分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪设计与试验

发布时间：2019-07-22 07:34

【摘要】：针对强风时自动集沙仪测量精度和集沙效率受扰动问题,提出了分流对冲与多级扩容组合降速法,设计了分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪,阐述了风沙分离器和数据无线采集系统的设计原理,并对风沙分离器降速及分离性能、集沙仪抗强风干扰性能和集沙效率等进行了试验分析。结果表明,分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪具备了抗强风干扰性能,可实时、连续和远距离无线采集数据,自由旋转的起动风速为4.23 m/s,等动力性为92.94%,平均集沙效率为90.42%,当风速低于18 m/s时,粒径55.36μm以上的土样只要进入集沙仪,就可被完全收集;数据无线采集系统的供电续航能力达31 h以上,无障碍时信号传输距离为208.51 m,可较好地满足土壤风蚀量的自动观测需求。
【图文】：

一类是自动集沙仪，集沙盒下设计了称量传感器，虽然减少了人为劳动，实现了集沙盒内沙尘质量的实时测量和记录，但是由于发生土壤风蚀地区的平均风速一般较大，风力不但扰动称量传感器，影响测量精度，而且也增大气流对沙尘的曳引力，影响集沙效率。为此，本文提出分流对冲与多级扩容组合降速法，设计自动集沙仪，以满足复杂多变的野外风蚀观测需求，提高风蚀观测数据的科学性和可靠性。1总体结构与工作原理分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪由风沙分离器、旋转导向装置、数据无线采集系统、集沙盒、底座等组成(图1)。其中，风沙分离器和数据无线采集系统是该集沙仪的关键部件。工作原理:当风沙流作用于导向板时，进气口对准来流方向，风沙流进入风沙分离器，风沙发生分离，尾气从排气口排出，沙尘落入集沙盒，集沙盒下称量传感器采集到沙尘质量信号，经数据自动采集系统对信号作相应处理后，无线传输至远处的上位机软件，从而实现土壤风蚀量的远距离无线采集。图1分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪结构简图Fig．1Structurediagramofshunt-hedgingandmulti-stageexpansioncombinedautomaticsandsampler1．导向板2．挡风板3．风沙分离器4．旋转座5．球轴承6．集沙盒7．称量传感器8．传输天线9．数据自动采集与无线传输模块10．电源开关11．充电孔12．蓄电池强风风速为10.8～13.8m/s，，陆面表象为大树枝摇动，打雨伞行走困难。受强风作用的气流进入集沙仪，不仅会扰动称量传感器，而且也会重新携带沙尘从排气口排出。假如强风气流进入集沙仪后，速度出现大幅度降低，不仅低至沙尘悬浮速度以下，气流无力携带沙尘，而且也低至无力扰动称量传感器，那么强风作用时风力对称量传感器的扰动问题和风沙在集沙仪内部的高效分离问

分离器具备了较高的降速性能。所谓分流对冲与多级扩容组合降速法是指以分流对冲降速为基础，通过设计多级扩容结构以实现气流速度多次降低的方法。基于此方法，设计了分流对冲与多级扩容组合式风沙分离器，其结构模型如图2所示，由进气管、分流对冲腔、扩容腔、分离腔、上回流腔、下回流腔、排气管和楔形体组成。其中，进气管、扩容腔和分离腔设计成扩容结构，分别作为一级、二级和三级扩容。图2分流对冲与多级扩容组合式风沙分离器结构模型Fig．2Structuremodelofshunt-hedgingandmulti-stageexpansioncombinedsandseparator1．进气管2．楔形体3．排气管4．分流对冲腔5．扩容腔6．上回流腔7．分离腔8．下回流腔降速原理:强风气流进入进气管后，受一级扩容影响，实现第1次降速;在分流对冲腔内部，楔形体和排气管组成分流结构，气流由分流结构分成2股，并在分流结构后面发生反向对冲，实现第2次降速;对冲后的气流下行至扩容腔，受二级扩容影响，实现第3次降速;进入上回流腔的气流受回流影响，实现第4次降速;从上回流腔出口下行的气流受分离腔的扩大空间影响，形成三级扩容，实现第5次降速;分离腔内下行气流受下回流腔的回流影响，实现第6次降速。通过这一系列的降速，将排沙口气流速度降至更低。2.2参数选择(1)进气管进气管由等容段和扩容段2部分组成，等容段起到稳定入口气流的作用，长度取20mm;扩容段起到扩容降速的作用，长度取100mm，前端宽度取15mm、高度取22.5mm，后端宽度取30mm、高度取45mm。(2)分流对冲腔、分离腔和扩容腔分流对冲腔是气流分流对冲的空间，受进气管扩容段后端的约束，高度取45mm，直径取100mm。分离腔是风沙分离的空间，需要设计大一些，以便风沙能较充分地降速和分离，故高度取80mm，直径?
【作者单位】：内蒙古农业大学机电工程学院;泰山学院机械与工程学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(41361058、41161045)
【分类号】：S237;S157.1

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