螺紋管吸附式名優(yōu)茶采收器設(shè)計與試驗

陳建能 李 杭 任 萍 賈江鳴 趙潤茂 武傳宇

(1.浙江理工大學機械工程學院, 杭州 310018; 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室, 杭州 310018;3.浙江省余姚市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣中心, 余姚 315402)

0 引言

近年來,名優(yōu)茶產(chǎn)值占比逐年提高[1-3],成為茶產(chǎn)業(yè)的支柱。目前,大宗茶的采摘基本實現(xiàn)了機械化,而名優(yōu)茶的采摘主要依靠人工,但隨著“采茶工荒”現(xiàn)象[4]日益嚴重以及勞動力成本的上升,制約了茶葉的產(chǎn)量和效益。目前,名優(yōu)茶機械化采摘主要分為:茶葉識別[5-8]、定位[9-10]、機械臂軌跡規(guī)劃[11-12]、采收器設(shè)計及茶葉收集[13-14]。其中,采收器負責完成茶葉采摘;負壓收集裝置完成茶葉收集。

對于名優(yōu)茶采收,國內(nèi)外學者進行了相關(guān)研究。如許麗佳等[15]設(shè)計了一種可夾提式的茶葉嫩梢采收器,通過將采收器安裝在串聯(lián)機械臂上并采用負壓收集的方式對被采茶葉進行收集。賈江鳴等[16]設(shè)計了一款手持式茶葉采收器,其通過仿生原理,即模擬人工采茶時手指的采摘動作,將茶芽提拉斷梗后,通過主從動手指的轉(zhuǎn)動將茶葉送至采收盒內(nèi)。ZHU等[17]設(shè)計的采收器通過鋼絲繩的提拉動作形成兩刀片的剪切動作,待采芽葉被剪斷后通過負壓作用進入收集箱。由于茶園環(huán)境復雜、采收器整體結(jié)構(gòu)過大等原因,以上提出的采收器難以實現(xiàn)機械化采茶并且工作效率有待進一步提高。

對茶葉進行吸附式收集時,發(fā)現(xiàn)有部分茶葉貼附在管壁上,導致這部分茶葉無法收集。部分學者對氣固或固液兩相流動中的顆粒沉積(附壁)這一問題進行了研究。李立軍[18]采用起旋管生成螺旋流,從而增加海水攜帶天然氣水合物的能力,能夠有效降低水合物沉積管壁所造成的管道堵塞現(xiàn)象。李郁[19]采取氣力輸送物料并利用螺旋葉片產(chǎn)生的螺旋流解決物料沉積在管壁這一問題;該方法同時也能夠提高物料的輸送效率。梁俊等[20]通過紐帶起旋生成螺旋流進而解決水合物顆粒沉積所造成的管道堵塞問題。由此可見,螺旋流對氣固兩相流中的顆粒沉積問題具有一定的改善效果。

為實現(xiàn)名優(yōu)茶的選擇性采摘及高效收集,本文根據(jù)名優(yōu)茶采收機理進行采收器結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行采收試驗;對茶葉附壁導致收集成功率低的問題進行優(yōu)化?；诿麅?yōu)茶的物理參數(shù)設(shè)計采收器并進行采收試驗。對茶葉進行吸附式收集時,采用螺紋管的方式在管壁附近生成螺旋流,以期解決茶葉附壁問題,提高茶葉收集成功率。對影響茶葉收集成功率的3個因素進行響應面優(yōu)化試驗,進行參數(shù)尋優(yōu),并對最優(yōu)參數(shù)進行試驗驗證。

1 名優(yōu)茶采收器設(shè)計

名優(yōu)茶采摘主要以一芽二葉為主,同時也包含單芽、一芽一葉。相較于一芽二葉,單芽、一芽一葉的葉展、葉寬、剪切力較小,為實現(xiàn)采收器對名優(yōu)茶采摘的適用性,本文以一芽二葉為研究對象。

1.1 一芽二葉物理參數(shù)測定

如圖1所示,通過確定一芽二葉的葉展a、葉寬b、剪切力F以及茶園中一芽二葉的生長密度SA來合理設(shè)計名優(yōu)茶采收器結(jié)構(gòu)。

圖1 茶葉尺寸參數(shù)

在國家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系麗水綜合試驗站測量茶葉物理參數(shù)。茶葉品種為龍井43,茶葉物理特性的測量樣本為隨機選取的50片新鮮茶葉。如圖2所示,測量工具是精度為0.01 mm的德國艾瑞澤游標卡尺;精度為示值0.5%以內(nèi)的WDW-1000型微機控制電子萬能試驗機(溫州韋度電子有限公司)。SA的量具為自制方框,邊長為0.29 m。測量方法是將方框放置在茶樹樹冠上,框架內(nèi)茶芽數(shù)為x,SA計算式為

圖2 茶葉剪切力及生長密度測量

(1)

共測量20次。

對測量結(jié)果進行統(tǒng)計,如表1和圖3所示。結(jié)果表明,一芽二葉存在較大的個體差異,因此,要求茶葉采收器具有較強的適應性。

表1 茶葉物理參數(shù)

圖3 尺寸參數(shù)頻率分布

1.2 采收器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)茶葉嫩芽主要分布在樹冠表層這一特點,采用自上而下的采摘方式可有效減少障礙物干擾。采收器結(jié)合輕量化、集成化要求進行設(shè)計,如圖4所示,包括舵機、末端管、傳動機構(gòu)和剪切機構(gòu)。

圖4 茶葉采收器

舵機作為源動件,其扭力與環(huán)形刀最后所形成的剪切力密切相關(guān)。為保證環(huán)形刀的剪切力足以剪斷嫩芽,故本文選用DS3135型舵機,其力矩為4 N·m,轉(zhuǎn)角為180°。

綜合表1茶葉物理參數(shù)中葉展、葉寬、密度、茶園采摘環(huán)境等因素,設(shè)定末端管內(nèi)徑D=30 mm,考慮到采收器的各零部件安裝所需空間,設(shè)定末端管高h=150 mm,末端管采用3D打印成型,材料為PLA。

傳動機構(gòu)為齒輪傳動。主要由連接法蘭、一對相嚙合的凸臺齒輪、2根階梯軸組成。其中,連接法蘭與舵盤通過螺栓緊固在一起;連接法蘭與主動凸臺齒輪緊固在第1階梯軸上,被動凸臺齒輪緊固在第2階梯軸上。

剪切機構(gòu)為固定在2根階梯軸底部的一對環(huán)形刀,環(huán)形刀半徑與末端管下管口的半徑相適應,可以有效避免刀片與目標物周圍的障礙物發(fā)生干涉。

茶葉采收器工作步驟如下:采收器到達剪切點上方后負壓收集裝置開啟,在末端管內(nèi)及下管口附近產(chǎn)生負壓。并聯(lián)機械臂帶動采收器垂直下降至剪切點位置,待采茶葉在負壓引導的作用下進入末端管內(nèi),舵機間接驅(qū)動環(huán)形刀片完成剪切動作;被采下來的茶葉依次經(jīng)過末端管、波紋管后進入負壓收集裝置內(nèi)部的收集盒,與此同時,舵機控制環(huán)形刀復位。

1.3 采收器試驗

搭建整機試驗平臺如圖5a所示。其中,末端管上管口通過波紋管連接到負壓收集裝置;末端管內(nèi)壁光滑且上管口負壓為100 Pa。圖5b為采收器固定在機械臂動平臺上的局部視圖。

圖5 試驗平臺

試驗中,采收器能夠有效完成茶葉嫩芽采摘,但對被采茶葉進行吸附式收集時,部分茶葉會出現(xiàn)如圖6所示的附壁現(xiàn)象導致收集失敗。其中,圖6a為茶葉附壁現(xiàn)象的模擬圖,圖6b為相機拍攝到的茶葉附壁現(xiàn)象(仰視圖)。收集成功率計算式為

圖6 茶葉附壁現(xiàn)象

(2)

式中n——每組試驗需要收集的茶葉數(shù)量

n1——成功收集茶葉數(shù)量

η——收集成功率

隨機收集50個采摘的芽頭,重復5組試驗并取平均值。由式(2)得到收集成功率η為72%。

2 茶葉收集影響因素

排除末端管上的舵機支架等無關(guān)因素,可將末端管簡化為內(nèi)徑D=30 mm、高h=150 mm的螺紋管。在對茶葉進行吸附式收集時,螺紋管內(nèi)螺旋線能夠在管壁附近產(chǎn)生螺旋流;利用螺旋流攜帶固體顆粒能力強以及螺旋流的切向速度容易將附壁的茶葉“拖拽”懸浮于主流中這一特點來提高茶葉收集成功率[21-22]。此外,本文設(shè)定茶葉收集成功率大于60%為有效收集。

2.1 影響因素確定

伯努利方程為

(3)

式中p——流體中某點壓強

ρ——流體密度

v——流體中某點流速

g——重力加速度

l——該點所在高度C——常量

由式(3)可得負壓與管內(nèi)空氣流速密切相關(guān),而管壁附近空氣切向速度是影響茶葉附壁問題的重要因素:管壁附近的切向速度越大,其攜帶茶葉能力越強,能夠有效改善茶葉附壁所導致的收集成功率低的問題[23-26]。螺紋管內(nèi)壁螺紋線的參數(shù)有:螺紋線數(shù)、螺紋導程、螺紋截面形狀等。

為確定各因素對茶葉收集成功率是否存在影響,分別對負壓以及螺紋導程、螺紋線數(shù)、螺紋截面形狀不同的螺紋管進行單因素預試驗,由圖7可得,負壓、螺紋導程、螺紋線數(shù)的變化使得茶葉收集成功率發(fā)生了顯著改變,但截面形狀的變化并未引起茶葉收集成功率發(fā)生顯著改變。

圖7 預試驗中各因素對收集成功率的影響

綜上所述,忽略不顯著因素,得到茶葉收集成功率的影響因素分別為負壓、螺紋線數(shù)、螺紋導程。

受限于螺紋管下管口進氣速度場較為復雜且無成熟的分析方法[27],本文擬定下管口處的氣壓為大氣壓。螺紋管內(nèi)螺旋流流速可分為軸向速度、切向速度(周向速度)以及徑向速度,但一般情況下徑向速度分布并無規(guī)律且徑向速度極小,因此不作研究討論[28],故認為X、Y軸方向速度矢量和為切向速度,Z軸方向為軸向速度。利用Fluent軟件仿真螺紋管近壁面處螺旋流速度矢量圖如圖8所示。其中,圖8a為螺旋流的主視圖及局部區(qū)域軸向速度圖;圖8b為螺旋流的俯視圖及局部區(qū)域切向速度矢量圖。由圖8b可得,近壁面處速度矢量主要表現(xiàn)為周向運動,非近壁面處速度矢量垂直于該截面作軸向運動。由于切向速度具有旋轉(zhuǎn)對稱性,故仿真結(jié)果中的速度有正負之分(坐標軸指向為正,相反則為負)。仿真分析相關(guān)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真分析相關(guān)設(shè)置

圖8 螺旋流速度矢量圖

2.2 影響因素水平確定

基于預試驗發(fā)現(xiàn)管口上方負壓80～120 Pa能夠?qū)Σ枞~進行有效收集。當負壓H<80 Pa時,難以將茶葉吸入管內(nèi),即茶葉收集成功率小于60%,原因在于部分茶葉所受到的負壓吸力不足以克服自身重力;若將負壓裝置的功率調(diào)至最大,測得螺紋管上管口負壓H=120 Pa。因此,設(shè)負壓水平為80～120 Pa。

基于單因素試驗發(fā)現(xiàn),當螺紋線數(shù)N<3時,附壁現(xiàn)象沒有明顯改善,即對茶葉收集成功率影響甚微;受限于螺紋線加工精度,螺紋管內(nèi)螺紋線數(shù)最大為9。因此,設(shè)定螺紋線數(shù)水平為3～9。

根據(jù)螺紋管高度h=150 mm以及螺紋線截面形狀為線徑r=2 mm的半圓(受限于加工精度),初步設(shè)定螺紋導程為2～150 mm。當螺紋導程S=2 mm時,管內(nèi)壁被螺紋線鋪滿一層,此參數(shù)的螺紋管與內(nèi)壁光滑的螺紋管通過在不同負壓的條件下進行試驗,發(fā)現(xiàn)二者負壓收集成功率之差僅在0.6%以內(nèi),可忽略不計。故認為螺紋導程S=2 mm時,管內(nèi)徑為30 mm且內(nèi)壁光滑。因此,最終設(shè)定螺紋導程水平為0～150 mm(螺紋導程S≤2 mm時,管內(nèi)壁光滑)。

3 影響因素試驗優(yōu)化

3.1 試驗設(shè)計

表3 試驗因素編碼

表4 各螺紋管參數(shù)

3.2 單因素仿真與試驗

搭建試驗平臺如圖10所示。負壓收集裝置使用YL6281D型真空吸盤機(上海億力電氣有限公司)。經(jīng)改裝后,內(nèi)部最大負壓為0.9 kPa,可通過旋鈕無級調(diào)節(jié)。使用DP360型數(shù)顯真空計。由于空間布置及氣體輸送需要,選用內(nèi)圈含有鋼絲的柔性波紋管?；陬A試驗發(fā)現(xiàn),當茶葉離開螺紋管進入波紋管時,有個別茶葉因波紋間褶皺的阻擋作用而無法進入收集裝置內(nèi);此外,考慮到波紋管的柔性變形屬于不可控因素,故本文認為當茶葉從螺紋管內(nèi)脫離即屬于成功收集。

圖10 茶葉收集試驗平臺

對茶葉進行吸附式收集時,茶葉在管內(nèi)的運動本質(zhì)上是氣固兩相流動,該過程十分復雜[29];此外,由于茶葉在運動時可能發(fā)生無規(guī)則的柔性變形,因此,難以將其擬化成顆粒狀固體或采用顆粒填充的方式進行氣固耦合計算。故本文通過改變各影響因素進行試驗。為盡可能避免茶葉失水而造成物理性能產(chǎn)生誤差[30],每組試驗所用的茶葉嫩芽即采即用并在5 min內(nèi)完成本組試驗。由于采收器在工作時是定點盲采存在誤差,故采用人工投喂茶葉的方式進行收集試驗,試驗時手持茶葉位于管口中央下方5 mm左右。

3.2.1負壓對茶葉收集成功率的影響

在螺紋管螺紋線數(shù)N=6,螺紋導程S=75 mm條件下,對螺紋管分別在負壓為80、100、120 Pa的條件下進行Fluent仿真與試驗。仿真結(jié)果如圖11所示,隨著負壓增大,管內(nèi)近壁面處X、Y軸方向的切向速度逐漸增大,能夠有效降低茶葉附壁的可能,從而提高茶葉收集成功率。該條件下茶葉收集成功率試驗結(jié)果如圖12a所示。由圖12a可知,隨著負壓的增大,收集成功率逐漸提高。 綜合仿真結(jié)果與試驗結(jié)果可得,在該條件下,負壓與茶葉收集成功率呈正相關(guān)。

圖11 不同負壓下近壁面處的流場切向速度矢量圖

圖12 不同單因素時的收集試驗結(jié)果

3.2.2螺紋線數(shù)對茶葉收集成功率的影響

在負壓H=120 Pa,螺紋導程為S=150 mm的條件下,分別對螺紋線數(shù)為3、6、9的螺紋管近壁面處的流場進行仿真,仿真結(jié)果如圖13所示,隨著螺紋線數(shù)的增加,近壁面處的X、Y軸方向的切向速度呈上升趨勢。該條件下的茶葉收集成功率試驗結(jié)果如圖12b所示。由圖12b可知,隨著螺紋線數(shù)的增加,收集成功率呈平穩(wěn)上升趨勢。綜合仿真分析與試驗結(jié)果可以得到在該條件下,螺紋線數(shù)的改變實質(zhì)上造成了管內(nèi)近壁面處的切向速度的改變,因此,茶葉收集成功率發(fā)生變化。

圖13 不同螺紋線數(shù)下近壁面處的流場切向速度矢量圖

3.2.3螺紋導程對茶葉收集成功率的影響

在負壓H=100 Pa,螺紋線數(shù)N=3的條件下,分別對螺紋導程為0(光滑管)、75、150 mm的螺紋管近壁面處的流場進行仿真。仿真結(jié)果如圖14所示。隨著螺紋導程的增加,近壁面處的X、Y軸方向的切向速度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢且速度上升的幅度大于下降幅度。由圖12c可知,當螺紋管的螺紋導程由0 mm升至75 mm時,茶葉收集成功率也由72%驟升至84%;但當螺紋導程由75 mm提至150 mm,茶葉收集成功率下降8個百分點。綜合仿真分析與試驗結(jié)果可得,在該條件下,茶葉收集成功率的升降幅度與空氣切向速度的升降幅度密切相關(guān);在負壓相同的情況下,螺紋管收集成功率高于光滑管。

圖14 不同螺紋導程下近壁面處的流場切向速度矢量圖

3.3 試驗方案與結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken模型進行三因素三水平的組合試驗,共試驗17組。每組試驗所采摘的一芽二葉總數(shù)為50個,并統(tǒng)計成功收集的茶葉數(shù)量,根據(jù)式(2)計算茶葉收集成功率。為減小試驗誤差,每組試驗重復3次并取平均值。試驗結(jié)果如表5所示。

臨別，兩人再次握手告別。伍亦苒的告別詞是這么說的，熱情地歡迎王總下來再來，我覺得王總是值得交往的朋友，因公，我欣賞你的干練果斷，因私，我喜歡你的幽默風趣，待人和善不乏童趣。還有，你骨子里那份淡淡的憂郁氣質(zhì)，特別讓女人動心吶。

表5 試驗方案與結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

3.4.1回歸模型建立與檢驗

根據(jù)表5中的試驗數(shù)據(jù),通過Design-Expert 13軟件建立茶葉收集成功率η的多元回歸模型,方差分析見表6(A、B、C為因素編碼值)。茶葉收集成功率的回歸模型P<0.05,表明該模型顯著,模型的失擬項P>0.05,表明模型失擬項并不顯著,回歸模型的擬合程度高。模型決定系數(shù)R2為0.983,表明該模型能夠解釋98.3%以上響應值的變化,實際值與預測值具有高度相關(guān)性,試驗誤差小。其中,A、B、C、BC、C2對茶葉收集成功率η影響極顯著;AC、B2對茶葉收集成功率η影響顯著,說明負壓、螺紋線數(shù)和螺紋導程對茶葉收集成功率存在交互影響。故采用多元線性擬合的方式對試驗結(jié)果進行處理,得到負壓、螺紋線數(shù)和螺紋導程對茶葉收集成功率η影響的回歸方程為

表6 茶葉收集成功率方差分析

η=89.20+7.25A+3.00B+5.25C-2.50AC+4.00BC+0.15A2-2.35B2-9.85C2

(4)

3.4.2交互因素對試驗指標的影響

通過表6可得,負壓、螺紋線數(shù)、螺紋導程存在交互影響,需要更深入地探究各因素對茶葉收集成功率的影響。為更直觀地了解各交互因素對試驗指標的影響,忽略不顯著的交互影響因素,得到各因素交互效應對茶葉收集成功率影響的響應面圖,如圖15所示。

圖15 因素交互作用對成功率的響應曲面

圖15a為負壓H=120 Pa時,螺紋線數(shù)與螺紋導程對茶葉收集成功率交互影響的響應面。螺紋導程較大時,隨著螺紋線數(shù)的增加,茶葉收集成功率呈上升趨勢,這是由于螺紋線數(shù)的增加導致近壁面處的空氣切向速度增大,因此可以有效降低茶葉附壁的可能,從而提高茶葉收集成功率。當螺紋線數(shù)較大時,隨著螺紋導程的增加,茶葉收集成功率呈明顯上升后緩慢下降的趨勢并在螺紋導程S=95 mm左右達到了最大值,原因在于該條件下管內(nèi)近壁面處的空氣切向速度處于最大值。

圖15b為螺紋線數(shù)N=6時,負壓與螺紋導程對茶葉收集成功率交互影響的響應面。當螺紋導程較大時,隨著負壓的增大,茶葉收集成功率逐漸增大,這是由于負壓的增大導致近壁面處空氣的切向速度增大,能夠有效降低茶葉附壁的可能,從而提高茶葉收集成功率。

3.4.3參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

茶葉收集成功率是衡量采收器作業(yè)效果的重要指標,以茶葉收集成功率最大為目標函數(shù),對各參數(shù)進行優(yōu)化得到最佳組合參數(shù)為負壓H=119.9 Pa,螺紋線數(shù)N=8.6,螺紋導程S=95.1 mm,茶葉收集成功率為98.4%。由于螺紋線數(shù)必須為整數(shù)且加工精度有限,所以基于負壓H=120 Pa,螺紋導程S=95 mm(取整)的條件下,分別對螺紋線數(shù)N=8以及N=9的螺紋管進行試驗。在負壓H=120 Pa,螺紋線數(shù)N=8,螺紋導程S=95 mm的條件下測得茶葉收集成功率為97.3%; 在負壓H=120 Pa,螺紋線數(shù)N=9,螺紋導程S=95 mm的條件下測得茶葉收集成功率為98%,收集成功率相對誤差小于5%,表明響應面試驗能夠有效實現(xiàn)優(yōu)化。由于茶葉收集過程中有很多不可控的因素,如茶葉嫩芽的生長形態(tài)不一、大小不同以及采摘點位置的變化,因此茶葉收集成功率有待進一步提高。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種茶葉采收器并進行現(xiàn)場試驗,結(jié)果表明采收器能夠有效完成茶葉的采摘。通過預試驗確定了影響茶葉收集成功率的因素分別為:負壓、螺紋導程、螺紋線數(shù)。

(2)應用Fluent仿真和Box-Behnken的試驗設(shè)計,研究各因素對茶葉收集成功率的影響。試驗結(jié)果表明:3個因素改變了管內(nèi)近壁面處的空氣切向速度;各因素對收集成功率的影響由大到小為: 負壓、螺紋導程、螺紋線數(shù)。

(3)運用Design-Expert 13軟件,以茶葉收集成功率最大為優(yōu)化目標,確定優(yōu)化參數(shù)為負壓H=120 Pa,螺紋線數(shù)N=9,螺紋導程S=95 mm。對優(yōu)化后的參數(shù)進行吸附式收集試驗,結(jié)果表明該條件下茶葉收集成功率為98%,即優(yōu)化后收集成功率相較于優(yōu)化前提高26個百分點,試驗值與預測值相對誤差小于5%。