陳建能 李 杭 任 萍 賈江鳴 趙潤(rùn)茂 武傳宇

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 杭州 310018; 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310018;3.浙江省余姚市農(nóng)業(yè)機(jī)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(shí)現(xiàn)了機(jī)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(yán)重以及勞動(dòng)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(jī)械化采摘主要分為:茶葉識(shí)別[5-8]、定位[9-10]、機(jī)械臂軌跡規(guī)劃[11-12]、采收器設(shè)計(jì)及茶葉收集[13-14]。其中,采收器負(fù)責(zé)完成茶葉采摘;負(fù)壓收集裝置完成茶葉收集。

對(duì)于名優(yōu)茶采收,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。如許麗佳等[15]設(shè)計(jì)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(jī)械臂上并采用負(fù)壓收集的方式對(duì)被采茶葉進(jìn)行收集。賈江鳴等[16]設(shè)計(jì)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(shí)手指的采摘?jiǎng)幼?將茶芽提拉斷梗后,通過主從動(dòng)手指的轉(zhuǎn)動(dòng)將茶葉送至采收盒內(nèi)。ZHU等[17]設(shè)計(jì)的采收器通過鋼絲繩的提拉動(dòng)作形成兩刀片的剪切動(dòng)作,待采芽葉被剪斷后通過負(fù)壓作用進(jìn)入收集箱。由于茶園環(huán)境復(fù)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化采茶并且工作效率有待進(jìn)一步提高。

對(duì)茶葉進(jìn)行吸附式收集時(shí),發(fā)現(xiàn)有部分茶葉貼附在管壁上,導(dǎo)致這部分茶葉無法收集。部分學(xué)者對(duì)氣固或固液兩相流動(dòng)中的顆粒沉積(附壁)這一問題進(jìn)行了研究。李立軍[18]采用起旋管生成螺旋流,從而增加海水?dāng)y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(shí)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(jìn)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(duì)氣固兩相流中的顆粒沉積問題具有一定的改善效果。

為實(shí)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(jī)理進(jìn)行采收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行采收試驗(yàn);對(duì)茶葉附壁導(dǎo)致收集成功率低的問題進(jìn)行優(yōu)化?；诿麅?yōu)茶的物理參數(shù)設(shè)計(jì)采收器并進(jìn)行采收試驗(yàn)。對(duì)茶葉進(jìn)行吸附式收集時(shí),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(duì)影響茶葉收集成功率的3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn),進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),并對(duì)最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 名優(yōu)茶采收器設(shè)計(jì)

名優(yōu)茶采摘主要以一芽二葉為主,同時(shí)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(shí)現(xiàn)采收器對(duì)名優(yōu)茶采摘的適用性,本文以一芽二葉為研究對(duì)象。

1.1 一芽二葉物理參數(shù)測(cè)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(zhǎng)密度SA來合理設(shè)計(jì)名優(yōu)茶采收器結(jié)構(gòu)。

圖1 茶葉尺寸參數(shù)

在國(guó)家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系麗水綜合試驗(yàn)站測(cè)量茶葉物理參數(shù)。茶葉品種為龍井43,茶葉物理特性的測(cè)量樣本為隨機(jī)選取的50片新鮮茶葉。如圖2所示,測(cè)量工具是精度為0.01 mm的德國(guó)艾瑞澤游標(biāo)卡尺;精度為示值0.5%以內(nèi)的WDW-1000型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(溫州韋度電子有限公司)。SA的量具為自制方框,邊長(zhǎng)為0.29 m。測(cè)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(jì)算式為

圖2 茶葉剪切力及生長(zhǎng)密度測(cè)量

(1)

共測(cè)量20次。

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表1和圖3所示。結(jié)果表明,一芽二葉存在較大的個(gè)體差異,因此,要求茶葉采收器具有較強(qiáng)的適應(yīng)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(diǎn),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(jìn)行設(shè)計(jì),如圖4所示,包括舵機(jī)、末端管、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)。

圖4 茶葉采收器

舵機(jī)作為源動(dòng)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(jī),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(yuǎn)=150 mm,末端管采用3D打印成型,材料為PLA。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪傳動(dòng)。主要由連接法蘭、一對(duì)相嚙合的凸臺(tái)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(dòng)凸臺(tái)齒輪緊固在第1階梯軸上,被動(dòng)凸臺(tái)齒輪緊固在第2階梯軸上。

剪切機(jī)構(gòu)為固定在2根階梯軸底部的一對(duì)環(huán)形刀,環(huán)形刀半徑與末端管下管口的半徑相適應(yīng),可以有效避免刀片與目標(biāo)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(dá)剪切點(diǎn)上方后負(fù)壓收集裝置開啟,在末端管內(nèi)及下管口附近產(chǎn)生負(fù)壓。并聯(lián)機(jī)械臂帶動(dòng)采收器垂直下降至剪切點(diǎn)位置,待采茶葉在負(fù)壓引導(dǎo)的作用下進(jìn)入末端管內(nèi),舵機(jī)間接驅(qū)動(dòng)環(huán)形刀片完成剪切動(dòng)作;被采下來的茶葉依次經(jīng)過末端管、波紋管后進(jìn)入負(fù)壓收集裝置內(nèi)部的收集盒,與此同時(shí),舵機(jī)控制環(huán)形刀復(fù)位。

1.3 采收器試驗(yàn)

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

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)中,采收器能夠有效完成茶葉嫩芽采摘,但對(duì)被采茶葉進(jìn)行吸附式收集時(shí),部分茶葉會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的附壁現(xiàn)象導(dǎo)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(jī)拍攝到的茶葉附壁現(xiàn)象(仰視圖)。收集成功率計(jì)算式為

圖6 茶葉附壁現(xiàn)象

(2)

式中n——每組試驗(yàn)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(jī)收集50個(gè)采摘的芽頭,重復(fù)5組試驗(yàn)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(jī)支架等無關(guān)因素,可將末端管簡(jiǎn)化為內(nèi)徑D=30 mm、高h(yuǎn)=150 mm的螺紋管。在對(duì)茶葉進(jìn)行吸附式收集時(shí),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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)壓強(qiáng)

ρ——流體密度

v——流體中某點(diǎn)流速

g——重力加速度

l——該點(diǎn)所在高度C——常量

由式(3)可得負(fù)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(qiáng),能夠有效改善茶葉附壁所導(dǎo)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(dǎo)程、螺紋截面形狀等。

為確定各因素對(duì)茶葉收集成功率是否存在影響,分別對(duì)負(fù)壓以及螺紋導(dǎo)程、螺紋線數(shù)、螺紋截面形狀不同的螺紋管進(jìn)行單因素預(yù)試驗(yàn),由圖7可得,負(fù)壓、螺紋導(dǎo)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(yù)試驗(yàn)中各因素對(duì)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(fù)壓、螺紋線數(shù)、螺紋導(dǎo)程。

受限于螺紋管下管口進(jìn)氣速度場(chǎng)較為復(fù)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(rèn)為X、Y軸方向速度矢量和為切向速度,Z軸方向?yàn)檩S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(yùn)動(dòng),非近壁面處速度矢量垂直于該截面作軸向運(yùn)動(dòng)。由于切向速度具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,故仿真結(jié)果中的速度有正負(fù)之分(坐標(biāo)軸指向?yàn)檎?相反則為負(fù))。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(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管口上方負(fù)壓80～120 Pa能夠?qū)Σ枞~進(jìn)行有效收集。當(dāng)負(fù)壓H<80 Pa時(shí),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(fù)壓吸力不足以克服自身重力;若將負(fù)壓裝置的功率調(diào)至最大,測(cè)得螺紋管上管口負(fù)壓H=120 Pa。因此,設(shè)負(fù)壓水平為80～120 Pa。

基于單因素試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)螺紋線數(shù)N<3時(shí),附壁現(xiàn)象沒有明顯改善,即對(duì)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(dǎo)程為2～150 mm。當(dāng)螺紋導(dǎo)程S=2 mm時(shí),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(fù)壓的條件下進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)二者負(fù)壓收集成功率之差僅在0.6%以內(nèi),可忽略不計(jì)。故認(rèn)為螺紋導(dǎo)程S=2 mm時(shí),管內(nèi)徑為30 mm且內(nèi)壁光滑。因此,最終設(shè)定螺紋導(dǎo)程水平為0～150 mm(螺紋導(dǎo)程S≤2 mm時(shí),管內(nèi)壁光滑)。

3 影響因素試驗(yàn)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表3 試驗(yàn)因素編碼

表4 各螺紋管參數(shù)

3.2 單因素仿真與試驗(yàn)

搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。負(fù)壓收集裝置使用YL6281D型真空吸盤機(jī)(上海億力電氣有限公司)。經(jīng)改裝后,內(nèi)部最大負(fù)壓為0.9 kPa,可通過旋鈕無級(jí)調(diào)節(jié)。使用DP360型數(shù)顯真空計(jì)。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(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)茶葉離開螺紋管進(jìn)入波紋管時(shí),有個(gè)別茶葉因波紋間褶皺的阻擋作用而無法進(jìn)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(rèn)為當(dāng)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(yàn)平臺(tái)

對(duì)茶葉進(jìn)行吸附式收集時(shí),茶葉在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是氣固兩相流動(dòng),該過程十分復(fù)雜[29];此外,由于茶葉在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jìn)行氣固耦合計(jì)算。故本文通過改變各影響因素進(jìn)行試驗(yàn)。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(yàn)所用的茶葉嫩芽即采即用并在5 min內(nèi)完成本組試驗(yàn)。由于采收器在工作時(shí)是定點(diǎn)盲采存在誤差,故采用人工投喂茶葉的方式進(jìn)行收集試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)手持茶葉位于管口中央下方5 mm左右。

3.2.1負(fù)壓對(duì)茶葉收集成功率的影響

在螺紋管螺紋線數(shù)N=6,螺紋導(dǎo)程S=75 mm條件下,對(duì)螺紋管分別在負(fù)壓為80、100、120 Pa的條件下進(jìn)行Fluent仿真與試驗(yàn)。仿真結(jié)果如圖11所示,隨著負(fù)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(yàn)結(jié)果如圖12a所示。由圖12a可知,隨著負(fù)壓的增大,收集成功率逐漸提高。 綜合仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可得,在該條件下,負(fù)壓與茶葉收集成功率呈正相關(guān)。

圖11 不同負(fù)壓下近壁面處的流場(chǎng)切向速度矢量圖

圖12 不同單因素時(shí)的收集試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2螺紋線數(shù)對(duì)茶葉收集成功率的影響

在負(fù)壓H=120 Pa,螺紋導(dǎo)程為S=150 mm的條件下,分別對(duì)螺紋線數(shù)為3、6、9的螺紋管近壁面處的流場(chǎng)進(jìn)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(shì)。該條件下的茶葉收集成功率試驗(yàn)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(shì)。綜合仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果可以得到在該條件下,螺紋線數(shù)的改變實(shí)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(chǎng)切向速度矢量圖

3.2.3螺紋導(dǎo)程對(duì)茶葉收集成功率的影響

在負(fù)壓H=100 Pa,螺紋線數(shù)N=3的條件下,分別對(duì)螺紋導(dǎo)程為0(光滑管)、75、150 mm的螺紋管近壁面處的流場(chǎng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖14所示。隨著螺紋導(dǎo)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(shì)且速度上升的幅度大于下降幅度。由圖12c可知,當(dāng)螺紋管的螺紋導(dǎo)程由0 mm升至75 mm時(shí),茶葉收集成功率也由72%驟升至84%;但當(dāng)螺紋導(dǎo)程由75 mm提至150 mm,茶葉收集成功率下降8個(gè)百分點(diǎn)。綜合仿真分析與試驗(yàn)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(fù)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(dǎo)程下近壁面處的流場(chǎng)切向速度矢量圖

3.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken模型進(jìn)行三因素三水平的組合試驗(yàn),共試驗(yàn)17組。每組試驗(yàn)所采摘的一芽二葉總數(shù)為50個(gè),并統(tǒng)計(jì)成功收集的茶葉數(shù)量,根據(jù)式(2)計(jì)算茶葉收集成功率。為減小試驗(yàn)誤差,每組試驗(yàn)重復(fù)3次并取平均值。試驗(yàn)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(fēng)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(dòng)心吶。

表5 試驗(yàn)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(yàn)

根據(jù)表5中的試驗(yàn)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(xiàng)P>0.05,表明模型失擬項(xiàng)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(yīng)值的變化,實(shí)際值與預(yù)測(cè)值具有高度相關(guān)性,試驗(yàn)誤差小。其中,A、B、C、BC、C2對(duì)茶葉收集成功率η影響極顯著;AC、B2對(duì)茶葉收集成功率η影響顯著,說明負(fù)壓、螺紋線數(shù)和螺紋導(dǎo)程對(duì)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,得到負(fù)壓、螺紋線數(shù)和螺紋導(dǎo)程對(duì)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(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

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

圖15 因素交互作用對(duì)成功率的響應(yīng)曲面

圖15a為負(fù)壓H=120 Pa時(shí),螺紋線數(shù)與螺紋導(dǎo)程對(duì)茶葉收集成功率交互影響的響應(yīng)面。螺紋導(dǎo)程較大時(shí),隨著螺紋線數(shù)的增加,茶葉收集成功率呈上升趨勢(shì),這是由于螺紋線數(shù)的增加導(dǎo)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(dāng)螺紋線數(shù)較大時(shí),隨著螺紋導(dǎo)程的增加,茶葉收集成功率呈明顯上升后緩慢下降的趨勢(shì)并在螺紋導(dǎo)程S=95 mm左右達(dá)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(shí),負(fù)壓與螺紋導(dǎo)程對(duì)茶葉收集成功率交互影響的響應(yīng)面。當(dāng)螺紋導(dǎo)程較大時(shí),隨著負(fù)壓的增大,茶葉收集成功率逐漸增大,這是由于負(fù)壓的增大導(dǎo)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(yàn)驗(yàn)證

茶葉收集成功率是衡量采收器作業(yè)效果的重要指標(biāo),以茶葉收集成功率最大為目標(biāo)函數(shù),對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到最佳組合參數(shù)為負(fù)壓H=119.9 Pa,螺紋線數(shù)N=8.6,螺紋導(dǎo)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(fù)壓H=120 Pa,螺紋導(dǎo)程S=95 mm(取整)的條件下,分別對(duì)螺紋線數(shù)N=8以及N=9的螺紋管進(jìn)行試驗(yàn)。在負(fù)壓H=120 Pa,螺紋線數(shù)N=8,螺紋導(dǎo)程S=95 mm的條件下測(cè)得茶葉收集成功率為97.3%; 在負(fù)壓H=120 Pa,螺紋線數(shù)N=9,螺紋導(dǎo)程S=95 mm的條件下測(cè)得茶葉收集成功率為98%,收集成功率相對(duì)誤差小于5%,表明響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)軌蛴行?shí)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(zhǎng)形態(tài)不一、大小不同以及采摘點(diǎn)位置的變化,因此茶葉收集成功率有待進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種茶葉采收器并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明采收器能夠有效完成茶葉的采摘。通過預(yù)試驗(yàn)確定了影響茶葉收集成功率的因素分別為:負(fù)壓、螺紋導(dǎo)程、螺紋線數(shù)。

(2)應(yīng)用Fluent仿真和Box-Behnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究各因素對(duì)茶葉收集成功率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:3個(gè)因素改變了管內(nèi)近壁面處的空氣切向速度;各因素對(duì)收集成功率的影響由大到小為: 負(fù)壓、螺紋導(dǎo)程、螺紋線數(shù)。

(3)運(yùn)用Design-Expert 13軟件,以茶葉收集成功率最大為優(yōu)化目標(biāo),確定優(yōu)化參數(shù)為負(fù)壓H=120 Pa,螺紋線數(shù)N=9,螺紋導(dǎo)程S=95 mm。對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行吸附式收集試驗(yàn),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(gè)百分點(diǎn),試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差小于5%。