1.试验对象及工况选择

1）试验对象为黄玉米秸秆切碎段，切碎长度为20～25mm，摘穗后的玉米秸秆含水率为60%左右。为了能够较清晰地捕捉到同一段秸秆在不同时刻的位置，试验前先将部分秸秆染成了不同的颜色。

2）拍摄物料从进料口一直到离开叶片的试验台参数：

工况一：叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，径向叶片，转速为650r/min，最佳喂入量为30kg/min，由于在叶轮区喂入量太大时同一段秸秆不易捕捉，所以选取两种喂入量分别为：20g/s、500g/s（即1.2kg/min、30kg/min）。

工况二：叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，径向叶片，喂入量为20g/s，转速分别为：650r/min、800r/min、950r/min。

工况三：叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，转速为650r/min和800r/min，喂入量为20g/s，叶片倾角分别为前倾10°以及后倾10°。

3）拍摄物料流经出料直管的试验台参数：叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，转速为650r/min，喂入量为500g/s，叶片倾角分别为径向叶片、前倾10°以及后倾10°三种。

2.高速摄像系统标定与物料运动位置的捕捉

通过高速摄像拍摄图片，可以在像素坐标下得到一系列以像素为单位的数值，为求出秸秆的运动轨迹，需要把像素单位转换为实际尺寸。在分析时选取图片中轴承座中心（小红点）为像素坐标原点。由于高速摄像拍摄的图片是在线跟踪拍摄，各图片的视觉是确定的，且每幅图片的像素坐标一致，因此取某一标准尺寸D（拍摄叶轮区时，D为图3.19右上角100mm的红线距离；拍摄出料直管区时，D为图3.20右上角245mm的两螺栓中心距离）为参考对象，计算出参考对象的像素个数N，得到比例系数k=D/N，然后通过秸秆质心运动位置求出沿x、y方向的像素个数N_x、N_y，则秸秆质心在x、y方向运动位移分别为x=kN_x、y=kN_y，由此可计算出秸秆质心沿叶片的动坐标L及物料随叶片转角，从而确定秸秆切碎段的运动轨迹。

高速摄像系统的标定、对每组拍摄图片中某一秸秆质心运动位置的捕捉可通过MATLAB程序完成，同时将捕捉到的数据保存为Excel格式。由于要捕捉秸秆质心的运动位置，而秸秆切碎段的形状又不规则，所以需人工辅助捕捉来完成。

利用MATLAB程序进行高速摄像系统的标定及捕捉拍摄图片的步骤为（具体程序略）：

1）读取和显示图像。

2）进行图像标定。

3）捕捉坐标原点并赋值。

4）捕捉物料坐标点。

5）将物料坐标点（像素）转换为实际坐标值。

6）转换为不同叶片倾角时物料动坐标及叶片转角坐标。

7）保存的是物料转角坐标及物料动坐标L值。

8）把数据保存到表格里。

3.秸秆运动规律分析

（1）物料从进料口一直到离开叶片时运动规律分析

1）不同喂入量时拍摄图片分析。当叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，径向叶片，转速为650r/min，喂入量分别为20g/s和500g/s时，由于采集帧数设置为1000帧/s，曝光时间为1/1000s，为简化图片分析难度，对拍摄图片进行观察与分析时，选取图片时间间隔为0.002s。所拍摄的图片如图3.19和图3.21所示。图中A为捕捉的秸秆。

图3.19 喂入量为20g/s时物料沿叶片运动过程示意图

图3.20 径向叶片、650r/min时物料流经出料直管过程示意图

图3.21 喂入量为500g/s时物料沿叶片运动过程示意图(www.daowen.com)

图3.21 喂入量为500g/s时物料沿叶片运动过程示意图（续）

由图3.21可以看出，在抛送叶片带动物料的过程中，只有部分物料沿叶片滑移到叶片末端后离开叶片，其他物料沿叶片滑移了一段后就离开了叶片，在惯性及叶轮内气流的共同作用下，沿圆形外壳出料口向出料直管运动，其中部分物料当与下一叶片相遇后（还未运动到出料口），又被此叶片撞击、带动，直至运动到出料口。

用以上MATLAB程序捕捉到的两种不同喂入量时物料沿叶片的动坐标L及物料随叶片转角的关系曲线如图3.22所示。

图3.22 物料沿叶片动坐标与物料转角的关系曲线

由图3.19和图3.21可以看出，其他条件相同，喂入量不同时，物料的运动轨迹基本相似。这一点还可从图3.22中得到证实。

为了更清楚地说明两条曲线的相似程度，使捕捉的两段秸秆进入叶片的初始位置相同，即将某一段秸秆（如喂入量为20g/s）的轨迹线向另一段秸秆（喂入量为500g/s）平移，同时使两曲线在初始位置点重合，再进一步作平移后两曲线的绝对误差曲线和相对误差曲线，如图3.23、图3.24所示。

由图3.23和图3.24可以看出，当捕捉的两段秸秆进入叶片的初始位置相同时，两种喂入量的试验曲线非常贴近，绝对误差在±3mm之间，相对误差在±1.5%之间。由于喂入量为20g/s时所捕捉秸秆沿叶片运动过程中在转角为45°处发生了自转，所以导致了图3.23和图3.24所示的误差曲线。由此可以得出，喂入量的大小对物料的运动轨迹的影响不大。为了便于跟踪和观察同一段物料的运动轨迹，后续高速摄像试验的喂入量均采用20g/s。

图3.23 绝对误差曲线

图3.24 相对误差曲线

2）不同转速以及不同叶片倾角时秸秆运动规律分析。当叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，转速为650r/min，喂入量为20g/s，叶片倾角为前倾10°时，所拍摄的图片如图3.25所示。由于采集帧数为2000帧/s，曝光时间为1/2000s，为了简化图片分析，选取图片时间间隔为0.001s。物料沿叶片的动坐标L及物料随叶片转角的关系如图3.9中试验曲线所示。转速为800r/min时，物料沿叶片的动坐标及物料转角的关系如图3.11a中试验曲线所示。

当叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，径向叶片，喂入量为20g/s，转速分别为：650r/min、800r/min、950r/min时物料沿叶片的动坐标L及物料随叶片转角的关系如图3.11b、图3.11c以及图3.11d中试验曲线所示（拍摄图片略）。

当叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，转速分别为650r/min、800r/min，喂入量为20g/s，叶片倾角为后倾10°时所拍摄图片略。物料沿叶片的动坐标L及物料随叶片转角的关系如图3.11e和图3.11f中试验曲线所示。

（2）物料流经出料直管时拍摄图片分析 由于拍摄流经出料直管的物料时采集帧频率为2000帧/s，曝光时间为1/2000s，为了简化分析，选取拍摄图片时间间隔为0.001s进行观察与分析。

当叶轮外径为ϕ700mm，叶片宽度为160mm，径向叶片，转速为650r/min，喂入量为500g/s时，所拍摄的图片如图3.20所示。

分别捕捉图中五段秸秆，测得相邻两帧图片间各段秸秆沿y轴正向移动的距离Δy，由于选取拍摄图片时间间隔为0.001s，即可计算各段秸秆的运动速度v_p=Δy/0.001，然后求平均值，得到秸秆段离开出料直管时的平均运动速度为v_p=12.3m/s。

同理可得到相同工作参数时，物料离开叶片后沿y轴正向的运动速度v_p=28m/s以及物料进入出料直管（图3.3中a—a截面）时沿y轴正向的运动速度v_p=14m/s（高速摄像图片略）。

图3.25 前倾角为10°的叶片、650r/min时物料沿叶片运动过程示意图

图3.25 前倾角为10°的叶片、650r/min时物料沿叶片运动过程示意图（续）

图3.25 前倾角为10°的叶片、650r/min时物料沿叶片运动过程示意图（续）