CN111103114B - 一种农业物料空气动力学特性测试装置与方法 - Google Patents

一种农业物料空气动力学特性测试装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种农业物料空气动力学特性测试装置与方法，测试装置包括物料仓、清选室和气流稳定室，清选室分别与物料仓的出口、气流稳定室连通，气流稳定室与风机相接，且连接处设有板孔流量计；清选室通过筛片分为上、下层空间，下层空间的下部设有接料网，上、下层空间均设有压力测试计；物料仓出口开度可调。转速可调的风机产生的气流经气流稳定室后，穿过接料网、筛片，进入清选室上层空间，压力测试计实时测量上、下层空间的气压值。不同气流流量、不同喂入量下，获取籽粒、茎秆、杂余在筛片上层空间内的速度和位置变化规律(构建谷物层对气流的阻力模型)，以及筛片上、下方的气流压力值变化规律，从而表征物料的空气动力学特性。

Description

一种农业物料空气动力学特性测试装置与方法
技术领域
本发明属于联合收获机农业物料基本特性测试领域，具体涉及一种农业物料空气动力学特性测试装置与方法。
背景技术
目前，我国收获机械的研发主要沿用工程技术人员凭经验进行结构设计、田间试验验证、结构改进的老路子，该方法受收获季节的影响比较严重，收获机械研发周期普遍较长，严重阻碍了我国收获机械行业技术的快速进步，且相关产品作业性能不稳定和不同作物清选适应性差。近年来，随着计算机性能的持续提升及数值模拟算法在稳定性及鲁棒性等方面的不断提高，国内学者利用数值模拟方法在联合收获机用清选装置结构优化方面做了很多卓有成效的研究工作，实践证明，应用数值模拟方法优化后的清选装置性能得到一定程度的提高且大幅缩短了清选装置的研发周期，在一定程度上摆脱了农业机械试验时间受限的制约，经济效益显著。但由于农业物料基本特性的缺失，设计的联合收获机作业性能有待进一步提升，急需通过一定的试验测试方法获取农业物料空气动力学特性，为设计性能优良清选装置的奠定基础。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种农业物料空气动力学特性测试装置与方法。本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的：
一种农业物料空气动力学特性测试装置，包括喂料装置、清选室和气流稳定室，喂料装置的出口与清选室连通，清选室与气流稳定室连通，气流稳定室与风机的出风口连接，且连接处设有板孔流量计；清选室通过设置在其内部的筛片分为上层空间和下层空间，上层空间和下层空间均设有压力测试计；下层空间的下部设有接料网；所述喂料装置出口开度可调。
上述技术方案中，所述物料仓上部设有传送带。
上述技术方案中，所述喂料装置包括物料仓，物料仓的壁面上设有物料抖动板，物料仓出口上方设有物料推进器。
上述技术方案中，所述喂料装置出口开度通过可移动的出料口挡板调节。
上述技术方案中，测试装置处理的物料量范围为0-6kg/s。
上述技术方案中，所述风机的气流流量范围为0-5m3/s。
一种农业物料空气动力学特性测试方法，清选室上层空间构建光场环境，不同气流流量、不同喂入量下，获取籽粒、茎秆、杂余在上层空间内的速度和位置变化规律，以及筛片上、下方的气流压力值变化规律；利用所述速度和位置变化规律构建筛片上层空间谷物层对气流的阻力模型，结合所述气流压力值变化规律，表征农业物料空气动力学特性。
进一步，所述筛片上层空间谷物层对气流的阻力模型为：
Figure BDA0002328405810000021
其中，k1为阻力系数，Lf为筛面上处于“流化”状态的谷物层厚度，
Figure BDA0002328405810000022
为单位时间喂入量，ρg为谷物密度，ρa为气流密度，Vg为谷物层在筛面上的横向移动速度，V为谷物层在筛面上的纵向移动速度，Asieve为筛面的有效清选面积。
本发明的有益效果为：应用本发明的一种农业物料空气动力学特性测试装置与方法，可获取不同气流流量、不同喂入量下籽粒及茎秆、杂余在开度可调的鱼鳞筛片上部空间内的速度、位置变化规律，以及不同气流流量、不同喂入量下开度可调的鱼鳞筛片上、下方的气流压力值变化规律。运用测得的籽粒及茎秆、杂余在开度可调的鱼鳞筛片上部空间内的速度、位置变化规律，构建筛片上层空间谷物层对气流的阻力模型，结合开度可调的鱼鳞筛片上、下方的气流压力值变化规律，共同表征物料的空气动力学特性，为设计性能优良的清选装置奠定坚实基础。
附图说明
图1为本发明农业物料空气动力学特性测试装置主视图；
图中，1-传送带，2-物料抖动板，3-物料推进器，4-出料口挡板，5-压力测试计I，6-开度可调的鱼鳞筛片，7-接料网，8-转速可调的风机，9-板孔流量计，10-气流稳定室，11-压力测试计II，12-物料仓。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种农业物料空气动力学特性测试装置包括传送带1、物料抖动板2、物料推进器3、出料口挡板4、压力测试计I5、开度可调的鱼鳞筛片6、接料网7、转速可调的风机8、板孔流量计9、气流稳定室10、压力测试计II11、物料仓12、单色光源和高速摄像机。传送带1位于农业物料空气动力学特性测试装置的上部，传送带1固定在物料仓12的上方，物料抖动板2固定于物料仓12的壁面，物料推进器3位于物料仓12出口上部，且固定在物料仓12上，出料口挡板4通过插槽固定在物料仓12出口上方侧壁；物料仓12出口对着清选室，清选室中设有开度可调的鱼鳞筛片6，开度可调的鱼鳞筛片6将清选室分为上层空间和下层空间；压力测试计I5位于清选室上层空间，压力测试计II11位于清选室下层空间。接料网7固定于清选室下层空间的下部，接料网7与“丁字型”气流稳定室10的上部相连，气流稳定室10的下部与转速可调的风机8的出风口相接，且连接处设有板孔流量计9。通过改变转速可调的风机8的转速可以改变转速可调的风机8出风口处的气流流量，进入气流稳定室10内的气流流量可以通过板孔流量计9测量。
本实施例中气流稳定室10设计成“丁字型”，气流经过迂回管道后，进入气流稳定室10的上部，气流在上部较大空间内沉降，逐步稳定。
工作过程中，待测试物料放置在传送带1上，待测试物料经传送带1的传送进入物料仓12，进入物料仓12的物料在抖动板2的作用下经过物料推进器3的加速作用后，经物料仓12出口进入清选室上层空间，通过直线电机拉动出料口挡板4使出料口的开度变化来调节物料仓12内物料的出料速度。待测试物料经过开度可调的鱼鳞筛片6最终落在接料网7上。转速可调的风机8产生的气流在气流稳定室10内经过充分稳定后，进入位于清选室下层空间的接料网7，气流穿过开度可调的鱼鳞筛片6后进入清选室上层空间，压力测试计I5和压力测试计II11实时测量清选室上、下层空间的气压值。
本实施例中，在出料口挡板4开度的控制下，农业物料空气动力学特性测试装置处理的物料量在0-6kg/s内调节。本实施例中，转速可调的风机8产生在气流流量在0-5m3/s内调节。
一种农业物料空气动力学特性测试方法，具体包括如下步骤：
S1：清选室上层空间中设置位于同一高度的单色光源和高速摄像机，利用单色光源在清选室内开度可调的鱼鳞筛片6上部构建光场环境，调节物料量(喂入量)、气流流量，高速摄像机记录不同气流流量、不同喂入量下籽粒、茎秆、杂余在开度可调的鱼鳞筛片6上层空间内轨迹图片，分析后获取籽粒、茎秆、杂余的速度和位置变化规律；
S2：压力测试计I5、压力测试计II11测试不同气流流量、不同喂入量下开度可调的鱼鳞筛片6上、下方的气流压力值变化规律；
S3：运用测得的籽粒、茎秆、杂余在开度可调的鱼鳞筛片6上层空间内的速度、位置变化规律构建筛片上层空间谷物层对气流的阻力模型，具体过程如下：
根据流体力学相关知识，筛片上、下筛面处于“流化”状态的谷物层对气流的阻力模型为：
Figure BDA0002328405810000041
其中，k1为阻力系数，εf为一般非均匀、非球形籽粒乱堆谷物层的孔隙率，大致分布在0.47-0.7之间。筛面上处于“流化”状态的谷物层厚度Lf可以用下式近似求得：
Figure BDA0002328405810000042
其中，mi为清选室内谷物总量，kg；ρf为谷物层的散体密度(即筛片上层空间内谷物层的位置)，kg/m3；Asieve为筛面的有效清选面积，m2；且
ρf＝(1-εf)ρg (3)
Figure BDA0002328405810000043
Asieve＝WsieveLi (5)
进而推导得到：
Figure BDA0002328405810000044
其中，ρg为谷物密度，kg/m3；ρa为气流密度，kg/m3；
Figure BDA0002328405810000045
为单位时间喂入量，kg/s；Vg为谷物层在筛面上的横向移动速度，V为谷物层在筛面上的纵向移动速度，m/s；Li为筛面长度，m；Wsieve为筛面宽度，m。
应用不同气流流量、不同喂入量下，获取的籽粒、茎秆、杂余在筛片上层空间内的速度和位置变化规律，从而构建出谷物层(包括籽粒、茎秆、轻杂余)对气流的阻力模型，结合谷物层(包括籽粒、茎秆、轻杂余)对气流的阻力模型以及筛片上、下方的气流压力值变化规律，来共同表征谷物层的空气动力学特性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种农业物料空气动力学特性测试装置，其特征在于，包括喂料装置、清选室和气流稳定室(10)，喂料装置的出口与清选室连通，清选室与气流稳定室(10)连通，气流稳定室(10)与风机(8)的出风口连接，且连接处设有板孔流量计(9)；清选室通过设置在其内部的筛片(6)分为上层空间和下层空间，上层空间和下层空间均设有压力测试计；下层空间的下部设有接料网(7)；所述喂料装置出口开度可调；
上述农业物料空气动力学特性测试装置使用的测试方法，具体为：
清选室上层空间构建光场环境，不同气流流量、不同喂入量下，获取籽粒、茎秆、杂余在上层空间内的速度和位置变化规律，以及筛片上、下方的气流压力值变化规律；利用所述速度和位置变化规律构建筛片上层空间谷物层对气流的阻力模型，结合所述气流压力值变化规律，表征农业物料空气动力学特性；
所述筛片上层空间谷物层对气流的阻力模型为：
Figure FDA0003059693770000011
其中，k1为阻力系数，Lf为筛面上处于“流化”状态的谷物层厚度，
Figure FDA0003059693770000012
为单位时间喂入量，ρg为谷物密度，ρa为气流密度，Vg为谷物层在筛面上的横向移动速度，V为谷物层在筛面上的纵向移动速度，Asieve为筛面的有效清选面积。
2.根据权利要求1所述的农业物料空气动力学特性测试装置，其特征在于，所述物料仓(12)上部设有传送带(1)。
3.根据权利要求1所述的农业物料空气动力学特性测试装置，其特征在于，所述喂料装置包括物料仓(12)，物料仓(12)的壁面上设有物料抖动板(2)，物料仓(12)出口上方设有物料推进器(3)。
4.根据权利要求1所述的农业物料空气动力学特性测试装置，其特征在于，所述喂料装置出口开度通过可移动的出料口挡板(4)调节。
5.根据权利要求1所述的农业物料空气动力学特性测试装置，其特征在于，测试装置处理的物料量范围为0-6kg/s。
6.根据权利要求1所述的农业物料空气动力学特性测试装置，其特征在于，所述风机(8)的气流流量范围为0-5m3/s。
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