杨永发 张 荧 陈 帅

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.云南机电职业技术学院，云南 昆明 650203；3.浙江省农业机械研究院，浙江 金华 321017）

茶叶在采制过程中必然带有一定数量的木质化的茎梗，而商品茶叶对含梗量都有严格的要求。从茶叶中将茎梗拣剔出来是茶叶精制加工中的重要环节，是提高茶叶品质和经济价值必不可少的关键作业，也是茶叶精制加工中耗用劳动力最多的一项作业。按工作原理可分为阶梯式、静电式、光电式。茶叶精制过程所用的静电拣梗机，其性能受空气中的湿度和茶叶的含水量影响很大。特别是在夏季高湿条件下，静电拣梗机作业无法进行，已成为茶叶界的一大问题［1］。

静电拣梗机主要是靠摩擦滚筒与摩擦件旋转摩擦产生静电场而实现拣梗工作［2，3］，摩擦滚筒表面产生的静电场的强度大小是影响茶叶拣梗的重要因素之一，而静电场的强度大小可通过静电电位值来体现。因此欲提高拣梗率，需提高拣梗机滚筒表面的整体电位值。

从机器自身来说，影响静电拣梗机整体电位值的因素主要有摩擦件材料、摩擦滚筒材料、压紧力大小、摩擦滚筒转速等，而空气湿度和温度也是影响静电场的重要因素。本研究拟重点通过利用静电电位测试系统，对6个影响因素进行单因素及多因素试验，测试静电拣梗机摩擦滚筒表面的静电电位值，确定各因素的最优组合方案以提高整体电位值，并研究各最大静电电位值下对拣梗率的影响情况。为茶叶静电拣梗机的设计开发提供理论依据。

1 试验方法

静电拣梗机电位测试系统由硬件和软件两部分组成。系统硬件部分由传感器、数据采集卡、个人电脑三部分组成，其中传感器选用欧姆龙公司生产的非接触式智能静电传感器ZJ-SD100以及放大器ZJ-SDA11［4，5］，数据采集卡选用 NI公司的USB-6259，传感器可以直接与数据采集卡连接，而数据采集卡通过USB数据线方便与任何个人电脑连接，连接方便，通用性强［6，7］。

系统的软件部分主要是对硬件部分采集到的电压信号进行处理，并将信号用图表和数据的形式显示和存储。该系统主要是在LabVIEW平台上进行开发，实现对摩擦滚筒某点电位值的实时采集、显示、存储。系统采用模块化设计的思想，分为系统登录模块、参数设置模块、数据采集模块、数据存储模块、数据分析模块5个模块［8－10］。系统软件界面见图1。

图1 系统软件界面Figure 1 Software interface of the system

2 结果与分析

2.1 静电电位影响因素的确定

由于影响拣梗机静电场的因素主要有6个，即：滚筒转速、压紧力、摩擦件材料、滚筒材料、湿度、温度，而温度对静电电位的影响较小，基于试验平台的条件限制，故排除温度的影响，对其余5个因素进行试验。试验分为单因素试验和多因素试验两个部分，单因素试验用来考察各单一变量因素对电位的影响作用，并根据电位数据的绝对值绘制与该变量因素的关系曲线，以确定单因素试验中的各最优影响条件；多因素试验首先从机器自身的影响因素着手考察各影响因素的主次顺序，然后排除次要因素后加入湿度因素考察这些影响因素之间的交互作用和主次顺序。

2.2 单因素试验

（1）利用静电电位测试系统进行滚筒转速单因素试验，以确定各滚筒转速条件下对静电电位的影响关系。配重块选用10.5kg、摩擦件材料选用丝绸、滚筒材料选用橡胶、测试温度为25℃、湿度为60%，滚筒转速分别按照8，18，28，38，48r/min依次进行试验，通过图1所示系统采集到电位数据值并计算得出静电电位均值依次为：－13.933，－14.291，－14.307，－14.565，－14.267kV，电位均值的极差为0.632。由于电位均值中的负号代表的是静电拣梗机摩擦滚筒产生的电荷为负电荷，电位的强弱关系只由数值的绝对值表示，故选取电位均值的绝对值绘制出关系图见图2。从电位均值结果可知：总体而言，电位值随滚筒转速的关系类似抛物线，滚筒转速为38r/min时电位均值达到最大。从极差来看，滚筒转速的变化对电位值的影响不算明显，故最优滚筒转速选择为38r/min。

（2）进行压紧力单因素试验，以确定各压紧力对静电电位的影响关系。滚筒转速选取38r/min、摩擦件材料选用丝绸、滚筒材料选用橡胶、测试温度为25℃、湿度为60%，配重块分别按照3.5，7.0，10.5，14.0kg依次进行试验，通过图1所示系统采集到电位数据值并计算得到静电电位均值依次为：－14.534，－14.539，－14.565，－14.416kV，电位均值的极差为0.149，选取电位均值的绝对值绘制关系图见图3。

图2 滚筒转速对静电电位的影响Figure 2 Test of rotation speed

从电位均值结果可知10.5kg的配重块产生的电位值最大，而从极差来看，压紧力的变化对静电电位的影响不明显，故最优压紧力选用10.5kg。

（3）进行摩擦件材料单因素试验，以确定各不同摩擦件材料条件下静电电位的变化关系。滚筒转速选取38r/min、配重块选取10.5kg、滚筒材料选用橡胶、测试温度为25℃、湿度为60%，摩擦件材料分别按照羊毛毡、丝绸、棉布依次进行试验，通过图1所示系统采集到电位数据值并计算得到静电电位均值依次为：－14.329，－14.565，－13.637kV，电位均值的极差为0.928，选取电位均值的绝对值绘制关系图见图4。从极差来看，摩擦件材料对电位值的影响较大，故选用电位均值最大的丝绸为最优摩擦件材料。

（4）进行滚筒材料单因素试验，以确定各不同滚筒材料条件下静电电位的变化关系。滚筒转速选取38r/min、配重块选取10.5kg、摩擦件材料选用丝绸、测试温度为25℃、湿度为60%，滚筒材料分别按照PE管、高压聚乙烯、橡胶依次进行试验，通过图1所示系统采集到电位数据值并计算得到静电电位均值依次为：－12.972，－12.173，－14.567kV，电位均值的极差为2.394，选取电位均值的绝对值绘制关系图见图5。从极差来看，不同的滚筒材料对电位值的影响较大，故选用电位均值最大的橡胶为最优滚筒材料。

图3 压紧力对静电电位的影响Figure 3 Test of pressing force

（5）进行湿度单因素试验，以确定各湿度条件对静电电位的影响关系。滚筒转速选用38r/min、配重块选用10.5 kg、摩擦件材料选用丝绸、滚筒材料选用橡胶、测试温度为25℃，湿度分别按照30%，40%，50%，60%，70%，80%依次进行试验，通过图1所示系统采集到电位数据值并计算得到静电电 位 均 值 依 次 为：－14.654，－14.631，－14.611，－14.567，－6.955，－6.378kV，电位均值极差为8.276，选取电位均值的绝对值绘制关系图见图6。从极差来看，湿度对电位均值的影响较大，从电位均值来看，只要湿度不高于60%，电位值都能维持在较高的水平，故选用低于60%的湿度为最优湿度。

图4 摩擦件材料对静电电位的影响Figure 4 Test of friction material

图5 滚筒材料对静电电位的影响Figure 5 Test of drum material

2.3 多因素试验

多因素试验选用三水平四因素的L9（34）正交试验表进行正交试验，用以确定各影响因素之间的交互作用和主次顺序，选出静电拣梗机产生最大电位值的最优因素组合。

图6 湿度对静电电位的影响Figure 6 Test of humidity

首先从机器自身的因素出发，找出影响电位水平的因素主要为滚筒材料、摩擦件材料、滚筒转速、压紧力4个因素，利用图1所示系统对这4个因素进行正交试验一，按照表1所示选取因素水平。

表1 L9（34）正交试验一因素水平表Table 1 Factor levels of L9（34）－1

经过对采集到的数据进行分析计算，得出4个因素的电位均值极差值依次为1.312，4.823，4.461，3.211，如表2所示。经过对该正交试验的分析，可见机器自身的4个因素中，摩擦件材料对电位值的影响最为明显，滚筒转速影响次之，滚筒材料的影响最小，且滚筒材料的影响较其他3个因素影响小得多，故忽略滚筒材料的影响，选定合成橡胶为滚筒材料最优水平进行后续正交试验。

表2 L9（34）正交试验一结果及分析Table 2 Test of L9（34）－1

从机器自身因素的正交试验一中得出滚筒材料的影响最小，且由单因素试验中可知湿度因素对静电电位影响明显，故利用湿度因素替换滚筒材料因素，选择摩擦件材料、湿度、滚筒转速和压紧力4个因素进行正交试验二，按照表3所示选取因素水平。

经过对采集到的数据进行分析计算，得出4个因素的电位均值极差依次为：1.614，7.180，0.454，0.093，如表4所示。可见湿度对静电电位的影响相当明显，而滚筒转速、压紧力的影响相对很小。根据极差来看，4个因素的交互作用不是很明显。然后根据电位均值的大小，选取各因素中产生最大电位均值的条件为最优条件即：滚筒材料为合成橡胶，滚筒转速为38r/min，配重块选用10.5kg，摩擦件材料为丝绸，湿度控制在60%及以下。

表3 L9（34）正交试验二因素水平表Table 3 Factor levels of L9（34）－2

表4 L9（34）正交试验二方案、结果及分析Table 4 Test of L9（34）－2

2.4 拣梗率测试

将待拣茶叶19.8kg放置在静电拣梗机上进行不同最大电位值条件下的多次拣梗试验，拣梗率测试条件和结果见表5。由表5可知，随着最大静电电位的增大，拣梗率呈上升趋势，故欲提高拣梗率，首先应该从提高静电电位出发，对影响静电电位的因素进行优化。从上文静电电位的单因素和多因素试验来看，两试验的结果基本吻合，均从影响静电电位的各因素着手，试验确定了产生最大电位值的最优结果，即当选择滚筒材料为合成橡胶，滚筒转速为38r/min，配重块选用10.5kg，摩擦件材料为丝绸，湿度控制在60%及以下时可使静电拣梗机摩擦滚筒产生的整体电位值最大，拣梗率最高。

表5 拣梗率测试Table 5 Stalk rate test

3 结论

利用LabVIEW软件平台设计了用于测试静电拣梗机静电电位的测试系统，从影响静电拣梗机摩擦滚筒静电电位的5个因素（滚筒材料、摩擦件材料、滚筒转速、压紧力、湿度）着手，通过该系统对摩擦滚筒表面静电位进行了单因素和多因素共7组试验，得出了提高整体静电电位的最优方案，并通过实际拣梗试验验证了提高最大静电电位对提高拣梗率的作用。

1 刘家坤.茶叶译丛（一）——世界农业丛刊［M］.北京：农业出版社，1981.

2 陈帅，杨永发，孙有祥.滚筒摩擦式静电拣梗机机理研究［J］.林业机械与木工设备，2013，41（1）：24～26.

3 赵和涛.静电拣梗机工作原理及影响性能主要因素［J］.茶机设计与研究，1990（1）：15～17.

4 张珍，陈凡.静电测量的应用［J］.中原工学院学报，2003（8）：109～110，119.

5 毛六平，唐艳，谭政华.静电测量及其程序设计［J］.仪表技术与传感器，2001（1）：21～22，41.

6 常天海，成静静.基于虚拟仪器的静电电位的测试系统［J］.科学技术与工程，2009，9（24）：7 310～7 314.

7 常天海，尹俊勋.动态作业过程中静电电位的模拟测试技术［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2008，36（8）：132～135.

8 杨乐平，李海涛，肖相生.LabVIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.

9 刘君华，申忠如，郭福田.现代测试技术与系统继承［M］.北京：电子工业出版社，2004.

10 陶薇薇.基于LabVIEW数据采集系统的设计［D］.天津：南开大学，2009.