气力输送中蔗叶滑移率的研究

0 引言

颗粒滑移率是指颗粒在上升气流中运行达到稳定状态时，气流速度与颗粒速度的差值与气流速度的比值，是判断颗粒在气流输送中稳定性与难易的主要依据，也是确定气流输送速度大小的重要参考。切段式甘蔗联合收获机除杂系统主要依靠轴流风机产生的负压将甘蔗混合物中的杂物吸走，关键部件轴流风机的设计主要依靠经验数据，往往会造成风机功率不足或过大而影响除杂。经理论分析发现:蔗叶悬浮速度、蔗叶松弛时间及蔗叶在流场内的滑移率是影响和风选除杂的主要因素。为此，本文借助高速摄像设备对蔗叶在流场内的滑移率进行初步研究，以期能为切段式甘蔗收获机除杂系统的设计与优化提供一定的理论参考。

1 试验材料
试验用的蔗叶样品为收获期的青蔗叶，取自湛江农垦广前公司试验基地，品种为新台糖 22 号。采用随机抽取甘蔗叶样本的方法采样，取蔗叶中部约 1m长范围进行样品定制，将蔗叶按试验设计方案修剪成宽度为 0．04m，长度分别为 0． 03、0． 06、0． 09、0． 12、0． 15m 的长方形样品，压平使其保持平面状态。经测试，样品的平均含水率为 73． 13%，平均厚度为3． 4 × 10－ 4m，密度为 0． 841 × 10－ 3kg / m3。

2 试验设备与仪器

2． 1 试验设备
试验的测试装置如图1 所示。

该装置主要由高速摄像机系统 E，直径为 0． 4m、高为2．5m 的有机玻璃管，高压风机，整流细管，以及单相变频器等组成。其中，高压风机出口最大速度为11m / s，整流细管由长度为 0． 3m、内径为 0． 01m 的PVC 管组成。图 1 中，A、B、C 为玻璃管测试段的测试位置，D 为变频器，变频器调节范围为0 ～50Hz。高速摄影设备采用德国 OPTRONIS 公司生产的 CR600 ×2型高速摄像机，其记录的频率最高为 6 500 帧/s(FPS)，记录容量为 4GB。本次测试采用的记录频率为500(FPS)，即每秒钟拍摄 500 张图片，相邻图片的时间间隔为0．002s，像素为 1 ～280 ×1024，采用传统的碘钨灯照明。

2． 2 测量仪器
风速的测量采用德国 testo 公司的 testo405 － V1测速仪，测量范围为0 ～20m/s，精度为 0．01 m/s。蔗叶质量采用电子称重计测量，其范围为 0 ～ 10kg，精度 0．000 1kg。

3 测量原理与方法
3． 1 测量原理
根据颗粒在流场中滑移率的定义，滑移率可以表示为

根据式(1)可知:只需要测量出气流速度和颗粒在流场运动的稳定速度，即可求出颗粒的滑移率。同时，根据气力输送理论可知:垂直上升流场内的颗粒理论滑移率 r为颗粒悬浮速度与气流速度之比值，即：


3． 2 测量方法
气流速度的测量利用 testo405 － V1 测速仪进行。由于管道中同一截面上的各点风速可能有细微不同，故通过等面积圆环法取 6 个点再加上截面中心点测量，以7 个点平均值代替气流速度。蔗叶悬浮速度则通过图1 所示的右边装置进行测量，具体方法为:调节电机变频器，使蔗叶样品悬浮于测试装置的玻璃管测量段内某处，然后，根据相应位置测量风速，每个样品测量3 次取平均值。蔗叶在流场内最终稳定速度通过高速摄影测量获取，将高速摄影的序列图片导入软件 Image － Pro － Plus 中，计算出相邻图片间蔗叶运行的距离，再根据高速摄影设定的时间间隔求出蔗叶的速度。本次试验导入 6 幅连续图片，计算出 5 个相邻速度，再以此平均值代替蔗叶最终稳定速度。

4 滑移率的测量结果与分析

4． 1 气流速度测量结果
将电机变频器频率分别调至 27、38、43Hz 时，可测得玻璃管试验段的气流平均速度分别为 6． 85、7． 85、8． 85m / s。

4． 2 悬浮速度测量结果
对样品宽度为 0． 04m，平均厚度 0． 003 4m，平均含水率73．13%，长度分别为 0． 03、0．06、0． 09、0． 12、0． 15m 的长方形样品进行悬浮速度测量，结果如表 1所示。

根据表 1 的试验数据可以发现:蔗叶悬浮速度随着叶长增加而增大。

4． 3 蔗叶最终稳定速度测量结果
先将选定的高速摄影序列图片导入 Image －Pro －Plus 中进行目标对象标定，然后测量相邻图片目标对象间的运行距离，再根据高速摄影设定的时间间隔 t =0． 002s 计算出相邻图片的蔗叶运动速度。当气流速度为8．85、7．85、6．85m/s 时，测量结果如表2 所示。



4． 4 滑移率的计算与分析
根据表2 试验样品的最终稳定速度及公式(1)和公式(2)，可以计算出试验样品的理论滑移率和实际滑移率，结果如图2、图3 和图4 所示。图2、图3 和图4 分别为气流速度为 8． 85、7． 85、6． 85 m / s 时样品的理论滑移率和实际滑移率与蔗叶长度的关系。


由表1 可知:而蔗叶悬浮速度随长度增加而增大。故由公式(2)可知:在气流速度不变的情况下，样品的理论滑移率随蔗叶长度增大而增加，这在图 2、图3 和图 4 中的理论滑移率曲线变化规律可以得到验证。根据气力输送有关理论可知:颗粒在垂直上升流场内的最终输送速度理论上等于气流速度与颗粒悬浮速度的差，即蔗叶在流场内最终的稳定速度应为气流速度与蔗叶悬浮速度的差值。但从表 2 中蔗叶最终稳定速度可以看出:在气流速度不变的情况下，随着蔗叶长度的增加，最终稳定速度并没有单调递减，而是在某一范围内波动。其主要原因为:试验测试的悬浮速度为蔗叶在流场中处于水平状态时的速度，是最小悬浮速度;而当蔗叶在流场中运行时处于非水平态时，其实际悬浮速度大于最小悬浮速度，故其最终稳定速度要比理论值小;蔗叶在流场内受风面积越小，悬浮速度就越大，最终稳定速度就越小，当减小至一定值时就不能进行有效输送了。所以，对蔗叶来看，当其在流场中输送时，受风面积越小，悬浮速度越大，实际滑移率越大，最终稳定速度就越小，输送也就越困难。由于蔗叶在流场内运行时的受风面积可能时刻发生变化，故图2、图3 和图4 中的蔗叶实际滑移率并没有明显的变化规律。

5 结论
1) 通过试验测量分析可知:在气流速度不变的情况下，蔗叶在流场内的理论滑移率随着叶长增加而增加;而实际滑移率则与其在流场内运动的悬浮速度有关。当悬浮速度变小时，滑移率变小，蔗叶跟随流场的能力增强，输送比较容易;当悬浮速度增大时，实际滑移率增大，蔗叶跟随流场能力降低，则输送较困难。当受风面积最大时，也就是蔗叶处于水平态时，此时蔗叶悬浮速度最小，蔗叶的实际滑移率最小，此时跟随流场一起运行的能力最强，输送最省力。
2) 对同一测试样品，在气流速度增加时，理论滑移率降低。然而，由于蔗叶在流场内的悬浮速度跟其受风面积有关，故无法确定实际滑移率的变化规律。
参考文献（略）