高压静电吸附除杂的试验研究

王军超，杨永发，李嘉彬，周 鑫

（西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650244）

0 引言

茶叶起源于中国，中国人种茶、制茶、饮茶的历史已有数千年，茶叶对我国经济发展和文化交流具有重要意义。云南省是我国西南地区茶叶生产的主要种植基地，茶叶已成为云南省一些州市的支柱产业之一，对云南省农村经济发展起到了重要的支撑作用。

在茶叶加工制作的过程中，常常会有一些杂质混入其中，比如毛发、编织袋丝、捆扎带丝等，导致茶叶生产的缺陷、品质的下降。用人工捡拾的方法不仅要耗费大量的人力，而且还会对茶叶造成一定的破坏。基于此，笔者设计了一款既不用消耗大量的人力成本，也不会对茶叶造成破坏，同时能使茶叶与杂质分离的方法，以提高茶叶的品质。

在我国，对高压静电吸附试验的研究最早可追溯到1976年，高压静电拣梗机的设计，它是根据茶叶中含有可极化的成分，让其通过不均匀电场，使其带上束缚电荷在电场中受力而产生运动。试验得出，根据各类茶叶含水率的不同，可设置相对应的参数，来达到分离最佳效果，后人也在此基础上对其静电电位[1]和静电场的优化[2]展开研究。残膜静电回收装置吸附试验研究[3]，则是通过滚筒与毛毡摩擦起电产生静电场，对输送速度、滚筒与皮带距离、压缩弹簧弹力和滚筒转速4个影响因素进行单因素和多因素试验分析。结果表明：在输送速度为0.6 m/s、滚筒与皮带距离为30 mm、压缩弹簧弹力为145 N、滚筒转数为45 r/min时，装置的吸附效果最好。

通过比较高压静电除杂和摩擦静电除杂两种方法，研究人员发现如下特点：摩擦静电除杂的缺点在于对工作环境要求高，且产生的吸附力不稳定，持续工作的可靠性有待提高；高压静电除杂对工作环境要求较低，吸附稳定且可持续工作时间长[4]。因此，本试验采用了高压静电除杂装置进行吸附试验的研究，对辊筒底部与底板的距离、电压的大小、给料速度、风机风量、温度、湿度6个因素进行试验分析，通过控制变量法确定最佳参数组合，以得出最佳试验参数范围，提高高压静电吸附装置的工作效率和稳定性。

1 工作原理及参数

静电除杂机结构简图，如图1所示。1）操作控制单元，将控制单元的给料、风机、电辊机、高压依次启动。然后将含有杂质的茶叶放入进料口，经振动筛振动，将茶叶送经负、正静电辊子下方。2）由于极化反应，茶叶中的杂质被静电辊子吸起并附着在其表面，再由电辊机带动静电辊子转动，将毛发带到静电辊子顶端。3）由风机的负压风将杂质吸走，进入杂物桶内。被分离后的茶叶从出料口流出，落入收集箱，完成一次工作任务。工作参数表，如表1所示。

图1 静电除杂机结构简图

2 材料与方法

2.1 试验材料

准备若干量的干茶叶，再准备若干量的毛发、捆扎带和编织袋，用来模拟茶叶中的杂质。取100根毛发，100条捆扎带，100条编织袋丝，长度均保持在5 cm～10 cm，将它们清洗后晾干，分别与1 kg干茶叶均匀混合，作为3个试验组。

2.2 试验方法

本试验将对辊筒底部与底板的距离、电压的大小、给料振频、风机风量、温度、湿度6个因素进行试验分析。探究在单因素作用下，对杂质吸附率的影响。杂质吸附率是指进入杂物桶内的杂质总量除以起始放入的杂质总量，即：

式中：λ为杂质吸附率（%），m为吸附杂质质量（根），M为物料总量（根）。

3 结果与分析

3.1 装置自身参数对吸附效率的影响

装置自身参数主要是辊筒底部与底板的距离、电压的大小、给料振频、风机风量4个参数，对它们进行试验研究，得出各参数对吸附率的影响[5]。

3.1.1 辊筒底部与底板的距离对吸附效率的影响

对辊筒底部与底板的距离分别取65 mm、60 mm、55 mm、50 mm、45 mm、40 mm。保持物料底板的位置不变，按设计的6个参数，对实验装置中静电辊子的高度进行调节，启动装置进行试验并统计分析杂质的吸附情况。其他参数取值为：电压27 kV，给料振频42 Hz，风机风量3 200 m3/h，温度28℃，湿度30%。

如图2所示，可以看出毛发和捆扎带的吸附率情况都是随着辊筒底部与底板距离的减小而增大的，当该距离为40 mm时，杂质吸附效果最好。

图2 滚筒底部到底板的距离和吸附率的曲线关系

3.1.2 电压的大小对吸附效率的影响

教师在了解了课程标准要求、教材内容、学生基本情况之后，就需要选择正确的方法与策略，将设计的教学目标准确表达出来。只有清晰的表达才能保证在教学过程中能够得到有效落实与执行。因此，教师应该根据不同的教学内容与教学目标性质，选择合适的方法与策略。

对电压的大小分别取25.0 kV、25.5 kV、26.0 kV、26.5 kV、27.0 kV、27.5 kV。按设计的6个电压参数，对控制单元的电压进行调节，启动装置进行试验并统计分析杂质的吸附情况[6]。其他参数取值为：辊筒底部与底板的距离40 mm，给料振频42 Hz，风机风量3 200 m3/h，温度28℃，湿度30%。

如图3所示，可以看出毛发和捆扎带的吸附率情况都是随着电压大小的增大而上升的，当电压为27 kV时的吸附率和27.5 kV时效果相同，故将电压的大小设置为27 kV时效果最佳。

图3 电压的大小和吸附率的曲线关系

3.1.3 给料振频对吸附效率的影响

对给料振频的大小分别取36 Hz、38 Hz、40 Hz、42 Hz、44 Hz、46 Hz。启动装置进行吸附试验并统计分析杂质的吸附情况。其他参数取值为：辊筒底部与底板的距离40 mm，电压27 kV，风机风量3 200 m3/h，温度28℃，湿度30%。

如图4所示，可以看出杂质的吸附率情况在振动频率为36 Hz～42 Hz时是缓慢增长的，42 Hz时达到最高点，在42 Hz～46 Hz时是发生下降的。这是因为36 Hz时频率太慢，振动筛机未能将刚放入的茶叶打散，杂质与茶叶揉在一起，不利于装置的吸附。而在42 Hz之后，吸附效果下降是因为振频过快，静电辊子来不及吸起。故给料振频设置为42 Hz时效果最佳。

图4 给料振频与吸附率的曲线关系

3.1.4 风机风量对吸附效率的影响

如图5所示，可以看出杂质的吸附率随风机风量的增大而升高，但风量在3 300 m3/h～3 500 m3/h时，由于风量过大，少许茶叶也随着通风管进入杂物桶内，造成不必要的浪费，同时，在此区间的风量对吸附率的影响很小。因此，选择风机风量大小为3 200 m3/h时效果最佳。

图5 风量与吸附率的曲线关系

3.2 外部条件对吸附效率的影响

外部条件主要是试验环境的温度和湿度两个因素。温度和湿度会直接影响被测物体的电特性。在温度和湿度都较低的条件下，物体的电阻会明显增大，使静电泄放速度缓慢，从而导致吸附率下降[7-9]。

3.2.1 温度对吸附效率的影响

对温度拟选6个水平，分别在一天中的6个时间段进行多次试验，取每个时间段的均值进行记录。其他参数取值为：辊筒底部与底板的距离40 mm，电压的大小27 kV，给料振频42 Hz，风机风量3 200 m3/h，湿度30%。

如图6所示，可以看出杂质的吸附率在15:00附近时效果最好，此时的平均气温在28℃；在6:00和21:00时效果较差，这两个时间段的平均气温分别为19℃和17℃。因此，可以推断：温度越高，吸附效果越好。

图6 一天某时刻温度与吸附率的曲线关系

3.2.2 湿度对吸附效率的影响

对湿度拟选6个水平，分别将试验组进行加湿控制其湿度变量，进行多次试验消除误差，记录数据。其他参数取值为：辊筒底部与底板的距离40 mm，电压的大小27 kV，给料振频42 Hz，风机风量3 200 m3/h，温度28℃。

如图7所示，可以看出杂质的吸附率在0～30%范围内是逐渐升高的，30%时达到最佳效果，在30%～50%内效果明显下降。从中可以看出，适当的湿度有利于提高杂质的吸附效果。因此，在湿度为30%时吸附效果最好。

图7 湿度与吸附率的曲线关系

4 结论

1）本实验通过对高压静电除杂装置的自身参数和外部条件因素两方面进行研究，以杂质吸附率为判别标准，运用控制变量法确定最佳参数组合，得出最佳试验参数，提高了高压静电吸附除杂装置的工作效率和稳定性，为今后高压静电吸附除杂的研究和改进提供参考。

2）试验结果表明：装置自身参数中辊筒底部与底板的距离为40 mm、电压的大小为27 kV、给料振频为42 Hz、风机风量为3 200 m3/h时；外部条件中温度为28℃、湿度为30%时，除杂效果最好。