（机械设计及理论专业论文）茶叶杀青理条机的运动仿真及振动研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 扁形茶是绿茶中的一个优良品种，在茶叶产品中有着重要的地位。随着社会对茶叶的 需求量逐年增大，茶叶种植、加工已形成一个巨大的产业。为了改善茶叶产业，提高其在 国际的竞争力，必须解决现有茶叶机械存在的问题。杀青是绿茶加工的第一道工序，其主 要目的是利用高温钝化鲜叶中酶的活性，使茶叶保持色泽绿翠、散发出青臭气、发挥香气。 理条是为将茶叶加工成条理的形状。杀青理条机是能同时完成杀青理条两道工序的重要茶 叶机械。 传统杀青理条机存在如下的问题：传统杀青理条机的工作过程需要在加工好茶叶后掀 开多槽锅，此时多槽锅底部的热量会大量流失，浪费能源，而茶叶不能实现连续加工，效 率低下；杀青理条机的多槽锅采用的是左右滑动的运动方式，由于多槽锅有一定的重量， 则会对机架造成较大的振动，大大影响了理条机的寿命；茶叶在多槽锅内被理成条，对于 不同型号的理条机理条效果不同，目前，关于茶叶理条机理的研究很少。 本文研究和提出了对杀青理条机减少振动的理论和方法：1 ) 传统曲柄增加配重的方 法。该方法是通过建立机构的运动学模型，根据所要平衡惯性力的程度，分析出配重在曲 柄上的位置和大小。2 ) 增设附加机构的方法。该方法是根据传统机器的结构空间，在原 有的机构上增设附加平衡惯性力的机构，并通过附加机构的运动学和动力学分析，得出该 机构的减振技术方案。3 ) 从机构创新的观点，提出了两种振动小、效率高、节省能源的 新型自动杀青理条机。即往复式自平衡杀青理条机的构思是将原先的锅体分成两个，两个 锅体产生的惯性力可相互抵消；转摇槽形锅体杀青理条机的构思是将原先的曲柄滑块传动 机构用振动小的曲柄摆杆传动机构代替。 根据生产的需要，对常用的几种类型多槽锅的锅形函数进行了研究，并在此基础上， 对锅内茶叶进行了受力和运动分析，建立了数学模型。基于m a t l a b 软件得出了茶叶相对 锅体运动的轨迹，并通过高速摄像仪对运动仿真轨迹加以验证。 在理论上提出了评判茶叶在锅内理条作用强度的标准，即茶叶沿锅壁的接触运动距离 越长，理条作用强度越大。通过正交试验研究，得到了u 形和斜形锅理条机的传动机构参 数的最佳组合。并在理论上对两种锅形理条机进行比较，得出丰凯u 形锅五槽理条机的理 条效率比民胜的斜形锅五槽理条机要高。 为了防止机架产生共振，本文使用u g 软件完成对杀青理条机的三维建模，再利用a n s y s 软件对建立的三维模型进行模态分析，得出机架产生共振的条件。 关键词：杀青理条机振动运动仿真理条效果 i 浙江理t 大学硕士学位论文 a t h l e t i cs i m u l a t i o na n dv i b r a t i o n a lr e s e a r c ho ft e a b a k e da n dc a r d i n gm a c h i n e a b s t r a c t f l a tt e aw h i c hh a sb e e nat h o u s a n dy e a r so fh i s t o r yi sag o o dg r e e nt e av a r i e t i e s ，a n di th a s a l li m p o r t a n tr o l e i nt e ap r o d u c t s w i t ht h ed e m a n df o rt e ai n c r e a s e de v e r yy e a rb yt h e c o m m u n i t y , t e ac u l t i v a t i o n , p r o c e s s i n gh a sb e c o m eah u g ei n d u s t r y i no r d e rt oi m p r o v et h et e a i n d u s t r yt oi m p r o v ei t si n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i v e n e s s ，w em u s ts o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft e a m a c h i n e r y b a k e di st h ef i r s tg r e e nt e ap r o c e s s i n gp r o c e d u r e s ，i t sm a i np u r p o s ei st ou s eh i g h t e m p e r a t u r ep a s s i v a t et h ee n z y m eo f 舭s hl e a v e s ，s ot h a tt h ep r o c e s s i n go fg r e e nl e a fc o l o rt o m a i n t a i ng r e e n , e m i t t i n gag r e e ns t e n c ha n df r a g r a n c e ，n l ec a r d i n gi sf o rt h et e aw i l lb e p r o c e s s e di n t ob a rs h a p e t e ab a k e da n dc a r d i n gm a c h i n e a tt h es a m et i m ei sa b l et oc o m p l e t et h e b a k e da n dc a r d i n gp r o c e s s ，a n di t st h ei m p o r t a n tp r o c e s so ft e am a c h i n e r y b a k e da n dc a r d i n gm a c h i n eh a st h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：t h em a c h i n et om a k et h ep r o c e s s w o r kb e t t e ri n t h ep r o c e s s i n go ft e a , t h en e e df o rm o r eo p e nh o l l o w w a r e ，a tt h i st i m eq u a n t i t yo f h e a ti s g r e a tl o s s ，s ot h ee f f i c i e n c yi sl o w , a n dt e ac a nn o tc o n t i n u o u sp r o c e s s i n g 1 1 1 e m u l t i - h o l l o w w a r ea d o p ts l i d ew a yo fm o v e m e n t , a st h eh o l l o w w a r ch a v eac e r t a i nw e i g h to nt h e r a c kw i l lh a v ea l a r g e rv i b r a t i o n , g r e a t l ya f f e c t e dt h el i f eo ft h em a c h i n e t e ac a r d i n gp r o c e s si s i nm u l t i - h o l l o w w a r e f o rd i f f e r e n tm o d e lo fm a c h i n et h ec a r d i n ge f f e c ti sd i f f e r e n t a tp r e s e n t , t h er e s e a r c ha b o u tt e ac a r d i n gm e c h a n i s mi sv e r yl i t t l e t or e d u c et h em a c h i n ev i b r a t i o n , t h ep a p e rb r i n gf o r w o r ds e v e r a lw a y s ：1 ) t r a d i t i o n a l m e a n so fc r a n kw e i g h ti n c r e a s e t l 舱m e t h o di st h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fi n s t i t u t i o n s k i n e m a t i c sm o d e l ，a n a l y z i n gt h el o c a t i o na n ds i z eo f w e i g h to nt h ec r a n ka c c o r d i n gt ot h ei n e r t i a l f o r c et ob a l a n c et h ed e g r e e 2 ) m e a n so fp l u s i n ga d d i t i o n a lo r g a n n l em e t h o di st os e tu p a d d i t i o n a li n s t i t u t i o n sb a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a lm a c h i n e r ys p a c e ，a n de d u c e d a m p i n gs c h e m et h r o u g ha d d i t i o n a lb o d yk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h ei n s t i t u t i o n 3 ) r e s e a r c hs m a l lv i b r a t i o na n dh i g he f f i c i e n c yo ft h eb a k e da n dc a r d i n gm a c h i n eb a s e do nt h e v i e w p o i n to fi n n o v a t i v ei n s t i t u t i o n s s e l f - b a l a n c eb a k e da n dc a r d i n gm a c h i n e sp r o p o s a li sm a k e h o l l o w w a r ed i v i d e di n t ot w ob o d i e s ，a n dt w oh o l l o w w a r e g e n e r a t e di n e r t i a lf o r c et oo f f s e te a c h i l 浙江理工大学硕士学位论文 o t h e r r o c k i n g - h o l l o w w a r e b a k e da n d c a r d i n gm a c h i n e s i d e ai st ot r a n s m i s s i o nw i t h s m a l l - v i b r a t i o ni np l a c eo f t h et r a n s m i s s i o nb e f o r e i na c c o r d a n c ew i t ht h en e e d so ft h ep r o d u c t i o n , t h i sa r t i c l er e s e a r c h e ds e v e r a lt y p e s c o m m o n l ym u l t i - h o l l o w w a r es h a p ef u n c t i o n , a n da n a l y z e dt h ef o r c e ，t r a j e c t o r yo ft e a , a n d e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h ep a p e ra l s oe l i c i t e dt h ea t h l e t i cs i m u l a t i o no ft e ab a s e d o nm a t l a b ，a n dv e r i f yt h ea t h l e t i cs i m u l a t i o nt h r o u g ho b s e r v et h em o v e m e n to ft e ab y l l i 曲- s p e e dc a m e r af i l m i n g i nt h e o r y , t h ep a p e rp u tf o r w a r dar a t i o n a l ef o re v a l u a t i o no ft e ai nt h eh o l l o w w a r eb et h e r o l eo fs t r e n g t hs t a n d a r d s t e ai nt h ec a m p a i g n , i ft h ec o n t a c t - d i s t a n c eb e t w e e nt e aa n d h o l l o w w a r ei sl o n g e r , t h eh o l l o w w a r e a c t i o no nt e ai sl o n g e r , a n dt h ec a r d i n ge f f e c ti sb e t t e r t h e p a p e rc o m p l e t e dau s h a p e dr a m pa n di n c l i n e d - s h a p e dm a c h i n e so r t h o g o n a le x p e r i m e n tf o r d i f f e r e n tt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r s ，a n de d u c e dt h eo p t i m a lt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r s t h ep a p e r c o m p a r e dt h et w oh o l l o w w a r es h a p em a c h i n e ，a n dd i s c o v e r e dt h ec a r d i n ge f f i c i e n c yo ff e n gk a i u - - s h a p e dm a c h i n ei sh i g h e rt h a nt h ec a r d i n ge f f i c i e n c yo fm i n gs h e n gi n c l i n e d - s h a p e d m a c h i n e i no r d e rt op r e v e n tr e s o n a n c e ，u gs o f t w a r eu s e di nt h i sa r t i c l e0 1 1t h ec o m p l e t i o no ft h e r a t i o n a l ef o rt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gf o rt h et e ab a k e da n dc a r d i n gm a c h i n e ，a n dm a k e t h em o d a la n a l y s i sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li nt h ea n s y ss o f t w a r e ， c o m et or e s o n a t ec o n d i t i o n k e y w o r d s ：b a k e da n dc a r d i n gm a c h i n e ；v i b r a t i o n ；m o v e m e n t ；s i m u l a t i o n ；e a r d 吨e f f e c t ； i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适应本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位敝作者繇擞歹 日期：飞7 年歹月17 日 指导教师签名： 日期：7 p * fg 了月 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第1 章绪论 全球软饮料销售额已超过1 9 2 0 亿美元，每年以7 的速度增长。软饮料市场以北美和 西欧最大，分别占到世界销售总额的3 8 和2 4 。从软饮料的品种来看，碳酸饮料仍占 主导地位，占世界总销售额的5 4 ，其次是果汁饮料和矿泉水，分别占1 8 5 和1 3 6 。 但近年来，软饮料市场结构发生了明显的变化，原来备受推崇的碳酸饮料逐渐“退烧， 而以茶饮料为代表的无糖饮品迅速崛起，成为新的饮料市场主力军f l 】。在国外，茶饮料是 2 0 世纪9 0 年代欧美国家发展最快的饮料。在国际上被称为“新生代饮料 ，被认为符合 现代人崇尚天然、绿色的消费追求。随着茶饮料的出现及市场的繁荣，中国茶产品将迎来 更加美好的前景。2 1 世纪饮料市场将是茶的世纪，茶饮料将成为“饮料之王 。 扁形茶( 龙井茶) 是绿茶中的一个优良品种，已有上千年的历史，在茶叶产品中有着 重要的地位。浙江省各个产茶县几乎都生产扁形茶叶，安徽、江西、贵州、广西、重庆、 四川、湖南、湖北、山东等省都已大力发展扁形茶的种植和加工献1 2 1 。扁形茶( 龙井茶) 外形扁平光滑、长短大小均匀、整齐、色泽翠绿调匀、香气高、鲜清幽、叶底成朵，色泽 明亮一致，它的加工是很复杂的。传统加工一直是手工炒制，掌握其炒制技术是一个漫长 的过程。素有“龙井茶好喝，茶难炒 的说法，不同的人炒制的茶叶质量千差万别，好坏 高低也参差不齐，千家万户种茶叶，千家万户搞加工，这是基本现状。 扁形茶叶的加工过程是一个复杂的过程，包括：杀青、理条、压扁成形、整形、干燥 等等，需要多个工艺步骤才能完成。在茶叶加工好后，为了进一步提高品质，有时还需进 行磨光、提香等加工。在几道工序中：摊青是前提，做青( 杀青、理条) 是基础，压扁做 形是关键，辉锅磨光、整形、提香是重点。 近年来，扁形茶加工机械生产厂家根据炒制过程的不同工艺生产出各类单机进入茶农 家，在加工茶叶中发挥了较大的作用，但由于各人炒制使用机器的水平不同，扁形茶叶加 工的质量水平仍存在着参差不齐、茶叶质量高低不一的普遍现象，制约着茶叶产业的健康 发展。 现有扁形茶叶加工机械存在的主要问题有： l 、茶叶加工工艺间的茶机独立研发，使性能各异，很难组成连续化生产线 扁形茶叶的加工过程是一个复杂的过程，包括：杀青、理条、压扁成形、整形、干燥 l 浙江理工大学硕士学位论文 等等，需要多个工艺步骤才能完成。在茶叶加工好后，为了进一步提高品质，有时还需进 行磨光、提香等加工。而这些加工程序有的简单，可以较容易的用机械完成，有的比较复 杂，需要根据茶叶的品质变化不断调整加工方法；有的加工过程可以使用输送带连续加工， 有的加工过程则不能连续加工，必须间断投料、间断取料：有的加工过程需要很长时间才 能加工好，而有的加工过程则需要较短加工时间，可以很快完成。扁形茶加工的这些特点， 使其加工很难全部直接用机械方法来完成，往往要靠工人凭经验与机械结合来完成【3 】。 实现茶叶加工全过程的连续化、清洁化、智能化，是茶叶加工技术发展的必然趋势， 是提高茶叶加工质量和品质的迫切要求 4 1 。而目前茶叶加工的现状，却严重阻碍了茶叶加 工朝这个方向的发展。比如，传统扁形茶制茶机基本上全部为锅式加热，然后用加压板模 仿手工制茶，将茶叶沿着锅壁边磨擦边将茶叶压成扁形。这种扁形茶制茶机的特点就是间 断投料、间断出料，不能很好的和其他制茶设备配合起来实现连续制茶。 2 、现有茶叶加工机械科技含量低 目前市场上的茶机产品大部分还是纯粹的机械产品，即使用电也仅仅是为了提供动 力。极少数较先进的茶机也只是实现了时间程序自动控制，没有在线检测茶叶加工状况并 能及时调整茶机加工状态的反馈自动控制系统。茶叶机械在加工茶叶的时候，必须由具有 经验的工人，根据茶叶加工状况随时调整茶机的加工温度、压力和加工时间等工作状态。 现有的茶叶加工机械，主要是为了减轻操作人员的体力劳动，不能根据茶叶的加工工艺要 求，实现茶叶全过程的自动加工。 3 、制茶技术和加工机械研究脱节，两者不能有机结合 目前，茶叶加工机械向智能化、连续化方向发展势在必行，茶叶加工过程主观性非常 强，机械制茶理论的发展，使得茶叶的加工质量，可以通过控制一些量化的参数进行调控， 如温度、速度、压力、颜色等同。从目前研究茶叶机械的情况来看，研究茶叶加工与制茶 原理之间的关系较少，单方面研究较多。所见到的研究成果不是介绍各种茶机的工作原理， 就是介绍制茶方面的理论，或茶叶内含成分分析。关于不同茶叶加工机械或相同茶叶加工 机械，在不同工作条件下，对茶叶品质及内含物影响方面的研究很少【6 1 。没有两者有机结 合理论方面的研究，就不能为设计先进的茶叶加工机械提供技术支撑，也很难从根本上提 高茶叶加工机械的制茶水平川。 4 、茶叶加工机械技术创新能力薄弱 2 浙江理工大学硕士学位论文 我国茶叶加工机械的发展，仅仅只有5 0 多年历史，而且一开始以引进为主。虽然用 于茶叶杀青、揉捻、干燥方面的机械产品发展较快，但扁形茶机械产品大部分都是模仿手 工制茶来设计，设计思想单一。尽管已经出现了十几种扁茶机，如旋转长板式龙井茶炒制 机、往复长板式龙井茶炒制机、压头式龙井茶炒制机等，但都没能突破模仿手工制茶的设 计思路，制茶效果很难满足名优茶对品质的要求嗍。茶机生产企业目前多为小型企业，它 们生产的产品具有很高的同质性、技术含量都很低、利润小，是低水平重复建设。并且由 于没有利润支持，很难有技术创新。不仅企业很少有茶机研究部门，国内也没有专门的茶 机研究机构，他们往往依附于其他科研机构，科研力量不强，人才缺乏，导致茶叶机械很 多都沿袭以前的技术，许多机械用了十几年都没有什么变化。这种落后的现状，必须彻底 改善，势在必行。 随着社会对茶叶的需求量逐年增大，茶叶种植、加工已形成一个巨大的产业。为了能 改善茶叶产业，提高其在国际竞争力，必须解决现有茶叶机械存在的问题。杀青是绿茶加 工的第一道工序，其主要目的是利用高温钝化鲜叶中酶的活性，使加工叶保持色泽绿翠、 散发出青臭气、发挥香气。理条是将茶叶加工成条理的形状，它是炒制扁形茶和针形茶的 茶叶成形的关键工艺【9 】。把理条机输出的条形茶经过压扁机的热压后就形成了扁形茶( 龙 井茶) ，而理条机输出的条形茶就是针形茶。杀青理条机是能同时完成对茶叶杀青理条两 道工序的重要加工机械。改善杀青理条机的性能、解决其存在的问题能更进一步推动茶叶 加工行业的前进。 1 2 国内外研究现状 茶叶原产于中国，后逐步传播于世界，当前世界上有5 0 多个国家种茶和产茶，1 6 0 多 个国家饮茶。它们的种茶和茶叶加工技术以及饮茶习俗，均系我国直接或间接传去。国外 先进国家发明了揉捻机和烘干机等茶叶加工机械，其茶叶的加工机械水平比较先进，特别 是日本。日本的茶叶机械制作所具有研发力量强、管理水平高、用材质量高等优点，还采 用引进其他机械行业先进技术的方法，推动茶叶机械的快速发展【1 0 1 。 2 0 世纪5 0 年代以来，尤其是进入8 0 年代以来，我国的茶叶加工技术快速向着机械化 方向发展，一开始以引进为主【1 1 1 。其中，用于茶叶杀青、揉捻、干燥方面的机械产品发展 较快。各茶类的制茶机械相继研制与开发成功，并逐步应用于生产。到目前为止，我国的 大宗茶已有9 0 实现了机械化加工( 多是单机生产) ，名优茶也有5 0 以上的加工实现了 3 浙江理工大学硕士学位论文 机械化( 多是单机生产) 。8 0 年代以来，随着国内经济的迅速发展和人民生活水平的不断 提高，我国名优茶获得快速发展。进入2 1 世纪，就全国而言，名优茶总产量已占全国茶 叶总产量的3 0 左右，而名优茶产值更占到全国茶叶总产值的7 0 以上【1 2 1 。在我国，由于 扁形茶加工工艺独特、工艺间的连接比较困难，其机械化水平远落后于其他种类的茶叶机 械。到目前为止，还没有一条扁形茶加工全自动化流水线。 扁形茶落后的单机加工使得我国扁形茶生产模式落后，制约着生产力的发展。与千家 万户的分散加工方式相比，相对集中的有一定规模的加工厂形式不仅有利于技术的发挥， 而且有利于扁形茶加工炒制质量水平的提高。此外，过于分散的茶叶加工使加工机器设备 难以发挥它的最大效率，利用率较低。并且，分散的设备对基础设施的需求、电力设施的 大投入等都是让地方政府很为难的问题，能耗的浪费也非常严重。由于扁形茶加工工艺独 特、工艺间的连接比较困难，其机械化水平远落后于其他种类的茶叶机械。到目前为止， 关于扁型茶机械的理论研究也比较少，其中包括： 2 0 0 2 年，倪德江、陈玉琼、李应生、王龙在机制扁形茶做形新工艺研究中介绍到， 做形温度和投叶量对扁形茶的品质都有影响，还探讨了6 c z z - 6 0 0 型针形名茶做形机可用 于扁形茶的制作，做形温度应控制在9 0 度左右，叶量以1 0 0 1 5 0 克槽为宜。 2 0 0 4 年，王虎琴、王哲明在6 c m d 一4 0 3 型茶叶理条机的改造和使用中，主要介绍 了6 c 如一4 0 3 型茶叶理条机的改造、工作原理操作及其维护。 2 0 0 7 年，谢昌瑜、吴卫国在电热管往返式茶叶理条机中，主要介绍了电热管往返 式茶叶理条机的机械结构、工作原理。 2 0 0 7 年，赵祖光在茶叶理条机、多用机的一种往复运动的新颖滑轨付机构中，主 要介绍了一种新颖的滑轨付即一圆一平滑轨，其针对的是采用双圆柱型滑轨所造成的缺 点。 1 3 传统杀青理条机存在的问题 传统的杀青理条机如图1 1 所示，其工作过程为：将待加工的茶叶倒入多槽锅内，开 通电源，多槽锅左右滑动，多槽锅底部放有加热炉，用于给多槽锅底部加热，茶叶在多槽 锅内与多槽锅锅壁发生相对运动被摩擦成条，且茶叶受热，茶叶内的水分就会被蒸发，茶 叶中酶的活性就会被钝化杀青，一段时间后，茶叶被理成条，此时关掉电源，通过多槽锅 上的手柄掀开多槽锅倒出已加工好的茶叶，然后放回多槽锅，再往里放待加工的茶叶再 加工，如此循环进行。在掀开多槽锅的时候，多槽锅底部的热量会大量流失，浪费能源， 4 斩 】：理+ 学硕f ：学位论文 而且茶叶4 i 能连续加l ：效率低下需要有工人看符，每次理成条的标准山工人自己判断 由于每个工人的判断小势必造成加工质量不一【l ”。 多横锅2 卜枘 酗1 1 传统苯青理条机 对多槽锅底进行加热一般采用的方式有以下两种：一是采_ i j 煤4 t 加嗽，通过给加热炉 晕通煤气，再点火。是采用电路板加热，电路板有很大的屯阻，通过给电路板通电就会 转变成很大的热量i4 i 。 杀青理条机巾多槽锅是由曲柄滑块机构传动的。电机先经带轮降速后，i i 由曲柄带轮 通过连杆带动多槽锅左右滑动。山于多槽锅的重量较重，所以产生较大的惯性力造成较 大的振动和噪音。给生产生活带来极大的不便，而且大大影响了杀青理条机的寿命。设计 传动机构参数时要先根据茶叶的工艺性，选择茶叶在多槽锅内合适的运动，再根据该运动 确定多 f 锅的滑动的振幅、频率菩因素从而可得到曲柄滑块机构的各参数。根据曲柄 的功率选择合适达到电机，再山曲柄的转速和选片j 电机的转速来确定中间降速的带轮。茶 叶在多槽锅内被理成条，对于不同型号的理条机理条效果有差异，而目前传动机构的参数 只根据工人的经验选择。 1 4 本课题研究的主要内容 本文的k 要内辑包括以下几个方面： 1 回顾了国内外礼：茶机方面的研究现状和发艘趋势，分析了传统理条机存在着机器振 动大、荣叶在理条机理方【面研究少等问题，在此基础卜引出本课题的研究内容。 2 为解决理条机的振动问题，在原有的机构上采用传统的加配霍的方法和加加附加机 5 浙江理工大学硕士学位论文 构的方法进行减振，完成数学模型的建立，得出具体的数据分析采用的方法是否可行。 3 针对传统杀青理条机的振动问题，创新设计了全新的振动小的杀青理条机，并对其 机构原理进行详细论述。 4 研究茶叶在锅内的运动，叙述了对u 形和斜形锅体曲线函数的求解，对茶叶在锅内 的受力、运动轨迹进行了分析，建立了数学模型，然后在基于m a t l a b 的基础上运行得出 茶叶的运动仿真轨迹，最后再通过高速摄像仪拍摄现实中茶叶在多槽锅内的真实运动情 况，对运动仿真轨迹加以验证。 5 说明茶叶在锅内的运动与理条效果的联系，使用m a t l a b 软件对u 形和斜形锅杀青 理条机的传动机构参数进行正交试验，得出最佳的传动机构参数，并对两种锅形理条机进 行比较。 6 对建模软件u g 作了简单的介绍，在u g 虚拟环境下对杀青理条机进行实体的建模和 装配，再对装配体进行动态仿真和干涉检测。 7 简单介绍a n s y s 软件，使用a n s y s 软件对杀青理条机进行了模态分析，得出机架产 生共振的条件。 1 5 本章小结 茶叶作为一种健康的饮品，社会对它的需求越来越大。本章先阐述了扁形茶机械的重 要性及现有机械的不足，然后简单介绍了传统杀青理条机的机构机理，进而得出杀青理条 机存在的振动大、茶叶理条的机理研究少等缺陷，从而得出本文要研究的主要内容。 6 浙江理工大学硕士学位论文 第2 章传统的往复式杀青理条机减振方法研究 茶叶杀青和理条是茶叶加工中不同的两道工序，一般要求杀青和理条工艺分开加工。 目前，出于对成本和效率的考虑，大多推行一机多用。往复式杀青理条机是广泛使用的一 机多用茶叶加工机械，其工作原理是由曲柄滑块机构带动多槽锅做往复移动，形成对槽锅 内茶叶的滚动、翻动和挤压的理条作用。但是，这种移动产生的惯性力给机器带来很大的 振动，严重影响到机器的寿命和操作工人的身体健康。为了减少振动，本章在对驱动多槽 锅运动的曲柄滑块机构动力学分析的基础上，从原有机构上增加配重和增设附加机构两方 面研究了减少振动的技术方案。 2 1 传动机构的运动学分析【1 6 j 根据图5 1 往复式杀青理条机的装配示意图，绘出其传动机构的原理图，如图2 1 所示。 多槽锅简化为滑块。 1 曲柄 2 连杆 3 多槽锅 图2 1 曲柄滑块机构 已知曲柄长度厶、连杆长度厶、偏心距儿、曲柄转速西、曲柄转角口、连杆转速、 连杆转角。 2 1 1 位移分析 建立机构的矢量方程为 砀+ 面：历2 一( 1 ) 将矢量方程2 一( 1 ) 转化可得 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 厶淄口 2 一( 2 ) 【儿= 厶s i n a 一 2 x a + c o s 2 一( 3 ) 【= y a + 厶s i n 8 由船( 3 ) 可得：s i i l = 半，一三 p 三，则 肛一t 孝蓑寿， 2 l是 2 万七 q 2 了呵 土 根据公式求得靠( f ) 上 根据公式求得( f ) 1 l 根据公式求得惯性力f o ) 上 将i 、k 自增1 上 i 绘以q 为横坐标， 南、靠分别为纵坐标的曲线图 l ，、 ( 结束 l 图2 4 惯性力曲线程序框图 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 可得到 勃：一亟三丛三丘盟 y 8 一y c 对式2 一( 2 0 ) 求导，得到 工。：吖。! 丝遨二垡 。 。( 比一) 一k ) 2 对式2 一( 2 0 ) 求二阶导，得到 x=一 d 0 , b - y c ) ( x c - x ) x ：一屹) 一2 ( x ：) z 】+ 2 ( x ：) ： 魄一y o ) ( x b 一j 。一。叫 _ 7 x c 一而 2 一( 2 1 ) 2 一( 2 2 ) 2 一( 2 3 ) 则整个机构的惯性力为多槽锅与平衡块产生的惯性力叠加，即 f = m 。f m m 2一(24)dx 2 b t d z l z 4 ， 根据以上力学模型，可用m a t l a b 编程求得在增设附加机构后自动杀青理条机的惯 性力1 2 3 1 。求解机构惯性力的程序框图如图2 4 。 1 平衡块产生的惯性力2 多槽锅产生的惯性力3 叠加后的惯性力 图2 5 平衡块2 0 k g 的惯性力曲线图 根据杭州丰凯实业机械公司研制的杀青理条机传动机构的参数和机架结构。附加机构 尺寸参数如下： x c = 5 2 、y c = 一8 、y o = 一5 0 。 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 在m d = 2 0 k g 时得出惯性力的曲线图如图2 5 。 由图2 5 可以看出：增设附加机构后的惯性力相比原来的小了很多，增设附加机构后 的函数幅值仅为原来对应幅值的鬻= 1 2 4 9 和鲁詈善= 1 2 5 。加不同重量的平衡块，1 5 7 4 21 8 3 6 6 惯性力的幅值相对原来的比值不同，列出如下表2 2 。 表2 2 平衡块质景与惯性力幅值相对原来的比值对应表 1 平衡块产生的惯性力2 多槽锅产生的惯性力 3 叠加后的惯性力 图2 6 平衡块3 0 k g 的惯性力曲线图 由表2 2 和图2 6 得知，在机构最后的惯性力幅值比方面，增 j 1 3 0 k g 的平衡块要比增 加2 0 姆的平衡块大，以至于运动机构出现与多槽锅的惯性力方向相反的惯性力，并产生增 加3 0 船的平衡块还不如增力n2 0 k g 平衡块有效的情况。 在2 0 k g 乘d3 0 k g 平衡块比较之后，再在2 0 3 0 堙之间挑选的不同质量的平衡块，比较 得到2 3 堙的平衡块中和后的总惯性力少，惯性力的曲线图如图2 7 。 1 5 浙江理工大学硕士学位论文 1 平衡块产生的惯性力2 多槽锅产生的惯性力3 叠加后的惯性力 图2 7 平衡块2 3 k g 的惯性力曲线图 由上可知，采用该附加机构的方法需要2 3 堙的平衡块对多槽锅的惯性力进行大部分平 衡，只有0 6 3 的惯性力未被平衡，其方法简单、不受机架等零件的空间限制。 2 3 本章小结 曲柄滑块机构带动多槽锅做往复移动，给机器带来很大的振动，影响工作环境和机器 零件的寿命。本章针对目前传统杀青理条机的结构，先对多槽锅进行运动学分析，再分别 阐述传统的杀青理条机的减振改进方案。 1 ) 在曲柄上直接增加配重的方法。根据理论分析，理条机要平衡3 5 的水平惯性力， 需增加4 2 蛔的配重，这种配重方法将在纵向产生幅值为3 5 的新惯性力，影响机器在垂直 方向上的机械动不平衡。由于目前机器本身的零、部件尺寸限制，所以在曲柄的反向延长 线距离0 点4 0 r a m 处的带轮上加4 2 堙的配重是非常难的。 2 ) 增加附加机构的方法。根据理论分析，该方法只需增设2 3 堙的平衡块，就可以平 衡机器的水平惯性力，且无纵向的新惯性力产生。而且增设平衡块的位置不受机架等零件 的空间限制，机器的造价不会提高多少，是一种较好的方法。 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 第3 章新型自平衡式自动杀青理条机的研究 传统的往复式杀青理条机的槽形锅体只有一组，其运动是由曲柄滑块机构带动。由于 锅体的重量大、运动的行程大，使得杀青理条机的往复运动惯性力大，且很难平衡，造成 较大的振动和噪音 2 4 1 。前一章通过对传统的往复式杀青理条机曲柄处增加配重和增设附加 机构两种方法减少机器的振动问题，但都是部分平衡，无法做到对惯性力的完全平衡。本 章将通过机构创新的方法，研究对惯性力完全平衡的自动杀青理条机。该新型的杀青理条 机的总体设计要求是：操作安全、振动小、有利于茶叶的连续化工业生产【2 5 】【2 6 1 。 3 1 往复式自平衡杀青理条机 在对传统的往复式杀青理条机的槽形锅体重量大，很难进行运动惯性力平衡研究的基 础上，根据槽形锅运动要求的特点，本文设计了一种往复式自平衡杀青理条机。 往复式自平衡杀青理条机的多槽锅体与传统杀青理条机的一样，其传动机构也是曲柄 滑块传动机构。由于曲柄滑块机构的运动特点，每个多槽锅在该机构带动下会产生较大的 惯性力。为了减少机器的振动，往复式自平衡杀青理条机的设计思路是：将杀青理条机的 多槽锅设计为左右两个槽形锅体，而且左右两个槽形锅体的槽锅数量和重量一样，在曲柄 滑块机构的带动下，形成水平移动方向刚好相反的加速度，以至左右两个槽形锅体产生的 惯性力能相互抵消掉。 3 1 - 1 往复式自平衡杀青理条机的工作原理 图3 1 是往复式自平衡杀青理条机的机构原理图，由图可知，在杀青理条机的机架上 安装了两个槽形锅体，槽形锅体是由若干个长槽形炒锅组合在一起，长槽形炒锅都固连在 左右锅体连接架上，形成左右两个锅体，长槽形炒锅的横截面是凹曲线形。两个锅体都安 装在机架上，锅体底部安装有轮子，通过轮子可以沿着机架滑动。工作时两个锅体在传动 机构带动下左右滑动，行程大小一样，但是，滑动方向相反，即左锅体沿机架向左运动时， 右锅体向右；左锅体沿机架向右运动时，右锅体向左。则两个锅体运动时产生的惯性力刚 好相反，所以能相互抵消。 左锅体连接架和右锅体连接架下面都安置着加热器，加热的方式与传统杀青理条机一 样，可以用电热板通电加热，也可以用煤气炉点火加热。 1 7 浙江理工大学硕士学位论文 _ 一- 1234 5 一 6 7 1 滑道2 左锅体3 左锅体连接架4 左锅体连杆5 右锅体连杆6 右锅体 7 右锅体连接架8 右曲柄9 左曲柄 图3 1 往复式自平衡杀青理条机的工作原理图 3 1 2 往复式自平衡杀青理条机的传动机构设计 为了保证机器的左、右两个槽形锅体在机架上做方向相反的运动。在传动机构方面， 两个槽锅共用一个曲柄轴，驱动曲柄转动的带轮安装在曲柄轴的中间，两个曲柄分别安装 在曲柄轴的两端，它们的运动互不干涉，且相位角相差1 8 0 。水平式自平衡往复式杀青 理条机的传动机构简图如图3 2 所示。 123 4 5678 1 滑道2 左锅体3 左锅体连接架4 左锅体连杆5 左曲柄6 带轮7 右锅体 8 右锅体连接架9 右锅体连杆1 0 右曲柄 图3 2 往复式自平衡杀青理条机传动机构图 1 8 浙江理工大学硕士学位论文 左锅体、左曲柄和左锅体连杆组成左曲柄滑块机构，右锅体、右曲柄和右锅体连杆组 成右曲柄滑块机构。 由于由同一个带轮驱动，所以左曲柄与右曲柄的转速相等，而现在左右曲柄滑块机构 的尺寸参数完全相同，则左右两个锅体的加速度在任意时刻刚好大小相同、方向相反，所 以在该传动机构带动下，理条机能通过自身的机构作用完全平衡掉惯性力，是一种无振动 的杀青理条机。 3 1 3 往复式自平衡杀青理条机的自动进出料方法的设计 传统杀青理条机的多槽锅是水平布置，茶叶的出料是通过多槽锅上的手柄掀开多槽锅 倒出已加工好的茶叶，以至在掀开多槽锅时，其底部大量的热量散失，造成很大的能源浪 费；同时，使得加工间断进行，工作效率比较低、掀开多槽锅的操作劳动量大、工作条件 恶劣。往复式自平衡杀青理条机为了能避免从多槽锅中倒出已加工好茶叶的掀开动作，锅 体沿其长度方向与水平面有一倾角。理条机工作时，茶叶不断从进料口a 处进入槽锅内， 槽锅在曲柄滑块机构的带动下在机架上做往复移动，则茶叶在锅体中滚翻运动的同时，产 生由进料口a 处向出料口b 处的运动，以实现机器的自动进出料作业。茶叶的运动过程如 图3 3 所示。 1 机架2 茶叶3 锅体4 锅体脚5 轮子6 连杆7 曲柄 图3 3 往复式自平衡杀青理条机内茶叶运动图 1 9 浙江理 二大学硕士学位论文 3 2 转摇槽形锅体杀青理条机 杀青理条机是把茶叶的杀青和理条工艺合为一起，在一台机器上同时完成。目前已有 该类的机器，根据杀青理条机锅体的形状和运动状态，分为转动的滚筒式和做往复移动的 多槽锅式。转动的滚筒式由于排湿不好，杀青理条后的茶叶颜色不好；往复移动的多槽 锅式由于槽形锅体的移动惯性力不易平衡，机器的振动和噪音较大，另外，槽形锅体做平 动，对茶叶的理条效果不是很好。转摇槽形锅体杀青理条机就是为了克服这些缺点而设计 的。 为了避免传统杀青理条机振动大的问题，转摇槽形锅体杀青理条机的设计思路为：吸 取传统的往复式和滚筒式杀青理条机结构简单、操作方便、价格便宜的优点，避开往复式 的振动大、不宜进行机器的动平衡，滚筒式排湿不好、传动机构复杂等缺点，设计一种新 型工作原理的杀青理条机。 3 2 1 转摇槽形锅体杀青理条机的工作原理 图3 4 是转摇槽形锅体杀青理条机的机构原理图，由图可知，在理条机的机架上安装 着左右数量相同的可绕其转轴摇摆的茶叶杀青理条槽形锅体，而且每个槽形锅体上有摆 臂，左边槽形锅体的摆臂与同一根左摆臂连杆连接在一起，左摆臂连杆与左