[發明專利]一種磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統及方法

在審

• 申請號: 202310060736.7
• 申請日: 2023-01-17
• 公開（公告）號: CN116046591A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 韓明興;李淼;段宏兵;馬歡歌;余鍇;徐琨;施源源;曾俏
• 申請（專利權）人: 華中農業大學
• 主分類號: G01N3/58
• 分類號: G01N3/58;G01N3/02
• 代理公司: 武漢同譽知識產權代理有限公司 42320
• 代理人: 于福

1.一種磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，所述磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統包括：

氣流配置輸送模塊，用于將氣流和磨料進行配置，包括高壓空壓機、高壓氣瓶組、磨料罐和儲水罐，所述高壓空壓機安裝于試驗臺桌下，所述高壓氣瓶組通過高壓管線與高壓空壓機以及磨料罐、儲水罐相連接，用于儲存高壓氣體；

噴嘴軌道模塊，用于利用三軸龍門式滑臺軌道帶動噴嘴進行氣體磨粒射流束的移動噴射，所述噴嘴分別與高壓氣瓶組、磨料罐和儲水罐相連接；

夾持模塊，安裝于試驗臺桌面上，用于對所需切割植物莖稈進行夾持；

磨料收集模塊，用于對噴射的磨料進行收集；

高速相機測量模塊，用于對試驗數據進行采集檢測；

控制臺，分別與氣流配置輸送模塊、噴嘴軌道模塊、夾持模塊、磨料收集模塊和高速相機測量模塊連接，用于對各個模塊的運行進行智能控制。

2.如權利要求1所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，所述磨料罐、儲水罐安裝于支撐架上，所述磨料罐出口安裝有磨料流量計，儲水罐出口安裝有水流量計。

3.如權利要求1所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，所述高壓氣瓶組包括進口截止閥、出口截止閥、壓力表、高壓氣瓶和氣瓶架，所述高壓氣瓶安裝于氣瓶架上；所述壓力表安裝于高壓氣瓶上；所述進口截止閥與高壓氣瓶氣體入口連接，所述出口截止閥與高壓氣瓶氣體出口連接。

4.如權利要求1所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，所述噴嘴通過安裝塊安裝于三軸龍門式滑臺軌道Z軸上，并通過高壓管線與磨料流量計、水流量計、氣路減壓閥、減壓閥相連接。

5.如權利要求1所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，所述夾持模塊設置有夾持底板、夾持柱、夾持架和夾持橫梁，所述夾持底板上端安裝有兩個夾持柱，兩個夾持柱之間安裝有有兩個上下設置的夾持架，兩個夾持架上下兩端分別設置有套設在夾持柱外側的上下平移螺栓螺母；

兩個夾持架外端分別安裝有兩個夾持橫梁，所述夾持架外側安裝有用于對夾持柱進行固定的寬度螺栓。

6.如權利要求5所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，兩個夾持橫梁之間通過螺紋安裝有夾緊螺栓螺母。

7.如權利要求1所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，所述試驗臺上端安裝有防護罩，所述防護罩包括可滑動打開的觀察窗、透明采光塑料板和鋼板主體。

8.如權利要求1所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統，其特征在于，所述磨料收集模塊包括緩沖橡膠板、磨料收集斜板和磨料收集箱，所述緩沖橡膠板安裝在試驗臺里側與噴嘴的相對位置，所述磨料收集斜板位于緩沖橡膠板的下側，所述磨料收集箱位于磨料收集斜板下端，放置于試驗臺桌下地面上；

所述噴嘴噴射的氣體磨粒射流束為高壓氣瓶組經過氣路減壓閥及減壓閥減壓后的高壓氣體，包含空氣、水以及磨料，為多相流。

9.一種用于實施權利要求1～8任意一項所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗系統的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗方法，其特征在于，所述磨料氣體射流植物莖稈切割試驗方法的高壓空壓機為高壓氣瓶組提供氣體，氣瓶組儲氣后與磨料罐和儲水罐共同為噴嘴提供物料，在滑臺軌道帶動下實現運動切割已經由夾持部分夾持的莖稈，由高速相機記錄過后，磨料沿著收集裝置回收，完成切割試驗過程。

10.如權利要求9所述的磨料氣體射流植物莖稈切割試驗方法，其特征在于，所述磨料氣體射流植物莖稈切割試驗方法包括：

準備階段，打開高壓空壓機電源，打開高壓氣瓶組進口截止閥，關閉氣瓶組出口截止閥，高壓空壓機制備20MPa高壓空氣，高壓氣體沿著高壓管線進入高壓氣瓶組由氣瓶組存儲，待氣瓶組達到所需要求空氣壓強后，關閉高壓空壓機及進口截止閥；

完成儲氣過程后，首先將待切割植物莖稈使用夾持裝置在植株莖稈上下兩處穩定夾持，使之豎直置于防護罩內試驗臺上，可以夾持多株；關閉試驗系統防護罩的觀察窗后開啟系統控制臺；

調節連接噴嘴進氣口的氣路減壓閥及連接磨料罐，儲水罐氣道入口的減壓閥為合適壓力輸出值；隨后接通控制臺電源，控制臺與三軸龍門式滑臺軌道連接，并對其有控制作用，由控制臺啟動三軸龍門式滑臺軌道電源；

之后打開氣瓶組出口截止閥，等待噴嘴噴出氣體一段時間，形成穩定氣流后，打開并調節磨料罐、儲水罐的對應流量計磨料流量計、水流量計，其中的磨料及水由于噴嘴中氣流產生的負壓及磨料罐，儲水罐氣道入口的減壓閥的壓力作用下進入噴嘴，隨后混合隨著氣流加速，由噴嘴出口形成磨料氣體及水的多相流切割流束；

待流束穩定后，在控制臺輸入切割靶距及移動速度，控制三軸龍門式滑臺軌道在x軸z軸位置固定，確定噴嘴切割植物莖稈位置及距離植物莖稈靶距，控制y軸移動速度，確定多相流流束切割莖稈的速度，Y軸與Z軸有相應的傳感器檢測其運動的實際距離，并且將檢測的這些位置信息作為輸入形成閉環控制，進而提高Y、Z平面的控制精度，采用伺服電機實現對X軸的移動速度的控制；

使用三個單獨的控制器分別控制步進電機和伺服電機從而驅動三軸運動，降低主控制器的任務復雜度，提高整個系統的運行效率；射流切割過程中，射流束攜帶著磨粒沖蝕植物莖稈反彈的四處飛濺磨粒以及空行程段射在傾斜緩沖橡膠板上的磨粒將沿著傾斜板及試驗臺矩形孔落入磨料收集箱，完成收集；

待切割過程結束后，首先關閉磨料罐、儲水罐的對應的磨料流量計、水流量計，一段時間后關閉氣瓶組出口截止閥，并保證氣瓶組中有足夠壓力。