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 经济

基于Flo-EFD采棉机采头负压流场分析

发布时间:2020-05-29 点击: 来源:工业工程
我国是棉花生产大国,仅新疆棉花,自1949年种植面积就不断扩大,到2005年生产面积达到1743.8万亩,分别占全国和世界棉花产量的35%和8%[1-2]。随着种植面积的不断扩大,人工采棉也因效率低、成本高等缺点已不再适应棉花生产大发展的需要,因此加快我国自动化采棉机的研发与使用已势在必行。
气力输送系统对各行各业的发展均有着重要的影响,在农业机械化领域气力式采棉机更以其低损伤、高质量的采棉效果,在国内外采棉机研究、设计中得到了广泛应用[3-4]。国外对采棉机气力输棉系统的研究开展得比较成熟,以凯斯系列采棉机为例,其优良的工作性能在行业内首屈一指。在国内新疆是最早有条件率先实现包括机采棉在内棉花生产机械化的地区,但对气力输棉系统的研究还处于研制与试生产阶段[5-6]。杨红杰[7]对统收式气力采棉机风送系统进行了相关研究,提出利用气体高速射流且产生负压的特点,在完成输送的同时清除棉桃、棉杆等密度较大杂质;王贤斐[8]根据梳齿式采棉机输棉系统的工作原理[收稿日期:
基金项目:河北省巨人计划创新团队及领军人才项目“棉花品种创新与产业化”
作者简介:尹双双(1990-),男(汉族),河北保定人,硕士研究生,E-mail: 2356279617@qq.com,13933255734
通讯作者:姜海勇(1978-),男,河北沧州人,副教授,硕士生导师,E-mail: jianghaiyong@hebau.edu.cn,0312-7918304]对采棉机风机的风速与风管的尺寸进行了优化设计,以较小风送过程中对棉纤维的破坏,提高皮棉等级;田虎楠[5]运用有限元分析和气固两相流理论,将棉花等效成等质量的刚性颗粒,对气力输棉系统进行结构设计和改进。
本文以凯斯六行采棉机的输棉系统为参照进行研究。由于整机幅宽较大,风机管路和输棉管均安装在驾驶室下方相对狭窄的空间。管路布局紧凑,采头进气喷管有后进和侧进两种形式,生产中发现侧进气管路发生堵塞的故障率相对较高,考虑到进气管路走向对输棉效果的影响。根据棉花质地柔软、蓬松,孔隙间具有一定连通性的物理特性[9],采用多孔介质的理论对其进行等效,基于Flo-EFD软件,在不同进气方向下,改变多孔介质长度尺寸等参数,分析介质两端流速、压力的分布情况以说明管路布局对采棉机输棉效果的影响。
1  材料与方法
1.1  气力输棉系统的工作原理
采棉机在工作过程中,棉花通过采头处的梳齿将籽棉“摘”下,送达采棉室,此时从鼓风机吹出的正压气流经输棉管道的射流口高速射出,在射流口附近的管道内部形成“涡流真空区”,采棉室内的籽棉依靠负压吸力被吸入输棉管道,后随着管道内压力逐渐变为正压,籽棉被风吹入集采箱中[10-11]。
籽棉在输送过程中,自身或与输棉管壁之间会产生一定的摩擦,采棉机达到一定的采摘量,摩擦力超过负压区对籽棉产生的吸取力就极易发生堵塞,需要暂停作业,人工进入管道内进行疏通。这极大的影响了采棉机的工作效率,因此考虑不同进气方向对采棉机采头负压流场分布的影响,有利于采棉机的优化与改进,并为我国采棉机的研制提供一定的参考。
1.2  多孔介质的控制方程与参数选择
采棉机作业过程中,气流经过拉瓦尔喷管在
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