谷明先，曾百功, 2*，郝林杰，黎奎良，石耀華，葉進(jìn)

葉菜定植盤清洗裝置扇形噴嘴清洗參數(shù)的優(yōu)化與試驗(yàn)

谷明先1，曾百功1, 2*，郝林杰1，黎奎良1，石耀華1，葉進(jìn)1

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716；2.重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404100)

針對(duì)葉菜定植盤殘留基質(zhì)、葉菜碎屑的問題，設(shè)計(jì)了一款工廠化葉菜定植盤清洗裝置。該裝置主要由機(jī)架、清洗組件、刮渣組件、防水組件等構(gòu)成。工作時(shí)，定植盤由輸送線送入清洗裝置中，刮渣組件去除定植盤上較大塊殘留物，清洗組件去除基質(zhì)、葉菜碎屑等。選用6530型不銹鋼扇形噴嘴，以靶距和沖擊角為試驗(yàn)因素，清洗面積占比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因子試驗(yàn)和二元二次回歸正交組合試驗(yàn)。優(yōu)化后的清洗參數(shù)為：扇形噴嘴出口孔徑3.5 mm、水射流錐角65°、水射流靶距45 mm、水射流沖擊角5°，清洗面積占比最大可達(dá)97.45%。經(jīng)清洗試驗(yàn)驗(yàn)證，清洗面積占比均值為94.70%，可滿足工廠化葉菜定植盤的清洗要求。

葉菜定植盤；清洗裝置；扇形噴嘴；水射流清洗；參數(shù)優(yōu)化

工廠化葉菜生產(chǎn)過程中，定植盤與基質(zhì)、殘葉粘連，易滋生微生物、苔蘚等，影響葉菜工廠化生產(chǎn)效率，需要對(duì)定植盤實(shí)施清洗作業(yè)，以減少污染，實(shí)現(xiàn)定植盤重復(fù)利用，降低生產(chǎn)成本。李愷等[1]設(shè)計(jì)的育苗穴盤清洗機(jī)，使穴盤側(cè)立穿行，通過高壓噴射、清水沖洗管路形成的隧道完成清洗。荷蘭Visser公司[2]推出在線式水壓沖洗設(shè)備，可對(duì)園藝穴盤實(shí)施隧道式側(cè)立輸送式清洗、硬質(zhì)托盤實(shí)施隧道式水平輸送式清洗。中國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心研制的穴盤清洗機(jī)[3]，采用清水浸泡、水壓沖洗的清洗工藝，傳送系統(tǒng)扶持穴盤側(cè)立通過清洗隧道進(jìn)行清洗。禹振軍等[4]研制的隧道式穴盤清洗機(jī)，通過多個(gè)扇形噴嘴實(shí)施上、下、左、右4個(gè)方向的清洗作業(yè)。符德龍等[5]設(shè)計(jì)的烤煙育苗盤清洗機(jī)，采用高壓清洗技術(shù)，結(jié)合噴頭沖洗和滾刷刷洗，完成對(duì)育苗盤正反面的清洗。這些清洗裝置均采用輸送線輸送穴盤、水射流清洗的方式，與工廠化葉菜定植盤清洗裝置有相似性。

筆者針對(duì)葉菜定植盤沾染殘留基質(zhì)、葉菜碎屑等問題，設(shè)計(jì)了一款工廠化葉菜定植盤清洗裝置。清洗裝置工作時(shí)，定植盤被水平輸送至清洗裝置中，在清洗組件與刮渣組件作用下完成定植盤的清洗。通過臺(tái)架清洗試驗(yàn)，以扇形噴嘴出口孔徑、水射流錐角、靶距及沖擊角作為試驗(yàn)因素，以清洗面積占比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)扇形噴嘴清洗參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；并對(duì)試制的工廠化葉菜定植盤清洗裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1　工廠化葉菜定植盤清洗裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

工廠化葉菜定植盤清洗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由機(jī)架、清洗組件、刮渣組件、防水罩、集水罩、防水簾、調(diào)節(jié)底座等組成。

清洗作業(yè)時(shí)，定植盤由輸送線水平輸送至防水簾前方，觸發(fā)光電傳感器，控制程序開始執(zhí)行清洗作業(yè)工序。水路控制電磁閥開啟，清洗水泵動(dòng)作，清洗系統(tǒng)開始作業(yè)。刮渣組件去除定植盤上葉菜殘?jiān)?、枯枝敗葉等殘留物；清洗組件去除基質(zhì)、葉菜碎屑等。光電傳感器監(jiān)測(cè)無定植盤輸送進(jìn)入清洗工序后，延時(shí)關(guān)閉清洗作業(yè)工序。

1　輸送線；2　機(jī)架；3　清洗組件；4　Ⅰ型刮渣組件；5　定植盤；6?、蛐凸卧M件；7　防水罩；8　防水簾；9　集水罩；10　調(diào)節(jié)底座。

2　清洗裝置扇形噴嘴清洗參數(shù)的確定

清洗組件是葉菜定植盤清洗裝置的關(guān)鍵工作部件，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由固定板、圓柱形清洗管路、進(jìn)水管、扇形噴嘴和張緊螺栓組成。

1　固定板；2　圓柱形清洗管路；3　進(jìn)水管；4　扇形噴嘴；5　張緊螺栓。

由于扇形噴嘴產(chǎn)生的水射流平坦均勻、致密性好、清洗面積大、清洗能力強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，較適合工廠化葉菜定植盤清洗裝置[6–7]，因而清洗組件中的噴嘴選用扇形噴嘴。作業(yè)時(shí)，清洗水泵泵出的高壓水經(jīng)進(jìn)水管壓入圓柱形清洗管路后，通過扇形噴嘴的微小孔徑噴出高速水射流，沖擊定植盤表面，對(duì)葉菜定植盤進(jìn)行沖洗。

2.1　扇形噴嘴清洗面積的表征

由于定植盤上所黏附的污物具有與潤(rùn)滑脂相似的特性，即在常溫下黏附物體表面不易滑動(dòng)，擬通過對(duì)潤(rùn)滑脂的清洗效果來表征噴嘴水射流的清洗能力。根據(jù)清洗預(yù)試驗(yàn)情況，選定墊片厚度為1.8 mm，在潔凈的定植盤表面均勻涂制1.8 mm的藍(lán)色潤(rùn)滑脂，完成定植盤清洗涂層的制備。借助ImageJ圖像處理軟件完成涂層被沖洗區(qū)域的照片比例尺標(biāo)定、照片大小截取、沖洗區(qū)域邊界確定、清洗區(qū)域面積值的獲取。

引入清洗面積占比，為清洗試驗(yàn)提供可量化的指標(biāo)。通過采集清洗區(qū)域圖像、繪制清洗面積輪廓、計(jì)算得到的面積為清洗面積1。圖3–a為清洗區(qū)域采集的圖像，圖3–b為從圖像中提取的涂層的清洗面積，即紅色區(qū)域面積，圖3–c為借助軟件繪制出清洗面積輪廓、計(jì)算得到的清洗面積。采用相同方法計(jì)算水射流接觸的面積為標(biāo)定清洗面積2，則清洗面積占比=(1/2)×100%。

圖3　清洗面積的獲取

2.2　扇形噴嘴清洗參數(shù)的確定

通過制備清洗涂層，選用6530型扇形噴嘴，分析扇形噴嘴出口孔徑、水射流錐角、水射流靶距和水射流沖擊角，并測(cè)量計(jì)算清洗面積占比，對(duì)清洗能力的影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[8–11]。

基礎(chǔ)試驗(yàn)表明：扇形噴嘴出口孔徑為3.5 mm，水射流錐角為65°時(shí)，清洗面積占比達(dá)到最大值，清洗效果較佳。

1) 水射流靶距對(duì)清洗面積的影響。水射流從噴嘴噴出后，開始與環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量與動(dòng)量的交換，在不斷傳播和擴(kuò)散過程中，工作流體的致密狀態(tài)、流速發(fā)生改變，形成水射流結(jié)構(gòu)[12–13]。由于水射流結(jié)構(gòu)隨著靶距的變化而發(fā)生改變，水射流靶面沖擊壓強(qiáng)也隨之改變，進(jìn)而表現(xiàn)在清洗面積的改變。當(dāng)扇形噴嘴出口孔徑為3.5 mm、水射流錐角為65°、水射流沖擊角為0°時(shí)，分別設(shè)置水射流靶距20、30、40、50、60 mm，進(jìn)行清洗試驗(yàn)，計(jì)算不同水射流靶距下的清洗面積占比。不同水射流靶距對(duì)應(yīng)清洗面積及其占比列于表1。結(jié)果表明，當(dāng)靶距為20～30 mm時(shí)，隨著靶距的增大，清洗面積占比增大；當(dāng)靶距增至60 mm時(shí)，清洗面積占比隨著靶距的增加反而減小。一方面，隨著靶距的增加，水射流逐漸發(fā)散，靶面受到的打擊力隨著水射流距離增大而不斷變小，清洗面積開始變??；另一方面，水射流是呈一定角度的扇面，靶距變小，靶面受到的打擊力雖變大，但水射流作用面積受幾何關(guān)系限制變小，清洗面積變?。灰虼?，選擇水射流靶距20～50 mm為宜。

表1　不同水射流靶距的清洗面積及其占比

2) 水射流沖擊角對(duì)清洗面積的影響。水射流沖擊角是指射流方向線與靶面法線的夾角。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，沖擊角的改變會(huì)引起靶面打擊力與剪切力的相應(yīng)變化，進(jìn)而表現(xiàn)在清洗面積的改變。當(dāng)扇形噴嘴出口孔徑為3.5 mm、水射流錐角為65°、靶距為40 mm時(shí)，分別設(shè)置水射流沖擊角0°、10°、20°、30°、40°，進(jìn)行沖洗試驗(yàn)，計(jì)算不同水射流沖擊角下的清洗面積占比。不同水射流沖擊角對(duì)應(yīng)清洗面積及其占比列于表2。結(jié)果表明，當(dāng)沖擊角在0～30°時(shí)，隨著沖擊角角度的擴(kuò)大，清洗面積占比波動(dòng)。當(dāng)沖擊角角度大于30°后，清洗面積占比迅速下降。分析對(duì)比沖擊角角度為20°和40°的清洗結(jié)果，沖擊角過大會(huì)導(dǎo)致清洗效果變差，這是由于水射流對(duì)靶面法線方向的打擊力過小造成的，故選擇水射流沖擊角角度0～30°為宜。

表2　不同水射流沖擊角的清洗面積及其占比

3) 清洗參數(shù)正交試驗(yàn)尋優(yōu)。根據(jù)水射流清洗理論，靶距影響靶面打擊力與水射流作用面積，沖擊角影響靶面沖擊壓強(qiáng)和剪切力的分配，以及水射流作用面積。可見，靶面沖擊壓強(qiáng)分布、靶面剪切力分布、水射流作用面積均對(duì)清洗面積影響較大，因此，以水射流靶距(1)和沖擊角角度(2)為試驗(yàn)因子，以清洗面積占比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)二元二次回歸正交組合試驗(yàn)[14–15]，清洗試驗(yàn)因子水平及其編碼如表3所示。

表3　清洗試驗(yàn)因子水平及其編碼

將扇形噴嘴出口孔徑設(shè)置為3.5 mm、水射流錐角設(shè)置為65°，二元二次回歸正交試驗(yàn)的清洗面積及其占比列于表4。

表4　二元二次回歸正交組合試驗(yàn)的清洗面積及其占比

回歸方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為117.77，＜0.000 1，可以認(rèn)為此回歸方程特別顯著的概率為99%。

試驗(yàn)結(jié)果分析列于表5。

表5　二元二次回歸正交組合試驗(yàn)分析結(jié)果

是統(tǒng)計(jì)值；是顯著性值。

回歸方程擬合性檢驗(yàn)結(jié)果為1.03，=0.491 5，證明回歸方程擬合性好，回歸分析殘差的正態(tài)圖如圖4所示，圖中散點(diǎn)連線接近直線，說明回歸模型擬合好。

圖4　回歸分析殘差的正態(tài)概率分布

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，各項(xiàng)回歸系數(shù)均影響顯著，即靶距、沖擊角角度及其交互作用對(duì)清洗面積占比影響顯著，得到清洗面積占比對(duì)各因素的回歸方程：

=0.94+0.0861–0.0152–0.06112–0.08212–0.04222。

以清洗面積占比最大值為優(yōu)化目標(biāo)，尋找各因子的最優(yōu)組合，靶距為45 mm，沖擊角為5°，清洗面積占比最大值為97.45%。

扇形噴嘴清洗參數(shù)的最優(yōu)組合是：扇形噴嘴出口孔徑為3.5 mm，水射流錐角角度為65°，水射流靶距為45 mm，水射流沖擊角角度為5°。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證工廠化葉菜定植盤清洗裝置的清洗能力，在重慶市農(nóng)業(yè)工程研究所植物工廠試制了工廠化葉菜定植盤清洗裝置，對(duì)工廠化葉菜定植盤清洗裝置作業(yè)效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

將扇形噴嘴清洗參數(shù)設(shè)置為最優(yōu)組合參數(shù)，即扇形噴嘴出口孔徑為3.5 mm，水射流錐角角度為65°，水射流靶距為45 mm，水射流沖擊角角度為5°。為了消除隨機(jī)誤差，重復(fù)進(jìn)行了5次試驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量和計(jì)算，清洗面積占比均值為94.70%。最優(yōu)值與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果吻合度較好，表明工廠化葉菜定植盤清洗裝置的清洗效果可滿足生產(chǎn)的使用需求。

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Optimization and test of cleaning parameters of fan-shaped nozzle in cleaning device for leafy vegetable planting tray

GU Mingxian1，ZENG Baigong1, 2*，HAO Linjie1，LI Kuiliang1，SHI Yaohua1，YE Jin1

(1.College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China; 2.College of Mechanical Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China)

Base on the problem of residual matrix, leafy vegetable clastic and other dirt, a cleaning device of the planting tray was designed for industrialized leafy vegetable. The device is mainly composed of the frame, the cleaning component, the scraping component, the waterproof component and other components. The planting tray was sent horizontally into the cleaning device by the conveyor line during working process, and then the large residues on the planting tray were removed by the scraping component. The particles such as matrix, leaf vegetable clastic and sticky filth were removed by the cleaning component. The 6530 fan-shaped nozzle which made of stainless steel was selected. The single factor tests and binary quadratic regression orthogonal combination test were conducted by taking the target distance and impact angle as the test factors, and the proportion of cleaning area as the index. The optimal parameters combination were obtained that the outlet aperture of fan-shaped nozzle was 3.5 mm, the cone angle of water jet was 65°, the target distance of water jet was 45 mm, the impact angle of water jet was 5°, and the maximum cleaning area ratio was 97.45%. The average value of cleaning area ratio was verified to be 94.7% by the cleaning test of cleaning device for leafy vegetable planting tray, which met the cleaning requirements of industrialized leafy vegetable planting tray.

leafy vegetable planting tray; cleaning device; fan-shaped nozzle; water jet cleaning; parameters optimization

S223.94

A

1007–1032(2021)05–0598–05

谷明先，曾百功，郝林杰，黎奎良，石耀華，葉進(jìn)．葉菜定植盤清洗裝置扇形噴嘴清洗參數(shù)的優(yōu)化與試驗(yàn)[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2021，47(5)：598–602．

GU M X，ZENG B G，HAO L J，LI K L，SHI Y H，YE J．Optimization and test of cleaning parameters of fan-shaped nozzle in cleaning device for leafy vegetable planting tray[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2021，47(5)：598–602．

http://xb.hunau.edu.cn

2020–07–04

2021–05–14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31601210)；重慶市科技局項(xiàng)目(cstc2018jszx–cyzdx0045)；重慶三峽學(xué)院人工智能+智慧農(nóng)業(yè)學(xué)科群開放基金項(xiàng)目(ZNNYKFA201904)

谷明先(1997—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究，862801354@qq.com；*通信作者，曾百功，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生理論與技術(shù)研究，zbg77@swu.edu.cn

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立