袁成宇 区颖刚 刘庆庭 黄峥

摘要：颗粒悬浮速度是选用风力清选与除杂方法的主要依据。切段甘蔗混合物主要包含蔗段、蔗梢和蔗叶，通过自制的测量装置，对这3种成分的悬浮速度进行分析与测量。结果表明：蔗叶悬浮速度随着长度增加、含水量升高及宽度增加而提高；蔗梢的悬浮速度与蔗段的悬浮速度存在交叉，通过风力除杂只能去掉蔗叶和部分蔗梢。试验结果可为切段式甘蔗联合收割机的除杂系统设计提供一定的理论参考。

关键词：悬浮速度；切断甘蔗；混合物；除杂系统；风力除杂

中图分类号： S226.9文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）03-0166-03

收稿日期：2016-02-17

基金项目：国家甘蔗产业体系专项基金（编号：CARS-20-4-1）。

作者简介：袁成宇（1976—），男，湖南邵阳人，博士，副教授，主要从事甘蔗生产机械化装备研究。E-mail：ycy@hainu.edu.cn。

通信作者：区颖刚，博士，教授，博士生导师，主要从事甘蔗生产机械化技术研究。E-mail：ouying@scau.edu.cn。

混合物悬浮特性是确定除杂系统性能参数的重要依据，目前主要集中于水稻、小麦、油菜和莲子等混合物的悬浮特性方面的试验与分析。陈立等对油菜脱出混合物的空气动力学特性进行了研究[1-2]；陈翠英等利用Adams对油菜混合物在气流中的运动进行了仿真[3]；王庆祝等对高速气流中的农业物料清选规律进行了研究[4]；马秋成等对莲子混合物料各组分的空气动力学特性进行了理论分析与试验，得出莲仁、莲壳、碎仁的悬浮速度变化范围及合适的壳仁分离气流速度范围，并修正了莲子物料的形状系数[5]。从上述研究中可以发现，目前关于混合物的悬浮特性研究主要集中于小尺寸颗粒及悬浮状态易于判断的对象[6-7]，而对于尺寸较大的甘蔗混合物的悬浮特性研究较少[8]。另外，由于切段甘蔗混合物的悬浮特性对切段式甘蔗收割机除杂系统的设计和优化具有积极意义，因此本研究利用自制的测量装置对切段甘蔗混合物的悬浮速度进行研究，以期能为切段式甘蔗联合收割机除杂系统的设计提供一定理论参考。

1试验材料

经收割机切断装置切断后的甘蔗混合物主要含有蔗段、蔗梢、蔗叶及少量泥土、沙石，在本研究中不考虑泥土、沙石，只对蔗段、蔗叶与蔗梢进行测量。试验样品取自广东省湛江市广前农机股份有限公司试验基地，为成熟期新台糖22号。甘蔗采样方法按照GB/T5262—2008《农业机械试验条件测定方法的一般规定》中的5点法随机抽取整个甘蔗样本，蔗样均高 2.693 m，每株蔗叶11.6张，叶片均长1.41 m，蔗叶样品取蔗叶中部约1 m长范围制作，根据不同的试验条件，将蔗叶剪成一定尺寸的长方形样品并压平，其含水量为7113%～75.58%，厚度为0.25～0.46 mm，密度为0.89～142 t/m3。蔗段样品忽略蔗节直径变化，采用的尺寸为长25.0 mm，直径分别为10.0、12.5、15.0、17.5、20.0 mm，其含水量约为 77.41%，密度为2.73 t/m3。由于切段的随机性，蔗梢形式多样，这里按相关研究取6种蔗梢样品，长度为 250 mm，直径最大处为18 mm，其中蔗梢茎占总长25%的为1号样品，蔗梢茎占总长40%的为2号样品，蔗梢茎占总长55%的为3号样品，蔗梢茎占总长70%的为4号样品，蔗梢茎占总长85%的为5号样品，无蔗叶的为6号样品。蔗梢样品的平均密度为1.33～2.46 t/m3，平均含水量为 73.91%～79.14%。

2悬浮速度测试装置与测量仪器

2.1悬浮速度测试装置

如果蔗叶较轻、悬浮速度较低，采用图1-a所示装置测量；如果蔗段、蔗梢的悬浮速度较大，且悬浮状态不易判断，采用图1-b所示装置测量。

2.2测量仪器

风速仪为德国Testo公司的Testo405-V1手持式测速仪，测量范围为0～20 m/s，精度为0.01 m/s；称质量计最大量程为10 kg，精度为0.1 g；甘蔗混合成分的几何尺寸采用游标卡尺测量；测力计显示的为电子数据，精度为0.01 N。

3测试装置的可靠性分析

由于是自制悬浮速度装置，首先应分析装置是否满足试验要求。验证方法采用截面等面积同心圆环取点原理，沿气流方向共取5个截面，截面1在物料网上10 cm，各个截面距离为20 cm，每个截面从左至右分别为测点1至测点7，各个截面上风速的测量结果见表1。

由表1中各截面的均值与标准误差数据可知，试验装置满足悬浮速度试验的测量要求。

4试验方法

4.1蔗叶悬浮速度测量方法

利用图1-a所示装置测量蔗叶悬浮速度，将样品置于物料网中央位置，调节变频器使蔗叶在气流作用下进入测量区并保持蔗叶在该段内悬浮，标记蔗叶悬浮位置、变频器读数；取出样品后，再将变频器调至相同的读数，根据蔗叶高度标记位置，测量相应截面的风速，即为样品的悬浮速度，每个样品在同一条件下测量3次，取3次平均值作为测试结果。

4.2蔗段、蔗梢悬浮速度测量方法

采用图1-b装置进行测量，测量原理为：不计滑轮摩擦力及细线质量，当气流速度为零时，被测物重量等于测力计读数，即G=F（G为被测物重量，F为测力计读数）；当气流速度达到某一数值时，测力计读数为零，即G=FD（FD为流体作用力），可认为被测物达到悬浮状态，此时对应的气流速度为被测物的悬浮速度。由于未达到悬浮态前在垂直方向上被测物一直保持静止，因此根据流体作用力的計算公式（1）可求出不同风速下对应的流体作用力：

[JZ（]FD=0.5CAρ（u-v）2。[JZ）][JY]（1）

式中：C为阻力系数，取0.44；u为气流速度对应的变频器频率，Hz；v为被测物速度，因为静止而取零；ρ为气流密度，kg/m3；A为颗粒有效迎风面积，m3。当F等于零时，由FD=G可以算出被测物的理论悬浮速度：

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

显然，从式（2）可知，被测物的悬浮速度只与其重量、有效迎风面积有关。由于式（1）中的流体作用力FD、气流速度u、迎风面积A都可测，因此测量的气流速度与计算的气流速度存在相等或相近关系，则证明公式（2）计算的悬浮速度可信。

5结果与分析

5.1蔗叶悬浮速度结果与分析

5.1.1叶长对与悬浮速度的影响试验样品参数：蔗叶宽40 mm，厚0.41 mm，含水量73.38%，先测长250 mm样品，再分别修剪为200、150、100、50 mm样品进行测量。从图2可以看出，随着蔗叶长度的增加，悬浮速度逐渐增大，其变化趋势可拟合为三次多项式：y=-0.028 3x3+0.326x2-0.727x+2.312，r2=0.991 2。

[TPYCY22.tif][FK）]

5.1.2叶宽对悬浮速度的影响试验样品参数：蔗叶长 250 mm，平均厚度0.34 mm，含水量72.76%，先量取宽度为43 mm的样品，再将其逐步修剪为宽39、35、31、27 mm的样品进行测量。从图3可以看出，随着蔗叶宽度的变大，悬浮速度逐渐变小，其变化趋势可拟合为三次多项式：y=0.006 7x3-0.019x2-0.216x+4.534，r2=0.992 4。

5.1.3含水量与悬浮速度的关系试验样品参数与处理方法：蔗叶长250 mm，宽42 mm，厚0.44 mm，经过浸泡处理的初始含水量为81.17%，经过不同时间的烘干分别可获得 73.65%、66.51%、59.21%、52.08%的含水量，烘干過程中用胶带黏住样品防止几何尺寸发生变化。从图4可以看出，随着含水量的减小，悬浮速度逐渐减小，其变化趋势可以拟合为二次多项式：y=-0.109 3x2-0.143x+5.062，r2=0.990 9。

[TPYCY33.tif][FK）]

[FK（W10][TPYCY44.tif][FK）]

5.2蔗段蔗梢悬浮速度结果与分析

将样品水平置于流场中，在辅助拉线的作用下保持静止，调节变频器，分别读取频率为20、30、40、50 Hz时测力计的相应读数，通过式（1）计算相应的气流速度，再测量相应的气流速度，验证式（1）的可信度。按圆环等面积求平均值，当变频器频率分别为20、30、40、50 Hz时，风速uc分别为3.96、578、7.51、9.49 m/s。表2为利用公式（1）计算的气流速度，利用公式（2）计算的蔗段悬浮速度ux。

从气流速度uj和表2可以看出，利用公式（1）计算的各频率对应的平均风速uj与各频率下实测风速uc有一定偏差且计算值比实测值大，但属于可接受范围，且标准误差都较小，认为通过公式（1）、公式（2）计算的气流速度uj、悬浮速度ux具有较好的可信度。

5.3蔗梢悬浮速度结果与分析

测量蔗梢的悬浮速度时，由于蔗叶的影响，有效迎风面积须通过分块切割计算（将其视为圆台和几个矩形块分别计算后再累加），直径采用等体积直径，以得出的蔗梢速度计算us、理论悬浮速度ux。

从表3可以看出，利用公式（1）计算的各频率对应的平均风速与各频率下实测风速也有一定偏差，但同样处于可接受范围，可认为可信。对比表2，由计算的悬浮速度可知，6号蔗梢悬浮速度为19.68 m/s，分别大于直径为10.0、12.5 mm蔗段的悬浮速度17.61、19.60 m/s。同时，从公式（2）可变形得ux=（[SX（]πρkDg2Cρ[SX）]）0.5（ρk为被测物密度，kg/m3；D为直径，m），只要蔗梢的密度与直径的乘积大于蔗段密度与直径的乘积，对于相同长度的蔗段、蔗梢，蔗梢的悬浮速度就大于蔗段的悬浮速度。因此可知：风力可清除蔗叶，由于蔗梢与部分蔗段的悬浮速度存在重叠，故无法有效清除全部蔗梢。

6结论

蔗叶的长度、宽度及含水量变化都对蔗叶悬浮速度产生影响，随着叶长增加，悬浮速度提高，其变化趋势可拟合为三次多项式；随着叶宽减小，悬浮速度提高，其变化趋势也可拟合为三次多项式；随着含水量增加，悬浮速度提高，其变化趋势可拟合为二次多项式。通过理论公式计算的蔗段和蔗梢悬浮速度具有较好的可信度。由本研究还可知，通过风力作用可以除去蔗叶、部分蔗梢，对悬浮速度较大的蔗梢则无法有效清除，否则会造成甘蔗损失。

参考文献：

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