【摘要】：針對強風時自動集沙儀測量精度和集沙效率受擾動問題,提出了分流對沖與多級擴容組合降速法,設(shè)計了分流對沖與多級擴容組合式自動集沙儀,闡述了風沙分離器和數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的設(shè)計原理,并對風沙分離器降速及分離性能、集沙儀抗強風干擾性能和集沙效率等進行了試驗分析。結(jié)果表明,分流對沖與多級擴容組合式自動集沙儀具備了抗強風干擾性能,可實時、連續(xù)和遠距離無線采集數(shù)據(jù),自由旋轉(zhuǎn)的起動風速為4.23 m/s,等動力性為92.94%,平均集沙效率為90.42%,當風速低于18 m/s時,粒徑55.36μm以上的土樣只要進入集沙儀,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31 h以上,無障礙時信號傳輸距離為208.51 m,可較好地滿足土壤風蝕量的自動觀測需求。
【圖文】：

一類是自動集沙儀，集沙盒下設(shè)計了稱量傳感器，雖然減少了人為勞動，實現(xiàn)了集沙盒內(nèi)沙塵質(zhì)量的實時測量和記錄，但是由于發(fā)生土壤風蝕地區(qū)的平均風速一般較大，風力不但擾動稱量傳感器，影響測量精度，而且也增大氣流對沙塵的曳引力，影響集沙效率。為此，本文提出分流對沖與多級擴容組合降速法，設(shè)計自動集沙儀，以滿足復雜多變的野外風蝕觀測需求，提高風蝕觀測數(shù)據(jù)的科學性和可靠性。1總體結(jié)構(gòu)與工作原理分流對沖與多級擴容組合式自動集沙儀由風沙分離器、旋轉(zhuǎn)導向裝置、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:當風沙流作用于導向板時，進氣口對準來流方向，風沙流進入風沙分離器，風沙發(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，經(jīng)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)對信號作相應處理后，無線傳輸至遠處的上位機軟件，從而實現(xiàn)土壤風蝕量的遠距離無線采集。圖1分流對沖與多級擴容組合式自動集沙儀結(jié)構(gòu)簡圖Fig．1Structurediagramofshunt-hedgingandmulti-stageexpansioncombinedautomaticsandsampler1．導向板2．擋風板3．風沙分離器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．數(shù)據(jù)自動采集與無線傳輸模塊10．電源開關(guān)11．充電孔12．蓄電池強風風速為10.8～13.8m/s，，陸面表象為大樹枝搖動，打雨傘行走困難。受強風作用的氣流進入集沙儀，不僅會擾動稱量傳感器，而且也會重新攜帶沙塵從排氣口排出。假如強風氣流進入集沙儀后，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稱量傳感器，那么強風作用時風力對稱量傳感器的擾動問題和風沙在集沙儀內(nèi)部的高效分離問

分離器具備了較高的降速性能。所謂分流對沖與多級擴容組合降速法是指以分流對沖降速為基礎(chǔ)，通過設(shè)計多級擴容結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)氣流速度多次降低的方法�；诖朔椒ǎO(shè)計了分流對沖與多級擴容組合式風沙分離器，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，由進氣管、分流對沖腔、擴容腔、分離腔、上回流腔、下回流腔、排氣管和楔形體組成。其中，進氣管、擴容腔和分離腔設(shè)計成擴容結(jié)構(gòu)，分別作為一級、二級和三級擴容。圖2分流對沖與多級擴容組合式風沙分離器結(jié)構(gòu)模型Fig．2Structuremodelofshunt-hedgingandmulti-stageexpansioncombinedsandseparator1．進氣管2．楔形體3．排氣管4．分流對沖腔5．擴容腔6．上回流腔7．分離腔8．下回流腔降速原理:強風氣流進入進氣管后，受一級擴容影響，實現(xiàn)第1次降速;在分流對沖腔內(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)_，實現(xiàn)第2次降速;對沖后的氣流下行至擴容腔，受二級擴容影響，實現(xiàn)第3次降速;進入上回流腔的氣流受回流影響，實現(xiàn)第4次降速;從上回流腔出口下行的氣流受分離腔的擴大空間影響，形成三級擴容，實現(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)進氣管進氣管由等容段和擴容段2部分組成，等容段起到穩(wěn)定入口氣流的作用，長度取20mm;擴容段起到擴容降速的作用，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)分流對沖腔、分離腔和擴容腔分流對沖腔是氣流分流對沖的空間，受進氣管擴容段后端的約束，高度取45mm，直徑取100mm。分離腔是風沙分離的空間，需要設(shè)計大一些，以便風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)大學機電工程學院;泰山學院機械與工程學院;
【基金】：國家自然科學基金項目(41361058、41161045)
【分類號】：S237;S157.1

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本文編號：2517464