钉齿式轴流装置脱粒过程高速摄像分析

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Hi g h s p e e dP h o t o g r a p h yA n a l y s i s o f T h r e s h i n gP r o c e s s o n A x i a l F l o wD e v i c ew i t hN a i l s T e e t h
1 2 3 J i a n gN a n Y i S h u j u a n Z h a n gY a n h e
【 摘要】 以自行研制的钉齿式轴流脱粒与分离装置为研究对象, 借助高速摄像设备对脱分空间内 稻 谷 的 整 体 运动过程、 断穗的运动和脱粒过程以及自由籽粒的 运 动 过 程 进 行 了 在 线 拍 摄。 通 过 高 速 摄 像 图 像 慢 放 分 析 得 出: 稻谷进入脱分空间后, 错综复杂地交织在一起, 在旋转钉齿和导向板的共同作用 下, 稻谷流沿滚筒轴向螺旋向前涌 动。脱分空间内断穗的运动轨迹是抛物线, 其运动 不 平 稳, 速 度 容 易 出 现 波 动。 单 个 自 由 籽 粒 在 无 外 界 干 扰 时 近 似作匀速直线运动, 运动方向与滚筒轴线方向呈一定夹角。 关键词:钉齿式轴流装置 脱粒过程 高速摄像 中图分类号:S 2 2 5 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 0 1 2 9 8 ( 2 0 1 1 ) S 0 0 0 5 2 0 5
A b s t r a c t T a k i n gas e l f d e v e l o p e da x i a l f l o wt h r e s h i n ga n ds e p a r a t i n gd e v i c ew i t hn a i l st e e t ha st h er e s e a r c h o b j e c t ,t h eo v e r a l l p r o c e s s o f m o v e m e n t ,b r o k e nr i c es p i k em o v e m e n t a n dt h r e s h i n gp r o c e s s a s w e l l a s t h e m o v e m e n t p r o c e s s o f f r e ek e r n e l w e r ep h o t o g r a p h e do nl i n ei nt h r e s h i n ga n ds e p a r a t i n gs p a c eb yu s i n gt h e h i g h s p e e dp h o t o g r a p h ye q u i p m e n t .T h r o u g ht h es l o wp l a y i n ga n a l y s i so fh i g h s p e e dv i d e oi m a g e ,i t c o u l db ec o n c l u d e dt h a t w h e nt h er i c ee n t e r e di n t ot h et h r e s h i n ga n ds e p a r a t i n gs p a c ea n di n t e r w e a v e d ,t h ev a l l e yl o g i s t i c s a l o n gt h ea x i a l s p i r a l s u r g i n gm o v e df o r w a r du n d e r t h ec o m b i n e da c t i o no f t h e t o g e t h e r r o t a r yn a i l t e e t ha n dg u i d ep l a t e .T h et r a j e c t o r y o f b r o k e ne a r w a s ap a r a b o l a a n dp r e s e n t e dt o b e u n s t a b l e a n df l u c t u a t e .S i n g l ef r e ek e r n e l w i t h o u te x t e r n a l i n t e r f e r e n c ef o l l o w e da p p r o x i m a t e l yau n i f o r ml i n e a r m o t i o n .I t s m o t i o nd i r e c t i o nf o r m e dac e r t a i na n g l ew i t ht h ed r u ma x i s d i r e c t i o n . Ke yw o r d s A x i a l f l o wd e v i c ew i t hn a i l s t e e t h ,T h r e s h i n gp r o c e s s ,H i g h s p e e dp h o t o g r a p h y 本文在综合分析国内外水稻轴流收获 技 术 研 究 现 状的基础上, 借助高速摄像技术, 对自行研制的钉 齿式轴流 脱 粒 与 分 离 装 置 稻 谷 的 整 体 运 动 过 程、 断穗的脱粒过程和自由籽粒的运动过 程 进 行 分 析 与研究。
( 1 . C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ,H e i l o n g j i a n gB a y i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ,D a q i n g1 6 3 3 1 9 ,C h i n a 2 . C o l l e g eo f I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y ,H e i l o n g j i a n gB a y i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ,D a q i n g1 6 3 3 1 9 ,C h i n a 3 . C o l l e g e o f A p p l i e dT e c h n o l o g y ,H e i l o n g j i a n gB a y i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ,D a q i n g1 6 3 3 1 9 ,C h i n a )
1 . 输送胶带 2 . 输送 带 电 动 机 3 . 强 制 喂 入 装 置 电 动 机 4 . 强 . 轴流脱粒分离装置 6 . 高速摄像采集系统 制喂入装置 5 7 . 支撑架 8 . 凹板 9 . 接料车 1 0 . 动力台 1 1 . 电源控制柜 1 2 . 数据采集监控系统 1 3 . 计算机
3 结Leabharlann Baidu与分析
3 1 稻谷整体运动过程分析 通过 高 速 摄 像 图 像 慢 放 可 见: 稻谷进入脱分空 间后, 错综复杂地交织在一起, 受高速旋转滚筒上钉 齿的抓起作用而随 之 高 速 旋 转, 并沿着钉齿向外加 速滑动, 在导向板的作用和钉齿的推动下, 稻谷流沿 滚筒轴向螺旋向前涌动。在钉齿的冲击和滚筒与凹 板的揉搓作用下, 稻穗上的籽粒不断从枝梗上分离, 多数脱下的籽粒在 重 力 和 离 心 力 的 作 用 下, 克服作 物薄层的阻力, 穿 过 薄 层 到 达 凹 板 表 面。 到 达 凹 板 表面的籽粒, 如果正好落入凹板栅格孔, 就直接穿过 凹板栅格孔完成分 离 落 入 接 料 车; 如果籽粒碰到凹 板上的凹板条或横 隔 板 就 会 被 反 弹, 在谷物流的作 用下向排草口方向 移 动, 直至落入凹板栅格孔分离 或从排草口抛出为止。 3 2 断穗运动和脱粒过程分析 图 2是 借 助 高 速 摄 像 机 从 脱 分 装 置 前 部 拍 摄
2011年 1 1月
农 业 机 械 学 报
第 4 2卷 增刊
钉齿式轴流装置脱粒过程高速摄像分析
姜 楠 1 衣淑娟 2 张延河 3
( 1 . 黑龙江八一农垦大学工程学院,大庆 1 6 3 3 1 9 ;2 . 黑龙江八一农垦大学信息技术学院,大庆 1 6 3 3 1 9 ; 3 . 黑龙江八一农垦大学应用技术学院,大庆 1 6 3 3 1 9 )
图1 钉齿式轴流脱粒与分离装置试验台结构示意图 F i g . 1 S c h e m a t i cd r a w i n go f n a i l s t e e t ho f t h ea x i a l f l o w t h r e s h i n ga n ds e p a r a t i n gt e s t b e d
引言 轴流脱粒装置因其性能优越、 适应性广、 脱粒柔 和、 分离充分, 在实际生产中应用越来越广泛, 因此, 对轴流脱粒装 置 进 行 深 入 研 究 显 得 十 分 必 要
[ 1~4 ]

收稿日期:2 0 1 1 0 8 1 5 修回日期:2 0 1 1 0 8 2 9 E 2 0 0 9 4 2 ) 和黑龙江省农垦总局“ 十一五” 重点科技攻关项目( H N K X I V 1 0 0 5 ) 黑龙江省自然科学基金资助项目( 作者简介:姜楠, 讲师, 主要从事水稻收获机械化研究, E m a i l :j i a n g n a n 2 0 7 4 @1 6 3 . c o m 通讯作者:衣淑娟, 教授, 博士生导师, 主要从事水稻收获机械化研究, E m a i l :y i s h u j u a n _ 2 0 0 5 @1 2 6 . c o m
的, 含有 3个 籽 粒 断 穗 脱 粒 过 程 的 高 速 摄 像 图 片。 设定图片的左下角 为 坐 标 原 点, 滚筒切线方向为横 坐标轴、 滚筒轴线方向为纵坐标轴, 图中白色横条和 0c m 的标尺。 竖条是长度均为 1 通 过 观 察 分 析 该 断 穗 的 运 动 和 脱 粒 过 程 可 知: 脱粒前, 1号断穗在脱分空 间内 运 动 轨 迹 为 抛 物 线, 其并非平移运动而是不断翻转向前运动。随着时间 的推移, 1号 断 穗 呈 现 减 速 运 动 趋 势。 当 与 高 速 旋 转的钉齿第 1次碰撞后, 断穗 随 即 产 生 翻 转, 2号 籽 粒在钉齿打击力的 作 用 下 首 先 与 穗 头 相 分 离, 而含 有 2个籽粒的 1号 断 穗 继 续 沿 滚 筒 轴 向 向 前 运 动, 但运动方向与碰撞 前 发 生 明 显 改 变, 当受到钉齿的 第 2次碰撞后, 3号、 4号 籽 粒 先 后 与 连 接 茎 秆 相 分 离, 断穗的脱粒过程结束。 图3 a 为断穗上 3个籽粒的运动轨迹, 由 图分 析 得出: 脱粒前 2号 籽 粒 运 动 方 向 与 轴 线 方 向 的 夹 角 = 4 5 0 2 ° , 第 1次 碰 撞 结 束 后, 受钉齿打击作用脱 θ 下的 2号籽粒运 动 轨 迹 发 生 改 变, 运动方向与轴线 方向的夹角 明 显 增 大, 5 9 0 ° 。 同 时 含 有 2个 θ 2 =6 运动轨迹也与先前 籽粒的 1号断穗 产 生 翻 转 运 动, 发生明显改变, 近 似 于 斜 直 线 运 动。 当 受 到 钉 齿 的 第 2次碰撞 后, 2个 籽 粒 与 连 接 茎 秆 实 现 分 离。 其 中, 3号 籽 粒 的 运 动 方 向 与 轴 线 方 向 的 夹 角 θ 3 = 7 5 5 8 ° , 4号籽粒的运动方向与轴线方向的夹角 θ 4= , 角度越大, 表明籽粒沿切线方向运动的能 7 6 7 5 ° θ 力越强。 图3 b为 2号 籽 粒 的 运 动 速 度 图, 由 图 可 知, 在 钉齿的打击作用下, 2号籽 粒脱 粒 前、 后的速度在大
增刊 姜楠 等:钉齿式轴流装置脱粒过程高速摄像分析
5 3
1 试验装置
试验采用自行研制的钉齿式轴流脱粒与分离装 置试验台, 结构如图 1所示。试验台由输送胶带、 强 制喂入装置、 轴 流 脱 粒 分 离 装 置、 高速摄像采集系 统、 接料车、 动力台、 电源控制柜和计算机数据采集 监控系统 8大部分组成。为满足高速摄像拍摄时采 光要求, 各个拍 摄 口 均 采 用 钢 化 玻 璃 材 料 制 作。 试 验前对拍摄角度、 拍 摄 距 离、 光 源 位 置、 摄像机的光 圈和焦聚等进行了 仔 细 调 整, 并进行了大量的试拍 摄。为了减少外界因素和人为误差对拍摄质量和拍 摄效果的影响, 试验在黑龙江八一农垦大学工程学 院收获实验室内进行。
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