甘蔗收获机排杂风机设计与试验.pdf

第 28 卷增刊 1农 业 工 程 学 报Vol.28Supp.182012 年5 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringMay 2012甘蔗收获机排杂风机设计与试验解福祥，区颖刚，刘庆庭，邹小平，冯加模（华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）摘要：为解决甘蔗联合收获机的排杂问题，设计了一种在甘蔗收获机排杂装置中使用的新型风机，并在试验台上进行了试验研究。以排杂风机出风口风速为试验指标，对风机转速、进风口方式和进风口面积进行了单因素试验。试验结果表明，风机最佳性能参数为：风机转速为 1 800 r/min、进风口方式为轴向进风、进风口面积为 16 475 和 19 119mm2、距离出风口为 50 mm 时，出风口风速最大。其 5 个测量点的风速平均值依次为：13.867、14、11.633、11.333、12.383 m/s。后期排杂试验表明，在此最佳参数下，风机排杂效果最佳。关键词：甘蔗，收获机，设计，排杂风机，试验doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.z1.002中图分类号：S225.5+3文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-Supp.1-0008-07解福祥，区颖刚，刘庆庭，等.甘蔗收获机排杂风机设计与试验J.农业工程学报，2012，28(增刊 1)：814.Xie Fuxiang,Ou Yinggang,Liu Qingting,et al.Design and experiment of impurity discharging fan of sugarcane harvesterJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(Supp.1):814.(inChinese with English abstract)0引言风机技术在农作物收获技术中已广泛应用，风机类型主要有横流风机、轴流风机、贯流风机和离心风机等。横流风机用于谷物复脱分离和清选1-2；轴流风机在喷雾机和农业环境控制中使用3-4；贯流风机用于稻麦联合收割机清选装置5；离心风机在割前脱联合收割机6和吸粮机中使用7；离心与轴流组合式风机用于稻麦清选8。在甘蔗收获机中主要使用轴流式风机，风机排杂装置是甘蔗联合收获机的主要部件9-12。排杂装置主要是通过轴流风机高速旋转抽取甘蔗叶及杂质，向后部或侧部排出。该装置位于整机的后部，具有独立的通道，如图 1所示。使用表明，甘蔗联合收获机10-13上使用的这种装置排杂效果欠佳，收获的甘蔗夹杂物多、洁净度差14-16。为进一步探讨甘蔗联合收获机排杂问题，参考贯流风机结构参数17-18和试验结果19-20，设计了一种用在甘蔗收获机排杂装置中的新型风机，并进行了试验。1结构设计与工作原理甘蔗联合收获机上应用的轴流风机叶轮如图 2a 所示。气体沿轴向进入旋转叶片，气体被叶片压缩并被轴向排出，甘蔗叶等杂质被气流吸进排杂通道排出。根据文献10试验结果，应用轴流风机排杂的甘蔗联合收获收稿日期：2011-11-07修订日期：2012-03-10基金项目：广东省科技计划项目（2010B020314004）；国家甘蔗产业技术体系(CARS-20-4-1)；国家国际科技合作项目（2011DFB70350）作者简介：解福祥（1982），男，山东临沂人，主要从事农业机械设计与研究。广州华南农业大学工程学院，510642。Email：通信作者：区颖刚（1947），男，教授，博士生导师，主要从事甘蔗收获机械设计与研究，广州华南农业大学工程学院，510642。Email：机，其含杂率平均值为 7.75%，排杂效果欠佳。主要原因是轴流风机排杂是甘蔗收集之前的最后一个工序，由于切段以后的甘蔗相互牵连，依靠轴流风机的吸力很难将杂质清除干净，并且动力消耗较大。1.扶蔗装置2.推倒装置3.割台4.输送装置5.切段剥叶装置6.集堆装置7.排杂装置轴流风机图 1甘蔗联合收获机示意图Fig.1Schematic of sugarcane combine harvester图 2排杂轴流与排杂新型风机叶轮示意图Fig.2Axial flow and new fan of impurity discharging本文设计的甘蔗收获机排杂风机利用贯流叶轮（图2b）在蜗壳导流罩中高速旋转的工作原理，在结构上与轴流风机完全不同。该装置进风方式分为径向进风（沿风机轮半径方向，在蜗壳导流罩上开口）和轴向进风（沿风机轮轴线方向，在蜗壳导流罩端盖上开口），如图 3所示，2 种结构除进风方式不同外，其余参数相同。农业装备工程与机械化增刊 1解福祥等：甘蔗收获机排杂风机设计与试验91.轴向左进风口2.径向进风口3.轴向右进风口4.出风口图 3排杂风机进风口示意图Fig.3Schematic of impurity discharging fan inlet该装置的贯流叶轮通过高速旋转产生气流，导流罩将风机轮高速旋转产生的气流汇集吹出。排杂风机主要由蜗壳罩、风机轮和外圈输送左、右连接板等组成,如图4 所示。液压马达为风机提供动力，外圈输送连接板支撑风机能够有效工作。1.液压马达2.外圈输送左连接板3.蜗壳罩4.风机叶轮5.外圈输送齿条6.外圈输送右连接板图 4排杂风机结构图Fig.4Structure of impurity discharging fan本文设计的排杂风机用在甘蔗收获机排杂装置中，该装置主要由排杂风机、外圈旋转输送齿条、杂质分离滚筒等组成，如图 5 所示。1.甘蔗入口2.排杂风机3.蜗壳罩4.外圈输送滚筒5.外圈输送滚筒旋转方向6.杂质运动方向7.杂质分离滚筒旋转方向8.杂质分离滚筒9.甘蔗运动方向图 5排杂装置原理图Fig.5Principle of impurity discharging fan device液压马达带动外圈旋转输送齿条和杂质分离滚筒转动，通过齿轮传动装置使其转动方向相反。同时，齿轮液压马达通过输出轴带动风机轮旋转，在输送通道内将甘蔗叶及杂质吹出。设计中根据甘蔗联合收获机的物流通道宽度和输送滚筒直径来确定排杂风机设计参数21，如图 6 所示。注：D1为风机轮内径；D2为风机轮外径；t 为叶片厚度；1为外周叶片角；2为内周叶片角；R 为叶片圆弧半径；1为进气口角度；2为出气口角度；为壳体升角；H1为出口高度图 6排杂风机设计参数图Fig.6Design parameters of impurity discharging fan通过几何方法，计算获得叶片造型所需的主要参数17：叶片曲率半径 Rk为22212112222cos(180)cos(180)22kDDRDD（1）式（1）中，D1为风机轮内径，mm；D2为风机轮外径，mm；1为外周叶片角，；2为内周叶片角，。叶片圆弧中心所在的半径 R0为2222012cos(180)22kkDDRRR（2）式（2）中，Rk为叶片曲率半径，mm。叶片圆弧所对应的圆心角 为2222002221002arccos22arccos2kkkkDRRR RDRRR R（3）式（3）中，R0为叶片圆弧中心所在的半径，mm。叶片弦长 l 为2sin()2klR（4）式（4）中，为叶片圆弧所对应的圆心角，。叶片长度方向与 x 轴之间的夹角 为农业工程学报2012 年1021802（5）叶片长度方向与叶轮半径方向之间的夹角 为90(180)2（6）以上式中各参数定义如图 6 所示，主要参数如表 1所示。表 1风机主要参数表Table 1Main parameters of fan参数数值风机轮内径/mm172风机轮外径/mm202风机轮长度/mm490叶片厚度/mm1外周叶片角/33内周叶片角/90叶片圆弧半径/mm16.5径向进气口角度/120（可调）出气口角度/162壳体升角/39出口高度40.52风机特性试验2.1试验设备与试验设计2.1.1试验设备试验在华南农业大学工程学院机械加工训练中心内进行。排杂风机试验台由 48kW（最高转速 2000r/min）拖拉机上装有的液压站提供动力。其他设备有转速测试仪（3402，日本 TACHO Hi Tester）、数码相机、量角器、卷尺、风速仪（读数精度 0.1 m/s）、风速风压仪(读数精度 0.1 m/s、1 Pa)等。2.1.2试验设计研究风机的结构参数和运动参数对于风机性能的影响，通过 3 组单因素试验得出风机的最佳性能参数。选取风机转速 n、风机进风口方式 e 和风机进风口面积 s 3个参数作为试验因素，因素与水平设计如表 2 所示。试验指标为距离出风口 50、150、300、500 mm 的风速，如图 7 所示，试验时在风机出风口选 5 个测量点，各点之间距离为 120 mm，每个点重复 6 次取平均值。表 2各试验因素与水平表Table 2Level and factors of experiment因素s.进风口面积/mm2水平n.风机转速/（r min-1）e.进风口方式轴向径向11100轴向(ei)左 16475右 191198538921400径向(ej)左 12442右 140437597431800左 8682右 8898599741.出风口2.距离出风口 50 mm3.距离出风口 150 mm4.距离出风口300 mm5.距离出风口 500 mm6.测量点距离轴心 80 mm7.测量 1 点8.测量 2 点9.测量 3 点10.测量 4 点11.测量 5 点图 7风机出风口风速测量示意图Fig.7Schematic of measurement on fan outlet velocity2.2风机特性试验结果与分析2.2.1轴向进风口单因素试验轴向进风口单因素试验结果如图 8 所示。随着风机转速的增高，其出风口风速逐渐增大；在 1 800 r/min，距增刊 1解福祥等：甘蔗收获机排杂风机设计与试验11注：s1 为 16 475 mm2，191 19 mm2，s2 为 12 442 mm2，14 043 mm2，s3 为 8 682 mm2，8 898 mm2。n1，n2，n3 分别为 1 100、1 400、1 800 r/min。图 8轴向进风口面积单因素试验结果Fig.8Single-factor test results of axial air inlet area离出风口为 50 mm 时，其风速最大；风机在相同转速下，进风口面积越大，风速越大；随着距出风口距离的增加，风速越来越小。由于本文设计风机主要是辅助排杂装置排出杂质，在距离出风口 150300 mm 处，经过后期试验表明能够满足要求，排杂效果比较显著，如图 8（a、b、c、d）所示。试验表明，当风机转速为1 800 r/min、进风口面积分别为 16 475 和 19 119 mm2、距离出风口为 50 mm 时，风速最大。其 5 个测量点的风速平均值依次为：13.867、14、11.633、11.333、12.383 m/s。2.2.2径向进风口单因素试验径向进风口单因素试验结果如图 9 所示。随着风机转速的增高，其出风口风速逐渐增大；在1 800 r/min，距离出风口为 50 mm 时，出风口风速最大；风机在相同转速下，进风口面积越大，出风口风速越大；随着距出风口距离的增加，风速下降越来越快，如图 9（a、b、c、d）所示。试验表明，当风机转速为 1 800 r/min，进风口面积为 85 389mm2，距离出风口为 50 mm 时，出风口风速最大。其 5 个测量点的风速平均值依次为：7.80、7.55、6.167、7.75、8.917 m/s。在距离出风口 150300 mm处，经过后期试验表明未能满足要求，此时风机风速较小，未有足够的风力将甘蔗叶吹出，排杂效果较差。2.2.3轴向与径向同时进风单因素试验通过轴向和径向单因素试验可知，轴向进风口为16 475、19 119 mm2和径向进风口为 85 389 mm2时，出风口风速最大。因此选择这 2 种进风口面积进行轴向和径向同时进风的单因素试验。轴向和径向同时进风单因素试验结果如图 10 所示。农业工程学报2012 年12注：s1 为 85 389 mm2，s2 为 75 974 mm2，s3 为 59 974 mm2图 9径向进风口面积单因素试验结果Fig.9Single-factor test results of radial air inlet area随着风机转速的增高，其出风口风速逐渐增大；在1 800 r/min，距离出风口为 50 mm 时，其出风口风速最大；随着距出风口距离的增加，风速越来越小，如图 10（a、b、c、d）所示。试验表明，当风机转速 1 800 r/min、距离出风口为 50 mm 时，出风口风速最大。其 5 个测量点的风速平均值依次为：11.433、12.95、8.833、11.483、9.30 m/s。在距离出风口 150300 mm 处，此时风机风速大小介于轴向进风和径向进风之间，经过后期试验表明虽能满足要求，但排杂效果没有轴向进风的排杂效果好，并且径向进风易使甘蔗叶缠入风机叶轮中。图 10轴向和径向同时进风单因素试验结果Fig.10Single-factor test results of axial and radial air inlet area3分析讨论根据试验台液压系统的参数，风机最大转速为1 800 r/min，,通过排杂试验表明，在此参数范围内，风机能够将杂质吹送出物流通道，效果比较显著，由于篇幅增刊 1解福祥等：甘蔗收获机排杂风机设计与试验13所限，将在下一篇论文中进行详细阐述。通过试验测得，风机中间点的风速比两端点的风速低，表明风机中部风压较低，风机出风口风速的均匀性尚有待改进。针对排杂风机的 2 种进风方式，通过试验测定，径向进风的出风口风速低于轴向进风的出风口风速，根据甘蔗排杂的要求，采用轴向进风方式较好。通过得到的试验结果，为下一步风机排杂装置试验做准备。4结论1）设计了一种甘蔗收获机排杂风机，并进行了性能试验。试验结果表明，随着风机转速的增高，其出风口风速逐渐增大。随着出风口距离逐渐增大，其出风口风速越来越小。在相同转速下，风机进风口面积越大，出风口风速越大。当风机转速为 1 800 r/min、进风口方式为轴向进风、面积为 16 475 和 19 119 mm2，距离出风口为50 mm 时，出风口风速最大。其 5 个测量点的风速平均值依次为：13.867、14、11.633、11.333、12.383 m/s。2）试验结果表明，轴向进风的出风口风速比径向进风的出风口风速大，经过后期排杂试验表明，采用轴向进风方式较好。参考文献1赵学笃，赵京华，黄向东，等.用于谷物复脱分离和清选的横流风机J.农业机械学报，1992，23(1)：3438.Zhao Xuedu,Zhao Jinghua,Huang Xiangdong.et.al.CrossFan for Grain Rethreshing Separation and CleaningJ.Transactions of the CSAM,1992,23(1):3438.(in Chinesewith English abstract)2陈次昌.横流式风机内部流动的研究J.农业机械学报，1995，26(4)：9094.Chen Cichang.Study of Internal Flow of A Cross FlowFanJ.Transactions of the CSAM.1995,26(4):9094.(inChinese with English abstract)3陈松年，吴刚，万培荪，等.喷雾机轴流风机系列设计J.农业机械学报，1990，(1)：4854.Chen Songnian,Wu Gang,Wan Peisun.et al.Design of AxialFlow Fan Series for SprayerJ.Transactions of the CSAM.1990,(1):4854.(in Chinese with English abstract)4骆大章，王占禄，刘文槐.农业环境控制用轴流通风机设计方法J.农业机械学报，1992，23(4)：4247.Luo Dazhang,Wang Zhanlu,Liu Wenhuai.Investigation onthe Designing Method Axial-Flow Ventilating Fan forAgricultural Environmental ControlJ.Transactions of theCSAM.1992,23(4):4247.(in Chinese with Englishabstract)5邱先钧.贯流风机在联合收割机中的应用及其设计J.农业工程学报，2003，19(1)：110112.Qiu Xianjun.Design and application of cross flow blower incombinesJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgricultural Engineering(Transactions of the CSAE).2003,19(1):110112.(in Chinese with English abstract)6王立军，蒋亦元，王业成.割前脱联合收获机吸运风机降耗J.农业工程学报，2010，26(7)：8790.Wang Lijun,Jiang Yiyuan,Wang Yecheng.Decreasingpower consume of fan in combine harvesterthreshing priorto cutting with air suctionJ.Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering(Transactions of theCSAE).2010,26(7):87 90.(in Chinese with Englishabstract)7丁问司，何祥滨.吸粮机三级离心风机内部流场的数值模拟J.农业工程学报，2011，27(11)：7884.Ding Wensi,He Xiangbin.Numerical simulation of internalflow field in three-stage centrifugal fan of grain suckerJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE).2011,27(11):7884.(in Chinese with English abstract)8汤楚宙，张小英，欧阳中和，等.离心 轴流组合式清粮风机的试验研究J.农业工程学报，2007，23(10)：117119.Tang Chuzhou,Zhang Xiaoying,Ouyang Zhonghe.et al.Experimental research on the combined centrifuge-aerofoilgrain cleaning fanJ.Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering(Transactions of the CSAE).2007,23(10):117119.(in Chinese with English abstract)9McCarthy,S G.The Integration of Sensory Control for SugarCane HarvestersD.University of Southern Queensland,2003:2431.10 周勇，区颖刚，彭康益，等.4GZ-56 型履带式甘蔗收获机的设计与性能试验J.农业机械学报，2010，41(4)：7578.Zhou Yong,Ou Yinggang,Peng Kangyi,et al.Design andexperiment of 4GZ-56 caterpillar sugarcane combineJ.Transactions of the CSAM,2010,41(4):7578.(in Chinesewith English abstract)11 Xie Fuxiang,Ou Yinggang,Liu Qingting,et al.Virtualexperiment on material flow simulation for whole stalksugarcane harvester.2011 International Conference onNew Technology of Agricultural Engineering,2011,5:185188.12 肖宏儒，王明友，宋卫东，等.整秆式甘蔗联合收获机降低含杂率的技术改进与试验J.农业工程学报，2011，42(11)：4245.XiaoHongru,Wang Mingyou,Song Weidong,etal.Experiments and technology improvement on reducing trashcontent of whole stalk sugarcane harvesterJ.Transactions oftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2011,42(11):4245.(inChinese with English abstract)13 廖平伟，张华，罗俊.我国甘蔗机械化收获现状的研究J.农机化研究，2011，(3)：2629.Liao Pingwei,Zhang Hua,Luo Jun.Study on the status ofsugarcane harvest mechanization in ChinaJ.Journal ofAgricultural Mechanization Research.2011,(3):2629.(inChinese with English abstract)14 梁阗，方锋学，王维赞.广西甘蔗机械化生产现状及对策探讨J.中国糖料，2011，(1)：7174.农业工程学报2012 年14Liang dian,Fang Fengxue,Wang Weizan.Production andcountermeasures of Guangxi sugarcane mechanization.SugarCrops of China.2011,(1):7174.(in Chinese with Englishabstract)15 区颖刚，杨丹彤.甘蔗主产区生产机械化的几个问题J.广西农业机械化，2010，(4)：810.Ou Yinggang,Yang Dantong.A few questions on sugarcanemechanizationofthemainproducingareas.GuangxiAgricultural Mechanization,2010,(4):810.(in Chinesewith English abstract)16 肖宏儒，王明友，李显旺.我国甘蔗机械化收获现状与技术途径研究J.中国农机化，2011，235(3)：1415.Xiao Hongru,Wang Mingyou,Li Xianwang.Study on the statusof harvest and technical ways of sugarcane mechanization inChinaJ.Chinese Agricultural Mechanization,2011,235(3):1415.(in Chinese with English abstract)17 罗亮.基于 CFD 分析的空调用贯流风机的优化设计D.华中科技大学，2007：1314.Luo Liang.The optimized design of cross-flow fans basedontheCFDanalysisD.HuazhongUniversityofScience&Technology,2007:13 14.(in Chinese withEnglish abstract)18 庞佑霞，唐勇，梁亮，等.贯流风机结构参数优化组合研究J.农业机械学报，2011，42(9)：102107.Pang Youxia,Tang Yong,Liang Liang.et.al.OptimumCombination of Structure Parameters of Cross Flow FansJ.Transactions of the CSAM,2011,42(9):102107.(inChinese with English abstract)19 王成芝，刘简，周天培，等.双风道贯流风机的试验研究J.农业机械学报，1989，(1)：2637.Wang Chengzhi,Liu Jian,Zhou Tianpei.et.al.A Researchon Cross Fan with Two Air Flow Out-letsJ.Transactionsof the CSAM.1989,(1):2637.(in Chinese with Englishabstract)20 Toffolo A,Lazzaretto A,Martegani A D.An experimentalinvestigation of the flow pattern within the impeller of across-flow fanJ.Experimental Thermal and Fluid Science,2004,29(1):5364.21 李庆宜.通风机M.北京：机械工业出版社，1981：175180.Design and experiment of impurity discharging fan of sugarcane harvesterXie Fuxiang,Ou Yinggang,Liu Qingting,Zou Xiaoping,Feng Jiamo(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,South China AgriculturalUniversity,Guangzhou 510642,China)Abstract:In order to solve the question of vent impurity of the sugarcane combine harvester,the new fan on the ventimpurity device of sugarcane harvester was designed,and experiments were carried out on the test-bed.The wind speedof outlet of impurity discharging fan was guide line,the single experiments were conducted to study in the followingfactors:the new fan speed,inlet mode and inlet area.The results show that the best parameters of impurity dischargingfan were respectively speed of fan was 1800r/min,inlet mode was the axial,inlet area were 16475,19119mm2anddistance of fan outlet was 50mm.The wind speed averages of the five measurement points were respectively 13.867,14,11.633,11.333,12.383m/s.In the optimal parameters were proved to be the best by experiment on the impuritydischarging fan.Key words:sugarcane,harvester,design,impurity discharging fan,experiment