【摘要】：針對(duì)強(qiáng)風(fēng)時(shí)自動(dòng)集沙儀測量精度和集沙效率受擾動(dòng)問題,提出了分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合降速法,設(shè)計(jì)了分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合式自動(dòng)集沙儀,闡述了風(fēng)沙分離器和數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理,并對(duì)風(fēng)沙分離器降速及分離性能、集沙儀抗強(qiáng)風(fēng)干擾性能和集沙效率等進(jìn)行了試驗(yàn)分析。結(jié)果表明,分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合式自動(dòng)集沙儀具備了抗強(qiáng)風(fēng)干擾性能,可實(shí)時(shí)、連續(xù)和遠(yuǎn)距離無線采集數(shù)據(jù),自由旋轉(zhuǎn)的起動(dòng)風(fēng)速為4.23 m/s,等動(dòng)力性為92.94%,平均集沙效率為90.42%,當(dāng)風(fēng)速低于18 m/s時(shí),粒徑55.36μm以上的土樣只要進(jìn)入集沙儀,就可被完全收集;數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的供電續(xù)航能力達(dá)31 h以上,無障礙時(shí)信號(hào)傳輸距離為208.51 m,可較好地滿足土壤風(fēng)蝕量的自動(dòng)觀測需求。
【圖文】：

一類是自動(dòng)集沙儀，集沙盒下設(shè)計(jì)了稱量傳感器，雖然減少了人為勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了集沙盒內(nèi)沙塵質(zhì)量的實(shí)時(shí)測量和記錄，但是由于發(fā)生土壤風(fēng)蝕地區(qū)的平均風(fēng)速一般較大，風(fēng)力不但擾動(dòng)稱量傳感器，影響測量精度，而且也增大氣流對(duì)沙塵的曳引力，影響集沙效率。為此，本文提出分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合降速法，設(shè)計(jì)自動(dòng)集沙儀，以滿足復(fù)雜多變的野外風(fēng)蝕觀測需求，提高風(fēng)蝕觀測數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可靠性。1總體結(jié)構(gòu)與工作原理分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合式自動(dòng)集沙儀由風(fēng)沙分離器、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置、數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)、集沙盒、底座等組成(圖1)。其中，風(fēng)沙分離器和數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)是該集沙儀的關(guān)鍵部件。工作原理:當(dāng)風(fēng)沙流作用于導(dǎo)向板時(shí)，進(jìn)氣口對(duì)準(zhǔn)來流方向，風(fēng)沙流進(jìn)入風(fēng)沙分離器，風(fēng)沙發(fā)生分離，尾氣從排氣口排出，沙塵落入集沙盒，集沙盒下稱量傳感器采集到沙塵質(zhì)量信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)作相應(yīng)處理后，無線傳輸至遠(yuǎn)處的上位機(jī)軟件，從而實(shí)現(xiàn)土壤風(fēng)蝕量的遠(yuǎn)距離無線采集。圖1分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合式自動(dòng)集沙儀結(jié)構(gòu)簡圖Fig．1Structurediagramofshunt-hedgingandmulti-stageexpansioncombinedautomaticsandsampler1．導(dǎo)向板2．擋風(fēng)板3．風(fēng)沙分離器4．旋轉(zhuǎn)座5．球軸承6．集沙盒7．稱量傳感器8．傳輸天線9．?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)采集與無線傳輸模塊10．電源開關(guān)11．充電孔12．蓄電池強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速為10.8～13.8m/s，，陸面表象為大樹枝搖動(dòng)，打雨傘行走困難。受強(qiáng)風(fēng)作用的氣流進(jìn)入集沙儀，不僅會(huì)擾動(dòng)稱量傳感器，而且也會(huì)重新攜帶沙塵從排氣口排出。假如強(qiáng)風(fēng)氣流進(jìn)入集沙儀后，速度出現(xiàn)大幅度降低，不僅低至沙塵懸浮速度以下，氣流無力攜帶沙塵，而且也低至無力擾動(dòng)稱量傳感器，那么強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)風(fēng)力對(duì)稱量傳感器的擾動(dòng)問題和風(fēng)沙在集沙儀內(nèi)部的高效分離問

分離器具備了較高的降速性能。所謂分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合降速法是指以分流對(duì)沖降速為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)多級(jí)擴(kuò)容結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)氣流速度多次降低的方法�；诖朔椒�，設(shè)計(jì)了分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合式風(fēng)沙分離器，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，由進(jìn)氣管、分流對(duì)沖腔、擴(kuò)容腔、分離腔、上回流腔、下回流腔、排氣管和楔形體組成。其中，進(jìn)氣管、擴(kuò)容腔和分離腔設(shè)計(jì)成擴(kuò)容結(jié)構(gòu)，分別作為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)擴(kuò)容。圖2分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合式風(fēng)沙分離器結(jié)構(gòu)模型Fig．2Structuremodelofshunt-hedgingandmulti-stageexpansioncombinedsandseparator1．進(jìn)氣管2．楔形體3．排氣管4．分流對(duì)沖腔5．?dāng)U容腔6．上回流腔7．分離腔8．下回流腔降速原理:強(qiáng)風(fēng)氣流進(jìn)入進(jìn)氣管后，受一級(jí)擴(kuò)容影響，實(shí)現(xiàn)第1次降速;在分流對(duì)沖腔內(nèi)部，楔形體和排氣管組成分流結(jié)構(gòu)，氣流由分流結(jié)構(gòu)分成2股，并在分流結(jié)構(gòu)后面發(fā)生反向?qū)_，實(shí)現(xiàn)第2次降速;對(duì)沖后的氣流下行至擴(kuò)容腔，受二級(jí)擴(kuò)容影響，實(shí)現(xiàn)第3次降速;進(jìn)入上回流腔的氣流受回流影響，實(shí)現(xiàn)第4次降速;從上回流腔出口下行的氣流受分離腔的擴(kuò)大空間影響，形成三級(jí)擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)第5次降速;分離腔內(nèi)下行氣流受下回流腔的回流影響，實(shí)現(xiàn)第6次降速。通過這一系列的降速，將排沙口氣流速度降至更低。2.2參數(shù)選擇(1)進(jìn)氣管進(jìn)氣管由等容段和擴(kuò)容段2部分組成，等容段起到穩(wěn)定入口氣流的作用，長度取20mm;擴(kuò)容段起到擴(kuò)容降速的作用，長度取100mm，前端寬度取15mm、高度取22.5mm，后端寬度取30mm、高度取45mm。(2)分流對(duì)沖腔、分離腔和擴(kuò)容腔分流對(duì)沖腔是氣流分流對(duì)沖的空間，受進(jìn)氣管擴(kuò)容段后端的約束，高度取45mm，直徑取100mm。分離腔是風(fēng)沙分離的空間，需要設(shè)計(jì)大一些，以便風(fēng)沙能較充分地降速和分離，故高度取80mm，直徑?
【作者單位】： 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;泰山學(xué)院機(jī)械與工程學(xué)院;
【基金】：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361058、41161045)
【分類號(hào)】：S237;S157.1

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本文編號(hào)：2517464