yàn)，獲得回收機(jī)拋送裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。

1 拋送裝置動(dòng)力學(xué)分析與功耗分析

1.1 甘薯秧回收機(jī)主要組成

仿壟形刀輥機(jī)構(gòu)和拋送裝置是甘薯秧回收機(jī)的主要組成機(jī)構(gòu)[13]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示?；厥諜C(jī)工作時(shí)，甘薯秧被仿壟形刀輥上高速旋轉(zhuǎn)的甩刀切斷、粉碎后，進(jìn)入風(fēng)機(jī)殼內(nèi)，在風(fēng)機(jī)拋送作用下通過(guò)輸送筒進(jìn)入收集箱，實(shí)現(xiàn)甘薯秧回收。拋送裝置主要由風(fēng)機(jī)、輸送筒和收集箱組成。

1.2 拋送裝置中碎甘薯秧動(dòng)力學(xué)分析

為研究碎甘薯秧在拋送裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，假設(shè)：進(jìn)入風(fēng)機(jī)后的碎甘薯秧與風(fēng)機(jī)葉片的碰撞為非彈性碰撞；碎甘薯秧沿葉片方向運(yùn)動(dòng)初速度為零；空氣阻力忽略不計(jì)。碎甘薯秧沿風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)點(diǎn)受力及運(yùn)動(dòng)分析如圖2所示。設(shè)碎甘薯秧質(zhì)點(diǎn)為M，O為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的中心點(diǎn)，O′為質(zhì)點(diǎn)M的動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)。碎甘薯秧主要受重力、離心力、摩擦阻力、葉片法向反力和哥氏力等外力作用。碎甘薯秧質(zhì)點(diǎn)沿葉片運(yùn)動(dòng)的微分方程[14-15]為

(1)

其中

F=fN

(2)

(3)

θ=α0+α-δ0

(4)

f=tanφ

(5)

式中m——碎甘薯秧質(zhì)量，kg

l——質(zhì)點(diǎn)動(dòng)坐標(biāo)，mm

ωf——風(fēng)機(jī)葉片角速度，rad/s

F——摩擦阻力，N

N——葉片法向反力，N

ρ——質(zhì)心所在位置與軸心O的距離，mm

t——時(shí)間，s

f——摩擦因數(shù)

l0——質(zhì)點(diǎn)初始位置的坐標(biāo)，mm

g——重力加速度，取9.8 m/s2

θ——重力與葉片間夾角，(°)

α——風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)角，(°)

α0——風(fēng)機(jī)葉片初相位角，(°)

δ0——葉片安裝傾角，(°)

δ——葉片安裝角，葉片與徑向夾角，(°)

φ——摩擦角，(°)

(6)

式中r0——坐標(biāo)原點(diǎn)O到動(dòng)坐標(biāo)軸的距離，m

由式(6)可得碎甘薯秧始終向外運(yùn)動(dòng)須滿足

(7)

式中R——風(fēng)機(jī)葉片端點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑，m

則對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)最小角速度ωmin為

(8)

由式(8)可知，l0越大ωmin越小，即碎甘薯秧越靠近風(fēng)機(jī)葉片端部則保證它始終向外運(yùn)動(dòng)而被拋出的角速度越低；葉片后傾δ0>0，后傾角越大、ωmin越小則越有利于向外拋送；葉片前傾δ0<0，當(dāng)fRsinδ0+l0>0時(shí)碎甘薯秧才能拋出，δ0越大，ωmin越大，因此風(fēng)機(jī)葉片后傾較前傾有利于拋送。

1.3 拋送裝置功耗分析

拋送裝置中高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉片通過(guò)擊打碎甘薯秧使其獲得動(dòng)能，同時(shí)使周圍空氣獲得能量，流動(dòng)的空氣進(jìn)一步協(xié)助輸送碎甘薯秧。拋送裝置拋送碎甘薯秧消耗的總能量E主要包括5部分，即

E=E1+E2+E3+E4+E5

(9)

式中E1——葉片撞擊、帶動(dòng)碎甘薯秧耗能，J

E2——碎甘薯秧沿葉片滑動(dòng)時(shí)摩擦耗能，J

E3——碎甘薯秧離開(kāi)葉片時(shí)獲得的動(dòng)能，J

E4——碎甘薯秧與機(jī)殼碰撞、摩擦耗能，J

E5——空氣獲得的能量，J

(1)葉片撞擊、帶動(dòng)碎甘薯秧耗能

碎甘薯秧進(jìn)入拋送裝置后，被風(fēng)機(jī)葉片撞擊、帶動(dòng)并加速到和風(fēng)機(jī)葉片相同轉(zhuǎn)速所消耗的能量為[7]

(10)

式中ρ0——碎甘薯秧與葉片初始碰撞處與葉輪軸心O的距離，mm

(2)碎甘薯秧沿葉片滑動(dòng)過(guò)程中摩擦耗能

(11)

將式(3)代入式(11)計(jì)算可得

(12)

式中L——風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度，m

(3)碎甘薯秧離開(kāi)葉片時(shí)獲得的動(dòng)能

(13)

(14)

(4)碎甘薯秧與機(jī)殼碰撞、摩擦耗能

當(dāng)碎甘薯秧滑移至風(fēng)機(jī)葉片末端而葉片尚未到達(dá)拋出口，碎甘薯秧就會(huì)與機(jī)殼發(fā)生碰撞及摩擦。設(shè)碰撞能耗為E41，摩擦能耗為E42，有

(15)

(5)空氣獲得的能量

空氣在拋送裝置進(jìn)、出口處具有的能量[16]為

(16)

式中Qa1——進(jìn)口處氣流質(zhì)量流量，kg/s

Qa2——出口處氣流質(zhì)量流量，kg/s

pa1——進(jìn)口處氣流靜壓，Pa

pa2——出口處氣流靜壓，Pa

va1——進(jìn)口處氣流流速，m/s

va2——出口處氣流流速，m/s

ρ——空氣密度，kg/m3

(6)拋送裝置的功率及比功耗

回收機(jī)拋送裝置的功率P為

P=E/t

(17)

將式(10)～(16)代入式(17)得

(18)

式中K——耗能系數(shù)

Q——甘薯秧喂入量，kg/s

(19)

(20)

由式(18)可得比功耗PK為

(21)

由式(21)可知，在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉片長(zhǎng)度、安裝角、摩擦因數(shù)等)一定時(shí)回收機(jī)拋送裝置比功耗與風(fēng)機(jī)角速度的平方成正比，角速度越高比功耗越大。

2 離散元?dú)夤恬詈蠑?shù)值模擬

2.1 碎甘薯秧離散元模型建立

將回收機(jī)收獲的碎甘薯秧去除雜質(zhì)后進(jìn)行成分統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)葉片面積S將葉片分為碎葉片(2 cm2

2.2 CFD-DEM耦合分析參數(shù)設(shè)置

甘薯秧回收機(jī)仿真模型中刀輥和風(fēng)機(jī)為運(yùn)動(dòng)部件，其余為靜止部件。根據(jù)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中薯秧進(jìn)入機(jī)器的位置，在刀輥下方靠后區(qū)域添加一個(gè)虛擬box作為顆粒工廠，對(duì)4種不同顆粒分別進(jìn)行顆粒工廠設(shè)置，設(shè)定顆粒工廠類型為動(dòng)態(tài)工廠，不限制顆粒數(shù)量，依據(jù)實(shí)際碎甘薯秧成分占比對(duì)長(zhǎng)莖稈、短莖稈、碎葉片、細(xì)碎葉片4種顆粒設(shè)置的生成速度分別為0.33、0.29、0.62、0.38 kg/s，與實(shí)際甘薯秧喂入量1.62 kg/s一致。碎甘薯秧顆粒離散元參數(shù)設(shè)定如表1所示，顆粒間的接觸模型采用Hertz-Minglin(no slip)模型，曳力設(shè)置選擇Freestream曳力模型，然后導(dǎo)入Fluent軟件計(jì)算出流體速度，仿真設(shè)置rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)為2.7×10-5s，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存間隔為0.01 s，總時(shí)長(zhǎng)設(shè)為8 s，網(wǎng)格半徑尺寸為3倍的顆粒半徑(6 mm)，總共產(chǎn)生21 811 200個(gè)網(wǎng)格。

表1 離散元仿真參數(shù)Tab.1 Discrete element simulation parameter values

2.3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)回收機(jī)內(nèi)空氣流動(dòng)的影響

為便于分析不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)回收機(jī)內(nèi)流體的速度特征，在回收機(jī)內(nèi)取5個(gè)具有代表性的截面P1～P5進(jìn)行分析，其位置如圖4所示。截面P2為回收機(jī)對(duì)稱面，與X-Z平面平行；截面P1、P3分別穿過(guò)輸送筒出口左、右側(cè)，且與截面P2平行；截面P4為輸送筒出口附近位置的截面，與Y-Z平面平行；P5在粉碎刀輥上方，平行于回收機(jī)底面，與X-Y平面平行。

碎甘薯秧在拋送裝置中受風(fēng)機(jī)葉片和氣流共同作用，而非氣流單獨(dú)作用，所以風(fēng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可小于計(jì)算值788 r/min[13]，基于前期試驗(yàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于1 400 r/min，以轉(zhuǎn)速600、1 000、1 400 r/min和葉片傾角5°進(jìn)行仿真。3種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下各截面的速度云圖如圖5所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，回收機(jī)內(nèi)氣流平均速度逐漸增大，對(duì)底部粉碎區(qū)域的輻射也越來(lái)越大，但是由速度增加帶來(lái)的回流現(xiàn)象也凸顯出來(lái)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，出口區(qū)域速度快且平滑均勻；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，輸送筒高速流體區(qū)域變窄，且緊貼著上壁面，導(dǎo)致出口通道處壓強(qiáng)變小，小于外界大氣壓，則出口底部出現(xiàn)一部分回流，使出口速度反而有所下降。從出口截面P4的速度分布云圖(圖6a)中可看出，上壁面位置的風(fēng)速較高，其他位置的風(fēng)速不高，可見(jiàn)碎甘薯秧主要從出口上端拋出。從入口截面P5的速度分布云圖(圖6b)中可知風(fēng)機(jī)入口處風(fēng)速較高，其他部位風(fēng)速分布較均勻，易使碎甘薯秧進(jìn)入風(fēng)機(jī)。

2.4 碎甘薯秧顆粒群運(yùn)動(dòng)分析

為清晰查看不同類型的碎甘薯秧顆粒運(yùn)動(dòng)情況，后處理過(guò)程中，將長(zhǎng)莖稈、短莖稈及葉片分別設(shè)置為綠色、紫紅色及黃色。在刀輥轉(zhuǎn)速2 000 r/min、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，不同時(shí)刻回收機(jī)內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)情況如圖7所示，碎甘薯秧顆粒在粉碎刀輥?zhàn)饔孟拢饾u上移到達(dá)風(fēng)機(jī)部位，風(fēng)機(jī)邊緣處氣流速度很高，首先到達(dá)風(fēng)機(jī)部位的碎甘薯秧顆粒由于空間比較大，分散程度較好，顆粒之間的相互作用較弱，0.5 s時(shí)顆粒到達(dá)收集箱上部。輸送筒出口端流速很高，碎甘薯秧顆粒在擋板的作用下改變運(yùn)動(dòng)方向，在重力的作用下落入收集箱內(nèi)。2.5 s時(shí)回收機(jī)內(nèi)顆?；痉€(wěn)定，在4.5 s時(shí)收集箱內(nèi)已堆積部分碎甘薯秧顆粒。可以看出碎甘薯秧顆粒主要緊貼粉碎室后壁和輸送筒上壁面拋出，與空氣流速分布特征一致。

分析0.5 s時(shí)碎甘薯秧顆粒在回收機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖8所示。碎甘薯秧顆粒進(jìn)入回收機(jī)粉碎室后的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，這是粉碎室內(nèi)氣流與碎甘薯秧顆粒、碎甘薯秧顆粒間以及碎甘薯秧顆粒與回收機(jī)壁面間碰撞摩擦共同作用的結(jié)果。大部分碎甘薯秧顆粒隨刀輥機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并從頂部粉碎室出口進(jìn)入拋送裝置，其中部分碎甘薯秧顆粒與粉碎室碰撞多次后拋出，少量從粉碎室底部流出。進(jìn)入拋送裝置的碎甘薯秧顆粒少部分未與風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生碰撞直接隨氣流向上運(yùn)動(dòng)；大部分在葉片的拋送作用下進(jìn)入輸送筒；部分隨風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間后進(jìn)入輸送筒?？梢?jiàn)減少粉碎室及拋送裝置內(nèi)碎甘薯秧顆粒碰撞，縮短其在裝置內(nèi)逗留時(shí)間可提高回收機(jī)的效率。

2.5 葉片數(shù)及葉片傾角對(duì)拋送顆粒的影響

風(fēng)機(jī)葉片數(shù)及葉片傾角都會(huì)影響碎甘薯秧的輸送。實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)機(jī)葉片數(shù)常取2、3或4，根據(jù)1.2節(jié)分析及參考文獻(xiàn)[6]，取風(fēng)機(jī)葉片數(shù)2、3、4，葉片傾角0°、5°、10°進(jìn)行仿真。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、葉片傾角為5°、3種風(fēng)機(jī)葉片數(shù)時(shí)，碎甘薯秧顆粒數(shù)量及平均速度隨時(shí)間變化的曲線如圖9a和圖10a所示；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、葉片數(shù)為3、3種風(fēng)機(jī)葉片傾角時(shí)，碎甘薯秧顆粒數(shù)量及平均速度隨時(shí)間變化的曲線如圖9b和圖10b所示。由圖9可知，隨著葉片數(shù)和葉片后傾角的增加，顆粒數(shù)量都有所增加，說(shuō)明輸送碎甘薯秧能力增加。由圖10可知，隨著葉片數(shù)和葉片后傾角的增加，1 s以內(nèi)顆粒平均速度增加，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)平均速度有所下降，說(shuō)明隨著回收機(jī)內(nèi)顆粒增加，顆粒之間碰撞加劇造成顆粒速度有所下降。

2.6 優(yōu)化仿真試驗(yàn)

葉片式拋送裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有功耗、拋送距離和甘薯秧回收率等。功耗主要指比功耗，可由式(21)計(jì)算。拋送距離用風(fēng)機(jī)出口薯秧的平均速度表示，拋出速度越大，距離越遠(yuǎn)，速度可在EDEM軟件后處理中求得。甘薯秧回收率等于回收質(zhì)量與回收質(zhì)量和流失質(zhì)量之和百分比，在EDEM后處理模塊中分別統(tǒng)計(jì)收集箱中碎甘薯秧顆?？傎|(zhì)量，為回收質(zhì)量；另外統(tǒng)計(jì)未落入收集箱內(nèi)的薯秧顆?？傎|(zhì)量，為流失質(zhì)量。

2.6.1回歸模型建立

使用Design-Expert 8.0軟件，利用Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)法，以回收機(jī)拋送裝置比功耗Y1、甘薯秧回收率Y2、拋出速度Y3為響應(yīng)值，選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速x1、葉片傾角x2、葉片數(shù)x3作為主要影響因素進(jìn)行三因素三水平中心組合試驗(yàn)。試驗(yàn)因素及編碼如表2所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值如表3所示，表中X1、X2、X3為因素編碼值。

表2 仿真試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Simulation test factors codes

根據(jù)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立以Y1、Y2、Y3為因變量，X1、X2、X3為自變量的響應(yīng)面回歸方程

(22)

(23)

(24)

表3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Simulation test design scheme and response value

2.6.2試驗(yàn)結(jié)果與顯著性分析

對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。分析表4得知，響應(yīng)面模型的顯著水平(P值)都遠(yuǎn)小于0.01，表明3個(gè)回歸模型高度顯著；3個(gè)模型失擬項(xiàng)P值都大于0.05，表明回歸方程(22)～(24)的擬合度高；另外，模型變異系數(shù)分別為2.28、0.61、1.53，低于15；R2分別為0.998 2、0.984 6、0.989 4，都大于0.8，說(shuō)明3個(gè)模型擬合度都很高，可以優(yōu)化分析甘薯秧回收機(jī)拋送裝置的工作參數(shù)。

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Analysis of variance of regression equation

(1)各因素對(duì)拋送裝置比功耗的影響分析

由表4可知，X1、X2、X3對(duì)拋送裝置比功耗的影響都極顯著，影響主次順序?yàn)椋篨1、X2、X3；從表3可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低、后傾角適中、葉片數(shù)越少，拋送裝置比功耗越低。主要原因?yàn)椋猴L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低消耗能量越小，越有利于降低功耗；葉片數(shù)越少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)消耗能量越小，同時(shí)在單位時(shí)間內(nèi)與兩相流接觸碰撞的次數(shù)變少，功耗越??；適當(dāng)?shù)娜~片后傾有利于拋送，可降低功耗。

(2)各因素對(duì)甘薯秧回收率的影響分析

(3)各因素對(duì)拋出速度的影響分析

3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 參數(shù)優(yōu)化

綜上分析，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)拋送裝置比功耗、甘薯秧回收率及拋出速度影響顯著，適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)增加拋出速度及甘薯秧回收率，但會(huì)增加拋送裝置比功耗；拋出速度提高會(huì)增加拋送距離，但拋出速度過(guò)高會(huì)使部分顆粒飛出收集箱，不利于回收收集；葉片數(shù)增加有利于提高拋出速度及甘薯秧回收率，但會(huì)增加拋送裝置比功耗；葉片傾角適中有利于提高甘薯秧回收率，降低拋送裝置比功耗。為尋求甘薯秧回收機(jī)拋送裝置最優(yōu)工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行拋送裝置降低比功耗、提高甘薯秧回收率及拋送速度多目標(biāo)優(yōu)化。利用Design-Expert 8.0軟件的Numerical模塊對(duì)3個(gè)指標(biāo)的回歸模型進(jìn)行求解，設(shè)定優(yōu)化函數(shù)與約束條件為

(25)

經(jīng)求解得到優(yōu)化組合為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速880 r/min、葉片傾角6.68°、風(fēng)機(jī)葉片數(shù)3.2時(shí)，拋送裝置比功耗為630 m2/s2，甘薯秧回收率為95.5%，拋出速度為6.32 m/s。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果，利用搭建的甘薯秧回收機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。仿壟送秧機(jī)構(gòu)與實(shí)際甘薯種植基地薯壟尺寸一致，甘薯秧為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)甘薯種植基地甘薯收獲期整株甘薯秧，含水率為78.3%，模擬田間甘薯秧生長(zhǎng)密度，鋪設(shè)密度為3 kg/m2，幅寬0.9 m，當(dāng)送秧速度為0.6 m/s時(shí)，甘薯秧喂入量Q=1.62 kg/s；為便于實(shí)際應(yīng)用，試驗(yàn)時(shí)對(duì)優(yōu)化的參數(shù)理論值進(jìn)行圓整，設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為880 r/min，葉片數(shù)為3，葉片傾角為7°，其他參數(shù)與仿真試驗(yàn)參數(shù)一致。

(1)拋送裝置比功耗

風(fēng)機(jī)、刀輥分別由驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、2驅(qū)動(dòng)，電機(jī)調(diào)速器調(diào)整風(fēng)機(jī)及刀輥轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定值，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器1測(cè)量風(fēng)機(jī)功率P，代入式(21)可計(jì)算得到比功耗。

(2)甘薯秧回收率

每次試驗(yàn)前測(cè)量送入甘薯秧質(zhì)量M1，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量收集箱內(nèi)甘薯秧總質(zhì)量M2，計(jì)算甘薯秧回收率

Y2=M2/M1×100%

(26)

(3)拋出速度

為便于觀測(cè)拋出速度，將輸送筒前擋板及側(cè)擋板更換為透明亞克力板，采用VEO410L型高速攝像機(jī)拍攝甘薯秧離開(kāi)風(fēng)機(jī)葉片的情況，攝像機(jī)位置及高速攝影結(jié)果如圖13所示，利用PCC圖像分析軟件采用“兩點(diǎn)法”測(cè)量甘薯秧的運(yùn)動(dòng)速度。選取某一甘薯秧的一個(gè)特征點(diǎn)(如圖13b所示)，點(diǎn)擊播放至薯秧運(yùn)動(dòng)一小段距離后暫停，再點(diǎn)擊同一特征點(diǎn)即可分析得到甘薯秧的速度參數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，由表5可知實(shí)際試驗(yàn)值與仿真優(yōu)化值之間相對(duì)誤差均小于8%，驗(yàn)證了仿真優(yōu)化試驗(yàn)的可靠性?；厥諜C(jī)拋送裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)可定為3葉片、葉片后傾7°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速880 r/min。

表5 驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Measured results

3.3 優(yōu)化前后對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了對(duì)比分析優(yōu)化前后甘薯秧回收機(jī)拋送性能，在相同試驗(yàn)條件下對(duì)回收機(jī)原拋送裝置的比功耗、甘薯秧回收率及拋出速度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)3次取平均值，原拋送裝置比功耗、甘薯秧回收率及拋送速度分別為853 m2/s2、91.19%及5.65 m/s。對(duì)比優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果可以看出，拋送裝置優(yōu)化改進(jìn)后有效降低了比功耗，降低幅度達(dá)到15.83%，同時(shí)甘薯秧回收率及拋送速度分別提高了1.75%和5.49%，實(shí)現(xiàn)了降低拋送裝置功耗、提高拋送裝置性能的目的。

4 結(jié)論

(1)對(duì)拋送裝置中甘薯秧動(dòng)力學(xué)分析得出風(fēng)機(jī)葉片后傾較前傾更利于拋送；對(duì)拋送裝置功耗分析得出，在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越高比功耗越大。

(2)應(yīng)用CFD-DEM氣固耦合法對(duì)拋送裝置的輸送過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬得出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，回收機(jī)內(nèi)平均流速逐漸增大，輸送筒上壁面位置的風(fēng)速較高，甘薯秧顆粒主要沿上壁面進(jìn)入收集箱；風(fēng)機(jī)葉片數(shù)及葉片傾角對(duì)拋送裝置性能影響較大。

(3)設(shè)計(jì)三因素三水平中心組合仿真試驗(yàn)，建立了以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、葉片傾角為試驗(yàn)因素，拋送裝置比功耗、甘薯秧回收率、拋出速度為試驗(yàn)指標(biāo)的二次回歸模型，得到各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響作用。拋送裝置比功耗影響由大到小為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片傾角、葉片數(shù)；甘薯秧回收率影響由大到小為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、葉片傾角；拋送速度影響由大到小為：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、葉片傾角。

(4)對(duì)回歸方程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，求解得到最優(yōu)工作參數(shù)組合并適當(dāng)圓整進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為880 r/min、葉片數(shù)為3、葉片傾角為7°時(shí)，拋送裝置比功耗為718 m2/s2、甘薯秧回收率為92.79%、拋送速度為5.96 m/s。對(duì)比試驗(yàn)表明拋送裝置優(yōu)化改進(jìn)后比功耗降幅達(dá)到15.83%，甘薯秧回收率提高1.75%，拋送速度提高5.49%。