袁成宇+區(qū)穎剛+劉慶庭+黃崢+周紹鵬+梁宇達(dá)

摘要：通過自制的測試裝置，借助高速攝像對垂直管流中的蔗葉松弛時間進(jìn)行研究。結(jié)果表明，蔗葉松弛時間隨蔗葉長度增加逐漸降低，隨氣流速度的增大，蔗葉松弛時間逐漸減小。

關(guān)鍵詞：松弛時間；垂直流場；蔗葉；懸浮速度；高速攝像

中圖分類號： S225.5+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0197-02

當(dāng)一個質(zhì)量為m的球形顆粒以初速度為0的狀態(tài)進(jìn)入速度為u的流場中時，由于流體與顆粒之間會進(jìn)行動量交換，顆粒將在一定時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定輸送狀態(tài)，由速度為0到流場中穩(wěn)定狀態(tài)的這一時間即為顆粒松弛時間，它是評價顆粒進(jìn)入氣流后能否快速跟隨氣流一起運動的重要參數(shù)，是判斷顆粒在氣流輸送中穩(wěn)定性與輸送難易的主要依據(jù)[1-3]。蔗葉在氣流輸送中的松弛時間是判斷其能否快速跟隨氣流運動并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的重要依據(jù)，對切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)除雜系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化有較好的指導(dǎo)作用。

現(xiàn)有研究主要對蘿卜、荔枝、馬鈴薯、蘋果、牧草、醬牛肉和番茄等固體物料的應(yīng)力松弛特性進(jìn)行初步研究。如張洪霞通過蘿卜的應(yīng)力松弛試驗，得出蘿卜在不同加載速率、不同方向取樣時的流變學(xué)參數(shù)，從而得出應(yīng)力松弛曲線[4]。郭文斌等通過對馬鈴薯的應(yīng)力松弛試驗，獲得不同壓深、不同面積下應(yīng)力松弛參數(shù)和曲線，確定馬鈴薯整體壓縮時應(yīng)力松弛為五元件廣義麥克斯韋模型[5]。蔣志林等對荔枝進(jìn)行了不同試驗條件的壓縮應(yīng)力松弛和損傷統(tǒng)計試驗，確定荔枝應(yīng)力松弛模型并分析試驗因素對模型參數(shù)和荔枝損傷的影響等。馬龍等以多個品牌醬牛肉為試樣，從應(yīng)力松弛試驗中獲得力學(xué)-流變學(xué)性質(zhì)參數(shù)，認(rèn)為五元件麥克斯韋模型適合醬牛肉的應(yīng)力松弛現(xiàn)象[6]?，F(xiàn)有應(yīng)力松弛特性研究主要集中于黏彈性固體物料的壓縮試驗，鮮見有關(guān)顆粒在流體中的松弛特性的研究[4，7]。因此，本試驗借助高速攝影系統(tǒng)對蔗葉在氣流輸送過程中的松弛時間進(jìn)行初步研究，以期為切段式甘蔗收獲機(jī)除雜系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供理論參考[8]。

1材料與方法

1.1材料

蔗葉樣品為收獲期的自然態(tài)蔗葉，品種為新臺糖22號，取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)寧西試驗基地。取蔗葉中部約100 cm長范圍進(jìn)行樣品定制，將蔗葉修剪成寬度為4 cm，長度分別為5、10、15、20、25 cm的長方形樣品并壓平，樣品的平均含水率為71.22%，平均厚度為0.036 cm，密度為0.93 g/cm3。

1.2試驗裝置

蔗葉松弛時間測試系統(tǒng)如圖1所示，主要包含高速攝影系統(tǒng)和蔗葉加速與懸浮裝置，該裝置主要由直徑為0.4 m、高2.5 m的有機(jī)玻璃管7、風(fēng)機(jī)2、整流裝置3以及單相變頻器等組成，其中風(fēng)機(jī)2最大速度為11 m/s，D為變頻器，變頻器調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz。高速攝影系統(tǒng)由德國Optronis公司生產(chǎn)的CR600×2型高速攝像機(jī)和自帶的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其記錄的頻率最高為6 500幀/s（FPS），記錄容量為 4 GB。本次測試采用的記錄頻率為500 FPS，即1 s拍攝500張圖片，相鄰圖片的時間間隔為0.002 s，像素為1 280×1 024，采用傳統(tǒng)的黃光碘鎢燈照明。風(fēng)速的測量采用德國Testo公司生產(chǎn)的手持式testo405-V1測速儀，其測量范圍為0～20 m/s，精度為001 m/s，蔗葉幾何尺寸采用游標(biāo)卡尺測量，蔗葉質(zhì)量采用電子稱質(zhì)量計測量，其范圍為0～10 kg，精度0.000 1 kg。

1.3測量方法

由于蔗葉長、寬、厚3個方向尺寸相差較大，其空間姿態(tài)也時刻變化，所以其在流場內(nèi)受到的流體作用力也不穩(wěn)定，蔗葉在整個上升過程中較難處于穩(wěn)定狀態(tài)，此次試驗得出的松弛時間為每一樣品5次試驗中的最小值。根據(jù)松弛時間的物理意義可知，蔗葉從零速首次達(dá)到穩(wěn)定速度所需的時間即為松弛時間，據(jù)此先調(diào)節(jié)好高速攝影鏡頭與測試樣品所處豎直平面間的距離，啟動高速攝影數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的同時使蔗葉開始加速上升，拍攝從靜止進(jìn)入穩(wěn)定輸送狀態(tài)的過程圖片序列，再將序列圖片導(dǎo)入軟件Image-pro-plus中進(jìn)行對象標(biāo)定，利用軟件自動計算相鄰2圖片間蔗葉運行的速度，直到連續(xù)出現(xiàn)3次計算的相鄰速度值基本保持不變，則認(rèn)為蔗葉達(dá)到松弛狀態(tài)，再將首次出現(xiàn)此速度前所有時間累加視為蔗葉的松弛時間，用公式表達(dá)即

式中：τ為松弛時間；n是蔗葉速度首次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時對應(yīng)的圖片序列數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1測試裝置精度分析

由于為自制的加速與懸浮裝置，先驗證測試裝置內(nèi)部流場的均勻性是否滿足測試要求。采用同心圓環(huán)等面積原理在玻璃圓管測量段上截取等距的5個截面，其中截面1距物料網(wǎng)10 cm，截面間隔為20 cm，每個截面沿直徑取7個測點，各個截面上風(fēng)速的測量結(jié)果如表1。

從表1的風(fēng)速均值可看出，隨著截面位置的上升，由于沿程摩擦的影響，風(fēng)速逐漸變小且趨勢平緩，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差可以看出各個截面上各測點的速度波動不大。由以上數(shù)據(jù)分析可知，試驗裝置基本滿足蔗葉流場加速與懸浮的測量要求。

2.2不同長度蔗葉的松弛時間變化規(guī)律

以頻率代替氣流速度的大小，當(dāng)變頻器示數(shù)分別為25、31、37、43、49 Hz時，蔗葉長度與松弛時間的關(guān)系如圖2所示，從圖2可以看出，在同一氣流場中，隨著蔗葉長度的增大，松弛時間逐漸減小，說明在一定范圍內(nèi)，蔗葉越長，松弛時間越短，蔗葉能在越短的時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定輸送狀態(tài)。但蔗葉在 15～25 cm范圍內(nèi)，松弛時間的變化比較平緩，說明蔗葉切段達(dá)到一定長度范圍后，長度的變化對進(jìn)入穩(wěn)定輸送狀態(tài)的時間影響弱化。

2.3不同速度下蔗葉松弛時間的變化規(guī)律

同樣以變頻器的頻率代替氣流速度，測試樣品的原始長度為25 cm，當(dāng)測完其松弛時間后再剪去5 cm，即修剪為長度為20 cm的樣品，測試后再剪去5 cm，以此類推直至完成 5 cm 長的樣品試驗，測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，對同一長度的蔗葉樣品，當(dāng)氣流速度增大時，蔗葉松弛時間變小，但變化趨勢相對比較平緩。風(fēng)速處于37～49 Hz范圍時，風(fēng)速的變化對蔗葉松弛時間影響不明顯，說明在此范圍內(nèi)的蔗葉松弛時間受風(fēng)速影響不大。因此在切段式甘蔗聯(lián)合收獲時，除雜風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，蔗葉進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)越快，蔗葉可在極短的時間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定輸送狀態(tài)，也就越有利于蔗葉的清除，但在氣流速度較高時，氣流速度的變化對松弛時間影響已經(jīng)不大。

3結(jié)論

利用自制的測試裝置，借助高速攝影裝備獲取蔗葉在垂直流場中運行的序列圖像，通過對圖像處理獲得流場中的蔗葉松弛時間的變化規(guī)律。在同一氣流速度中，隨著蔗葉長度的增加，松弛時間逐漸減?。粚ν粠缀纬叽绲臏y試樣品，當(dāng)氣流速度增加時，蔗葉松弛時間變短。在切段甘蔗混合物除雜時，高速氣流條件下，蔗葉能更快進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)，輸送更容易；在一定長度范圍內(nèi)，蔗葉越長，松弛時間越短，則蔗葉越容易達(dá)到穩(wěn)定輸送狀態(tài)，但隨著蔗葉長度的增加，葉長的變化對其松弛時間的影響減弱。

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