螺纹管吸附式名优茶采收器设计与试验

陈建能 李 杭 任 萍 贾江鸣 赵润茂 武传宇

(1.浙江理工大学机械工程学院, 杭州 310018; 2.浙江省种植装备技术重点实验室, 杭州 310018;3.浙江省余姚市农业机械化技术推广中心, 余姚 315402)

0 引言

近年来,名优茶产值占比逐年提高[1-3],成为茶产业的支柱。目前,大宗茶的采摘基本实现了机械化,而名优茶的采摘主要依靠人工,但随着“采茶工荒”现象[4]日益严重以及劳动力成本的上升,制约了茶叶的产量和效益。目前,名优茶机械化采摘主要分为:茶叶识别[5-8]、定位[9-10]、机械臂轨迹规划[11-12]、采收器设计及茶叶收集[13-14]。其中,采收器负责完成茶叶采摘;负压收集装置完成茶叶收集。

对于名优茶采收,国内外学者进行了相关研究。如许丽佳等[15]设计了一种可夹提式的茶叶嫩梢采收器,通过将采收器安装在串联机械臂上并采用负压收集的方式对被采茶叶进行收集。贾江鸣等[16]设计了一款手持式茶叶采收器,其通过仿生原理,即模拟人工采茶时手指的采摘动作,将茶芽提拉断梗后,通过主从动手指的转动将茶叶送至采收盒内。ZHU等[17]设计的采收器通过钢丝绳的提拉动作形成两刀片的剪切动作,待采芽叶被剪断后通过负压作用进入收集箱。由于茶园环境复杂、采收器整体结构过大等原因,以上提出的采收器难以实现机械化采茶并且工作效率有待进一步提高。

对茶叶进行吸附式收集时,发现有部分茶叶贴附在管壁上,导致这部分茶叶无法收集。部分学者对气固或固液两相流动中的颗粒沉积(附壁)这一问题进行了研究。李立军[18]采用起旋管生成螺旋流,从而增加海水携带天然气水合物的能力,能够有效降低水合物沉积管壁所造成的管道堵塞现象。李郁[19]采取气力输送物料并利用螺旋叶片产生的螺旋流解决物料沉积在管壁这一问题;该方法同时也能够提高物料的输送效率。梁俊等[20]通过纽带起旋生成螺旋流进而解决水合物颗粒沉积所造成的管道堵塞问题。由此可见,螺旋流对气固两相流中的颗粒沉积问题具有一定的改善效果。

为实现名优茶的选择性采摘及高效收集,本文根据名优茶采收机理进行采收器结构设计并进行采收试验;对茶叶附壁导致收集成功率低的问题进行优化。基于名优茶的物理参数设计采收器并进行采收试验。对茶叶进行吸附式收集时,采用螺纹管的方式在管壁附近生成螺旋流,以期解决茶叶附壁问题,提高茶叶收集成功率。对影响茶叶收集成功率的3个因素进行响应面优化试验,进行参数寻优,并对最优参数进行试验验证。

1 名优茶采收器设计

名优茶采摘主要以一芽二叶为主,同时也包含单芽、一芽一叶。相较于一芽二叶,单芽、一芽一叶的叶展、叶宽、剪切力较小,为实现采收器对名优茶采摘的适用性,本文以一芽二叶为研究对象。

1.1 一芽二叶物理参数测定

如图1所示,通过确定一芽二叶的叶展a、叶宽b、剪切力F以及茶园中一芽二叶的生长密度SA来合理设计名优茶采收器结构。

图1 茶叶尺寸参数

在国家茶叶产业技术体系丽水综合试验站测量茶叶物理参数。茶叶品种为龙井43,茶叶物理特性的测量样本为随机选取的50片新鲜茶叶。如图2所示,测量工具是精度为0.01 mm的德国艾瑞泽游标卡尺;精度为示值0.5%以内的WDW-1000型微机控制电子万能试验机(温州韦度电子有限公司)。SA的量具为自制方框,边长为0.29 m。测量方法是将方框放置在茶树树冠上,框架内茶芽数为x,SA计算式为

图2 茶叶剪切力及生长密度测量

(1)

共测量20次。

对测量结果进行统计,如表1和图3所示。结果表明,一芽二叶存在较大的个体差异,因此,要求茶叶采收器具有较强的适应性。

表1 茶叶物理参数

图3 尺寸参数频率分布

1.2 采收器整体结构与工作原理

根据茶叶嫩芽主要分布在树冠表层这一特点,采用自上而下的采摘方式可有效减少障碍物干扰。采收器结合轻量化、集成化要求进行设计,如图4所示,包括舵机、末端管、传动机构和剪切机构。

图4 茶叶采收器

舵机作为源动件,其扭力与环形刀最后所形成的剪切力密切相关。为保证环形刀的剪切力足以剪断嫩芽,故本文选用DS3135型舵机,其力矩为4 N·m,转角为180°。

综合表1茶叶物理参数中叶展、叶宽、密度、茶园采摘环境等因素,设定末端管内径D=30 mm,考虑到采收器的各零部件安装所需空间,设定末端管高h=150 mm,末端管采用3D打印成型,材料为PLA。

传动机构为齿轮传动。主要由连接法兰、一对相啮合的凸台齿轮、2根阶梯轴组成。其中,连接法兰与舵盘通过螺栓紧固在一起;连接法兰与主动凸台齿轮紧固在第1阶梯轴上,被动凸台齿轮紧固在第2阶梯轴上。

剪切机构为固定在2根阶梯轴底部的一对环形刀,环形刀半径与末端管下管口的半径相适应,可以有效避免刀片与目标物周围的障碍物发生干涉。

茶叶采收器工作步骤如下:采收器到达剪切点上方后负压收集装置开启,在末端管内及下管口附近产生负压。并联机械臂带动采收器垂直下降至剪切点位置,待采茶叶在负压引导的作用下进入末端管内,舵机间接驱动环形刀片完成剪切动作;被采下来的茶叶依次经过末端管、波纹管后进入负压收集装置内部的收集盒,与此同时,舵机控制环形刀复位。

1.3 采收器试验

搭建整机试验平台如图5a所示。其中,末端管上管口通过波纹管连接到负压收集装置;末端管内壁光滑且上管口负压为100 Pa。图5b为采收器固定在机械臂动平台上的局部视图。

图5 试验平台

试验中,采收器能够有效完成茶叶嫩芽采摘,但对被采茶叶进行吸附式收集时,部分茶叶会出现如图6所示的附壁现象导致收集失败。其中,图6a为茶叶附壁现象的模拟图,图6b为相机拍摄到的茶叶附壁现象(仰视图)。收集成功率计算式为

图6 茶叶附壁现象

(2)

式中n——每组试验需要收集的茶叶数量

n1——成功收集茶叶数量

η——收集成功率

随机收集50个采摘的芽头,重复5组试验并取平均值。由式(2)得到收集成功率η为72%。

2 茶叶收集影响因素

排除末端管上的舵机支架等无关因素,可将末端管简化为内径D=30 mm、高h=150 mm的螺纹管。在对茶叶进行吸附式收集时,螺纹管内螺旋线能够在管壁附近产生螺旋流;利用螺旋流携带固体颗粒能力强以及螺旋流的切向速度容易将附壁的茶叶“拖拽”悬浮于主流中这一特点来提高茶叶收集成功率[21-22]。此外,本文设定茶叶收集成功率大于60%为有效收集。

2.1 影响因素确定

伯努利方程为

(3)

式中p——流体中某点压强

ρ——流体密度

v——流体中某点流速

g——重力加速度

l——该点所在高度C——常量

由式(3)可得负压与管内空气流速密切相关,而管壁附近空气切向速度是影响茶叶附壁问题的重要因素:管壁附近的切向速度越大,其携带茶叶能力越强,能够有效改善茶叶附壁所导致的收集成功率低的问题[23-26]。螺纹管内壁螺纹线的参数有:螺纹线数、螺纹导程、螺纹截面形状等。

为确定各因素对茶叶收集成功率是否存在影响,分别对负压以及螺纹导程、螺纹线数、螺纹截面形状不同的螺纹管进行单因素预试验,由图7可得,负压、螺纹导程、螺纹线数的变化使得茶叶收集成功率发生了显著改变,但截面形状的变化并未引起茶叶收集成功率发生显著改变。

图7 预试验中各因素对收集成功率的影响

综上所述,忽略不显著因素,得到茶叶收集成功率的影响因素分别为负压、螺纹线数、螺纹导程。

受限于螺纹管下管口进气速度场较为复杂且无成熟的分析方法[27],本文拟定下管口处的气压为大气压。螺纹管内螺旋流流速可分为轴向速度、切向速度(周向速度)以及径向速度,但一般情况下径向速度分布并无规律且径向速度极小,因此不作研究讨论[28],故认为X、Y轴方向速度矢量和为切向速度,Z轴方向为轴向速度。利用Fluent软件仿真螺纹管近壁面处螺旋流速度矢量图如图8所示。其中,图8a为螺旋流的主视图及局部区域轴向速度图;图8b为螺旋流的俯视图及局部区域切向速度矢量图。由图8b可得,近壁面处速度矢量主要表现为周向运动,非近壁面处速度矢量垂直于该截面作轴向运动。由于切向速度具有旋转对称性,故仿真结果中的速度有正负之分(坐标轴指向为正,相反则为负)。仿真分析相关设置如表2所示。

表2 仿真分析相关设置

图8 螺旋流速度矢量图

2.2 影响因素水平确定

基于预试验发现管口上方负压80～120 Pa能够对茶叶进行有效收集。当负压H<80 Pa时,难以将茶叶吸入管内,即茶叶收集成功率小于60%,原因在于部分茶叶所受到的负压吸力不足以克服自身重力;若将负压装置的功率调至最大,测得螺纹管上管口负压H=120 Pa。因此,设负压水平为80～120 Pa。

基于单因素试验发现,当螺纹线数N<3时,附壁现象没有明显改善,即对茶叶收集成功率影响甚微;受限于螺纹线加工精度,螺纹管内螺纹线数最大为9。因此,设定螺纹线数水平为3～9。

根据螺纹管高度h=150 mm以及螺纹线截面形状为线径r=2 mm的半圆(受限于加工精度),初步设定螺纹导程为2～150 mm。当螺纹导程S=2 mm时,管内壁被螺纹线铺满一层,此参数的螺纹管与内壁光滑的螺纹管通过在不同负压的条件下进行试验,发现二者负压收集成功率之差仅在0.6%以内,可忽略不计。故认为螺纹导程S=2 mm时,管内径为30 mm且内壁光滑。因此,最终设定螺纹导程水平为0～150 mm(螺纹导程S≤2 mm时,管内壁光滑)。

3 影响因素试验优化

3.1 试验设计

表3 试验因素编码

表4 各螺纹管参数

3.2 单因素仿真与试验

搭建试验平台如图10所示。负压收集装置使用YL6281D型真空吸盘机(上海亿力电气有限公司)。经改装后,内部最大负压为0.9 kPa,可通过旋钮无级调节。使用DP360型数显真空计。由于空间布置及气体输送需要,选用内圈含有钢丝的柔性波纹管。基于预试验发现,当茶叶离开螺纹管进入波纹管时,有个别茶叶因波纹间褶皱的阻挡作用而无法进入收集装置内;此外,考虑到波纹管的柔性变形属于不可控因素,故本文认为当茶叶从螺纹管内脱离即属于成功收集。

图10 茶叶收集试验平台

对茶叶进行吸附式收集时,茶叶在管内的运动本质上是气固两相流动,该过程十分复杂[29];此外,由于茶叶在运动时可能发生无规则的柔性变形,因此,难以将其拟化成颗粒状固体或采用颗粒填充的方式进行气固耦合计算。故本文通过改变各影响因素进行试验。为尽可能避免茶叶失水而造成物理性能产生误差[30],每组试验所用的茶叶嫩芽即采即用并在5 min内完成本组试验。由于采收器在工作时是定点盲采存在误差,故采用人工投喂茶叶的方式进行收集试验,试验时手持茶叶位于管口中央下方5 mm左右。

3.2.1负压对茶叶收集成功率的影响

在螺纹管螺纹线数N=6,螺纹导程S=75 mm条件下,对螺纹管分别在负压为80、100、120 Pa的条件下进行Fluent仿真与试验。仿真结果如图11所示,随着负压增大,管内近壁面处X、Y轴方向的切向速度逐渐增大,能够有效降低茶叶附壁的可能,从而提高茶叶收集成功率。该条件下茶叶收集成功率试验结果如图12a所示。由图12a可知,随着负压的增大,收集成功率逐渐提高。 综合仿真结果与试验结果可得,在该条件下,负压与茶叶收集成功率呈正相关。

图11 不同负压下近壁面处的流场切向速度矢量图

图12 不同单因素时的收集试验结果

3.2.2螺纹线数对茶叶收集成功率的影响

在负压H=120 Pa,螺纹导程为S=150 mm的条件下,分别对螺纹线数为3、6、9的螺纹管近壁面处的流场进行仿真,仿真结果如图13所示,随着螺纹线数的增加,近壁面处的X、Y轴方向的切向速度呈上升趋势。该条件下的茶叶收集成功率试验结果如图12b所示。由图12b可知,随着螺纹线数的增加,收集成功率呈平稳上升趋势。综合仿真分析与试验结果可以得到在该条件下,螺纹线数的改变实质上造成了管内近壁面处的切向速度的改变,因此,茶叶收集成功率发生变化。

图13 不同螺纹线数下近壁面处的流场切向速度矢量图

3.2.3螺纹导程对茶叶收集成功率的影响

在负压H=100 Pa,螺纹线数N=3的条件下,分别对螺纹导程为0(光滑管)、75、150 mm的螺纹管近壁面处的流场进行仿真。仿真结果如图14所示。随着螺纹导程的增加,近壁面处的X、Y轴方向的切向速度呈现先上升后下降的趋势且速度上升的幅度大于下降幅度。由图12c可知,当螺纹管的螺纹导程由0 mm升至75 mm时,茶叶收集成功率也由72%骤升至84%;但当螺纹导程由75 mm提至150 mm,茶叶收集成功率下降8个百分点。综合仿真分析与试验结果可得,在该条件下,茶叶收集成功率的升降幅度与空气切向速度的升降幅度密切相关;在负压相同的情况下,螺纹管收集成功率高于光滑管。

图14 不同螺纹导程下近壁面处的流场切向速度矢量图

3.3 试验方案与结果

根据Box-Behnken模型进行三因素三水平的组合试验,共试验17组。每组试验所采摘的一芽二叶总数为50个,并统计成功收集的茶叶数量,根据式(2)计算茶叶收集成功率。为减小试验误差,每组试验重复3次并取平均值。试验结果如表5所示。

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表5 试验方案与结果

3.4 结果分析

3.4.1回归模型建立与检验

根据表5中的试验数据,通过Design-Expert 13软件建立茶叶收集成功率η的多元回归模型,方差分析见表6(A、B、C为因素编码值)。茶叶收集成功率的回归模型P<0.05,表明该模型显著,模型的失拟项P>0.05,表明模型失拟项并不显著,回归模型的拟合程度高。模型决定系数R2为0.983,表明该模型能够解释98.3%以上响应值的变化,实际值与预测值具有高度相关性,试验误差小。其中,A、B、C、BC、C2对茶叶收集成功率η影响极显著;AC、B2对茶叶收集成功率η影响显著,说明负压、螺纹线数和螺纹导程对茶叶收集成功率存在交互影响。故采用多元线性拟合的方式对试验结果进行处理,得到负压、螺纹线数和螺纹导程对茶叶收集成功率η影响的回归方程为

表6 茶叶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交互因素对试验指标的影响

通过表6可得,负压、螺纹线数、螺纹导程存在交互影响,需要更深入地探究各因素对茶叶收集成功率的影响。为更直观地了解各交互因素对试验指标的影响,忽略不显著的交互影响因素,得到各因素交互效应对茶叶收集成功率影响的响应面图,如图15所示。

图15 因素交互作用对成功率的响应曲面

图15a为负压H=120 Pa时,螺纹线数与螺纹导程对茶叶收集成功率交互影响的响应面。螺纹导程较大时,随着螺纹线数的增加,茶叶收集成功率呈上升趋势,这是由于螺纹线数的增加导致近壁面处的空气切向速度增大,因此可以有效降低茶叶附壁的可能,从而提高茶叶收集成功率。当螺纹线数较大时,随着螺纹导程的增加,茶叶收集成功率呈明显上升后缓慢下降的趋势并在螺纹导程S=95 mm左右达到了最大值,原因在于该条件下管内近壁面处的空气切向速度处于最大值。

图15b为螺纹线数N=6时,负压与螺纹导程对茶叶收集成功率交互影响的响应面。当螺纹导程较大时,随着负压的增大,茶叶收集成功率逐渐增大,这是由于负压的增大导致近壁面处空气的切向速度增大,能够有效降低茶叶附壁的可能,从而提高茶叶收集成功率。

3.4.3参数优化与试验验证

茶叶收集成功率是衡量采收器作业效果的重要指标,以茶叶收集成功率最大为目标函数,对各参数进行优化得到最佳组合参数为负压H=119.9 Pa,螺纹线数N=8.6,螺纹导程S=95.1 mm,茶叶收集成功率为98.4%。由于螺纹线数必须为整数且加工精度有限,所以基于负压H=120 Pa,螺纹导程S=95 mm(取整)的条件下,分别对螺纹线数N=8以及N=9的螺纹管进行试验。在负压H=120 Pa,螺纹线数N=8,螺纹导程S=95 mm的条件下测得茶叶收集成功率为97.3%; 在负压H=120 Pa,螺纹线数N=9,螺纹导程S=95 mm的条件下测得茶叶收集成功率为98%,收集成功率相对误差小于5%,表明响应面试验能够有效实现优化。由于茶叶收集过程中有很多不可控的因素,如茶叶嫩芽的生长形态不一、大小不同以及采摘点位置的变化,因此茶叶收集成功率有待进一步提高。

4 结论

(1)设计了一种茶叶采收器并进行现场试验,结果表明采收器能够有效完成茶叶的采摘。通过预试验确定了影响茶叶收集成功率的因素分别为:负压、螺纹导程、螺纹线数。

(2)应用Fluent仿真和Box-Behnken的试验设计,研究各因素对茶叶收集成功率的影响。试验结果表明:3个因素改变了管内近壁面处的空气切向速度;各因素对收集成功率的影响由大到小为: 负压、螺纹导程、螺纹线数。

(3)运用Design-Expert 13软件,以茶叶收集成功率最大为优化目标,确定优化参数为负压H=120 Pa,螺纹线数N=9,螺纹导程S=95 mm。对优化后的参数进行吸附式收集试验,结果表明该条件下茶叶收集成功率为98%,即优化后收集成功率相较于优化前提高26个百分点,试验值与预测值相对误差小于5%。