高立式芦苇沙障打捆成栅机的设计与试验

针对风沙区铁路安全运行中高立式芦苇沙障生产人工效率低、劳动强度大、制造成本高、操作工序多、工作环境恶劣等问题和对芦苇沙障成栅工艺流程研究的基础上,设计了高立式芦苇沙障打捆成栅机。通过对关键作业部件进行设计选型,确定了喂料机构、铁丝推送机构、打捆拧丝机构的结构,并采用理论分析、Workbench仿真方法对喂料弧片、送丝摇臂与拧丝虎口等关键零件参数进行了设计与分析。为提高作业性能,以芦苇束紧实度、芦苇破损率和单束打捆作业时间为评价指标,以铁丝推送长度、拧丝虎口转速为影响因素,进行了高立式芦苇沙障打捆优化实验,利用Design-Expert V8.0.6.1软件,构建关于评价指标与影响因素间的回归模型,确定最优参数组合为:拧丝虎口转速1297r/min、送丝距离372mm。样机验证试验结果表明:高立式芦苇沙障打捆成栅机具有较强的物料适应性,在优化参数组合下,通过试验验证了设计的正确性和合理性。上述研究成果丰富了高立式芦苇沙障打捆成栅技术,也为整秆打捆成栅机械的设计提供参考依据。

不同规格芦苇沙障生态保护成效研究

沙障是减缓地表风蚀、保护地表植被的重要措施之一,为筛选适宜呼伦湖流域沙地风沙防治的芦苇沙障设置模式,试验按照行距1、1.5、2 m的带状以及1 m×1 m、1.5 m×1.5 m、2 m×2 m的方格状共设置6种不同规格芦苇沙障,选取防风效能、表层土壤含水量、地表蒸发量、沙障内修复物种生长情况4个指标评估不同规格芦苇沙障生态保护成效。结果显示:方格状芦苇沙障生态保护成效高于带状芦苇沙障,其中方格状芦苇沙障平均防风效能、表层土壤含水量及地表蒸发量由高到低依次为1m×1 m>1.5 m×1.5 m>2 m×2 m;对6种芦苇沙障模式内冰草[Agropyron cristatum(L.)Gaertn.]、披碱草(Elymus dahuricus Turcz.ex Griseb.in Ledeb.)和小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam.)的植被生长情况分析显示,冰草在1 m×1 m方格状芦苇沙障生长较好。合理的沙障设置,不仅能够防风固沙,并且可减少土壤水分的流失。

平行高立式沙障对严重沙化草地植被及土壤种子库的影响

以草地严重沙化后形成的沙丘 ,且其上设置有不同年龄 (2～ 3a和 4～ 5a)平行高立式芦苇沙障的地段为研究对象 ,分别对沙丘不同部位 (迎风坡、背风坡和丘间低地 )及沙障不同位置 (沙障迎风面、背风面和两沙障中间 )土壤种子库进行了研究 ,以同类型未设沙障的地段作对照 ,并结合沙丘各部位地上植被特征 ,深入研究了平行高立式沙障对严重沙化草地的影响 .结果表明 ,在严重沙化草地设置平行高立式沙障 ,可使植被盖度及植物种类显著增加 ,有助于生物结皮的发育 .另外 ,还可有效拦截风沙流中所携带的植物种子 。

铁路高立式芦苇沙障防风阻沙的现场测试与流场模拟计算

[目的]调查在建库格铁路沿线布设的高立式芦苇沙障的阻沙与防风效果,判断高立式芦苇沙障能否满足防风阻沙的工程需要,为风沙灾害防治提供相关的科学依据。[方法]在沿线试验段进行了高立式芦苇沙障的阻沙率测试与梯度风监测,并采用数值模拟计算手段深入分析了高立式芦苇沙障的流场分布特征以及阻沙控沙规律。[结果]①现场测试发现单道芦苇沙障的阻沙率为93.85%,铁路沿线通常设置多道阻沙沙障,风沙流经过多道阻沙沙障后,基本被净化。②在单道芦苇沙障的作用下,风沙流在其周围的速度分布明显,沙障后形成的减速区较为均匀且没有涡流区的出现;芦苇沙障芦苇束的透隙率为36.5%,对风沙流的削弱影响区主要分布在沙障前3.5H(H=200cm)和沙障后17H水平距离范围内,对来流的平均削弱程度为29.7%,最大值为48%。③当风速超过沙粒起动风速后,风沙颗粒主要分布在芦苇沙障前0.2H范围内,风沙流经过沙障后沙通量急剧降低。[结论]通过现场试验及数值模拟,揭示了高立式芦苇沙障的阻沙控沙规律。高立式芦苇沙障具有类似网式沙障的优良控沙能力,可在铁路沿线进行推广使用。

孔隙率对芦苇沙障风沙防护效果影响分析

基于格库铁路新疆段风沙防护试验工程,以高立式芦苇沙障为研究对象,分析孔隙率对其流场分布特征和阻沙率的影响,为后期工程实践提供一定技术支持。研究结果表明,芦苇沙障孔隙率大小与背风侧涡旋区分布范围呈负相关变化,孔隙率越小,背风侧低速区水平分布范围越大,风力消减效果越显著;在沙障高度范围内,背风侧风力垂向分速度随沙障高度的增加呈现上升趋势;沙障高度一定时,孔隙率越大,沙障后垂向下的风力值越小,沙粒沉降能力越弱,积沙效果越差;在0~16 m/s风速范围内,沙障孔隙率大小与总阻沙率呈负相关变化,随着风速的逐渐增大,不同沙障阻沙率之间的差异越来越小。基于本文研究结果,建议在铁路防沙工程应用中将芦苇高立式沙障孔隙率设定为28.6%~37.5%。

库布齐沙漠光伏电站内芦苇沙障的防风固沙效益

[目的]研究光伏电站内芦苇沙障对风沙流的风速、输沙量及其沙粒分布的影响,为中国北方风沙区光伏电站沙害防治提供理论依据。[方法]通过野外观测库布齐沙漠200 MWp光伏电站铺设芦苇沙障后的风速(20,50,100,200,310 cm)和近地表0—30 cm高度输沙量,分析风速廓线、地表粗糙度、摩阻风速、平均跃移高度、防风作用、固沙效益等指标的变化规律。[结果](1)芦苇沙障风速廓线呈对数函数分布,相关系数在0.99以上,芦苇沙障相对于裸沙地表粗糙度提高了3.47~3.79倍,摩阻风速增加了1.39~1.54倍,防风作用最大值出现在20 cm高度处,为21.72%。(2)总输沙量芦苇沙障仅为裸沙的6.95%,总体固沙效益为93.05%,裸沙90%以上的输沙量集中于0—8 cm范围,而芦苇沙障在此高度范围内输沙量占总输沙量的51.39%,芦苇沙障的风沙流结构有向上层移动的趋势。[结论]铺设芦苇沙障降低了近地表风速,有效拦截了风沙流,达到了防风固沙目的,是沙区光伏电站有效的防护措施。

库布齐沙漠北缘机械沙障对地表土壤可蚀性的影响

[目的]明确机械沙障铺设对风沙区地表可蚀性特征的影响,为防沙工程中沙障的合理应用提供理论依据。[方法]采取库布齐沙漠北缘迎风坡不同年限铺设的生物基可降解聚乳酸(PLA)沙袋沙障、沙柳沙障和芦苇沙障不同坡位的土壤样品,分析了地表0—20 cm深度土壤有机质含量、土壤粒径组成和土壤可蚀性K值。[结果]①沙障铺设后利于土壤有机质含量增加,其中2 m×2 m沙柳沙障对土壤有机质的积累效果最好,且迎风坡上部土壤有机质含量相对较少。②沙障铺设使得障格内黏粒、粉粒和细砂含量增加,随设障年限的增加其呈增加趋势;土壤0—20 cm范围内均以细砂为主。③铺设机械沙障可降低土壤可蚀性,各立地条件下沙丘下部障格内土壤抗蚀性最好;3种机械沙障中沙柳沙障抗蚀性较高;随设障年限增加障格内土壤抗蚀性增强,设障4 a后,2 m×2 m铺设规格障格内的土壤受侵蚀风险较小;土壤可蚀性K值与土壤有机质含量呈极显著(p<0.01)负相关。[结论]沙障铺设使土壤有机质含量增加,利于细粒物质的积累,增强土壤抗蚀性,是治理流动沙丘有效的风蚀防治措施。建议在库布齐沙漠北缘铺设机械沙障时,可采用迎风坡上部铺设1 m×1 m的生物基可降解聚乳酸(PLA)沙袋沙障,中部铺设2 m×2 m的沙柳沙障,下部铺设2 m×2 m的生物基可降解聚乳酸(PLA)沙袋沙障的模式。

基于OpenCV图像处理的芦苇高立式沙障合格率的检测研究

针对芦苇高立式沙障在制作后难以快速进行合格率检测的问题,课题组设计了基于OpenCV图像处理的芦苇高立式沙障检测系统。结合芦苇高立式沙障的特性,对采集到的芦苇高立式沙障图像进行处理并构建一个H*W的矩阵,再将二维矩阵一维化,通过循环遍历整个图像,找寻点(dot)从而确定每束芦苇的边界,计算芦苇束间距。处理结果表明,本系统间距测量数据与人工间距测量数据的误差率σ﹤13%,总体能较好地反映出芦苇高立式沙障是否合格。

芦苇方格沙障内部积沙形态演化的野外观测

芦苇方格沙障作为和若铁路重要的工程固沙措施之一,其内部积沙形态的演变对芦苇方格的防沙性能有重要影响。为了解芦苇方格沙障内部真实的积沙状态,依托和若铁路建设工程,采用野外监测的手段对芦苇方格沙障内部积沙形态的演变进行为期6个月的监测。结果显示,芦苇方格沙障的积沙量分布沿着主风的方向向后移动。在风向垂直断面上,芦苇方格沙障边缘的积沙厚度要比中心位置大。整个监测时段内,芦苇方格沙障内部的积沙厚度可以用Rotion Tayor曲面函数来很好地描述,并且曲面沿着主风方向凹陷。芦苇方格沙障的结构参数、风速、风向和风速占比是塑造方格内部复杂积沙形态的主要原因。以上研究结果对野外自然状态下芦苇方格沙障内部积沙演变的认识具有重要意义。

新疆S214省道高立式芦苇沙障合理间距分析

以新疆S214省道沙害防治区段为背景,应用CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法分析了高立式芦苇沙障周围的风沙流场,结果表明:高立式芦苇沙障周围流场可分为迎风侧减速区,上方加速区和背风侧恢复区,背风侧无明显涡流区生成,沙障间的合理间距与风速呈负相关。现场布置模式对20 m·s^-1的风沙流有较好防护效果,低于此风速时,第二道沙障背风侧基本无恢复区生成,后两道沙障迎风侧积沙较多且紧贴沙障分布,压埋沙障速度较快。通过相贴原理优化沙障间距,可以充分发挥各道沙障的防护作用,有效抵御风沙流侵袭,适当延长沙障使用年限。根据前人观测数据、现场调查和数值模拟结果,建议研究区内高立式芦苇沙障间距宜为20~25 m。该研究结果可为研究区内高立式芦苇沙障的合理布置提供理论依据,也可为其他风沙防护工程的建设提供参考。

高立式芦苇沙障推送喂入装置的设计分析与试验

针对高立式芦苇沙障喂料需求,研究设计了一种高立式芦苇沙障推送喂入装置,对推送部件的主体结构和对辊式喂入部件的结构参数进行设计,分析了对辊式芦苇秸秆喂入机理,并试制了高立式芦苇沙障推送喂入装置试验台进行对辊式喂入部件的性能试验,以对辊转速、对辊直径为自变量,芦苇喂入率与芦苇输送到挡板占比为因变量,通过响应曲面进行分析得到最优解:对辊直径49.6mm,对辊转速1800r/min。由验证试验结果可知,芦苇喂入率为93.8%,比预测值低0.4个百分点;芦苇输送到挡板的占比为92.1%,比预测值低0.9个百分点。参数优化模型合理,满足作业要求。研究结果可为成束秸秆喂入机械的研发提供理论依据。