靜電電位對(duì)靜電揀梗機(jī)揀梗率的影響

楊永發(fā) 張 熒 陳 帥

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203；3.浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江 金華 321017）

茶葉在采制過程中必然帶有一定數(shù)量的木質(zhì)化的莖梗，而商品茶葉對(duì)含梗量都有嚴(yán)格的要求。從茶葉中將莖梗揀剔出來是茶葉精制加工中的重要環(huán)節(jié)，是提高茶葉品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值必不可少的關(guān)鍵作業(yè)，也是茶葉精制加工中耗用勞動(dòng)力最多的一項(xiàng)作業(yè)。按工作原理可分為階梯式、靜電式、光電式。茶葉精制過程所用的靜電揀梗機(jī)，其性能受空氣中的濕度和茶葉的含水量影響很大。特別是在夏季高濕條件下，靜電揀梗機(jī)作業(yè)無法進(jìn)行，已成為茶葉界的一大問題［1］。

靜電揀梗機(jī)主要是靠摩擦滾筒與摩擦件旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生靜電場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)揀梗工作［2，3］，摩擦滾筒表面產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的強(qiáng)度大小是影響茶葉揀梗的重要因素之一，而靜電場(chǎng)的強(qiáng)度大小可通過靜電電位值來體現(xiàn)。因此欲提高揀梗率，需提高揀梗機(jī)滾筒表面的整體電位值。

從機(jī)器自身來說，影響靜電揀梗機(jī)整體電位值的因素主要有摩擦件材料、摩擦滾筒材料、壓緊力大小、摩擦滾筒轉(zhuǎn)速等，而空氣濕度和溫度也是影響靜電場(chǎng)的重要因素。本研究擬重點(diǎn)通過利用靜電電位測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)6個(gè)影響因素進(jìn)行單因素及多因素試驗(yàn)，測(cè)試靜電揀梗機(jī)摩擦滾筒表面的靜電電位值，確定各因素的最優(yōu)組合方案以提高整體電位值，并研究各最大靜電電位值下對(duì)揀梗率的影響情況。為茶葉靜電揀梗機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

靜電揀梗機(jī)電位測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)硬件部分由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、個(gè)人電腦三部分組成，其中傳感器選用歐姆龍公司生產(chǎn)的非接觸式智能靜電傳感器ZJ-SD100以及放大器ZJ-SDA11［4，5］，數(shù)據(jù)采集卡選用 NI公司的USB-6259，傳感器可以直接與數(shù)據(jù)采集卡連接，而數(shù)據(jù)采集卡通過USB數(shù)據(jù)線方便與任何個(gè)人電腦連接，連接方便，通用性強(qiáng)［6，7］。

系統(tǒng)的軟件部分主要是對(duì)硬件部分采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，并將信號(hào)用圖表和數(shù)據(jù)的形式顯示和存儲(chǔ)。該系統(tǒng)主要是在LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦滾筒某點(diǎn)電位值的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，分為系統(tǒng)登錄模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊5個(gè)模塊［8－10］。系統(tǒng)軟件界面見圖1。

圖1 系統(tǒng)軟件界面Figure 1 Software interface of the system

2 結(jié)果與分析

2.1 靜電電位影響因素的確定

由于影響揀梗機(jī)靜電場(chǎng)的因素主要有6個(gè)，即：滾筒轉(zhuǎn)速、壓緊力、摩擦件材料、滾筒材料、濕度、溫度，而溫度對(duì)靜電電位的影響較小，基于試驗(yàn)平臺(tái)的條件限制，故排除溫度的影響，對(duì)其余5個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分為單因素試驗(yàn)和多因素試驗(yàn)兩個(gè)部分，單因素試驗(yàn)用來考察各單一變量因素對(duì)電位的影響作用，并根據(jù)電位數(shù)據(jù)的絕對(duì)值繪制與該變量因素的關(guān)系曲線，以確定單因素試驗(yàn)中的各最優(yōu)影響條件；多因素試驗(yàn)首先從機(jī)器自身的影響因素著手考察各影響因素的主次順序，然后排除次要因素后加入濕度因素考察這些影響因素之間的交互作用和主次順序。

2.2 單因素試驗(yàn)

（1）利用靜電電位測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行滾筒轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)，以確定各滾筒轉(zhuǎn)速條件下對(duì)靜電電位的影響關(guān)系。配重塊選用10.5kg、摩擦件材料選用絲綢、滾筒材料選用橡膠、測(cè)試溫度為25℃、濕度為60%，滾筒轉(zhuǎn)速分別按照8，18，28，38，48r/min依次進(jìn)行試驗(yàn)，通過圖1所示系統(tǒng)采集到電位數(shù)據(jù)值并計(jì)算得出靜電電位均值依次為：－13.933，－14.291，－14.307，－14.565，－14.267kV，電位均值的極差為0.632。由于電位均值中的負(fù)號(hào)代表的是靜電揀梗機(jī)摩擦滾筒產(chǎn)生的電荷為負(fù)電荷，電位的強(qiáng)弱關(guān)系只由數(shù)值的絕對(duì)值表示，故選取電位均值的絕對(duì)值繪制出關(guān)系圖見圖2。從電位均值結(jié)果可知：總體而言，電位值隨滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系類似拋物線，滾筒轉(zhuǎn)速為38r/min時(shí)電位均值達(dá)到最大。從極差來看，滾筒轉(zhuǎn)速的變化對(duì)電位值的影響不算明顯，故最優(yōu)滾筒轉(zhuǎn)速選擇為38r/min。

（2）進(jìn)行壓緊力單因素試驗(yàn)，以確定各壓緊力對(duì)靜電電位的影響關(guān)系。滾筒轉(zhuǎn)速選取38r/min、摩擦件材料選用絲綢、滾筒材料選用橡膠、測(cè)試溫度為25℃、濕度為60%，配重塊分別按照3.5，7.0，10.5，14.0kg依次進(jìn)行試驗(yàn)，通過圖1所示系統(tǒng)采集到電位數(shù)據(jù)值并計(jì)算得到靜電電位均值依次為：－14.534，－14.539，－14.565，－14.416kV，電位均值的極差為0.149，選取電位均值的絕對(duì)值繪制關(guān)系圖見圖3。

圖2 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)靜電電位的影響Figure 2 Test of rotation speed

從電位均值結(jié)果可知10.5kg的配重塊產(chǎn)生的電位值最大，而從極差來看，壓緊力的變化對(duì)靜電電位的影響不明顯，故最優(yōu)壓緊力選用10.5kg。

（3）進(jìn)行摩擦件材料單因素試驗(yàn)，以確定各不同摩擦件材料條件下靜電電位的變化關(guān)系。滾筒轉(zhuǎn)速選取38r/min、配重塊選取10.5kg、滾筒材料選用橡膠、測(cè)試溫度為25℃、濕度為60%，摩擦件材料分別按照羊毛氈、絲綢、棉布依次進(jìn)行試驗(yàn)，通過圖1所示系統(tǒng)采集到電位數(shù)據(jù)值并計(jì)算得到靜電電位均值依次為：－14.329，－14.565，－13.637kV，電位均值的極差為0.928，選取電位均值的絕對(duì)值繪制關(guān)系圖見圖4。從極差來看，摩擦件材料對(duì)電位值的影響較大，故選用電位均值最大的絲綢為最優(yōu)摩擦件材料。

（4）進(jìn)行滾筒材料單因素試驗(yàn)，以確定各不同滾筒材料條件下靜電電位的變化關(guān)系。滾筒轉(zhuǎn)速選取38r/min、配重塊選取10.5kg、摩擦件材料選用絲綢、測(cè)試溫度為25℃、濕度為60%，滾筒材料分別按照PE管、高壓聚乙烯、橡膠依次進(jìn)行試驗(yàn)，通過圖1所示系統(tǒng)采集到電位數(shù)據(jù)值并計(jì)算得到靜電電位均值依次為：－12.972，－12.173，－14.567kV，電位均值的極差為2.394，選取電位均值的絕對(duì)值繪制關(guān)系圖見圖5。從極差來看，不同的滾筒材料對(duì)電位值的影響較大，故選用電位均值最大的橡膠為最優(yōu)滾筒材料。

圖3 壓緊力對(duì)靜電電位的影響Figure 3 Test of pressing force

（5）進(jìn)行濕度單因素試驗(yàn)，以確定各濕度條件對(duì)靜電電位的影響關(guān)系。滾筒轉(zhuǎn)速選用38r/min、配重塊選用10.5 kg、摩擦件材料選用絲綢、滾筒材料選用橡膠、測(cè)試溫度為25℃，濕度分別按照30%，40%，50%，60%，70%，80%依次進(jìn)行試驗(yàn)，通過圖1所示系統(tǒng)采集到電位數(shù)據(jù)值并計(jì)算得到靜電電 位 均 值 依 次 為：－14.654，－14.631，－14.611，－14.567，－6.955，－6.378kV，電位均值極差為8.276，選取電位均值的絕對(duì)值繪制關(guān)系圖見圖6。從極差來看，濕度對(duì)電位均值的影響較大，從電位均值來看，只要濕度不高于60%，電位值都能維持在較高的水平，故選用低于60%的濕度為最優(yōu)濕度。

圖4 摩擦件材料對(duì)靜電電位的影響Figure 4 Test of friction material

圖5 滾筒材料對(duì)靜電電位的影響Figure 5 Test of drum material

2.3 多因素試驗(yàn)

多因素試驗(yàn)選用三水平四因素的L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)，用以確定各影響因素之間的交互作用和主次順序，選出靜電揀梗機(jī)產(chǎn)生最大電位值的最優(yōu)因素組合。

圖6 濕度對(duì)靜電電位的影響Figure 6 Test of humidity

首先從機(jī)器自身的因素出發(fā)，找出影響電位水平的因素主要為滾筒材料、摩擦件材料、滾筒轉(zhuǎn)速、壓緊力4個(gè)因素，利用圖1所示系統(tǒng)對(duì)這4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)一，按照表1所示選取因素水平。

表1 L9（34）正交試驗(yàn)一因素水平表Table 1 Factor levels of L9（34）－1

經(jīng)過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出4個(gè)因素的電位均值極差值依次為1.312，4.823，4.461，3.211，如表2所示。經(jīng)過對(duì)該正交試驗(yàn)的分析，可見機(jī)器自身的4個(gè)因素中，摩擦件材料對(duì)電位值的影響最為明顯，滾筒轉(zhuǎn)速影響次之，滾筒材料的影響最小，且滾筒材料的影響較其他3個(gè)因素影響小得多，故忽略滾筒材料的影響，選定合成橡膠為滾筒材料最優(yōu)水平進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

表2 L9（34）正交試驗(yàn)一結(jié)果及分析Table 2 Test of L9（34）－1

從機(jī)器自身因素的正交試驗(yàn)一中得出滾筒材料的影響最小，且由單因素試驗(yàn)中可知濕度因素對(duì)靜電電位影響明顯，故利用濕度因素替換滾筒材料因素，選擇摩擦件材料、濕度、滾筒轉(zhuǎn)速和壓緊力4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)二，按照表3所示選取因素水平。

經(jīng)過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出4個(gè)因素的電位均值極差依次為：1.614，7.180，0.454，0.093，如表4所示?？梢姖穸葘?duì)靜電電位的影響相當(dāng)明顯，而滾筒轉(zhuǎn)速、壓緊力的影響相對(duì)很小。根據(jù)極差來看，4個(gè)因素的交互作用不是很明顯。然后根據(jù)電位均值的大小，選取各因素中產(chǎn)生最大電位均值的條件為最優(yōu)條件即：滾筒材料為合成橡膠，滾筒轉(zhuǎn)速為38r/min，配重塊選用10.5kg，摩擦件材料為絲綢，濕度控制在60%及以下。

表3 L9（34）正交試驗(yàn)二因素水平表Table 3 Factor levels of L9（34）－2

表4 L9（34）正交試驗(yàn)二方案、結(jié)果及分析Table 4 Test of L9（34）－2

2.4 揀梗率測(cè)試

將待揀茶葉19.8kg放置在靜電揀梗機(jī)上進(jìn)行不同最大電位值條件下的多次揀梗試驗(yàn)，揀梗率測(cè)試條件和結(jié)果見表5。由表5可知，隨著最大靜電電位的增大，揀梗率呈上升趨勢(shì)，故欲提高揀梗率，首先應(yīng)該從提高靜電電位出發(fā)，對(duì)影響靜電電位的因素進(jìn)行優(yōu)化。從上文靜電電位的單因素和多因素試驗(yàn)來看，兩試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合，均從影響靜電電位的各因素著手，試驗(yàn)確定了產(chǎn)生最大電位值的最優(yōu)結(jié)果，即當(dāng)選擇滾筒材料為合成橡膠，滾筒轉(zhuǎn)速為38r/min，配重塊選用10.5kg，摩擦件材料為絲綢，濕度控制在60%及以下時(shí)可使靜電揀梗機(jī)摩擦滾筒產(chǎn)生的整體電位值最大，揀梗率最高。

表5 揀梗率測(cè)試Table 5 Stalk rate test

3 結(jié)論

利用LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了用于測(cè)試靜電揀梗機(jī)靜電電位的測(cè)試系統(tǒng)，從影響靜電揀梗機(jī)摩擦滾筒靜電電位的5個(gè)因素（滾筒材料、摩擦件材料、滾筒轉(zhuǎn)速、壓緊力、濕度）著手，通過該系統(tǒng)對(duì)摩擦滾筒表面靜電位進(jìn)行了單因素和多因素共7組試驗(yàn)，得出了提高整體靜電電位的最優(yōu)方案，并通過實(shí)際揀梗試驗(yàn)驗(yàn)證了提高最大靜電電位對(duì)提高揀梗率的作用。

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