PDF《4ZTL-1800 收获机惯性沉降分离室工作机理》

第24 卷第9期农业工程学报Vol.

24 No.9

108 2008 年9月Transactions of the CSAE Sep.

2008 4ZTL-1800 收获机惯性沉降分离室工作机理 王立军 1,2 ,蒋恩臣

3 ,李瑰贤

1 (1.哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨 150001;

2.东北农业大学工程学院,哈尔滨 150030;

3.华南农业大学工程学院,广州,510640) 摘要:为了进一步弄清 4ZTL-1800 气吸式割前摘脱稻(麦)联合收获机惯性沉降分离室的工作情况,该文利用高速摄像技术,对分离室内物料 运动状态进行试验和分析研究,并做了定量分析,揭示了籽粒沉降和轻物料初清的运动规律.研究结果为进一步提高惯性沉降分离室的工作效 率提供了理论依据. 关键词:收获机,机理,高速摄像,惯性沉降分离室 中图分类号:S225.4 文献标识码:B 文章编号:1002-6819(2008)-9-0108-03 王立军,蒋恩臣,李瑰贤.4ZTL-1800 收获机惯性沉降分离室工作机理[J]. 农业工程学报,2008,24(9):108-110. Wang Lijun, Jiang Enchen, Li Guixian. Working mechanism of inertia deposition separation chamber of 4ZTL-1800 harvester[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(9):108-110.(in Chinese with English abstract)

0 引?言4ZTL-1800 割前摘脱稻(麦)联合收获机研发了一套气流 吸运系统吸运由摘脱装置摘脱下的谷物[1-4] ,目前该系统处于中 试阶段.在该气流吸运系统的谷物惯性沉降分离室内物料的流 动属于气固两相流范畴.目前关于籽粒在惯性沉降分离室内的 运动规律的理论研究已见报道[5] ,但物料的流动比较复杂,并 且很难通过现有的测试手段实现对两相流动特征的精确测 量[4] ,本文通过高速摄像技术对惯性沉降分离室内物料运动进 行了试验研究,并作了定量分析.

1 试验设备与方案 1.1 试验设备与方法 鉴于高速摄像技术在农业机械中已广泛应用[6-9] ,本文根据 实际工作状态和实际拍摄工作的需要, 选用 V5.1 数字式高速摄 像机(1200 帧/s,4G,美国 Vision Research 公司)进行试验研 究,摄像机分辨率为 1024*1024,曝光时间是

100 ?s[10] .该摄 像机将瞬间发生的现象高速地拍摄下来,再将模拟图像转化为 数字化图像,存储到磁盘或存储模块,工作结束后根据需要进 行快、慢速重放,观察和分析动作的详细过程,配以图像处理 技术,获得定量的、准确的数据. 1.2 摄像区域 虽然高速摄像系统存储容量大,但分离室内对象较多,而 且生物体具有某些特征的相似性,易引起拍摄图片的复杂化, 对目标的识别与提取的难度大大增加[11] ,因此对分离室进行分 区拍摄.拍摄的

3 个区域大小为 0.35 m*0.35 m*0.5 m,如图

1 所示.其中

1 区用来观察籽粒沉降和气体夹带籽粒的过程;

2 区用来观察物料在惯性分离室中后部的运动过程;

3 区用来观 察籽粒和颖壳在隔板上涡流区内的运动过程. 收稿日期:2007-05-15 修订日期:2008-06-17 基金项目:国家自然科学基金(50675071) ;

哈尔滨市青年科技创新人才基 金;

东北农业大学博士启动基金 作者简介:王立军(1978-) ,女,黑龙江人,副教授,博士后,主要从事 农业机械研究.哈尔滨 哈尔滨工业大学机电工程学院,150001. Email: [email protected] 通讯作者:李瑰贤(1939-)女,教授,博士生导师,主要从事机械设计 及理论研究.哈尔滨 哈尔滨工业大学机电工程学院,150001. Email: [email protected] 图1分离室及室内拍摄位置示意图 Fig.1 Sketch map of separation chamber and test positions 1.3 试验参数 模型试验时通过调整风机风门的大小来调整流量,通过测 量获得分离室入口气体平均速度为 16.9 m/s.选取物料质量流 量为 0.01 kg/s,其中籽粒的平均粒径、密度和球形度分别为 3.282 mm、1200 kg/m3 和0.7,采取连续喂入的方式对分离室内 物料运动进行观察和分析. 拍摄频率的选择其实是采样密度的选择,是高速摄像的重 要参数.拍摄频率通常是根据目标最大运动速度来确定,作者 在进行分离室内籽粒沉降试验中选择拍摄频率为

1200 pps [5] .

2 结果与分析 利用高速摄像系统对全流场物料进行跟踪测量的方法,是 通过摄像系统在一定的时间间隔下拍摄并获得物料运动的系列 图像,通过同一物料在相邻两帧图像中的位置、位移和时间间 隔算出物料运动参数[12] . 对高速摄像图片的判读分析结果表明: 物料由输送带输送, 并在吸运气流的带动下经由分离室入口进入到分离室内.在隔 板的下方,谷物随气流向后流动,随着流经断面不断扩大,气 流速度不断降低,气流对谷物的携带能力下降,到达隔板的末 端时,大多数籽粒在重力和惯性力的作用下在分离室的中后部 沉降下来;

而飘浮系数大的物料,由于受气流向上较强曳力的 作用而向上运动. 1)在隔板前端,颗粒返混剧烈,籽粒流动比较紊乱,大部 分籽粒在分离室内运动一段时间后向下运动,但有少数籽粒运 动方向向上,形成局部旋流或脉动现象.一部分籽粒在分离室 中部(1 区)就已基本完成沉降.沉降到分离室底部的籽粒, 在隔板前端沉降前有两种典型的运动轨迹:第一,向后运动的 籽粒转向向前运动后开始沉降;

第二,籽粒一直向后运动直至 第9期王立军等:4ZTL-1800 收获机惯性沉降分离室工作机理

109 沉降,其运动轨迹分别如图

2 中1,2 所示. 图21区物料在隔板边缘附近区域的运动轨迹 Fig.2 Trajectories of grain near the fringe of separation board in the first area 图2中一直向后运动直至沉降的籽粒在水平方向的分速度 vx(方向向后为负) 、铅垂方向的分速度 vy(向上为正) ,以及 二者的合速度 v 随时间的变化规律如图

3 所示.此

图表明,在 开始时,虽然籽粒在气流的作用下向上运动,但自身的重力使 籽粒作减速运动,所以 vy 随时间的增加而减小.当籽粒向上的 运动速度降至零时,籽粒开始沉降,在自身重力的作用下又作 加速运动,vy 开始迅速增大,籽粒的速度迅速回升.从速度变 化曲线总的趋势看 vx 基本变化不大,当vy 大于 vx 时,vy 成为合 速度的主要因素,说明在此后阶段籽粒的合成运动主要是沿 Y 方向的运动.由速度数据分析可知速度变化范围为 0~6 m/s, 小于悬浮速度 9.8 m/s,籽粒处于减速沉降过程中.高速摄像观 察表明:籽粒速度 vy 为0时,并不代表籽粒停止了运动,而是 在跟踪位置上做旋转运动或作横向运动. 图31区籽粒沉降过程中速度与时间的关系 Fig.3 Relationship between velocity and time during grain depositing in the first area 2)2 区整体观察结果显示,在分离室中后部少数物料向上 运动,大多数籽粒向下沉降,中间存在一个过渡区,从籽粒轨 迹可以看出在该区域内流型复杂,籽粒流动混乱. 在分离室后部,气流的作用力逐渐减弱,有利于飘浮系数 较小的籽粒靠自身重力沉降,因此分离室下层空间后部是最有 效的沉降区域.图4中1和图

5 显示了籽粒与分离室后壁碰撞 后运动轨迹和速度的变化情况. 籽粒在自身重力的作用下,沿Y轴负方向的速度 vy 先保持 平缓而后逐渐增大;

籽粒沿 X 方向的速度 vx 先趋于平缓而后逐 渐减小,在二者合力的作用下,籽粒运动方向保持向下,速度 趋于平缓,呈匀速沉降. 3)飘浮系数较大的轻物料(颖壳和瘪粒) ,被气流带向分 离室上部,在分离室出口被风机吸出机外.气流携带颖壳的能 力很强,颖壳随气流运动的轨迹如图

2 中3和图

4 中2所示. 4)物料在涡流区及周边的运动情况如图

6 所示.观察显示 越接近隔板边缘,籽粒回流这一现象越明显. 图42区籽粒与分离室后壁碰撞后的沉降轨迹 Fig.4 Depositing trajectories of grain after colliding with the backwall of separation chamber in the second area 图52区籽粒与惯性分离室后壁碰撞后的速度变化 Fig.5 Relationship between velocity and time of grain after colliding with the backwall of separation chamber in the second area 图63区内物料在涡流区的运动轨迹 Fig.6 Trajectories of grain in eddy zone in the third area 由于流通截面的不规则变化,气流扰动强烈,使得物料与 物料、物料与壁面的碰撞作用增强,物料在涡流区的运动情况 有3种:第一,在涡流的作用下,一些不饱满籽粒和向出口运 动的颖壳产生一定速度的逆流运动,它们重新向分离室后部运 动,离开涡流区后在主流作用下继续向分离室的后上部运动;

第二,在分离室内主气流的作用下,少数颖壳进入涡流区;

第三,当有籽粒撞击到隔板上部时,落在涡流区内的籽粒,在涡 流作用下向隔板边缘作滑行运动,离开隔板后向下沉降,气流 的回流造成籽粒的轨迹有逆流趋势,分别如图

6 中轨迹 1,2 和3所示.尽管这一回流区........