【摘要】：目前,我國的甘蔗種植面積約為150萬hm~2,位居世界第三。2014~2015年度,我國的甘蔗生產(chǎn)綜合機械化水平為48.7%,但甘蔗種植機械化水平僅約為2.0%,甘蔗收獲機械化水平僅約為0.7%。由于國家農(nóng)村城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略造成勞動力大量轉(zhuǎn)移,甘蔗行業(yè)出現(xiàn)了嚴重的勞力缺口,因此,發(fā)展甘蔗生產(chǎn)全程機械化技術(shù)顯得尤為重要,本文開展切段式甘蔗聯(lián)合收割機排雜系統(tǒng)的研究對促進甘蔗機械化技術(shù)的健康發(fā)展有積極意義。通過文獻可知,目前國內(nèi)外有關(guān)甘蔗機械化技術(shù)的研究主要集中于甘蔗聯(lián)合收割機的扶起裝置、切割器以及剝?nèi)~裝置等方面的研究,而在甘蔗收獲過程中的排雜問題很少涉及,基于目前切段式甘蔗收獲含雜率高、功耗大等不足,本文就下面幾個方面開展了相關(guān)研究:(1)分析設(shè)計了4GDL-91切段式甘蔗收割的風選排雜系統(tǒng)。通過計算得出二級輸送的最大輸送能力為16.07kg/s;在轉(zhuǎn)速分別為400r/min、500r/min、600r/min、700r/min和800r/min時,風機選定入口截面的平均體積流量為3.054m~3、4.026 m~3、5.261 m~3、5.987 m~3和6.789 m~3,風機選定出口截面的平均體積流量為2.611 m~3、3.203m~3、4.053 m~3、4.680 m~3和5.416 m~3。計算確定傾斜安裝的二級輸送頂端與風機葉輪中心徑向距離為26.5cm,二級輸送裝置頂端與風機葉輪最下端之間的垂直距離為60cm。(2)利用Fluent流體仿真軟件對軸流風機在不同轉(zhuǎn)速的流場進行仿真。通過對選定截面上的風速、壓力的分布規(guī)律分析可知,當轉(zhuǎn)速不變時,隨著截面位置的上移,各個截面上的平均風速逐漸增大;隨著風機轉(zhuǎn)速增加,風機內(nèi)靜壓負壓值也逐漸變大,但沿葉輪半徑變化引起的靜壓負壓值呈不規(guī)則變化分布。通過比較,發(fā)現(xiàn)風機內(nèi)部風速和負壓的實際變化規(guī)律與相應(yīng)的仿真結(jié)果類似,但離葉輪越近,實測結(jié)果與仿真結(jié)果誤差越大。(3)對切段甘蔗混合物主要成份的懸浮特性進行分析與試驗。試驗結(jié)果表明:蔗葉長度、寬度、含水率和空間姿態(tài)角對蔗葉最小懸浮速度都產(chǎn)生較大影響,其變化規(guī)律為隨著蔗葉長度增加,懸浮速度增大,隨著蔗葉寬度增大,懸浮速度下降,隨蔗葉含水率增加,蔗葉懸浮速度增加,隨蔗葉空間姿態(tài)角增大,蔗葉懸浮速度增加,且含水率和空間姿態(tài)角是影響蔗葉懸浮速度的主要因素。通過蔗梢、碎蔗和蔗段最小懸浮速度的測量可知:碎蔗和蔗梢的最小懸浮速度存在交叉現(xiàn)象,蔗梢與部分小蔗段的最小懸浮速度存在交叉區(qū)域,故僅通過氣流排雜方式不能完全除去甘蔗混合物中的蔗梢。通過蔗葉群的懸浮特性試驗可知,當蔗葉長度超過10cm時,蔗葉群無法穩(wěn)定懸浮輸送,含水率較低的蔗葉群具有相對較好的懸浮輸送效果,旋風輸送方式要比平行輸送方式下的輸送效果好。(4)通過高速攝影獲取流場內(nèi)蔗葉的應(yīng)力松弛特性與滑移特性。在氣流速度不變時,隨著蔗葉長度的增加,松弛時間逐漸減小,但蔗葉從15cm遞增到25cmcm時,蔗葉長度變化對松弛時間的影響明顯弱化。當葉長不變時,隨著氣流速度的增大,蔗葉松弛時間變短,但變化趨勢相對比較平緩。通過蔗葉滑移率試驗可知:在氣流速度不變時,隨著蔗葉長度的增大,蔗葉在流場內(nèi)的的理論滑移率增大,實際滑移率也逐漸增大,同時發(fā)現(xiàn)實際滑移率基本都大于理論滑移率。(5)通過對蔗葉和蔗梢在垂直氣流場內(nèi)的受力分析,建立了蔗葉的動力學(xué)方程和蔗梢動力學(xué)方程,并引入無量綱分析方法對蔗梢運動學(xué)方程進行求解,分別得到以運行速度和時間為參數(shù)以及以輸送距離和運行速度為參數(shù)的兩種表達式。(6)對流場內(nèi)運行的蔗葉進行高速攝影分析。結(jié)果表明:吹送輸送排雜時,蔗葉的運動以簡單變速直線運動為主,當流場不均或與器壁碰撞時則表現(xiàn)為較復(fù)雜的空間運動。吸風輸送排雜氣流場時,無論從正面拍攝、側(cè)面拍攝還是從下面拍攝,拍攝的蔗葉運動軌跡大部分表現(xiàn)為復(fù)雜的空間螺旋上升運動。(7)以蔗葉含率、蔗梢含率和排雜率為檢驗指標,通過正交試驗可知:風機轉(zhuǎn)速(A)、輸送速度(B)、輸送量(C)、和切段長度(D)以及風機轉(zhuǎn)速和二級輸送速度的交互作用對蔗葉含率產(chǎn)生顯著影響,得到影響蔗葉含率的最佳試驗組合為A3B3C2D1,排雜率最佳試驗組合為A2B3C2D1,蔗梢含率的最低的試驗組合為A3B3C3D3或A3B3C3D1。通過AB雙因素試驗,得到最佳組合A3B3C2D2時的蔗葉含率最低為0.87%,A3B1C2D2組合時蔗梢含率最低為7.02%,A2B3C2D2組合時排雜率最高為17.09%。通過AC雙因素試驗,得到A3B2C3D2組合時排雜率最高為17.54%。通過BC雙因素試驗,得到A2B3C3D2組合的排雜率最高為16.01%。通過單因素試驗可知:蔗梢含率隨風速和切段長度增大而減小;隨輸送量增加先減小,再增大,再減小;隨輸送速度增大先增大、再減小再增大。而排雜率κ隨風速增大而增大,再減小,再逐漸增大;隨切段長度增大而減小,再增大;隨著輸送速度增大而增大。
【圖文】：

1.1（c）為廣州科利亞農(nóng)機股份有限公司與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同研制的 4GZ段式甘蔗聯(lián)合收割機，圖 1.1（d）為廣西農(nóng)機研究院 2008 年研制的 4GZQ式甘蔗聯(lián)合收割機。目前，切段式甘蔗聯(lián)合收割機在巴西、澳大利亞、美國糖大國廣泛使用，是技術(shù)較為成熟和生產(chǎn)效率比較穩(wěn)定的甘蔗收割機具(葉2009；梁偉等，2011)。(a)河南坤達整稈聯(lián)合收割機 (b)廣西云馬泰緣整桿收割機

統(tǒng)采用兩級排雜方式進行，一般在切段裝置后設(shè)置大排雜風機，在輸送臂末端設(shè)置小排雜風機，如CASE7000以上系列甘蔗聯(lián)合收割機、約翰迪爾甘蔗聯(lián)合收割機、廣西農(nóng)機院研制的4GZQ-260甘蔗聯(lián)合收割機等均采用這種配置形式，其配置方式見圖1.2。當采用軸流風機與貫流風機配合時，一般將貫流風機設(shè)置在輸送裝置末端下部，一級軸流風機則設(shè)置在輸送裝置末端的上部，二級排雜軸流風機安裝在輸送臂末端，，如Classcc 1400就屬于此類；也有部分甘蔗聯(lián)合收割機只有一級軸流風機排雜，將軸流風機安裝在切段裝置后面。如日本文明農(nóng)機株式會社的HC50-NN、廣州科利亞公司與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的4GZ-91型在切段裝置出口處上方安裝大型軸流風扇，下方安裝小型貫流風機，見圖1.3。另外約翰迪爾CH330收割機、凱斯系列4000型甘蔗聯(lián)合收割機、廣西農(nóng)機研究院的4GZQ-120以及華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獨立研制的4GDL-91型甘蔗聯(lián)合二 級 軸 流 風 機一級軸流風機
【學(xué)位授予單位】：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S225.53

【參考文獻】

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本文編號：2685701