高壓靜電吸附除雜的試驗研究

王軍超，楊永發(fā)，李嘉彬，周 鑫

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650244）

0 引言

茶葉起源于中國，中國人種茶、制茶、飲茶的歷史已有數(shù)千年，茶葉對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和文化交流具有重要意義。云南省是我國西南地區(qū)茶葉生產(chǎn)的主要種植基地，茶葉已成為云南省一些州市的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對云南省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的支撐作用。

在茶葉加工制作的過程中，常常會有一些雜質(zhì)混入其中，比如毛發(fā)、編織袋絲、捆扎帶絲等，導(dǎo)致茶葉生產(chǎn)的缺陷、品質(zhì)的下降。用人工撿拾的方法不僅要耗費大量的人力，而且還會對茶葉造成一定的破壞?；诖?，筆者設(shè)計了一款既不用消耗大量的人力成本，也不會對茶葉造成破壞，同時能使茶葉與雜質(zhì)分離的方法，以提高茶葉的品質(zhì)。

在我國，對高壓靜電吸附試驗的研究最早可追溯到1976年，高壓靜電揀梗機(jī)的設(shè)計，它是根據(jù)茶葉中含有可極化的成分，讓其通過不均勻電場，使其帶上束縛電荷在電場中受力而產(chǎn)生運動。試驗得出，根據(jù)各類茶葉含水率的不同，可設(shè)置相對應(yīng)的參數(shù)，來達(dá)到分離最佳效果，后人也在此基礎(chǔ)上對其靜電電位[1]和靜電場的優(yōu)化[2]展開研究。殘膜靜電回收裝置吸附試驗研究[3]，則是通過滾筒與毛氈摩擦起電產(chǎn)生靜電場，對輸送速度、滾筒與皮帶距離、壓縮彈簧彈力和滾筒轉(zhuǎn)速4個影響因素進(jìn)行單因素和多因素試驗分析。結(jié)果表明：在輸送速度為0.6 m/s、滾筒與皮帶距離為30 mm、壓縮彈簧彈力為145 N、滾筒轉(zhuǎn)數(shù)為45 r/min時，裝置的吸附效果最好。

通過比較高壓靜電除雜和摩擦靜電除雜兩種方法，研究人員發(fā)現(xiàn)如下特點：摩擦靜電除雜的缺點在于對工作環(huán)境要求高，且產(chǎn)生的吸附力不穩(wěn)定，持續(xù)工作的可靠性有待提高；高壓靜電除雜對工作環(huán)境要求較低，吸附穩(wěn)定且可持續(xù)工作時間長[4]。因此，本試驗采用了高壓靜電除雜裝置進(jìn)行吸附試驗的研究，對輥筒底部與底板的距離、電壓的大小、給料速度、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、溫度、濕度6個因素進(jìn)行試驗分析，通過控制變量法確定最佳參數(shù)組合，以得出最佳試驗參數(shù)范圍，提高高壓靜電吸附裝置的工作效率和穩(wěn)定性。

1 工作原理及參數(shù)

靜電除雜機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。1）操作控制單元，將控制單元的給料、風(fēng)機(jī)、電輥機(jī)、高壓依次啟動。然后將含有雜質(zhì)的茶葉放入進(jìn)料口，經(jīng)振動篩振動，將茶葉送經(jīng)負(fù)、正靜電輥子下方。2）由于極化反應(yīng)，茶葉中的雜質(zhì)被靜電輥子吸起并附著在其表面，再由電輥機(jī)帶動靜電輥子轉(zhuǎn)動，將毛發(fā)帶到靜電輥子頂端。3）由風(fēng)機(jī)的負(fù)壓風(fēng)將雜質(zhì)吸走，進(jìn)入雜物桶內(nèi)。被分離后的茶葉從出料口流出，落入收集箱，完成一次工作任務(wù)。工作參數(shù)表，如表1所示。

圖1 靜電除雜機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2 材料與方法

2.1 試驗材料

準(zhǔn)備若干量的干茶葉，再準(zhǔn)備若干量的毛發(fā)、捆扎帶和編織袋，用來模擬茶葉中的雜質(zhì)。取100根毛發(fā)，100條捆扎帶，100條編織袋絲，長度均保持在5 cm～10 cm，將它們清洗后晾干，分別與1 kg干茶葉均勻混合，作為3個試驗組。

2.2 試驗方法

本試驗將對輥筒底部與底板的距離、電壓的大小、給料振頻、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、溫度、濕度6個因素進(jìn)行試驗分析。探究在單因素作用下，對雜質(zhì)吸附率的影響。雜質(zhì)吸附率是指進(jìn)入雜物桶內(nèi)的雜質(zhì)總量除以起始放入的雜質(zhì)總量，即：

式中：λ為雜質(zhì)吸附率（%），m為吸附雜質(zhì)質(zhì)量（根），M為物料總量（根）。

3 結(jié)果與分析

3.1 裝置自身參數(shù)對吸附效率的影響

裝置自身參數(shù)主要是輥筒底部與底板的距離、電壓的大小、給料振頻、風(fēng)機(jī)風(fēng)量4個參數(shù)，對它們進(jìn)行試驗研究，得出各參數(shù)對吸附率的影響[5]。

3.1.1 輥筒底部與底板的距離對吸附效率的影響

對輥筒底部與底板的距離分別取65 mm、60 mm、55 mm、50 mm、45 mm、40 mm。保持物料底板的位置不變，按設(shè)計的6個參數(shù)，對實驗裝置中靜電輥子的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，啟動裝置進(jìn)行試驗并統(tǒng)計分析雜質(zhì)的吸附情況。其他參數(shù)取值為：電壓27 kV，給料振頻42 Hz，風(fēng)機(jī)風(fēng)量3 200 m3/h，溫度28℃，濕度30%。

如圖2所示，可以看出毛發(fā)和捆扎帶的吸附率情況都是隨著輥筒底部與底板距離的減小而增大的，當(dāng)該距離為40 mm時，雜質(zhì)吸附效果最好。

圖2 滾筒底部到底板的距離和吸附率的曲線關(guān)系

3.1.2 電壓的大小對吸附效率的影響

教師在了解了課程標(biāo)準(zhǔn)要求、教材內(nèi)容、學(xué)生基本情況之后，就需要選擇正確的方法與策略，將設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)準(zhǔn)確表達(dá)出來。只有清晰的表達(dá)才能保證在教學(xué)過程中能夠得到有效落實與執(zhí)行。因此，教師應(yīng)該根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)性質(zhì)，選擇合適的方法與策略。

對電壓的大小分別取25.0 kV、25.5 kV、26.0 kV、26.5 kV、27.0 kV、27.5 kV。按設(shè)計的6個電壓參數(shù)，對控制單元的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，啟動裝置進(jìn)行試驗并統(tǒng)計分析雜質(zhì)的吸附情況[6]。其他參數(shù)取值為：輥筒底部與底板的距離40 mm，給料振頻42 Hz，風(fēng)機(jī)風(fēng)量3 200 m3/h，溫度28℃，濕度30%。

如圖3所示，可以看出毛發(fā)和捆扎帶的吸附率情況都是隨著電壓大小的增大而上升的，當(dāng)電壓為27 kV時的吸附率和27.5 kV時效果相同，故將電壓的大小設(shè)置為27 kV時效果最佳。

圖3 電壓的大小和吸附率的曲線關(guān)系

3.1.3 給料振頻對吸附效率的影響

對給料振頻的大小分別取36 Hz、38 Hz、40 Hz、42 Hz、44 Hz、46 Hz。啟動裝置進(jìn)行吸附試驗并統(tǒng)計分析雜質(zhì)的吸附情況。其他參數(shù)取值為：輥筒底部與底板的距離40 mm，電壓27 kV，風(fēng)機(jī)風(fēng)量3 200 m3/h，溫度28℃，濕度30%。

如圖4所示，可以看出雜質(zhì)的吸附率情況在振動頻率為36 Hz～42 Hz時是緩慢增長的，42 Hz時達(dá)到最高點，在42 Hz～46 Hz時是發(fā)生下降的。這是因為36 Hz時頻率太慢，振動篩機(jī)未能將剛放入的茶葉打散，雜質(zhì)與茶葉揉在一起，不利于裝置的吸附。而在42 Hz之后，吸附效果下降是因為振頻過快，靜電輥子來不及吸起。故給料振頻設(shè)置為42 Hz時效果最佳。

圖4 給料振頻與吸附率的曲線關(guān)系

3.1.4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量對吸附效率的影響

如圖5所示，可以看出雜質(zhì)的吸附率隨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大而升高，但風(fēng)量在3 300 m3/h～3 500 m3/h時，由于風(fēng)量過大，少許茶葉也隨著通風(fēng)管進(jìn)入雜物桶內(nèi)，造成不必要的浪費，同時，在此區(qū)間的風(fēng)量對吸附率的影響很小。因此，選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小為3 200 m3/h時效果最佳。

圖5 風(fēng)量與吸附率的曲線關(guān)系

3.2 外部條件對吸附效率的影響

外部條件主要是試驗環(huán)境的溫度和濕度兩個因素。溫度和濕度會直接影響被測物體的電特性。在溫度和濕度都較低的條件下，物體的電阻會明顯增大，使靜電泄放速度緩慢，從而導(dǎo)致吸附率下降[7-9]。

3.2.1 溫度對吸附效率的影響

對溫度擬選6個水平，分別在一天中的6個時間段進(jìn)行多次試驗，取每個時間段的均值進(jìn)行記錄。其他參數(shù)取值為：輥筒底部與底板的距離40 mm，電壓的大小27 kV，給料振頻42 Hz，風(fēng)機(jī)風(fēng)量3 200 m3/h，濕度30%。

如圖6所示，可以看出雜質(zhì)的吸附率在15:00附近時效果最好，此時的平均氣溫在28℃；在6:00和21:00時效果較差，這兩個時間段的平均氣溫分別為19℃和17℃。因此，可以推斷：溫度越高，吸附效果越好。

圖6 一天某時刻溫度與吸附率的曲線關(guān)系

3.2.2 濕度對吸附效率的影響

對濕度擬選6個水平，分別將試驗組進(jìn)行加濕控制其濕度變量，進(jìn)行多次試驗消除誤差，記錄數(shù)據(jù)。其他參數(shù)取值為：輥筒底部與底板的距離40 mm，電壓的大小27 kV，給料振頻42 Hz，風(fēng)機(jī)風(fēng)量3 200 m3/h，溫度28℃。

如圖7所示，可以看出雜質(zhì)的吸附率在0～30%范圍內(nèi)是逐漸升高的，30%時達(dá)到最佳效果，在30%～50%內(nèi)效果明顯下降。從中可以看出，適當(dāng)?shù)臐穸扔欣谔岣唠s質(zhì)的吸附效果。因此，在濕度為30%時吸附效果最好。

圖7 濕度與吸附率的曲線關(guān)系

4 結(jié)論

1）本實驗通過對高壓靜電除雜裝置的自身參數(shù)和外部條件因素兩方面進(jìn)行研究，以雜質(zhì)吸附率為判別標(biāo)準(zhǔn)，運用控制變量法確定最佳參數(shù)組合，得出最佳試驗參數(shù)，提高了高壓靜電吸附除雜裝置的工作效率和穩(wěn)定性，為今后高壓靜電吸附除雜的研究和改進(jìn)提供參考。

2）試驗結(jié)果表明：裝置自身參數(shù)中輥筒底部與底板的距離為40 mm、電壓的大小為27 kV、給料振頻為42 Hz、風(fēng)機(jī)風(fēng)量為3 200 m3/h時；外部條件中溫度為28℃、濕度為30%時，除雜效果最好。