我国茶园面积超4400万亩,涉茶人口超过6000万,茶叶农业产值达到2200亿元,其中名优茶产值超过1700亿元,因名优茶原料以芽头、一芽一叶、一芽二叶初展为主,致使很多茶叶的生物产量没有被充分利用,茶鲜叶存在利用率低、弃采严重的问题,导致我国平均茶园单产830 kg/hm~2远低于土耳其的3314 kg/hm~2。茶叶采摘作业存在季节性劳动力紧缺、茶农平均年龄大、劳动强度大和采摘成本高等现状,其中采茶用工约占茶园管理总用工时间的50%以上,采茶成本与茶业生产的矛盾越来越突出。如何提高单位面积的产出效益和降低采摘成本成为我国茶业产业发展亟待解决的问题,机械化采摘是茶叶产业可持续发展的客观要求和必然趋势,更是推进中低档大宗茶提档升级、节本增效和规模生产的途径,但市场已有的茶叶采摘机械均为非选择性的刚性采摘方式,采用往复式运动切割茶树嫩梢,造成机采鲜叶的芽叶大小不一、参差不齐、老嫩不一等问题和存在单叶、碎叶、茎梗等非完整芽叶组分,导致机采鲜叶后续加工工艺各异,产品质量不稳定,经济效益得不到充分发挥。对机采鲜叶物料的分选方法和装备进行研究能有效提高单位面积产出和降低制茶成本,对我国茶叶产业发展具有重要现实意义。本文以机采鲜叶分选方法和装备设计为对象展开研究,提出气流分选-网带筛分组合式机采鲜叶分选方法,通过对机采鲜叶与气流之间两相流动数值计算方法、分选机构内部流场分析、机采鲜叶在网带机构透筛机理、试验评价等进行研究,揭示出机采鲜叶分选机理,研制出机采鲜叶分选装备原型样机。论文主要研究内容和研究成果如下:(1)提出气流分选-网带筛分组合式机采鲜叶分选方法。采用气流分选方法去除机采鲜叶物料中破碎叶、芽头、单叶等经济价值较低的鲜叶组分,采用网带筛分方法对经气流分选后经济价值较高的物料按几何形态进行分选。(2)发展一种基于浸没边界-格子玻尔兹曼法(Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Method,IB-LBM)的柔性片状物料两相流动数值计算方法。包括用于数值求解流体运动的LBM、离散状态柔性片状物料的建模及求解、求解流体-物料相互耦合作用的IBM、边界条件等,开发出计算机程序并验其准确性和有效性。(3)利用LBM方法揭示机采鲜叶水平气流分选机理。利用IB-LBM对机采鲜叶在水平气流分选装置的变形特性和运动轨迹进行数值计算,采用LBM和大涡模拟方法(Large Eddy Simulation,LES)对机采鲜叶水平气流分选装置单相流场特性进行数值分析。数值计算结果表明机采鲜叶横向运动距离与直径D呈负相关关系,与雷诺数Re呈正相关关系;利用最小二乘法拟合得到机采鲜叶无量纲变形参数(L/W和W/R)、直径D和雷诺数Re的函数关系式。研制出机采鲜叶气流分选样机并进行试验研究,试验结果表明气流分选方法对破碎叶、芽头、单叶等较小的机采鲜叶组分具有较好的分选效果,但集料器中一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶和一芽多叶组分出现混杂现象,分选效果不明显。(4)提出了柔性旋转链驱动网带式机采鲜叶分选方法(Chain-driven Mesh Belt Sorting Method for Machine-Plucked Fresh Leaves,简称CDMB或网带式机采鲜叶分选方法)。采用离散单元法对网带式分选方法中的物料运动特性、透筛分离过程及分选能效等展开研究,揭示机采鲜叶在网带式分选机构中的松散、分层和透筛机理。通过机采鲜叶网带式分选机构样机研制和试验研究,表明所提出的网带式分选方法能实现按鲜叶几何形态主导的分选作业,为网带式机采鲜叶分选装置研制提供理论基础和设计依据。(5)研制出网带式机采鲜叶分选装置原型样机。采用高速摄像技术对机采鲜叶的运动姿态和规律进行研究,采用PROFINET和MODBUS总线建立3层控制网络实现数据交换,设计了基于PLC的机采鲜叶分选装置控制系统,研制出网带式机采鲜叶分选装置原型样机。(6)对气流分选-网带筛分组合式机采鲜叶分选系统开展试验、性能评价、优化研究。首先采用机械采摘茶园夏秋茶机采鲜叶作为原料对CDMB分选装置进行试验研究,结果表明CDMB分选装置能从D级机采鲜叶原料中分选出A-级、B级、C级和E级品质的鲜叶原料,能实现按不同几何形态对机采鲜叶进行分选且分选效果与循环分选次数呈正相关关系。人工采摘茶园春茶机采鲜叶分选性能评价试验结果表明所研制的CDMB分选装置综合性能优于YJY-2型和6CXF-70型机采鲜叶分选机。利用响应曲面法对CDMB分选装置的工艺参数进行优化、仿真和试验验证研究,优选出最佳喂料速度和网带转速等参数组合。最后对气流分选-网带筛分组合式机采鲜叶分选系统进行试验研究,结果表明破碎叶、芽头、单叶等较轻物料组分主要被收集在No.Ⅵ集料器,No.Ⅰ、No.Ⅱ、No.Ⅲ、No.Ⅳ和No.Ⅴ集料器中破碎叶、单叶物料组分显著降低,品质等级提高。