切段甘蔗混合物的懸浮特性

袁成宇 區(qū)穎剛 劉慶庭 黃崢

摘要：顆粒懸浮速度是選用風(fēng)力清選與除雜方法的主要依據(jù)。切段甘蔗混合物主要包含蔗段、蔗梢和蔗葉，通過自制的測量裝置，對這3種成分的懸浮速度進(jìn)行分析與測量。結(jié)果表明：蔗葉懸浮速度隨著長度增加、含水量升高及寬度增加而提高；蔗梢的懸浮速度與蔗段的懸浮速度存在交叉，通過風(fēng)力除雜只能去掉蔗葉和部分蔗梢。試驗結(jié)果可為切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的除雜系統(tǒng)設(shè)計提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：懸浮速度；切斷甘蔗；混合物；除雜系統(tǒng)；風(fēng)力除雜

中圖分類號： S226.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0166-03

收稿日期：2016-02-17

基金項目：國家甘蔗產(chǎn)業(yè)體系專項基金（編號：CARS-20-4-1）。

作者簡介：袁成宇（1976—），男，湖南邵陽人，博士，副教授，主要從事甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化裝備研究。E-mail：ycy@hainu.edu.cn。

通信作者：區(qū)穎剛，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)研究。E-mail：ouying@scau.edu.cn。

混合物懸浮特性是確定除雜系統(tǒng)性能參數(shù)的重要依據(jù)，目前主要集中于水稻、小麥、油菜和蓮子等混合物的懸浮特性方面的試驗與分析。陳立等對油菜脫出混合物的空氣動力學(xué)特性進(jìn)行了研究[1-2]；陳翠英等利用Adams對油菜混合物在氣流中的運(yùn)動進(jìn)行了仿真[3]；王慶祝等對高速氣流中的農(nóng)業(yè)物料清選規(guī)律進(jìn)行了研究[4]；馬秋成等對蓮子混合物料各組分的空氣動力學(xué)特性進(jìn)行了理論分析與試驗，得出蓮仁、蓮殼、碎仁的懸浮速度變化范圍及合適的殼仁分離氣流速度范圍，并修正了蓮子物料的形狀系數(shù)[5]。從上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于混合物的懸浮特性研究主要集中于小尺寸顆粒及懸浮狀態(tài)易于判斷的對象[6-7]，而對于尺寸較大的甘蔗混合物的懸浮特性研究較少[8]。另外，由于切段甘蔗混合物的懸浮特性對切段式甘蔗收割機(jī)除雜系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化具有積極意義，因此本研究利用自制的測量裝置對切段甘蔗混合物的懸浮速度進(jìn)行研究，以期能為切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)除雜系統(tǒng)的設(shè)計提供一定理論參考。

1試驗材料

經(jīng)收割機(jī)切斷裝置切斷后的甘蔗混合物主要含有蔗段、蔗梢、蔗葉及少量泥土、沙石，在本研究中不考慮泥土、沙石，只對蔗段、蔗葉與蔗梢進(jìn)行測量。試驗樣品取自廣東省湛江市廣前農(nóng)機(jī)股份有限公司試驗基地，為成熟期新臺糖22號。甘蔗采樣方法按照GB/T5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》中的5點(diǎn)法隨機(jī)抽取整個甘蔗樣本，蔗樣均高 2.693 m，每株蔗葉11.6張，葉片均長1.41 m，蔗葉樣品取蔗葉中部約1 m長范圍制作，根據(jù)不同的試驗條件，將蔗葉剪成一定尺寸的長方形樣品并壓平，其含水量為7113%～75.58%，厚度為0.25～0.46 mm，密度為0.89～142 t/m3。蔗段樣品忽略蔗節(jié)直徑變化，采用的尺寸為長25.0 mm，直徑分別為10.0、12.5、15.0、17.5、20.0 mm，其含水量約為 77.41%，密度為2.73 t/m3。由于切段的隨機(jī)性，蔗梢形式多樣，這里按相關(guān)研究取6種蔗梢樣品，長度為 250 mm，直徑最大處為18 mm，其中蔗梢莖占總長25%的為1號樣品，蔗梢莖占總長40%的為2號樣品，蔗梢莖占總長55%的為3號樣品，蔗梢莖占總長70%的為4號樣品，蔗梢莖占總長85%的為5號樣品，無蔗葉的為6號樣品。蔗梢樣品的平均密度為1.33～2.46 t/m3，平均含水量為 73.91%～79.14%。

2懸浮速度測試裝置與測量儀器

2.1懸浮速度測試裝置

如果蔗葉較輕、懸浮速度較低，采用圖1-a所示裝置測量；如果蔗段、蔗梢的懸浮速度較大，且懸浮狀態(tài)不易判斷，采用圖1-b所示裝置測量。

2.2測量儀器

風(fēng)速儀為德國Testo公司的Testo405-V1手持式測速儀，測量范圍為0～20 m/s，精度為0.01 m/s；稱質(zhì)量計最大量程為10 kg，精度為0.1 g；甘蔗混合成分的幾何尺寸采用游標(biāo)卡尺測量；測力計顯示的為電子數(shù)據(jù)，精度為0.01 N。

3測試裝置的可靠性分析

由于是自制懸浮速度裝置，首先應(yīng)分析裝置是否滿足試驗要求。驗證方法采用截面等面積同心圓環(huán)取點(diǎn)原理，沿氣流方向共取5個截面，截面1在物料網(wǎng)上10 cm，各個截面距離為20 cm，每個截面從左至右分別為測點(diǎn)1至測點(diǎn)7，各個截面上風(fēng)速的測量結(jié)果見表1。

由表1中各截面的均值與標(biāo)準(zhǔn)誤差數(shù)據(jù)可知，試驗裝置滿足懸浮速度試驗的測量要求。

4試驗方法

4.1蔗葉懸浮速度測量方法

利用圖1-a所示裝置測量蔗葉懸浮速度，將樣品置于物料網(wǎng)中央位置，調(diào)節(jié)變頻器使蔗葉在氣流作用下進(jìn)入測量區(qū)并保持蔗葉在該段內(nèi)懸浮，標(biāo)記蔗葉懸浮位置、變頻器讀數(shù)；取出樣品后，再將變頻器調(diào)至相同的讀數(shù)，根據(jù)蔗葉高度標(biāo)記位置，測量相應(yīng)截面的風(fēng)速，即為樣品的懸浮速度，每個樣品在同一條件下測量3次，取3次平均值作為測試結(jié)果。

4.2蔗段、蔗梢懸浮速度測量方法

采用圖1-b裝置進(jìn)行測量，測量原理為：不計滑輪摩擦力及細(xì)線質(zhì)量，當(dāng)氣流速度為零時，被測物重量等于測力計讀數(shù)，即G=F（G為被測物重量，F(xiàn)為測力計讀數(shù)）；當(dāng)氣流速度達(dá)到某一數(shù)值時，測力計讀數(shù)為零，即G=FD（FD為流體作用力），可認(rèn)為被測物達(dá)到懸浮狀態(tài)，此時對應(yīng)的氣流速度為被測物的懸浮速度。由于未達(dá)到懸浮態(tài)前在垂直方向上被測物一直保持靜止，因此根據(jù)流體作用力的計算公式（1）可求出不同風(fēng)速下對應(yīng)的流體作用力：

[JZ（]FD=0.5CAρ（u-v）2。[JZ）][JY]（1）

式中：C為阻力系數(shù)，取0.44；u為氣流速度對應(yīng)的變頻器頻率，Hz；v為被測物速度，因為靜止而取零；ρ為氣流密度，kg/m3；A為顆粒有效迎風(fēng)面積，m3。當(dāng)F等于零時，由FD=G可以算出被測物的理論懸浮速度：

[JZ（]ux=u=（[SX（]2aCAρ[SX）]）0.5。[JZ）][JY]（2）

顯然，從式（2）可知，被測物的懸浮速度只與其重量、有效迎風(fēng)面積有關(guān)。由于式（1）中的流體作用力FD、氣流速度u、迎風(fēng)面積A都可測，因此測量的氣流速度與計算的氣流速度存在相等或相近關(guān)系，則證明公式（2）計算的懸浮速度可信。

5結(jié)果與分析

5.1蔗葉懸浮速度結(jié)果與分析

5.1.1葉長對與懸浮速度的影響試驗樣品參數(shù)：蔗葉寬40 mm，厚0.41 mm，含水量73.38%，先測長250 mm樣品，再分別修剪為200、150、100、50 mm樣品進(jìn)行測量。從圖2可以看出，隨著蔗葉長度的增加，懸浮速度逐漸增大，其變化趨勢可擬合為三次多項式：y=-0.028 3x3+0.326x2-0.727x+2.312，r2=0.991 2。

[TPYCY22.tif][FK）]

5.1.2葉寬對懸浮速度的影響試驗樣品參數(shù)：蔗葉長 250 mm，平均厚度0.34 mm，含水量72.76%，先量取寬度為43 mm的樣品，再將其逐步修剪為寬39、35、31、27 mm的樣品進(jìn)行測量。從圖3可以看出，隨著蔗葉寬度的變大，懸浮速度逐漸變小，其變化趨勢可擬合為三次多項式：y=0.006 7x3-0.019x2-0.216x+4.534，r2=0.992 4。

5.1.3含水量與懸浮速度的關(guān)系試驗樣品參數(shù)與處理方法：蔗葉長250 mm，寬42 mm，厚0.44 mm，經(jīng)過浸泡處理的初始含水量為81.17%，經(jīng)過不同時間的烘干分別可獲得 73.65%、66.51%、59.21%、52.08%的含水量，烘干過程中用膠帶黏住樣品防止幾何尺寸發(fā)生變化。從圖4可以看出，隨著含水量的減小，懸浮速度逐漸減小，其變化趨勢可以擬合為二次多項式：y=-0.109 3x2-0.143x+5.062，r2=0.990 9。

[TPYCY33.tif][FK）]

[FK（W10][TPYCY44.tif][FK）]

5.2蔗段蔗梢懸浮速度結(jié)果與分析

將樣品水平置于流場中，在輔助拉線的作用下保持靜止，調(diào)節(jié)變頻器，分別讀取頻率為20、30、40、50 Hz時測力計的相應(yīng)讀數(shù)，通過式（1）計算相應(yīng)的氣流速度，再測量相應(yīng)的氣流速度，驗證式（1）的可信度。按圓環(huán)等面積求平均值，當(dāng)變頻器頻率分別為20、30、40、50 Hz時，風(fēng)速uc分別為3.96、578、7.51、9.49 m/s。表2為利用公式（1）計算的氣流速度，利用公式（2）計算的蔗段懸浮速度ux。

從氣流速度uj和表2可以看出，利用公式（1）計算的各頻率對應(yīng)的平均風(fēng)速uj與各頻率下實測風(fēng)速uc有一定偏差且計算值比實測值大，但屬于可接受范圍，且標(biāo)準(zhǔn)誤差都較小，認(rèn)為通過公式（1）、公式（2）計算的氣流速度uj、懸浮速度ux具有較好的可信度。

5.3蔗梢懸浮速度結(jié)果與分析

測量蔗梢的懸浮速度時，由于蔗葉的影響，有效迎風(fēng)面積須通過分塊切割計算（將其視為圓臺和幾個矩形塊分別計算后再累加），直徑采用等體積直徑，以得出的蔗梢速度計算us、理論懸浮速度ux。

從表3可以看出，利用公式（1）計算的各頻率對應(yīng)的平均風(fēng)速與各頻率下實測風(fēng)速也有一定偏差，但同樣處于可接受范圍，可認(rèn)為可信。對比表2，由計算的懸浮速度可知，6號蔗梢懸浮速度為19.68 m/s，分別大于直徑為10.0、12.5 mm蔗段的懸浮速度17.61、19.60 m/s。同時，從公式（2）可變形得ux=（[SX（]πρkDg2Cρ[SX）]）0.5（ρk為被測物密度，kg/m3；D為直徑，m），只要蔗梢的密度與直徑的乘積大于蔗段密度與直徑的乘積，對于相同長度的蔗段、蔗梢，蔗梢的懸浮速度就大于蔗段的懸浮速度。因此可知：風(fēng)力可清除蔗葉，由于蔗梢與部分蔗段的懸浮速度存在重疊，故無法有效清除全部蔗梢。

6結(jié)論

蔗葉的長度、寬度及含水量變化都對蔗葉懸浮速度產(chǎn)生影響，隨著葉長增加，懸浮速度提高，其變化趨勢可擬合為三次多項式；隨著葉寬減小，懸浮速度提高，其變化趨勢也可擬合為三次多項式；隨著含水量增加，懸浮速度提高，其變化趨勢可擬合為二次多項式。通過理論公式計算的蔗段和蔗梢懸浮速度具有較好的可信度。由本研究還可知，通過風(fēng)力作用可以除去蔗葉、部分蔗梢，對懸浮速度較大的蔗梢則無法有效清除，否則會造成甘蔗損失。

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