CN107219135A - 一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法 - Google Patents

一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种振动筛过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，包括力学试验和碰撞试验两部分，首先进行力学实验，再进行碰撞试验。以蝇蛆为试验对象，首先通过力学试验分析得到蝇蛆极限作用力的大小，然后设计了一款自制碰撞试验装置，通过高速图像采集系统，通过将光滑落料板设置为水平状态时，测定最初条件下的最大下落高度，在此高度的限定条件下，将光滑落料板调节为45°，进行碰撞试验，通过高速摄像记录的数据，最终得到蝇蛆的恢复系数。该方法对农业工程领域以及材料工程领域的相关研究都具有十分重要的现实意义，尤其对利用振动筛分离蝇蛆与固体畜禽粪混合物的分离问题具有重要的应用价值。

Description

一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法
技术领域
本发明涉及农业物料振动筛分处理技术领域，尤其是在筛分过程中蝇蛆的运动学问题，具体涉及一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法。
背景技术
利用固体畜禽粪便养殖蝇蛆具有巨大的市场前景，该新兴养殖行业不仅可以解决固体畜禽粪便直排入水对环境造成的严重污染问题，而且可以解决目前畜禽养殖业急需解决的饵料问题。目前提出了一种利用振动筛进行蝇蛆与培养基的振动筛分分离方法，但是在研究利用振动筛筛分蝇蛆和固体畜禽粪便混合物的时候，首先要考虑到的就是蝇蛆在振动筛分过程中的力学和运动学问题。
在农业物料筛分过程中，对筛分物料的动力学问题的研究一直是所有学者研究的首要的、基础性的问题，目前研究活体蝇蛆的运动学以及动力学问题的时候，首先需要知道蝇蛆在振动筛分时发生碰撞产生弹性变形恢复系数，然后再进一步研究蝇蛆的动力学相关问题。
恢复系数是反映碰撞时物体变形恢复能力的系数，其定义为碰撞前后两物体接触点的法向相对分离速度与法向相对接近速度之比，恢复系数越大，说明碰撞后的恢复变形能力越强，弹性越好。
发明内容
本发明的一种振动筛过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，从力学和运动学两个方面针对蝇蛆恢复系数提出了一种试验方法，对利用振动筛分离蝇蛆与固体畜禽粪混合物的分离问题具有重要的应用价值。
本发明是通过如下的技术方案实现的：一种振动筛过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，包括力学试验和碰撞试验两部分，首先进行力学实验，再进行碰撞试验。
本发明是通过如下的技术方案实现的：一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其中力学试验部分，使用仪器软件包括由英国Stable Micro Systems公司制造物性测试仪，型号为TA.XTPLUS，计算机、Exponent软件，包括以下几个步骤：
步骤A)试验条件设定：将试验环境的条件设定为室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％之间；试验设备：物性测试仪、计算机、Exponent软件；
步骤B)将物性测试仪与电源连接，调整测试平台，校正测试平台，将下压探头换成压盘探头，打开计算机，并且启动计算机，打开专用软件Exponent，设定好相关参数；
步骤C)在物性测试仪的试验台的中间放置好白板，将蝇蛆放置在白板上，启动物性测试仪，压盘探头缓缓下降，直至将蝇蛆挤压破裂，关闭物性测试仪；
步骤D)启动专用软件Exponent，导入试验数据，通过软件计算出蝇蛆在挤压过程中的最大极限作用力的数值大小。
通过力学试验知道软体蝇蛆承受的最大作用力为F，自由下落物体与地面之间的碰撞力的大小为假定蝇蛆从高度为H0的地方自由下落的时候，落到地面后瞬间反弹的高度记为从该公式中可以知道自由落体与地面之间作用力的大小和物体的下落高度以及质量成正比，和物体接触地面时质心到地面的高度呈反比，g是重力加速度，设定为9.8m2/s，并且还可以知道H0不可能小于所以F总是大于物体重力的。
所述碰撞试验部分，使用仪器软件包括高速图像采集系统MOTIONPRO10000、Blaster'sMAS软件、GigabitEthernet接口、自制碰撞试验装置、自制落料装置、计算机、电子分析天平；包括以下几个步骤：
步骤E)试验条件设定：将试验环境的条件设定为室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％之间；试验设备：高速图像采集系统MOTIONPRO10000、Blaster＇sMAS软件、GigabitEthernet接口、自制碰撞试验装置、自制落料装置和计算机；
步骤F)调试好高速图像采集系统，将GigabitEthernet接口的一端与高速摄像机相连接，另一端与计算机相连接，将高速图像采集系统的拍摄速度设定为800～1200幅/秒，调整碰撞试验装置，准备好碰撞试验所需要的软体蝇蛆；将光滑落料板设定为与水平基准面平行，通过物性测试仪测得碰撞物体之间的作用力F，通过我们可以分析出蝇蛆自由落体的最大高度不能超过H0，若是蝇蛆自由落体的高度超过H0，那么在蝇蛆自由下落试验过程中，蝇蛆在落到落料装置的基准平面上的时候，会应为瞬间的碰撞力大于蝇蛆自身能够承受的极限作用力而导致蝇蛆破裂；
步骤G)将光滑落料板调整为与水平基准面呈向下偏45°，锁紧锁紧螺钉，固定好光滑落料板，调整高速调节关节，初步设定自由落体基准面的落料点到光滑落料板之间的垂直距离最大为H，并且调整自制落料装置，将落料点基准平面上的落料点K与落料点E之间的竖直距离设定为水平距离设定为S1，若不设置该自制落料装置，蝇蛆下落碰撞到E点后反弹落到地面G点处，此时G点与E的竖直距离为水平距离为S2，进一步通过物理学中的运动学规律可以知道，蝇蛆从D点由高度为H的初始点自由下落到E点前的瞬时速度假设水平向右和竖直向下的方向为运动的正方向，将蝇蛆在E点发生碰撞反弹时的速度进行沿着水平方向和竖直方向分解，分解为Vx和Vy,则在不设置自制落料装置时，蝇蛆水平位移s＝Vxt，竖直位移由于碰撞发生的时间是很难精确测量的，我们设定E点到K点的水平距离为S1，竖直距离为调整落料装置高度调节关节，将E点到G点的位置调节成水平距离为S2，竖直距离为则根据这两次设定的高度，重复该自由落体试验两次，我们可以得到根据恢复系数的定义，即碰撞前后两物体在接触点的法向相对分离速度与法向相对接近速度之比，则恢复系数选定地球为参考系时，其中，V1n和V2n分别是碰撞结束后两物体的法向分速度，V1和V2分别是碰撞开始时两物体的法向接近分速度，并且知道V2n和V1均可以视为零；则恢复系数可以表示为
步骤H)将高速摄像系统MOTIONPRO10000拍摄的图像导入Blaster＇sMAS软件进行解析，读取碰撞试验过程中任意时刻的速度；
步骤I)记录试验结果，多次从不同的下落高度自由下落蝇蛆，重复上述试验，得到恢复系数的平均值，最终得到试验结果。
上述方案中，所述碰撞试验装置包括自由落体基准平面、内套筒高度调节关节、带有刻度的外套筒、光滑落料板、落料板调节关节和三脚架；
所述自由落体基准平面的底部和和内套筒的一端固连，带有刻度的外套筒的上端和内套筒的另一端通过高度调节关节连接、且由锁紧螺钉紧固；所述光滑落料板的一端穿过外套筒与落料板调节关节转动副连接、且通过锁紧螺钉紧固；所述三脚架与外套筒的底端固定连接。
上述方案中，所述落料装置包括落料点基准平面、落料装置内套筒、落料装置高度调节关节和底座；
所述落料点基准平面的底部和落料装置内套筒的上端固连，落料装置内套筒通过落料装置调节关节上下调节高度，并通过锁紧螺钉紧固，所述底座和落料装置内套筒的底部固连。
本发明的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，该测试方法包括力学试验和碰撞试验两个部分，力学试验的目的是为碰撞试验做准备的，是振动筛过程中蝇蛆恢复系数测试方法的必备的基础性试验，不可以省略。
本发明的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其中力学试验可以根据时间变化测出蝇蛆的物性特征，并且将相对应的测得的力的数据存储在专用软件Exponent的表格里，并可以以曲线显示出来，简单直观，可以针对试验的结果进行分析，找到蝇蛆的作用力的极限值的数值大小，为碰撞试验奠定基础。
本发明的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，该测试方法测得的恢复系数的数值大小受到筛分振动时条件限制，不同的自由下落高度、不同的碰撞部位、不同的碰撞材料、不同碰撞材料的厚度，测得的恢复系数的大小不同。
本发明的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，进行碰撞试验时的自由下落的高度均是低于H0的，且碰撞材料选定为光滑不锈钢板，试验的环境条件设定为适合蝇蛆的室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，针对目前利用固体畜禽粪便养殖蝇蛆获得饵料的热门养殖行业在振动筛分时的技术难题，解决了蝇蛆在筛分振动分离时物性参数问题。
2.本发明的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，包括力学试验和碰撞试验两个部分，其中力学试验是为了测得蝇蛆可以承受的极限作用力的大小，进而通过分析知道蝇蛆在自由落体时最大下落高度值的大小。
3.本发明的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，可以针对不同影响因素，测试出碰撞过程中，各个影响因素对恢复系数的影响大小。
4.本发明设计的碰撞实验装置和落料装置，是根据试验原理设计的装置，同时配以高速图像采集系统，可以完成整个碰撞的测试试验。
附图说明
图1本发明一实施方式的力学试验原理示意图；
图2本发明一实施方式的光滑落料板是水平状态时的碰撞试验原理示意图；
图3本发明一实施方式的光滑落料板与水平面呈45°时碰撞试验原理示意图。
图中，1-固定支座；2-压盘探头；3-白板；4-蝇蛆；5-物性测试仪工作台；6-计算机；7-自由落体基准面；8-内套筒；9-高度调节关节；10-锁紧螺钉；11-带有刻度的外套筒；12-光滑落料板；13-落料板调节关节；14-三脚架；15-落料点基准平面；16-落料装置内套筒；17-落料装置高度调节关节；18-底座；19-相机三脚架；20-高速图像采集系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
试验环境设定：室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％。
试验设备：英国Stable Micro Systems公司制造物性测试仪，型号为TA.XTPLUS，计算机、Exponent软件、高速图像采集系统MOTIONPRO10000、Blaster＇sMAS软件、GigabitEthernet接口、自制碰撞试验装置、自制落料装置和计算机。
所述碰撞试验装置包括自由落体基准平面7、内套筒8、高度调节关节9、带有刻度的外套筒11、光滑落料板12、落料板调节关节13和三脚架14；所述自由落体基准平面7的底部和和内套筒8的一端固连，带有刻度的外套筒11的上端和内套筒8的另一端通过高度调节关节9连接、且由锁紧螺钉10紧固；所述光滑落料板12的一端穿过外套筒11与落料板调节关节13转动副连接、且通过锁紧螺钉10紧固；所述三脚架14与外套筒11的底端固定连接，通过调节三脚架14可以调节整个装置的整体高度。
所述落料装置包括落料点基准平面15、落料装置内套筒16、落料装置高度调节关节17和底座18；所述落料点基准平面15的底部和落料装置内套筒16的上端固连，落料装置内套筒16通过落料装置调节关节17上下调节高度，并通过锁紧螺钉10紧固，所述底座18和落料装置内套筒16的底部固连，起支撑作用。
试验对象：蝇蛆。
试验步骤1：力学试验
如图1所示，具体操作步骤为：
步骤A)试验条件设定：将试验环境的条件设定为室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％之间；试验设备：物性测试仪、计算机6、Exponent软件；
步骤B)将物性测试仪与电源连接，调整物性测试仪工作台5，校正物性测试仪工作台5，将下压探头换成压盘探头2，打开计算机6，并且启动计算机6，打开专用软件Exponent，设定好相关参数包括设定压盘探头2的移动速度、距离和触发力量等，并且设定好文件生成的路径；
步骤C)在物性测试仪工作台5的中间放置好白板3，将蝇蛆4放置在白板3上，启动物性测试仪，压盘探头2缓缓下降，直至将蝇蛆4挤压破裂，关闭物性测试仪；
步骤D)启动专用软件Exponent，导入试验数据，通过软件计算出蝇蛆4在挤压过程中的最大极限作用力的数值大小。
试验步骤2：碰撞试验
如图2和图3所示，具体操作步骤为：
步骤A)试验条件设定：将试验环境的条件设定为室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％之间；试验设备：高速图像采集系统MOTIONPRO10000、Blaster＇sMAS软件、GigabitEthernet接口、自制碰撞试验装置、自制落料装置和计算机；
步骤B)调试好高速图像采集系统20，将高速图像采集系统20的相机放置在相机三脚架19上，将GigabitEthernet接口的一端与高速摄像机相连接，另一端与计算机6相连接，将高速图像采集系统20的拍摄速度设定为1000幅/秒，调整碰撞试验装置，准备好碰撞试验所需要的软体蝇蛆；将光滑落料板12设定为与水平基准面平行，通过物性测试仪测得碰撞物体之间的作用力F，通过我们可以分析出蝇蛆自由落体的最大高度不能超过H0，若是蝇蛆自由落体的高度超过H0，那么在蝇蛆自由下落试验过程中，蝇蛆在落到落料装置的落料点基准平面15上的时候，会应为瞬间的碰撞力大于蝇蛆自身能够承受的极限作用力而导致蝇蛆破裂；
步骤C)将光滑落料板12调整为与水平基准面呈向下偏45°，锁紧锁紧螺钉10，固定好光滑落料板12，调整高速调节关节9，初步设定自由落体基准面7的落料点到光滑落料板12之间的垂直距离最大为H，并且调整自制落料装置，将落料点基准平面15上的落料点K与落料点E之间的竖直距离设定为水平距离设定为S1，若不设置该自制落料装置，蝇蛆下落碰撞到E点后反弹落到地面G点处，此时G点与K的竖直距离为水平距离为S2，进一步通过物理学中的运动学规律可以知道，蝇蛆从D点由高度为H的初始点自由下落到E点前的瞬时速度假设水平向右和竖直向下的方向为运动的正方向，将蝇蛆在E点发生碰撞反弹时的速度进行沿着水平方向和竖直方向分解，分解为Vx和Vy,则在不设置自制落料装置时，蝇蛆水平位移s＝Vxt，竖直位移由于时间t是很难精确测量的，我们设定E点到K点的水平距离为S1，竖直距离为调整落料装置高度调节关节17，将E点到G点的位置调节成水平距离为S2，竖直距离为则根据这两次设定的高度，重复该自由落体试验两次，我们可以得到根据恢复系数的定义，即碰撞前后两物体在接触点的法向相对分离速度与法向相对接近速度之比，则恢复系数选定地球为参考系时，其中，g是重力加速度，V1n和V2n分别是碰撞结束后两物体的法向分速度，V1和V2分别是碰撞开始时两物体的法向接近分速度，并且知道V2n和V1均可以视为零，则恢复系数可以表示为：
步骤D)将高速摄像系统MOTIONPRO10000拍摄的图像导入Blaster＇sMAS软件进行解析，读取碰撞试验过程中任意时刻的速度。
步骤E)记录试验结果，多次从不同的下落高度自由下落蝇蛆，重复上述试验，得到恢复系数的平均值，最终得到试验结果。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其特征在于，包括力学试验和碰撞试验两个部分，首先进行力学实验，再进行碰撞试验；
所述力学试验包括以下步骤：
步骤A)试验条件设定：将试验环境的条件设定为室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％之间；
步骤B)将物性测试仪与电源连接，将物性测试仪的下压探头换成压盘探头(2)，打开计算机(6)，并且启动计算机(6)；
步骤C)在物性测试仪工作台(5)的中间放置好白板(3)，将蝇蛆放置在白板(3)上，启动物性测试仪，压盘探头(2)缓缓下降，直至将蝇蛆(4)挤压破裂，关闭物性测试仪；
步骤D)在计算机(6)中导入试验数据，通过软件计算出蝇蛆(4)在挤压过程中的最大极限作用力F的数值大小；
所述碰撞试验包括以下步骤：
步骤E)试验条件设定：将试验环境的条件设定为室内温度20℃-30℃，湿度为50％-60％之间；
步骤F)将高速图像采集系统(20)与计算机相连接，设定高速图像采集系统(20)的拍摄速度，调整碰撞试验装置，准备好碰撞试验所需要的软体蝇蛆(4)，将光滑落料板(12)设定为与水平基准面平行，通过物性测试仪测得碰撞物体之间的作用力F，分析出蝇蛆自由落体的最大高度不能超过H0；
步骤G)将光滑落料板(12)调整为与水平基准面呈向下偏45°后，调整高度调节关节(9)，初步设定自由落体基准面(7)的落料点到光滑落料板(12)之间的垂直距离最大为H，并且调整落料装置，将落料点基准平面(15)上的落料点K与落料点E之间的竖直距离设定为h1，水平距离设定为S1，若不设置落料装置，蝇蛆(4)下落碰撞到E点后反弹落到地面G点处，此时G点与E的竖直距离为h2，水平距离为S2，蝇蛆(4)从D点由高度为H的初始点自由下落到E点前的瞬时速度假设水平向右和竖直向下的方向为运动的正方向，将蝇蛆(4)在E点发生碰撞反弹时的速度进行沿着水平方向和竖直方向分解，分解为Vx和Vy，恢复系数选定地球为参考系时，其中，V1n和V2n分别是碰撞结束后两物体的法向分速度，V1和V2分别是碰撞开始时两物体的法向接近分速度，V2n和V1均可以视为零，则恢复系数表示为：
步骤H)将高速摄像系统(20)拍摄的图像导入计算机的软件进行解析，读取碰撞试验过程中任意时刻的速度；
步骤I)记录试验结果，多次从不同的下落高度自由下落蝇蛆，重复上述试验，得到恢复系数的平均值，最终得到试验结果。
2.根据权利要求1所述的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其特征在于，所述碰撞试验装置包括自由落体基准平面(7)、内套筒(8)、高度调节关节(9)、带有刻度的外套筒(11)、光滑落料板(12)、落料板调节关节(13)和三脚架(14)；
所述自由落体基准平面(7)的底部和和内套筒(8)的一端固连，带有刻度的外套筒(11)的上端和内套筒(8)的另一端通过高度调节关节(9)连接、且由锁紧螺钉(10)紧固；所述光滑落料板(12)的一端穿过外套筒(11)与落料板调节关节(13)转动副连接、且通过锁紧螺钉(10)紧固；所述三脚架(14)与外套筒(11)的底端固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其特征在于，所述落料装置包括落料点基准平面(15)、落料装置内套筒(16)、落料装置高度调节关节(17)和底座(18)；
所述落料点基准平面(15)的底部和落料装置内套筒(16)的上端固连，落料装置内套筒(16)通过落料装置调节关节(17)上下调节高度，并通过锁紧螺钉(10)紧固，所述底座(18)和落料装置内套筒(16)的底部固连。
4.根据权利要求1所述的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其特征在于，所述力学试验中的软件为Exponent软件。
5.根据权利要求1所述的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其特征在于，所述高速图像采集系统(20)为MOTIONPRO10000。
6.根据权利要求3所述的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其特征在于，所述高速图像采集系统(20)的拍摄速度设定为800～1200幅/秒。
7.根据权利要求1所述的一种振动筛分过程中蝇蛆恢复系数的测试方法，其特征在于，所述碰撞试验的步骤H)中软件为Blaster＇sMAS软件。
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