正负气压式油菜割台分行落粒回收装置设计与试验

关卓怀 江 涛 沐森林 李海同 张 敏 吴崇友

(农业农村部南京农业机械化研究所， 南京 210014)

0 引言

油菜在收获期分枝密布交叉且相互牵扯，机械化收获时需要在割台一侧加装竖割刀作为分行切割器，切开相互缠绕的油菜分枝[1-2]。竖割刀分行切割振动强、扰动大，大量荚果、籽粒飞溅散落导致的分行损失约占割台损失的40%以上，占油菜联合收获机总损失的20%以上，是导致油菜机械化收获损失率高的主要原因之一[3-6]。

国外大型油菜联合收获机多采用超大幅宽割台，减少分行次数，总体上降低了分行损失，但是单次分行作业损失并没有减少，没有从根本上解决竖割刀分行损失问题，缺少可以参考的分行减损技术[7-9]。我国油菜收获多用中小型联合收获机，幅宽小分行次数多，分行损失更为严重。为减小割台损失，目前主要采用增设辅助结构[10]、优化割台结构和工作参数[11-13]、减小切割器振动冲击[14-15]等技术手段。

受限于油菜的特殊生长性状，竖割刀分行损失高的问题难以通过割台机械结构改进或作业参数优化来彻底解决。油菜籽粒轻，在正压气流作用下的运动轨迹改变明显[16-18]，部分学者利用这一特点通过正压气流收集横割刀切割损失[19-20]。然而正压气流无法有效约束油菜籽粒运动方向，难以收集竖割刀分行飞溅散落物料；负压气流可以实现籽粒的定向运移，但在开放空间中损失很快，有效范围小，应用于油菜割台分行损失回收方面的研究鲜见报道。

针对上述问题，文本提出油菜割台竖割刀分行损失气力式回收方法，设计正负气压组合式油菜割台分行落粒回收装置；探究回收装置关键结构参数对回收气流场的影响，建立气流速度与回收装置结构参数关系模型；分析回收过程气流场与物料的气固耦合特征，研究回收装置运行参数对回收效果的影响；优化回收装置结构参数和运行参数，并开展田间试验，对正负气压式油菜割台分行落粒回收装置的减损效果进行验证。

1 回收装置结构与工作原理

1.1 总体结构

基于农业农村部南京农业机械化研究所研制的4LZ-6T型油菜联合收获机开展油菜割台分行落粒回收装置研究，联合收获机主要参数如表1所示。

表1 联合收获机主要参数Tab.1 Main parameters of combine harvester

油菜割台分行落粒回收装置主要包括风机、气流分配器、落粒收集仓、负压气道、正压气道、回收管等。落粒收集仓由一整块薄板折弯而成，与割台侧板、分禾器共同组成凹形半封闭空间，布置于竖割刀外侧后方，收集竖割刀分行飞溅散落物料。风机安装于割台背板，由液压马达提供动力。气流分配器与风机出风口通过橡胶密封垫连接，将产生的气流分为两路，由风管分别与正压气道和回收管连接。正压气道气流出口在分禾器内部，为U型结构。回收管末端通过风管与割台上的回收口连接，将回收的物料输送回割台。油菜割台分行落粒回收装置结构如图1所示。

图1 油菜割台分行落粒回收装置Fig.1 Diagrams of pneumatic recovery device for combine harvester side-cutting loss1.气流分配器 2.风机 3.竖割刀 4.分禾器 5.正压气道 6.落粒收集仓 7.负压气道 8.回收管 9.风管 10.割台 11.回收口

1.2 工作原理

油菜联合收获机在作业过程中，竖割刀切割相互缠绕的油菜分枝，散落物料在收获机前进速度的作用下相对于割台向后运动，在重力和机器前进速度的共同作用下进入落粒收集仓；液压马达带动风机产生气流，并由气流分配器将气流分为两路，一路气流经风管进入正压气道，将落粒收集仓中的物料吹向负压气道，实现正压导向收集；另一路气流连接回收管进气口，根据射流原理，在负压气道处产生负压气流，将落粒收集仓中的物料吸入回收管内，实现负压定向运移，并经由回收管、回收口输送回割台，完成落粒回收，气流、物料流动方向如图2所示。

图2 气流、物料流动方向示意图Fig.2 Sketch of airflows and material transportation path

2 关键参数设计与回收过程分析

2.1 基于气流场分析的回收管结构设计

负压气流是实现落粒回收的关键。由于油菜物料在风机内部会被高速叶片打碎并堵塞风机，所以不能直接利用风机进风口产生的负压气流。本文基于射流原理[21-22]设计了能够产生负压气流的回收管，如图3所示。图中，d1为进风口直径，mm；d2为出风口直径，mm；d3为喉管直径，mm；d4为负压气道直径，mm；l1为渐缩段长度，mm；l2为渐扩段长度，mm；α为喉管倾角，(°)；β为渐扩角，(°)；γ为渐缩角，(°)。

图3 回收管结构图Fig.3 Structure diagram of recovery pipeline

竖割刀分行切割导致的散落物料中主要包括油菜籽粒和其他杂余，杂余中以荚果壳为主，实测荚果壳平均长度约为65 mm。为确保流畅回收防止堵塞，设计负压气道直径d4为90 mm。由于割台空间和风机功率限制，所能够输出的负压气流有限，需要优化回收管结构，提高负压气流产生效率。为研究各结构因素对回收管负压生成效果的影响，基于Fluent构建了回收管内部流场仿真分析模型并开展仿真试验，计算方法选用标准k-ε模型和Enhanced wall treatment函数法[23]。设置进风口边界类型为velocity-intet，出风口边界类型为pressure-outlet，负压气道入口边界类型为pressure-intet，湍流强度均为5%，湍流粘度比均为10。回收管内部气流场速度云图、矢量图和压力云图如图4所示，气流由负压气道向回收管内部运动，回收管可在负压气道处产生负压气流。

图4 回收管内部流场Fig.4 Airflow in recovery pipeline

2.1.1单因素仿真试验

回收管关键结构参数包括喉管直径d3、喉管倾角α、渐扩角β、渐缩角γ，以产生的负压气流速度为评价指标开展单因素试验。仿真试验时固定进风口直径d1=90 mm，输入气流速度为30 m/s，试验结果如图5所示。

图5 不同喉管直径、喉管倾角、渐扩角、渐缩角时负压气流速度变化曲线Fig.5 Variation curves of negative air speed under different throat diameters, throat inclinations, dilation angles and retraction angles

由图5a可知，喉管直径d3从50 mm到90 mm变化，增量为10 mm。在试验条件范围内，负压气流速度在4.1～14.2 m/s间变化，随喉管直径的增大而减小。为获取较高的负压气流速度，应减小喉管直径，同时考虑物料尺寸避免堵塞，本文取喉管直径d3=70 mm。

由图5b可知，喉管倾角α从90°到130°变化，增量为10°。在试验条件范围内，负压气流速度在2.9～32.6 m/s间变化，随喉管弯角的增大而增大。为获取较高的负压气流速度，应增大喉管弯角，同时考虑实际装配时，喉管弯角过大风管需要大角度弯折且易与竖割刀发生干涉，本文取喉管倾角α=120°。

由图5c可知，渐扩角β从5°到25°变化，增量为5°。在试验条件范围内，负压气流速度在18.8～27.8 m/s间变化，随渐扩角的增大而减小，但渐扩角β大于15°时，负压气流速度基本不变。为获取较高的负压气流速度，应适当减小渐扩角。

由图5d可知，渐缩角γ从30°到60°变化，增量为7.5°。在试验条件范围内，负压气流速度在27.8～31.2 m/s间变化。渐缩角γ小于45°时，负压气流速度变化不大，大于45°时，负压气流速度随渐缩角的增大而减小。为获取较高的负压气流速度，应适当减小渐缩角。

单因素试验结果表明，负压气流速度随喉管直径d3的增大而减小，随喉管倾角α的增大而增大，在一定范围，负压气流速度随渐缩角γ和渐扩角β增大而减小。综合考虑回收物料尺寸和装配空间，设计喉管直径d3=70 mm，喉管倾角α=120°。

2.1.2交互因素仿真试验

仅依据单因素试验结果尚无法确定渐缩角γ、渐扩角β较优值。其中渐缩角γ由进风口直径d1和渐缩段长度l1确定，渐扩角β由出风口直径d2和渐扩段长度l2确定。为进一步明确交互因素对负压气流的影响，确定回收管结构参数，以进风口直径(A)、渐缩段长度(B)、出风口直径(C)、渐扩段长度(D)为试验因素，以负压气流速度(y)为试验指标开展四元二次回归正交旋转组合试验。依据单因素试验结果，选取各因素编码如表2所示。试验方案及试验结果如表3所示，共29个试验点，包括24个分析因子和5个零点估计误差。

表2 试验因素编码Tab.2 Coding of experimental factors mm

表3 试验方案与结果Tab.3 Schemes and results of experiment

对负压气流速度y与试验因素的关系进行二次多元拟合，并对回归模型进行方差分析和回归系数显著性检验，结果如表4所示。

表4 回归方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

根据负压气流速度y二次多元拟合回归方差分析结果，回归模型P<0.01，极显著，失拟项P>0.05，不显著，说明模型能正确反映y与A、B、C、D之间的关系并对试验结果进行预测。其中因素A、B、C、D、AD、CD、C2、D2对y影响极显著，AC、B2对y影响显著。试验因素之间的交互作用对y的影响显著，剔除不显著因素后，负压气流速度y的二次回归模型为

y=-499.17+0.87A+8.91B+6.74C-0.41D-

0.014AC+0.001 6AD+0.003 4CD-0.11B2-

0.029C2-0.000 16D2

(1)

根据式(1)，各试验因素对负压气流速度y影响的主次顺序为D、A、B、C，交互作用显著因素间的响应曲面如图6所示。根据图6a可知，A增大时y减小，C增大时y先增大后减小，响应面曲线沿A方向的变化更快，进风口直径A对负压气流速度y的影响比出风口直径C显著。根据图6b可知，A增大时y减小，D增大时y增大，响应面曲线沿D方向的变化更快，渐扩段长度D对负压气流速度y的影响比进风口直径A显著。根据图6c可知，C增大时y

图6 交互因素对负压气流速度影响的响应曲面Fig.6 Effects of interactive factors on negative air speed

先增大后减小，D增大时y增大，响应面曲线沿D方向的变化更快，渐扩段长度D对负压气流速度y的影响比出风口直径C显著。

2.1.3参数组合优化

为寻求各因素最优参数组合，以表2中各因素范围为约束条件，以负压气流速度回归模型(式(1))为目标函数，求解其最大值。得负压气流最大速度为33.76 m/s，优化解为进风口直径93.72 mm、渐缩段长度37.80 mm、出风口直径114.15 mm、渐扩段长度349.82 mm，此时渐扩角β=7.2°，渐缩角γ=35.8°。

将优化参数进行仿真验证，得负压气流速度为34.80 m/s，与优化结果基本相吻合。综合考虑油菜割台分行落粒回收装置工作要求和加工制造水平，确定实际进风口直径d1=94 mm，渐缩段长度l1=38 mm，出风口直径d2=115 mm，渐扩段长度l2=350 mm。

2.2 基于CFD-DEM的回收装置运行参数设计

2.2.1CFD-DEM耦合分析模型及参数

油菜割台分行落粒回收装置关键运行参数为正压气流速度和负压气流速度。为进一步分析回收过程气流场与物料的气固耦合特征，研究回收装置运行参数对回收效果的影响，优化回收装置结构参数和运行参数，构建了回收装置内部流场-物料气固耦合分析模型，如图7所示。为量化油菜分行损失物料成分，2019年9月21日在张掖市民乐县开展了油菜分行损失物料成分测定试验，油菜品种为科乐521，千粒质量3.5 g。试验行程为10 m，重复3次，试验结束后统计落粒收集仓中物料数量。结果表明，油菜分行切割散落物料主要包括油菜籽粒和其他杂余，杂余中以荚果壳为主；油菜联合收获机平均前进速度为1.1 m/s时，落粒收集仓中油菜籽粒数为4 840个(平均532.4个/s)，荚果壳为1 770个(平均194.7个/s)。为便于进行仿真，不考虑其它物料成分，根据文献[24]对油菜物料特性的测定，建立油菜籽粒、杂余颗粒模型，如图7b、7c所示。

图7 回收过程气固耦合仿真模型Fig.7 CFD-DEM simulation analysis model of recovery process

CFD-DEM耦合仿真选用Eulerian-Lagrangian方法耦合，气流作用于颗粒上的力选择Freestream Equation流体阻力、Saffman升力和Magnus升力模型。气体流动为湍流运动，连续相的气流场模拟采用Fluent软件中标准k-ε湍流模型。仿真中模型外壳材料为钢板，各物料和钢板的材料特性及其相互间的力学特性参数如表5所示[25-26]。由于DEM仿真的时间步长低于CFD，DEM和CFD的时间步长分别设为3×10-5s和1.5×10-3s，总仿真时长为5 s。根据油菜分行损失物料组成测定试验结果，设置杂余生成速率为200个/s，总量1 000个，籽粒生成速率为550个/s，总量2 750个。颗粒工厂在半开放落粒收集仓上方，模拟进入落粒收集仓的散落物料；正压气流入口、回收管进风口边界类型均设置为velocity-intet，回收管出风口和落粒收集仓上表面边界类型均设置为pressure-outlet，湍流强度均为5%，湍流粘度比均为10；监测区设置在回收管负压气道内部。

表5 仿真特性参数Tab.5 Simulation mechanical properties

2.2.2正压气流速度对回收过程影响分析

落粒收集仓中的物料在正压气流的作用下向负压气道运动，实现正压导向收集。为量化分析正压气流速度对回收过程的影响，仿真分析正压气流作用下落粒收集仓中物料的运动规律，如图8所示，正压气流速度为15 m/s。

图8 正压气流作用下物料运动仿真结果Fig.8 Simulation result of materials motion under positive pressure airflow

由图8可知，正压气流作用下，物料整体向负压气道方向运动，但由于负压气道内气流速度较低，对物料群体的作用力不够，物料在管道内部产生堆积，仅有少量物料能够通过负压管。定义回收率为通过负压管的物料量与总物料量的百分比，进一步分析回收率随正压气流速度的变化规律，如图9所示。物料回收率随正压气流速度的升高呈现先升高后下降的趋势。正压气流速度小于15 m/s时，气流对物料的推动能力不足，易造成物料堆积，回收率较低；随着正压气流速度的升高，物料推动能力增强，回收率逐渐增加；正压气流速度大于25 m/s后，物料回收率随正压气流速度的升高而降低，主要由于高速气流在壁面间的折射导致流场和物料运动紊乱，加剧了物料-物料间和物料-壁面间的碰撞。根据仿真结果，确定正压气流较优速度范围为15～25 m/s。

图9 回收率随正压气流速度的变化曲线Fig.9 Relationship between positive pressure airflow velocity and recovery rate

2.2.3正负气压组合气流速度对回收过程影响分析

负压气流将物料吸入回收管内，实现负压定向运移。为量化分析正负气压组合气流速度对回收过程影响，仿真分析正负气压组合气流作用下回收仓内物料的运动规律，图10所示为正、负气流速度均为15 m/s时物料的运动规律。

图10 正负气压组合气流作用下物料运动仿真结果Fig.10 Simulation result of materials motion in composite pneumatic airflow

物料在正压气流的推送导向作用下移动到正、负压气流交汇区域，当进入气吸负压气流的作用覆盖范围后被吸入负压气道并向回收管输送完成籽粒回收，相较仅有正压气流时，回收效果明显提升。进一步分析回收率随不同正压、负压气流速度组合的变化规律。试验方案和试验结果如表6所示，并对试验结果进行方差分析，结果如表7所示。

表6 回收率仿真试验方案与结果Tab.6 Simulation results of recovery rate

根据表7，正压气流速度和负压气流速度均显著影响回收率，其中正压气流速度对回收率的影响

表7 正负压气流速度对回收率方差分析Tab.7 Variance analysis of positive and negative pressure airflow velocities to recovery rate

更大。不同正压、负压气流速度组合与回收率的关系曲面如图11所示。

图11 气流速度组合与回收率的关系曲面Fig.11 Relation surface between recovery rate and airflow velocities combination

不同的负压气流速度下，随着正压气流速度升高，回收率均先增大后减小。产生该现象的原因是，物料运动速度随正压气流的增大而增大，负压气流作用时间降低，物料无法在有效负压范围内被吸入负压气道，回收率下降。不同的正压气流速度下，回收率均随负压气流速度的升高而增大。根据仿真试验结果，设计正压气流速度为20 m/s，为使籽粒回收率大于97%，负压气流速度应大于25 m/s，且负压气流速度越大，回收效果越好。

2.3 系统风量分析与气流分配器设计

2.3.1系统风量分析

本文所设计的油菜割台分行落粒回收装置由单个风机提供回收物料所需要的正、负压气流，为合理分配两路气流，需明确正、负压气流风量。风量计算公式为

Q=3 600kSv

(2)

式中Q——风量，m3/h

k——气流衰减和沿途损失系数，为1.3～1.6，本文取1.5

S——横截面积，m2

v——风速，m/s

正压气道U型气流出口配置在割台分禾器内，根据其内部空间尺寸，将正压气道截面设计为70 mm×60 mm的矩形。依据所设计的正、负压气流速度和横截面积，由式(2)计算得正压气流风量Q1为453.6 m3/h，负压气流风量Q2应大于519.3 m3/h。

为明确回收管产生负压气流风量Q2时所需的输入风量Q′2，根据前文所建立的回收管内部流场仿真分析模型，计算了不同输入风量下回收管的负压输出风量，结果如图12所示。

图12 回收管负压输出风量与输入风量的关系曲线Fig.12 Relation curve of recovery pipeline negative pressure airflow output with airflow input

根据图12，回收管风量输入Q′2与负压气流风量输出Q2间的关系可拟合为线性方程

Q′2=0.587Q2-13.4

(3)

依据式(3)计算得回收管风量输入Q′2应大于907.5 m3/h，系统总风量应大于Q1+Q′2=1 361.1 m3/h。选择弘科DF-1100型多翼式鼓风机，额定风量Q=1 900 m3/h，全压1 380 Pa，转速2 800 r/min，外形尺寸338 mm×387 mm×400 mm，满足系统需求。

2.3.2气流分配器设计

气流分配器将风机输出的气流分为两路，提供物料回收所需的正压、负压气流，其中分配比例是气流分配器的关键设计参数。根据公式(2)，相同风速下，风量与截面积成正比，将风机输出的气流视作均匀风场，则气流分配器中两路气流通道的截面积之比即为两路气流风量之比。根据前文分析，正压气流速度应为20 m/s，此时正压气流风量Q1为453.6 m3/h，而负压气流速度越大越好。则风机在额定转速下输入回收管的风量应为Q-Q1=1 446 m3/h，则两路气流风量之比为1∶3.2。考虑实际加工水平，将气流分配器中两路气流通道的截面积之比设计为1∶3。

为验证油菜割台分行落粒回收装置的实际正、负压气流速度，运用AR866A型风速计测量正压气道、负压气道出口风速，试验过程中风机保持额定转速工作。测得正压气道出口风速为22.4 m/s，与设计值的误差为11.2%，主要原因是理论计算视气流场为均匀流场，而实际气流管道和气道壁面附近存在非均匀流场，并且为了便于加工，将气流分配器截面比例进行了近似取整。测得负压气道出口风速为25.9 m/s，满足设计要求。

楚神话中的图腾崇拜呈现出多样性。这是楚的同化各种文化和将不同国家的图腾纳入自身图腾系统的结果。我们只能从楚祖的姓氏，名称、头衔和名誉中看到楚图腾组织和概念的复杂性。

3 田间试验

为检验油菜割台分行落粒回收装置的作业效果，于2020年6月在江苏省盐城市大丰区进行田间试验。试验油菜品种为浙油51，油菜物理特性如下：籽粒含水率9.96%，茎秆含水率52.27%，千粒质量3.94 g，产量3 135 kg/hm2，割茬35 cm时谷草比为0.12。

根据农业机械推广鉴定大纲DG/ T057《油菜联合收获机》和NY/T 1231—2006《油菜联合收获机质量评价技术规范》中的试验方法开展田间试验。试验预备区长度25 m，测区长度25 m。油菜联合收获机以正常作业速度作业，试验重复3次取平均值。每次试验结束后，计算割台损失率和竖割刀分行损失率。

试验开始前，在测区内横向等间距放置3个尺寸为3 m×0.15 m×0.06 m的钢板接料槽，槽内铺有绒布，超出割台割幅的部分放置于竖割刀一侧，接取机器经过测点时所掉落的籽粒和荚果，清选分离后称量籽粒质量。测区内割台损失质量的计算方法为

(4)

其中

N1=25h

(5)

式中M1——割台损失质量，g

m1——接料槽中收集的籽粒质量，g

N1——测区面积，m2

N2——3个接料槽的槽内口面积之和，m2

沿竖割刀作业区域放置3个1.5 m×0.3 m×0.06 m的接料槽(长边与收获机前进方向平行)，接取竖割刀分行造成的散落物料，清选分离后称量籽粒质量m2，测区内竖割刀分行损失总质量M2为

(6)

为便于分析分行落粒回收装置的作业效果，在回收管末端套接样袋，如图13所示。试验结束后称量接样袋中收集的籽粒质量M3，即为装置所回收的分行落粒质量。割台减损率p1和竖割刀减损率p2的计算公式分别为

图13 田间试验Fig.13 Field trial

(7)

(8)

通过计算分析装备分行落粒回收装置后割台损失率和竖割刀损失率，检验装置作业效果。试验结果如表8所示。

根据表8，装备有割台分行落粒回收装置的油菜联合收获机割台损失率、竖割刀损失率分别为1.26%、0.39%，竖割刀损失仅占割台损失的25.7%，而现有油菜联合收获机竖割刀损失在割台损失中的占比往往在40%以上[4]，分行落粒回收装置使油菜割台和竖割刀的损失率下降了21.8%、47.3%。

表8 田间试验结果Tab.8 Results of field trial

田间试验结果表明，油菜割台分行落粒回收装置作业性能良好，能够有效降低竖割刀分禾落粒损失和割台损失。

4 结论

(1)提出了油菜割台分行损失气力回收方法，设计了正负气压组合式油菜割台分行落粒回收装置，通过正压气流导向收集分行散落物料，并由负压气流定向输送回割台，实现回收减损。

(2)基于Fluent构建了回收管内部流场仿真分析模型，单因素试验结果表明负压气流速度随喉管直径的增大而减小、随喉管倾角的增大而增大，确定了喉管直径、喉管倾角分别为70 mm、120°，在一定范围内随渐扩角、渐缩角增大而减小；交互因素试验表明影响负压气流速度的因素主次顺序为渐扩段长度、进风口直径、渐缩段长度、出风口直径，较优参数组合为进风口直径94 mm、渐缩段长度38 mm、出风口直径115 mm、渐扩段长度350 mm。

(3)回收装置内部流场-物料CFD-DEM耦合仿真研究表明，物料回收率随正压气流速度的升高先增大后减小、随负压气流速度的升高持续增大，确定了较优正压气流速度为20 m/s；基于正、负压气流流量分析，确定了气流分配器中两路气流通道的截面积之比为1∶3。

(4)田间试验表明，装备分行落粒回收装置后油菜割台损失率、竖割刀损失率分别为1.26%、0.39%，分别下降了21.8%、47.3%，有效降低了分行损失和割台损失。