切段刀辊中置式甘蔗收割机风选排杂系统研究

发布时间：2020-05-28 19:17

【摘要】：目前,我国的甘蔗种植面积约为150万hm~2,位居世界第三。2014~2015年度,我国的甘蔗生产综合机械化水平为48.7%,但甘蔗种植机械化水平仅约为2.0%,甘蔗收获机械化水平仅约为0.7%。由于国家农村城镇化发展战略造成劳动力大量转移,甘蔗行业出现了严重的劳力缺口,因此,发展甘蔗生产全程机械化技术显得尤为重要,本文开展切段式甘蔗联合收割机排杂系统的研究对促进甘蔗机械化技术的健康发展有积极意义。通过文献可知,目前国内外有关甘蔗机械化技术的研究主要集中于甘蔗联合收割机的扶起装置、切割器以及剥叶装置等方面的研究,而在甘蔗收获过程中的排杂问题很少涉及,基于目前切段式甘蔗收获含杂率高、功耗大等不足,本文就下面几个方面开展了相关研究:(1)分析设计了4GDL-91切段式甘蔗收割的风选排杂系统。通过计算得出二级输送的最大输送能力为16.07kg/s;在转速分别为400r/min、500r/min、600r/min、700r/min和800r/min时,风机选定入口截面的平均体积流量为3.054m~3、4.026 m~3、5.261 m~3、5.987 m~3和6.789 m~3,风机选定出口截面的平均体积流量为2.611 m~3、3.203m~3、4.053 m~3、4.680 m~3和5.416 m~3。计算确定倾斜安装的二级输送顶端与风机叶轮中心径向距离为26.5cm,二级输送装置顶端与风机叶轮最下端之间的垂直距离为60cm。(2)利用Fluent流体仿真软件对轴流风机在不同转速的流场进行仿真。通过对选定截面上的风速、压力的分布规律分析可知,当转速不变时,随着截面位置的上移,各个截面上的平均风速逐渐增大;随着风机转速增加,风机内静压负压值也逐渐变大,但沿叶轮半径变化引起的静压负压值呈不规则变化分布。通过比较,发现风机内部风速和负压的实际变化规律与相应的仿真结果类似,但离叶轮越近,实测结果与仿真结果误差越大。(3)对切段甘蔗混合物主要成份的悬浮特性进行分析与试验。试验结果表明:蔗叶长度、宽度、含水率和空间姿态角对蔗叶最小悬浮速度都产生较大影响,其变化规律为随着蔗叶长度增加,悬浮速度增大,随着蔗叶宽度增大,悬浮速度下降,随蔗叶含水率增加,蔗叶悬浮速度增加,随蔗叶空间姿态角增大,蔗叶悬浮速度增加,且含水率和空间姿态角是影响蔗叶悬浮速度的主要因素。通过蔗梢、碎蔗和蔗段最小悬浮速度的测量可知:碎蔗和蔗梢的最小悬浮速度存在交叉现象,蔗梢与部分小蔗段的最小悬浮速度存在交叉区域,故仅通过气流排杂方式不能完全除去甘蔗混合物中的蔗梢。通过蔗叶群的悬浮特性试验可知,当蔗叶长度超过10cm时,蔗叶群无法稳定悬浮输送,含水率较低的蔗叶群具有相对较好的悬浮输送效果,旋风输送方式要比平行输送方式下的输送效果好。(4)通过高速摄影获取流场内蔗叶的应力松弛特性与滑移特性。在气流速度不变时,随着蔗叶长度的增加,松弛时间逐渐减小,但蔗叶从15cm递增到25cmcm时,蔗叶长度变化对松弛时间的影响明显弱化。当叶长不变时,随着气流速度的增大,蔗叶松弛时间变短,但变化趋势相对比较平缓。通过蔗叶滑移率试验可知:在气流速度不变时,随着蔗叶长度的增大,蔗叶在流场内的的理论滑移率增大,实际滑移率也逐渐增大,同时发现实际滑移率基本都大于理论滑移率。(5)通过对蔗叶和蔗梢在垂直气流场内的受力分析,建立了蔗叶的动力学方程和蔗梢动力学方程,并引入无量纲分析方法对蔗梢运动学方程进行求解,分别得到以运行速度和时间为参数以及以输送距离和运行速度为参数的两种表达式。(6)对流场内运行的蔗叶进行高速摄影分析。结果表明:吹送输送排杂时,蔗叶的运动以简单变速直线运动为主,当流场不均或与器壁碰撞时则表现为较复杂的空间运动。吸风输送排杂气流场时,无论从正面拍摄、侧面拍摄还是从下面拍摄,拍摄的蔗叶运动轨迹大部分表现为复杂的空间螺旋上升运动。(7)以蔗叶含率、蔗梢含率和排杂率为检验指标,通过正交试验可知:风机转速(A)、输送速度(B)、输送量(C)、和切段长度(D)以及风机转速和二级输送速度的交互作用对蔗叶含率产生显著影响,得到影响蔗叶含率的最佳试验组合为A3B3C2D1,排杂率最佳试验组合为A2B3C2D1,蔗梢含率的最低的试验组合为A3B3C3D3或A3B3C3D1。通过AB双因素试验,得到最佳组合A3B3C2D2时的蔗叶含率最低为0.87%,A3B1C2D2组合时蔗梢含率最低为7.02%,A2B3C2D2组合时排杂率最高为17.09%。通过AC双因素试验,得到A3B2C3D2组合时排杂率最高为17.54%。通过BC双因素试验,得到A2B3C3D2组合的排杂率最高为16.01%。通过单因素试验可知:蔗梢含率随风速和切段长度增大而减小;随输送量增加先减小,再增大,再减小;随输送速度增大先增大、再减小再增大。而排杂率κ随风速增大而增大,再减小,再逐渐增大;随切段长度增大而减小,再增大;随着输送速度增大而增大。
【图文】：

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1.1（c）为广州科利亚农机股份有限公司与华南农业大学共同研制的 4GZ段式甘蔗联合收割机，图 1.1（d）为广西农机研究院 2008 年研制的 4GZQ式甘蔗联合收割机。目前，切段式甘蔗联合收割机在巴西、澳大利亚、美国糖大国广泛使用，是技术较为成熟和生产效率比较稳定的甘蔗收割机具(叶2009；梁伟等，2011)。(a)河南坤达整秆联合收割机 (b)广西云马泰缘整杆收割机

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统采用两级排杂方式进行，一般在切段装置后设置大排杂风机，在输送臂末端设置小排杂风机，如CASE7000以上系列甘蔗联合收割机、约翰迪尔甘蔗联合收割机、广西农机院研制的4GZQ-260甘蔗联合收割机等均采用这种配置形式，其配置方式见图1.2。当采用轴流风机与贯流风机配合时，一般将贯流风机设置在输送装置末端下部，一级轴流风机则设置在输送装置末端的上部，二级排杂轴流风机安装在输送臂末端，，如Classcc 1400就属于此类；也有部分甘蔗联合收割机只有一级轴流风机排杂，将轴流风机安装在切段装置后面。如日本文明农机株式会社的HC50-NN、广州科利亚公司与华南农业大学联合研制的4GZ-91型在切段装置出口处上方安装大型轴流风扇，下方安装小型贯流风机，见图1.3。另外约翰迪尔CH330收割机、凯斯系列4000型甘蔗联合收割机、广西农机研究院的4GZQ-120以及华南农业大学独立研制的4GDL-91型甘蔗联合二级轴流风机一级轴流风机
【学位授予单位】：华南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S225.53

【参考文献】