CN112219550A - 一种便携式真空吸附采茶机、控制方法及仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利公开了一种便携式真空吸附采茶机，包括茶叶切割器、运输软管、吸风装置、茶叶收集箱。本发明以茶园实地采摘试验优化了茶叶切割器的最优参数值，实现茶叶切割达到最佳的预期效果；以真空吸附为研究重点，用已建立的三维模型通过网格划分软件的布尔减运算得到了区域模型，再用GAMBIT软件对模型进行网格划分并得到网格质量信息，即扭曲率0.7～0.8为0.15％和扭曲率0.8～1.0为0；然后定义了边界类型和区域类型，并在FLUENT软件中进行求解设置和参数设置，实现了仿真的预处理；最后，以真空吸附仿真模拟与茶园实验对比分析。结果表明：以真空度和吸入功率对比分析，仿真与实验数据的绝对误差低于0.04、仿真精度为0.0001。

Description

一种便携式真空吸附采茶机、控制方法及仿真方法
技术领域
本发明属于采茶设备技术领域，具体涉及一种便携式真空吸附采茶机、控制方法及仿真方法。
背景技术
茶叶有着较短的采茶黄金周期，而国内的主要的茶叶采摘都停留在人工采摘和手提式采摘，工作效率比较低。特别是春茶，如果不能及时地采摘，将会错过很好的采茶时间，也就会大大影响春茶的质量和品茶时的口味，给茶叶行业带来很大的品牌形象折损和经济效益上的损失。以机械化采茶比人工采茶更节约成本和提高生产效率，大力发展采茶机械化势在必行。茶叶采摘的研究一直都在持续着，虽然我们是茶叶生产制造的泱泱大国，但现有的采茶机需要人力携带沉重的机械，此外，采摘时常出现芽叶大小不一、叶梗较长、完整性较差等问题。
发明内容
本发明的目的是为解决茶叶采摘多数产区存在着地形复杂、不适合大中型机械作业的问题，提供了一种便携式真空吸附采茶机，不仅解决上述问题的缺点，还能提高采茶效率、降低劳动成本、减轻劳动强度。
本发明为解决上述技术问题，提出了一种便携式真空吸附采茶机的技术方案，方案如下：
包括茶叶切割器1、运输软管2、吸风装置3和茶叶收集箱4；所述茶叶切割器1通过所述运输软管2与所述吸风装置3连接；所述茶叶切割器1包括直流驱动电机5、双面扫叶板6、多个切割齿7、分页板8和切割器外壳9，所述双面扫叶板6可旋转地与所述直流驱动电机5连接，所述扫叶板6与所述切割齿7通过直流驱动电机5提供动力，所述切割齿7顶部为圆角；所述双面扫叶板6由多个分叶板组成，所述分叶板包括柄部和板部；所述吸风装置3由叶轮、蜗壳和扩压器组成。
茶叶切割好坏的关键在于茶叶质量、较短叶梗和切割速度，为实现高效的叶梗切割、降低漏切割率、减轻茶叶重量和提升切割速度等预期效果，以某茶园进行实地切割茶叶采摘试验，对大量的茶叶质量、叶梗及达到的切割效果进行分析。
优选的，所述切割齿7厚度为2mm-5mm，所述切割齿7宽度为10mm～12mm，所述切割齿7的倾斜角为2°-15°，相邻所述切割齿7的齿距为24mm～26mm，所述圆角半径为1-5mm。在茶叶切割器中作反复旋转运动的双面扫叶板与切割齿相切割将茶叶叶片分离，同时双面扫叶板也有带动作用，使茶叶叶片借力滑向管道入口处，再由吸风装置产生足够的动力使得茶叶顺利通过管道进入茶叶收集箱，实现茶叶切割和茶叶吸附的过程。
优选的，所述板部宽度为13mm～15mm；所述板部的顶部为梯形，所述梯形宽度为3～5mm。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种采茶机采茶控制方法，通过所述切割器(1)的功率P控制所述双面扫叶片(6)与所述茶叶切割器(1)相切使得叶片与叶梗分离，通过控制所述吸风装置(3)的压强控制叶片在所述运输软管(2)中的平均流速。
优选的，所述功率P计算方式为：
Figure BDA0002337896050000021
式中，vm为切割器前进速度，单位为m/s，B为切割幅值，单位为m，W为切割比功，单位为J/m2。
优选的，所述vm取值范围为0.5m/s～1.0m/s，所述P取值范围为100W-200W。
茶叶吸附是整个设计的重点和难点，通过计算机对茶叶在空气中运动的流体系统进行分析研究，可得到计算结果并以数据和图像的形式展现出来，而且流动的质量元都满足质量守恒方程，具体公式为：
Figure BDA0002337896050000022
式中，ρ为密度，t为时间，u、v、w为速度矢量的分量。
当流体密度为某一常数时，质量控制方程可由上式变换，即公式为：
Figure BDA0002337896050000023
进一步，流动分析必须满足动量守恒定律，简单概述就是单位时间内流动体各种力的和等于该动量的变化量，相关公式为：
Figure BDA0002337896050000024
式中，p为压力值，τxx、τxy、τxz为粘性应力的各分量，Fx、Fy、Fz为微元体的体力。
优选的，所述吸风装置3的压强与所述运输软管2中的平均流速关系为：
Figure BDA0002337896050000025
式中，g为重力加速度，单位为m/s2，z为铅垂高度，单位为m，u为平均流速，单位为m/s，P为流体中某点的压强，单位为Pa，ρ为流体密度，单位为kg/m3，式中下标1和2代表运输软管中任意两点位置。
本发明还提供一种基于上述财产机的采茶仿真方法，通过模拟茶叶在所述运输软管2和所述茶叶收集箱4中的流动，预测所述吸风装置3的功率、真空度和流力损失以确定所述吸风装置3的性能参数和所述采茶机的尺寸。
优选的，以三维建模软件和仿真处理软件相结合的方法，通过三维建模软件构建采机各个部件然后导入网格划分软件的方法，以得到的轮廓为边界通过布尔减运算减去实体模型得到所需的流体区域模型。选用GAMBIT软件为该模型进行网格的划分得到流体区域网格，网格划分耗时很长也容易出现问题，而且需要检查网格的扭曲率并对扭曲率较大的进行优化，满足仿真要求才能正常地进行茶叶运动仿真模拟。
优选的，利用GAMBIT中常用的边界类型和区域类型对速度入口边界、内部界面、自由出口边界、壁面以及旋转壁面的边界类型进行定义，对流体类型的区域类型进行定义，完成预处理。
优选的，在仿真模拟软件中设定物理参数、经验系数、控制精度，用FLUENT软件选基于压力的隐式稳态求解计算得到网格扭曲率数据表。
通过统计信息进行分析，其中扭曲率为0.8～1.0所占百分比为0，0.7～0.8所占百分比为0.15％，说明网格质量较好可以进行正常进行流体的仿真模拟。
以FLUENT对吸附式采茶机模型多个流量点进行模拟发现，采茶机能否顺利的将茶叶通过一定的吸力从运输软管进口吸附到茶叶收集箱，吸力的大小主要是由真空度和流量值来衡量。
仿真真空度随流量的增加而降低，而仿真收入功率随流量的增加到7m3/h时发生降低，当流量值为4m3/h时仿真真空度变化率较大、仿真吸入功率的变化率也趋于平缓，经验证后流量误差低于0.01m3/h、此次仿真精度为0.0001，所需要的仿真时间较长。
以测量茶叶收集箱多个截面下多流量点的静压值进行分析，发现收集箱内静压值变化低于5Pa，即能够达到收集箱内静压值稳定的效果。而运输软管的静压值从内到外都是逐渐降低的，静压值的减少主要是受管道内阻力的影响，其中管道的直径越大、长度越长、管道形状越复杂都将会增大管道吸附阻力值，为满足茶叶吸附的要求，最低得满足运输软管入口吸附的静压值，所以吸风机需要提供更大的动力来抵消管道阻力所消耗的静压值。
茶叶在气流的带动下通过运输软管进入收集箱，吸风口高于茶叶下垂位置并呈现出蛇形路线，增大了茶叶的掉落的机会，且不被吸力引到吸风机入口处导致堵塞的现象。
茶叶进入收集箱后任一横截面积远远大于运输管的直径，所以进入收集箱后对茶叶的吸力降低，茶叶在自身重力的作用下落入箱底而不会出现堵塞。
附图说明
图1是本实施例采茶机的整体结构示意图。
图2是切割器结构图。
图3是切割齿结构图。
图4是分叶板结构图
图5是真空度和吸入功率统计图。
茶叶切割器1，运输软管2，吸风装置3，和茶叶收集箱4，直流驱动电机5，双面扫叶板6，切割齿7，分叶板8和切割器外壳9。
具体实施方式
实施例：一种便携式真空吸附采茶机
如图1所示，为本实施例提供的采茶机整体结构示意图，采茶机包括茶叶切割器1、运输软管2、吸风装置3和茶叶收集箱4；所述茶叶切割器1通过所述运输软管2与所述吸风装置3连接；所述茶叶切割器1包括直流驱动电机5、双面扫叶板6、多个切割齿7、分叶板8和切割器外壳9，所述双面扫叶板6可旋转地与所述直流驱动电机5连接，所述扫叶板6与所述切割齿7通过直流驱动电机5提供动力，所述切割齿7顶部为圆角；所述双面扫叶板6由多个分叶板8组成，所述分叶板8包括柄部和板部；所述吸风装置3由叶轮、蜗壳和扩压器组成。
如图2所示，为茶叶切割器1结构，茶叶切割器通过直流驱动电机5提供动力，使得双面扫叶板6作旋转运动，切割齿7作往复式直线运动。
基于同样的发明构思，本实施例还提供上述采茶机的控制方法，通过茶叶切割器1的功率P控制双面扫叶片6与所述茶叶切割器1相切使得叶片与叶梗分离，通过控制所述吸风装置3的压强控制叶片在所述运输软管2中的平均流速。
作为优选的实施方式，选取额定电压为12V、额定功率为20W、减速比为30的减速器的驱动电机，通过如下公式计算得出切割器的功率为200W：
Figure BDA0002337896050000041
式中，vm为切割器前进速度，单位为m/s，B为切割幅值，单位为m，W为切割比功，单位为J/m2，vm取值范围为0.5m/s～1.0m/s，所述P取值范围为100W-200W。
通过在茶叶切割器1中作反复旋转运动的双面扫叶片6与切割齿7相切割将茶叶叶片与叶梗分离，同时双面扫叶板也有带动作用，使茶叶叶片借力滑向管道入口处，再由吸风装置产生足够的动力使得茶叶顺利通过管道进入茶叶收集箱，实现茶叶切割和茶叶吸附的过程。
作为一种优选的实施方式，茶叶吸附是整个设计的重点和难点，通过计算机对茶叶在空气中运动的流体系统进行分析研究，通过如下公式：
Figure BDA0002337896050000051
式中，g为重力加速度，u为平均流速，单位为m/s，P为流体中某点的压强，单位为Pa，ρ为流体密度，单位为kg/m3。
本发明通过实验发现，茶叶切割好坏的关键在于茶叶质量、较短叶梗和切割速度，为实现高效的叶梗切割、降低漏切割率、减轻茶叶重量和提升切割速度等预期效果，以某茶园进行实地切割茶叶采摘试验，对大量的茶叶质量、叶梗及达到的切割效果进行分析。通过大量实验分析得出较优参数，如图3所示，为切割齿7结构，切割齿7厚度为3mm，宽度b为11mm，倾斜角c为10°，相邻切割齿的齿距a为25mm，切割齿顶部的圆角半径R为2mm为较优参数，减少切割刀片尖端对茶叶的损伤。
本发明通过实验分析同样也发现分叶板在切割过程中也起着必不可少的重要结果，针对分叶板更好的将茶叶导入间隙中与切割刀片相剪切通过多次试验得到较优参数，如图4所示，为分叶板8结构，板部宽度d为13mm～15mm；所述板部的顶部为梯形，所述梯形宽度e为3mm～5mm。
本实施例还提供了茶叶的吸附流体仿真方法，通过模拟茶叶在所述运输软管2和茶叶收集箱4中的流动，预测吸风装置3的功率和流力损失以确定吸风装置3的性能参数和采茶机的尺寸。先对便携吸附式采茶机模型进行必要的前处理，通过三维建模软件直接对采茶机进行建模，但采茶机建模过程比较繁琐，还需将各个零部件装配起来，装配过程也比较麻烦；或者，用仿真前处理软件对采茶机构建三维模型，存在作图效率低、建模时间较长的问题；此外，还提出了为提高工作效率以三维建模软件和仿真处理软件相结合的方法，选择以三维软件构建各个部件然后导入网格划分软件的方法，以得到的轮廓为边界通过布尔减运算减去实体模型得到所需的流体区域模型。
作为一种优选的实施方式，选用GAMBIT软件为该模型进行网格的划分得到流体区域网格，网格划分耗时很长也容易出现问题，而且需要检查网格的扭曲率并对扭曲率较大的进行优化，满足仿真要求才能正常地进行茶叶运动仿真模拟。
作为一种优选的实施方式，可利用GAMBIT中常用的边界类型和区域类型对本次试验所需仿真模拟进行定义，即对速度入口边界、内部界面、自由出口边界、壁面以及旋转壁面的边界类型进行定义，然后对流体类型的区域类型进行了定义，完成预处理。
本实施例通过设定物理参数、相关经验系数、控制精度等多种设置，用FLUENT软件选基于压力的隐式稳态求解计算得到网格扭曲率数据表，通过统计信息进行分析，其中扭曲率为0.8～1.0所占百分比为0，0.7～0.8所占百分比为0.15％，说明网格质量较好可以进行正常进行流体的仿真模拟。以FLUENT对吸附式采茶机模型多个流量点进行模拟发现，采茶机能否顺利的将茶叶通过一定的吸力从运输软管进口吸附到茶叶收集箱，吸力的大小主要是由真空度和流量值来衡量。
本实施例通过实验发现仿真真空度随流量的增加而降低，而仿真收入功率随流量的增加到7m3/h时发生降低，当流量值为4m3/h时仿真真空度变化率较大、仿真吸入功率的变化率也趋于平缓，经验证后流量误差低于0.01m3/h、此次仿真精度为0.0001，所需要的仿真时间较长。
作为一种优选的实施方式，以测量茶叶收集箱多个截面下多流量点的静压值进行分析，发现收集箱内静压值变化低于5Pa，即能够达到收集箱内静压值稳定的效果。
而运输软管的静压值从内到外都是逐渐降低的，静压值的减少主要是受管道内阻力的影响，其中管道的直径越大、长度越长、管道形状越复杂都将会增大管道吸附阻力值。
为满足茶叶吸附的要求，最低得满足运输软管入口吸附的静压值，所以吸风机需要提供更大的动力来抵消管道阻力所消耗的静压值。茶叶在气流的带动下通过运输软管进入收集箱，吸风口高于茶叶下垂位置并呈现出蛇形路线，增大了茶叶的掉落的机会，且不被吸力引到吸风机入口处导致堵塞的现象。
本实施例通过实验发现茶叶进入收集箱后任一横截面积远远大于运输管的直径，所以进入收集箱后对茶叶的吸力降低，茶叶在自身重力的作用下落入箱底而不会出现堵塞。
以茶园实地茶叶采摘实验可得到便携式真空吸附采茶机的实验真空度和实验吸入功率，并以仿真数据值与实验数据对比分析，如图5所示，显而易见，变化趋势的方向和增减的变化值大致是相同的。
本发明通过计算仿真与实验的真空度和吸入功率的平均误差分别为2.31％、2.44％，仅当流量为4m3/h时真空度最大误差为5.8％，其余均低于3％，仅当流量为4m3/h时吸入功率最大误差为4.7％，其余均低于4％仿真误差都相对较小，仿真与实验结果相接近即证明了仿真结果可靠，并为吸附式采茶机的优化提供了理论依据。

Claims (11)

1.一种便携式真空吸附采茶机，其特征在于：包括茶叶切割器(1)、运输软管(2)、吸风装置(3)和茶叶收集箱(4)；所述茶叶切割器(1)通过所述运输软管(2)与所述吸风装置(3)连接；
所述茶叶切割器(1)包括直流驱动电机(5)、双面扫叶板(6)、多个切割齿(7)、分叶板(8)和切割器外壳(9)，所述双面扫叶板(6)可旋转地与所述直流驱动电机(5)连接，所述扫叶板(6)与所述切割齿(7)通过直流驱动电机(5)提供动力，所述切割齿(7)顶部为圆角；所述双面扫叶板(6)由多个分叶板组成，所述分叶板包括柄部和板部；
所述吸风装置(3)由叶轮、蜗壳和扩压器组成。
2.如权利要求1所述的便携式真空吸附采茶机，其特征在于：所述切割齿(7)厚度为2-5mm，所述切割齿(7)宽度为10mm～12mm，所述切割齿(7)的倾斜角为2°-15°，相邻所述切割齿(7)的齿距为24mm～26mm，所述圆角半径为1mm-5mm。
3.如权利要求1所述的便携式真空吸附采茶机，其特征在于：所述板部宽度为13～15mm；所述板部的顶部为梯形，所述梯形宽度为3mm～5mm。
4.一种如权利要求1-3任一所述采茶机的采茶控制方法，其特征在于：通过所述切割器(1)的功率P控制所述双面扫叶片(6)与所述茶叶切割器(1)相切使得叶片与叶梗分离，通过控制所述吸风装置(3)的压强控制叶片在所述运输软管(2)中的平均流速。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述功率P计算方式为：
Figure FDA0002337896040000011
式中，vm为切割器前进速度，单位为m/s，B为切割幅值，单位为m，W为切割比功，单位为J/m2。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述vm取值范围为0.5m/s～1.0m/s，所述P取值范围为100-200W。
7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述吸风装置(3)的压强与所述运输软管(2)中的平均流速关系为：
Figure FDA0002337896040000012
式中，g为重力加速度，单位为m/s2；z为铅垂高度，单位为m；u为平均流速，单位为m/s；P为流体中某点的压强，单位为Pa；ρ为流体密度，单位为kg/m3；式中下标1和2代表运输软管中任意两点位置。
8.一种如权利要求1-3所述的真空吸附采茶机采茶仿真方法，其特征在于：模拟茶叶在所述运输软管(2)和所述茶叶收集箱(4)中的流动，预测所述吸风装置(3)的功率和真空度。
9.如权利要求8所述的采茶仿真方法，其特征在于：结合三维建模软件和仿真处理软件，所述三维建模软件构建采茶机各部件，然后导入网格划分软件以得到的轮廓为边界通过布尔减运算减去实体模型得到所流体区域模型。
10.如权利要求9所述的采茶仿真方法，其特征在于：利用GAMBIT作为网格划分软件，选取GAMBIT中常用的边界类型和区域类型对速度入口边界、内部界面、自由出口边界、壁面以及旋转壁面的边界类型进行定义，然后对流体类型的区域类型进行定义。
11.如权利要求9所述的采茶仿真方法，其特征在于：通过设定仿真处理软件的物理参数、经验系数、控制精度，基于压力的隐式稳态求解计算使得网络扭曲率为0.8～1.0的占比为0，网络扭曲率0.7～0.8的占比为0.15％。
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