自动化理条（精选4篇）
自动化理条 篇1
1 前言
从整体上来说, 我国目前的茶叶加工技术还处于半手工、半机械化的水平, 尤其是在茶叶理条过程中, 虽然大多数茶农已经运用理条机进行加工操作, 但理条机的工作还离不开工人的操作, 仍需要大量的人力, 此外, 在人工操作中, 由于操作人员与茶叶频繁的进行接触, 从而导致茶叶容易被细菌污染, 降低了茶叶的品质。鉴于此, 结合我国茶叶理条的实际状况, 实现茶叶加工全生命周期的清洁化、自动化和智能化, 是当前茶叶加工制作所面临的重要问题, 也引起了所有茶人的广泛关注。当前, 茶叶理条作为茶叶加工过程中的关键环节, 理条工艺的优劣直接关系到茶叶的后续加工过程。本文通过对茶叶理条机组的自动化技术与设备进行分析, 并运用先进的三菱PLC控制技术来实现茶叶理条加工的机械化运作, 进而不断提高茶叶理条技工的自动化水平, 为茶叶实现自动化的生产奠定坚实的技术基础。
2茶叶机械制作的发展现状分析
2.1我国茶叶加工技术的发展现状
当前世界上大约有50多个国家进行茶叶种植和生产, 而有160多个国家保持着饮茶的习俗。据史料记载, 茶叶原产于中国, 并从我国向世界传播。[1]一般来说, 茶叶的加工过程就是将鲜叶中的水分进行逐步蒸发而形成干茶过程。茶叶的加工原料为鲜叶, 如果不能够及时进行加工处理, 其品质就会降低, 从而失去原有的应用价值。随着科学技术的发展, 我国的茶叶加工逐步朝着机械化的方向发展, 并相继研制成功了各种制茶设备。但与其他国家相比, 我国的茶叶加工标准还存在着不足之处, 还远远达不到清洁化、自动化的水准。食品工业的生产技术发展要经历机械化、初级自动化、自动化控制、数据化和无人化五个阶段, 有些国家的茶叶生产已经进入了第四阶段, 而我国的制茶企业大多数还处于第一阶段, 个别进入到了第二阶段, 所以需要改变传统的手工加机械单机作业的情况, 实现从鲜叶到干茶的全自动生产。[1]
2.2理条机在茶叶制造中的应用现状
现阶段, 茶叶的制作过程要经过杀青、揉捻、理条、做形以及干燥等多个环节, 其中, 理条工艺主要针对条形绿茶而言, 主要是为了达到塑性、失水和提香的目的, 因而是制作工艺中的重要环节。[3]经过多年的实践研究, 我国的茶叶理条机有了很大的进步, 但也存在着一些亟待解决的问题:一是传统理条机的能耗比较高、热效率也很低, 因而造成了大量的能源浪费;二是传统理条机存在着加热装置不合理的问题, 导致了茶叶加热温度之间不均匀, 进而使得茶叶的品质高低不同;三是在理条机运作过程中会产生大量的灰尘和噪音, 从而对操作人员以及使用人员的身体健康造成损害。鉴于此, 实现茶叶理条机的自动化生产对于促进茶叶加工行业的发展意义非常重大。[2]
3 基于PLC控制的茶叶自动化理条机组研究
理条过程是茶叶制作加工中必不可少的工序, 在茶叶的初制加工中占据着非常重要的地位。理条机的发明来源于安徽宣城的一个木匠, 主要是用来代替手工操作。一般来说, 在茶叶理条机运转过程中, 电动机带动着理条槽锅进行反复的直线运动, 进而使锅内的茶叶进行翻转、摩擦, 最终达到理直茶条的目的。而传统的茶叶理条机械结构非常单一、质量粗糙, 并不符合茶叶加工连续化和清洁化的要求, 因此, 提高茶叶理条加工的自动化水平非常重要。茶叶理条加工的自动化化水平决定着保证茶叶生产过程的清洁化程度, 也是名优茶加工的关键步骤。鉴于此, 本文对茶叶自动理条机的控制系统进行了研究, 从而达到了对理条各个工序进行控制的目的。
3.1总体方案设计
3.1.1设备组成
在整个茶叶理条机组中, 主要是运用提升机、振动输送槽以及上下工序将两台或两台以上的茶叶理条机进行相连而成, 其具体结构如图1所示。此外, 将茶叶料仓布置在茶叶理条机组的上方, 并设置行走轨道, 这样茶叶料仓便能够及时到达每台茶叶理条机组的下方进行下料工作。一般来说, 茶叶料仓的设计宽度应与理料机的宽度保持一致, 上设茶叶称量系统, 中间为均料系统, 下方布置挡料板, 当处于下料位置时, 便能够通过重力作用自动打开。与此同时, 利用PLC控制系统对整个理条机组进行协同联动控制, 并在每台理条机上设置独立的PLC控制程序, 从而在不受其他理条机影响的情况下进行独立操作。
3.1.2 控制系统的组成
控制系统主要以PLC控制技术作为控制中枢, 并包含传感采集系统、控制和界面系统、电气系统以及软件系统。在开启茶叶自动化理条机组之后, 茶叶上料, 这时, 料仓提升机将茶叶运输到料斗中, 并利用均匀器进行均匀散布, 等到茶叶原料的重量达到设定数值后, 提升机便停止供料工作。之后, 料仓再次进行移动, 到达需要投料的地方, 自动开启挡料板, 将其放置在理条机槽内进行理条过程, 并设定炒茶时间。待完成炒茶工作后, 在气缸的带动下, 理条机内的料槽进行翻动, 进而使茶叶倒入振动输送槽中, 将其运往下一道工序, 周而复始, 整个茶叶加工系统便完成了自动化联动过程。其具体过程如图2 所示。
3.2控制系统的软硬件设计
3.2.1硬件设计
依据自动化茶叶理条机组的控制要求, 本系统选择了三菱PLC控制技术, 其具有编程简单、运算速度高以及灵活的特点。此外, 为了完成茶叶理条工艺流程, 控制系统的硬件选用继电器、传感器、接近开关、变频器以及触摸屏作为手脚进行协同配合, 茶叶自动化理条机组系统因硬件组成图如下:
3.2.2 软件设计
根据茶叶自动化理条机组的应用原理, 在三菱PLC控制软件对茶叶定量、变频、温度以及触摸屏四个部分进行控制。首先, 在控制茶叶重量的过程中, 运用触摸屏来进行重量的参数设定。在这个过程中, 称量一定重量的茶叶, 并手动控制将其放入小车内, 之后运用PLC系统对重量进行读取并保存, 在小车向左和向右运动后, 重复上述动作。此后, PLC系统将小车运行中的实时重量与设定值进行比较, 如果实际值大于或等于设定值时, 系统便停止供料, 而这个时候得到的茶叶重量与设定值保持相同。其次, 在控制理条速度的过程中, 应采用变频控制方式来达到节约能源的目的。传统的理条设备大多采用固定频率, 这样使得茶叶的理条过程保持千篇一律, 并不能根据用户的实际需求进行调整, 也常常造成大量能源的浪费。鉴于此, 本系统设定多频率切换功能, 将注入茶叶、理条过程设定为多个频率, 从而便于用户进行自由选择。此外, 当不需要进行某个步骤的时候, 将其时间设置为0 秒, 这样电机便自动跳过, 节省了大量的能源。再者, 控制理条温度。一般来说, 在茶叶理条机械运动的最初, 要根据用户的茶叶种类选定合适的理条温度, 在触摸屏中进行输入, 一段时间后, 温度达到设定值, 便能够将反馈信号传输到PLC控制系统, 并在触摸屏中显示, 使用者便可以进行停止操作。之后, 当温度逐渐降低, 电加热管便启动加热模式, 确保理条温度保持设定值状态。最后, 在设计触摸屏的过程中, 根据实际用户的需求, 完成理条机自动和手动两种功能的显示, 这样用户就可以有效的控制整个机组的运行。此外, 无论是茶叶的重量参数设定, 还是理条温度、频率和时间控制, 都需要依据触摸屏界面进行显示, 实现人机对话, 便于操作人员进行直观监测, 也能够使普通的茶农进行机组控制。
4 结束语
基于PLC控制的茶叶自动化理条机组, 实现了对理条温度、频率以及重量等参数的设定和采集, 达到了理条设备自动运行的功能, 不断提高了茶叶理条设备的自动化水平, 方便了茶农的实际操作, 在促进茶叶加工的全过程自动化发展中发挥着重要的作用。此外, 为了进一步提高茶叶理条的效率, 改善茶农的经济效益, 降低理条机组对工作人员的劳动强度与健康影响, 还需要不断优化理条机组加工工艺和参数设置, 实现理条机组的全程自动化。
摘要：茶叶理条机是茶叶制作加工中的重要设备之一, 茶叶理条质量的好坏直接决定着茶叶加工之后的品质高低, 因此, 面对传统理条加工工艺的弊端, 应用自动化理条机具有非常重要的现实意义。本文从茶叶机械制作的发展现状入手, 利用三菱PLC控制技术对茶叶自动化理条机组的加工过程进行分析, 设计了机组的总体方案和控制系统的软硬件, 不断提高茶叶理条机的自动化水平, 进而便于用户操作, 减轻劳动人员的工作强度, 提高理条效率, 改善茶叶的品质。
关键词：茶叶,自动化理条,PLC控制,机组
参考文献
[1]任桂英, 唐兴隆.基于PLC控制的茶叶自动化理条机组研究[J].南方农业, 2014, 10 (16) :48-50.
[2]尹凌鹏.基于PLC的茶叶定量理条一体机自动化控制系统研制[J].装备制造技术, 2013, 12 (07) :121-123.
自动化理条 篇2
1 总体设计
1.1 设备方案
以2台以上茶叶理条机组成茶叶理条机组, 整个机组通过提升机、振动输送槽和上下工序相连并形成联动。机组上方布置为茶叶料仓及行走轨道, 料仓内包含茶叶称量系统、均料系统及下料挡板, 茶叶料仓可通过行走轨道移动到每台理条机上方下料 (如图1) 。整个机组通过PLC控制系统实现多机协同联动。每台理条机的工作步骤都分由各自的PLC程序独立操控, 不受其他理条机操控程序的影响。
1.2 控制系统方案
控制系统主要由传感采集系统、电气系统、控制和界面系统、软件系统组成。控制系统采用PLC作为控制中枢, 电子称、接近开关、温度感应器为信号采集装置, 提升机电机、料车行走电机、匀料电机、槽体摆动电机、等作为执行机构;以质量、温度、时间控制输出信息。其硬件框图如图2所示。
2 运行方案
整个自动理条机运行及控制过程如下:开启系统, 茶叶上料, 料仓提升机将茶叶原料输送到料斗中部, 同时匀料器将茶叶原料在理条机宽度方向上均匀分布, 待料斗中茶叶原料达到设定重量后, 提升机停止供料。同时, 料仓移动到需投料的理条机上方, 挡料板自动开启, 将茶叶原料投放到理条机槽内。当理条机炒茶达到设定时间后, 气缸带动理条机料槽翻动, 将茶叶倒入振动输送槽, 振动输送槽将茶叶输送到下一工序。每台理条机都重复上面的工序, 从而达到整个系统的联动。
3 机械执行机构设计
3.1 茶叶料仓
设计茶叶料仓宽度与理条机料槽宽度一致, 上部为接料斗, 中间为匀料器, 下部为容料仓机下料挡板, 下料挡板通过设在下部的称重传感器称重。茶叶料仓通过在横竖2个轨道上移动实现在不同位置理条机上下料, 下料挡板在下料位置通过重力自动打开。料仓系统动力由3台永磁同步电机提供。
3.2 理条机料槽翻转机构
理条机料槽两端安装2台微型气缸, 微型气缸压缩空气由1台空压机提供, 电磁阀控制气缸压缩空气, 气压推动气缸活塞进出实现理条机料槽翻转和复位的动作。
4 控制过程软硬件设计
4.1 软件设计
欧姆龙PLC的程序软件部分分由4个方面综合控制:茶叶定量控制通过重量参数的设定来实现, 理条摆动速度控制通过变频器实现, 理条温度通过温度控制器设定, 触摸屏实现所有参数的输入、显示和控制。
4.1.1 重量控制
重量设定参数通过触摸屏实现, 通过上海永恒电测仪器厂CZL-A型称重传感器进行模拟量采集电压信号, 通过放大器将电压信号放大, 再将信号输入PLC。
首先称重一定重量的茶叶, 通过手动控制将茶叶上入小车中, 根据PLC读出的数据作为设定值保存。小车向左和向右两侧各进行一次上述动作。然后在自动运行时, 小车中的实时重量会通过PLC读取的实际值与设定值比较, 当实际值大于等于设定值时, 系统自动停止上料。这时小车中茶叶的重量就是设定的重量。
4.1.2 变频控制
随着能源紧缺时代的到来, 设计任何机械都应当将节约能量放在重点位置来考虑。本设计设定理条过程为多频率切换功能, 初步设定为7个频率。传统理条机设备中所使用的理条机为固定频率, 由变频器设定。此设计中, 倒出茶叶过程和理条过程设定为7个不同工作频率。用户可以根据茶叶的具体情况和实际工艺需要自由选择。触摸屏中开放了7个频率的工作时间, 如果将某个时间设定为0秒, 电机就自动跳过这个频率, 由此可以节省工作过程中的能量浪费。
4.1.3 温度控制
系统运行之初, 设定理条机正常工作温度。该理条温度由使用者根据具体茶叶选定, 由触摸屏输入, 设定后需一定时间通过电热管加热, 加热到所需温度后, 将反馈信号发送给PLC, 并在触摸屏中实时显示, 从而停止加热。当温度低于设定值后, 电加热管又开始加热, 确保理条温度保持动态平衡。
4.1.4 触摸屏设计
茶叶重量、理条温度、理条频率和理条时间参数等, 皆采用触摸屏参数设定界面, 该人机对话界面直观简单, 操作方便, 对普通茶农或使用者能够起到“即看即用”的效果。
本研究设计的理条机拥有自动和手动2种功能, 由用户根据需要选择使用。自动和手动功能的操作都在触摸屏上实现, 作为输入信号进入PLC, 从而控制整个机组的合理运行。
4.2 硬件设计
根据系统控制要求, 系统选用了欧姆龙系列CP1E型PLC作为系统的大脑。继电器、变频器、传感器、接近开关、电机和触摸屏作为手脚, 协同合作, 完成茶叶理条工艺要求 (图2) 。
5 总结
本研究通过PLC设计了茶叶理条机自动化控制系统, 实现对频率、温度、重量、时间等参数的信息采集和信号处理。这一控制系统实现多台茶叶理条机组的自动控制, 自动化程度相当高。同时通过人机界面, 方便了用户对参数的设定和对机组的操作。本研究为减轻茶叶理条劳动强度, 提高生产率及茶叶的品质提供了支撑。
摘要：理条是茶叶加工的重要环节, 使用传统的理条设备劳动强度大、效率低。本研究使用欧姆龙PLC和工业控制元件组成自动控制系统, 对温度、频率、重量、时间等参数进行开放型设计, 对茶叶理条过程进行自动化设计, 便于用户简单操作。同时使茶叶理条的自动化程度得到提高, 减轻了劳动强度, 提高了生产率, 也提高了茶叶的品质。
自动化理条 篇3
理条是条形绿茶做形工序,可实现茶叶的塑形、失水、显毫和提香,是各种绿茶生产过程中的关键工序[1]。目前,常用的茶叶理条机械为振动理条机。现在市场上的振动理条机存在故障率高、理条效率低以及理条不稳定等问题,严重影响茶叶振动理条机的发展。
目前,国内外学者针对茶叶理条机传动机构和茶叶在锅槽内的理条运动分析研究较少,但是这方面的研究对优化理条机理条效果非常重要,因为茶叶的运动是由锅槽运动引起的,茶叶在锅槽内被理成条,是受到了锅体对茶叶的多种作用力,锅槽的运动状况和形状尺寸对茶叶的理条运动具有非常大的影响[2]。Wang和Mason[3]利用图形化方法分析了含摩擦作用的平面刚体的碰撞问题。赵华勇[4]通过对多锅槽进行运动学分析,提出了两条针对理条机传动机构减少振动的改进方案;李革等[5]通过茶叶在锅内的受力和运动学分析,建立了茶叶沿锅内壁运动的数学模型,并根据得到的数学模型进行Matlab仿真,得出茶叶运动仿真曲线,并且利用现代高速摄影技术对茶叶运动进行分析,进一步验证茶叶运动仿真的正确性。但是目前的研究基本上未通过茶叶理条动力学分析来优化茶叶理条机参数。
笔者主要研究通过分析茶叶颗粒在理条机锅槽内的运动和受力情况,建立茶叶颗粒在锅槽内的运动和受力模型,利用动力学分析软件ADAMS对茶叶颗粒在锅槽内的运动进行模拟仿真分析,对传动机构参数和锅槽形状参数进行优化和匹配。
1 模型构建简化
茶叶理条机由多槽锅、传动机构、电机和机架等构成,理条机本体结构如图1所示。
1—多槽锅;2—锅上架;3—加热炉;4—滑道;5—托槽架;6—盖板;7—脚;8—机架;9—电机;10—带轮减速机构;11—连杆;12—曲柄
其主体多槽锅在传动机构曲柄连杆机构的带动下做左、右往复运动。茶叶颗粒在锅槽内的运动主要分为3部分:①茶叶颗粒在摩擦力、自身的重力、支持力以及科氏力的作用下沿着锅槽内壁滚动;②当茶叶颗粒达到一定高度时离开锅内壁作抛洒运动;③茶叶颗粒落到锅内壁时的碰撞运动。在理条过程中,茶叶颗粒在锅槽内壁运动时受到摩擦、挤压、滚动的作用以及茶叶颗粒与锅内壁碰撞时产生的切向挤压使茶叶颗粒逐渐变成条状。
由于茶叶滚动是影响茶叶理条效果的重要参考,不能忽略茶叶颗粒的滚动,茶叶颗粒既有绕轴的转动,也有动点相对动参考系的相对运动,所以不能忽略茶叶颗粒的科氏力。
由于茶叶的轴向长度比茶叶的径向长度要长,把茶叶颗粒简化为球形颗粒不合适,不符合茶叶颗粒的实际情况,本研究中将茶叶颗粒简化为圆柱形颗粒;茶叶颗粒在锅槽内沿着锅槽内壁运动,假设在理条机锅槽的轴向方向没有运动趋势,则茶叶颗粒每个横截面圆的运动和受力情况基本相同,因此在分析茶叶颗粒在锅槽内的运动和受力情况时,茶叶颗粒可以按二维圆构建模型。
1.1 茶叶颗粒沿着锅内壁运动模型构建
设定地面为绝对坐标系,以单个茶叶为研究对象,茶叶颗粒沿着锅内壁上运动的动力学分析如图2所示。
XOY坐标系—相对坐标系,固定于锅槽上;AC—锅槽曲线;B点—茶叶颗粒质心现所在点;D—茶叶颗粒的直径;G—茶叶颗粒的重力;FN—锅内壁的支持力;Ff—茶叶颗粒与锅内壁的摩擦力;μ—锅槽对茶叶颗粒的摩擦系数;Ve—锅槽运动的速度;Vr—茶叶沿锅槽内壁运动的相对平动速度;Fc1—茶叶颗粒由Vr引起的科氏力;Fc2—茶叶颗粒由Ve引起的科氏力;n—锅槽内壁的法向量;t—锅槽内壁的切向量;ana—茶叶绝对加速度沿锅槽内壁的法向分量;ata—茶叶绝对加速度沿锅槽内壁的切向向量;anr—茶叶相对锅槽运动的加速度法向分量;atr—茶叶相对锅槽运动的加速度切向向量;ae—理条机锅槽运动的加速度;φ—锅槽运动的加速度ae与法向量n的夹角;β—重力G与法向量n的夹角;γ—锅槽运动的加速度与切向量t的夹角;θ—重力G与切向量t的夹角;ω—茶叶颗粒的角速度;α—茶叶颗粒的角加速度
通过分析茶叶颗粒受到的摩擦力和支持力情况,得出茶叶绝对加速度沿锅槽内壁的切向向量aat为:
根据图2中的关系,得出理条机锅槽加速度的切向向量aet为:
根据点加速度求和公式:
结合式(1~3),可以得出茶叶相对加速度沿锅槽内壁的切向向量art。茶叶沿锅内壁运动的相对加速度在以锅体为动坐标系的分量为:
式中:vrx,vry—向量vr分别在x、y轴上的分量。
由此可以得到茶叶颗粒的相对速度在以锅槽为坐标系上的分量之间的关系式为:
茶叶颗粒的质心在固定于锅槽上的相对坐标系上的运动轨迹为:
由于茶叶颗粒被假设为圆柱体,对于圆柱体,当回转轴是圆柱体的轴线时,茶叶颗粒的转动惯量I为:
根据定轴转动的刚体动力学公式,角加速度与合外力矩的关系为:
根据图2所示,可以得到茶叶颗粒受到的合外力矩为:
联系式(7~9),可以得到茶叶颗粒的角加速度。
由此可以求得茶叶颗粒滚动的角加速度、角速度和角位移的关系:
式中:ωB',θB'—下一时刻茶叶颗粒的角速度和角位移。
1.2 茶叶颗粒离开锅槽作抛洒运动的模型构建
在忽略空气阻力的情况下,茶叶颗粒在作抛洒运动时并没有任何外力矩作用,因此茶叶颗粒没有角加速度,茶叶颗粒的角速度保持不变,讨论茶叶在空中运动时,只需要研究茶叶颗粒的相对平移运动即可。
地面为绝对坐标系,以单个茶叶为研究对象,茶叶颗粒在空中运动的动力学分析图如图3所示。
G—茶叶颗粒的重力;V—茶叶颗粒质心的速度;ω—茶叶颗粒的角速度;ax—茶叶颗粒质心X方向的加速度;ay—茶叶颗粒质心Y方向的加速度;α—茶叶颗粒质心速度方向与X轴的夹角。
通过分析图3,可以求得茶叶颗粒在x、y方向的加速度:
由此可以得到茶叶颗粒在空中运动时,加速度、速度和位移的关系:
式中:Vx',Vy'—下一刻速度向量V'在X,Y轴上的分量。
式中:x,y—茶叶颗粒质心的此时坐标在X,Y轴上的分量;x',y'—茶叶颗粒质心下一时刻坐标在X,Y轴上的分量。
通过上述计算,可以得到茶叶颗粒在空中的运动轨迹,再与锅槽的运动轨迹相联系,当某一时刻锅槽某点的坐标等于茶叶颗粒上某点的坐标时,可以认为茶叶颗粒落在锅槽上,茶叶颗粒在空中运动过程结束。
由于茶叶颗粒与锅内壁碰撞时存在摩擦力作用,茶叶颗粒与锅内壁的碰撞模型选取有摩擦力的刚体2D碰撞模型。
2 模拟参数设置及求解
在理条过程仿真模拟中,本研究通过Pro-e建立包含所有特征的锅槽三维模型,将其导入到ADAMS中,并且设置锅槽材料的密度为2 740 kg/m3,杨氏模量为72 000 m Pa,泊松比为0.33。在ADAMS中建立符合茶叶颗粒尺寸的圆柱模型,所设置的茶叶模型本构参数如表1所示。[6,7,8]
本研究将茶叶颗粒模型移动到合适位置放置;对锅槽模型设置移动副和方向,并且添加上符合传动结构运动参数的驱动函数;创建茶叶颗粒模型和锅槽模型之间接触力,设置摩擦相关参数;进行仿真设置,设置仿真时间和步数。
3 试验和结果分析
根据实际使用经验,在理条过程中,茶叶颗粒在锅槽内的运动状态和锅槽的振幅、振动频率、传动形式、锅槽挡板角度以及锅槽下半圆直径等参数有关。故本研究设置正交试验的因子为锅槽的振幅、振动频率和锅槽挡板角度。
在理条过程数值模拟中,传动形式为传统的曲柄连杆传动机构,锅槽下半圆直径为100 mm。同时为了研究锅槽挡板角度对理条效果的影响,本研究设计了高度相同,锅槽挡板与X轴正方向夹角为90°、80°以及70°的锅槽形状。
正交试验的理条机结构和运动参数因子和水平如表2所示。
理条过程仿真模拟的正交试验结果如表3所示。
∑WFf—单位周期内摩擦力对茶叶颗粒做功总和;P—在以锅槽为动坐标系的情况下,以锅槽下半圆的圆心位置为原点,茶叶颗粒落入锅槽时的坐标;β—茶叶颗粒单位周期内沿锅槽内壁运动的时间比率
茶叶颗粒理条过程中,只有处于茶叶颗粒沿着锅槽内壁滚动阶段,茶叶颗粒才会受到锅内壁对它的摩擦力做功,在仿真中,当茶叶颗粒沿着锅槽内壁滚动,每个时步都会产生摩擦力做功,其值为:
式中:WFfn—第n个时步时的摩擦力做功,Ffn—第n个时步时的摩擦力,Δs—第n个时步时茶叶颗粒的位移。则一个周期内的摩擦力对茶叶颗粒做功总和∑WFf为:
式中:n—单位周期内茶叶颗粒沿着锅槽内壁滚动的时步总数。
∑WFf越大,茶叶颗粒能获得较高的正向旋转速度,这有利于茶叶搓的更为紧实,有利于茶叶理条质量的提高。
当茶叶颗粒落点位置在锅槽圆周上时,茶叶会反向滚动,不利于茶叶理条成形,而当茶叶颗粒落点位置在锅槽挡板上时,茶叶颗粒由于与挡板碰撞角度较大,会发生较大距离的弹射,大大减少茶叶颗粒在锅槽内壁运动的时间,对茶叶理条效率有较大的影响,因此茶叶颗粒的优秀落点位置在锅槽挡板和锅槽圆周的结合处附近的位置,既不会产生较大距离的反向滚动,也不会发生较大距离的弹射。
茶叶颗粒单位周期内在锅槽内壁上运动时间越长,说明茶叶颗粒理条成形的时间越长,有利于提高理条质量和效率。β的表达式为:
式中:T—茶叶颗粒理条过程单位周期时间,tg—单位周期内茶叶颗粒沿着锅槽内壁滚动的时间。
通过仿真试验可以发现,当锅槽振动频率为2.5 Hz、锅槽振幅为50 mm时,茶叶颗粒不会离开锅槽内壁作抛洒运动,其运动状态为沿锅内壁来回滚动,不利于茶叶理条成形,因此本研究在分析上述正交试验数据时不考虑第一组、第七组以及第十三组试验组合。
通过对仿真试验结果进行极差分析,得到3个因素对单位周期内摩擦力做功总和∑WFf的影响程度依次为:锅槽振动频率>锅槽振幅>锅槽挡板角度;3个因素对茶叶颗粒单位周期内沿锅内壁运动的时间比率β的影响程度依次为:锅槽挡板角度>锅槽振动频率>锅槽振幅。
3.1 锅槽挡板角度对理条效果的影响
通过极差分析可以发现,锅槽挡板角度对茶叶颗粒单位周期内沿锅内壁运动的时间比率β影响显著。锅槽挡板与X轴正方向夹角与β的关系如图4所示。
观察图4,可以发现锅槽挡板与X轴正方向夹角为90°时,单位周期内茶叶颗粒沿着锅槽内壁运动的比率明显大于其他角度,5种有效锅槽振幅和振动频率组合下的平均值为66.32%。这是由于当锅槽挡板与X轴正方向夹角为90°时,茶叶颗粒离开锅槽内壁作抛洒运动的运动距离较近,茶叶颗粒空中运动时间较短。
分析图4,可以发现锅槽挡板角度对单位周期内摩擦力做功和茶叶颗粒落点的影响需分为两种情况讨论:①当锅槽运动处于高速组合,即B3C2试验组合时,锅槽挡板角度的改变对单位周期内摩擦力做功和茶叶颗粒落点影响较大,这是由于锅槽高速运动时,茶叶颗粒受到摩擦力较大,会产生较大的旋转速度,在锅槽挡板上运动一段时间后离开锅槽,锅槽挡板的角度直接决定了茶叶颗粒空中运动的初速度大小和方向;②当锅槽运动处于中、低速组合,即其他四组锅槽振动频率和振幅组合时,锅槽挡板的改变对单位周期内摩擦力做功和茶叶颗粒落点的影响不大,这是由于锅槽运动速度不大时,茶叶颗粒的旋转速度也较小,茶叶颗粒未到达锅槽挡板就会离开锅槽,且茶叶颗粒落入锅槽的位置普遍在锅槽半圆部分,锅槽挡板的角度并不直接影响茶叶颗粒运动状态。
3.2 锅槽振幅和振动频率对理条效果的影响
在理条机传动机构不变的前提下,锅槽的振幅和振动频率决定了锅槽所有的运动属性,锅槽振幅和振动频率越大,锅槽的左右往复运动速度越快。通过极差分析可以发现锅槽振动频率和振幅组合(因子B和C)对单位周期内摩擦力对茶叶颗粒做功总和∑WFf影响显著。当处于最高速组合时,即B3C2组合时,∑WFf可以达到最高值。以锅槽挡板与X正向夹角为90°的情况为例,锅槽的振幅和振动频率对∑WFf的影响如图5所示。
同时分析锅槽运动情况可以得到锅槽振幅和振动频率组合与锅槽最大速度关系图,如图6所示。
为了验证锅槽运动速度和∑WFf是否存在线性关系,使用origin软件对锅槽运动的最大速度和∑WFf进行线性拟合,得到拟合曲线如图7所示。
从origin软件中得到拟合直线方程为:
拟合度检验是对已制作好的预测模型进行检验,比较它们的预测结果与实际发生情况的吻合程度。拟合度R2越接近1,拟合度越高,该拟合直线的拟合度R2为0.973 1,线性拟合程度显著,由此证明了锅槽最大运动速度与∑WFf之间有很强的线性关系的猜测。
讨论锅槽振幅和振动频率对理条效果的影响时还要考虑到茶叶颗粒落入锅槽的坐标位置P,当处于最高速组合时,即B3C2组合时,∑WFf可以达到最高值,但是在B3C2组合时,坐标P都是位于锅槽挡板的较高位置,有弹出锅槽的可能性,即使不弹出锅槽,也会因为入射角度较大,产生较大距离的弹射,破坏茶叶颗粒在锅槽上的运动循环,不利于理条。这是由于处于最高速组合时,茶叶颗粒在离开锅内壁作抛洒运动时具备了较高的速度,且离开位置较高,没有足够的时间使茶叶颗粒的位置降低落在理想落点附近。通过表3可以发现采用B3C1和B2C2的传动机构运动参数组合时,∑WFf和P都有较好的数据表现。
∑WFf不能由单一的锅槽振幅参数或者锅槽振动频率参数决定,因此在评价理条效果时引入新变量锅槽最大运动速度vmax。
锅槽的最大运动速度由锅槽振幅和振动频率共同决定,其值为:
锅槽的最大运动速度越大,单位周期内摩擦力对茶叶颗粒做功总和∑WFf越大,结合前文分析,锅槽的最大运动速度范围在1.2 m/s~1.4 m/s之间,茶叶颗粒的理条效果较好。
3.3 试验结果
基于上述分析,本研究在传动机构为曲柄连杆机构的情况下,采用锅槽振幅70 mm,锅槽振动频率3 Hz,锅槽挡板与X轴正方向夹角90°的仿真试验组合时,得到最好的理条效果。在该组合下,理条参数如表4所示。
最优化组合的茶叶颗粒运动轨迹图如图8所示。
4 结束语
通过对单个茶叶颗粒在理条机锅槽上的运动进行理论分析和仿真试验,可以得出如下结论:
(1)茶叶理条机锅槽振幅和频率共同影响茶叶颗粒的速度和茶叶颗粒落入锅内壁的落点位置,锅槽振幅和频率越大,茶叶颗粒速度越大,落点位置越高。理条机在理条茶叶时,存在锅槽振幅和振动频率的最佳组合,在本研究的仿真情况下,最佳组合为锅槽振幅70 mm,锅槽振动频率3 Hz。
(2)采用曲柄连杆机构的理条机,在本研究的仿真情况下,锅槽最大运动速度在1.2 m/s~1.4 m/s之间,茶叶颗粒的理条效果较好。
(3)锅槽挡板角度会对运动速度比较快的茶叶颗粒运动产生较大影响,挡板与X轴正方向夹角为90°时理条效果最好。
实际的理条机在理条过程中是对茶叶颗粒群进行理条,茶叶颗粒之间具有碰撞和摩擦等作用,比单颗粒的茶叶理条更为复杂,可以进行更深层次的研究,使仿真模拟更加接近于现实。
参考文献
[1]王纯贤,魏硕硕,朱衍飞,等.基于ADAMS的往复式茶叶自动理条机参数优化设计[J].江苏农业科学,2015,43(12):450-453.
[2]权启爱.新技术在茶叶加工中的应用[J].中国茶叶,2002,24(2):16-18.
[3]WANG Y,MATTHEW T M.Two-dimensional rigid-body collisions with friction[J].Transactions of ASME Journal of Applied Mechanics.1992,59(3):635-642.
[4]赵华勇.茶叶杀青理条机的运动仿真及振动研究[D].杭州:浙江理工大学机械与自动控制学院,2009.
[5]赵华勇,李革,苏和生,等.U型多槽锅式茶叶理条机传动机构的参数确定[J].农机化研究,2009,31(10):22-24.
[6]金心怡.茶叶加工工程[M].2版.北京:中国农业出版社,2014.
[7]何磊,张宪,赵章风,等.基于PFC3D的茶叶杀青过程数值模拟和设备参数分析[J].茶叶,2013,39(1):17-23.
自动化理条 篇4
茶叶作为世界3大无酒精饮料之一, 越来越多地被世人饮用。茶叶外形是判断其品质的一项重要因子, 茶叶的好坏从外形上可以进行初步直观判定。机械制茶工艺中的做形工艺对茶叶品质有着非常重要的影响。条形茶、扁形茶是绿茶中的优良品种, 在茶叶产品中有着重要的地位; 而理条是其加工工序中的重要一步, 所以对现有理条机存在的问题加以解决是至关重要的[1 - 2]。
理条机是一种将揉捻叶或者鲜叶加工成针形或者扁形外形茶叶的机器, 它具有操作方便、工艺简单、理条效果好等优点。但是, 传统机器的槽锅运动是通过电动机带动曲柄滑块机构完成的, 工作过程中振动大、噪音高。另外, 其采用传统的通过加热介质来加热茶叶的加热方式, 热能耗太大、热损失很高, 热量的有效利用率极低。为此, 提出了应用空气作为能源, 气缸作为传动, 远红外加热技术作为热源的新型理条机的想法[1 - 3]。
为此, 在充分研究当前理条机存在问题的基础上, 设计了一种新型的理条机, 即节能型气动上加热理条机, 取得了丰硕的研究成果。
1整机结构、工作原理及主要技术参数
1. 1整机结构及工作原理
节能型气动上加热理条机由机架、槽锅及其支撑架、动力装置、加热装置、控制装置、气源装置、机罩等部分组成, 其结构示意简图如图1所示。
1.槽锅2.槽锅支撑架3.直线导轨4.标准气缸5.理条机机架6.上加热装置机架7.远红外辐射元件
该设备同其它理条机的工作方式相类似, 但也有自己独特的特点: 茶叶由人工均匀地加入到每一个锅槽内, 由于理条机做快速往复运动, 使茶叶与锅槽发生猛烈地碰撞, 当茶叶受到锅壁碰撞后, 就按自身惯性运动规律运动, 直到再次发生碰撞。由于每片茶叶的存在状态都不尽相同, 锅在往复振动中不断与茶叶发生碰撞, 使全部茶叶在锅内不停地往复碰撞。半圆形的锅面使茶叶产生向上抛力, 茶叶在上抛下落过程中, 又沿锅面滑动、翻转。理条过程中, 为了加大挤压力, 往往向槽锅内放入加压棒, 与茶叶一起理条。加压棒一般是为外包干净布料的木棒, 有地方也采用空心的轻质密封不锈钢管 ( 笔者认为此法噪声太大, 且较易碰碎茶叶, 不可取) 。茶叶的往复碰撞、翻转, 沿锅面滑动产生摩擦; 茶叶相互之间的挤压、摩擦; 加压棒对茶叶的挤压、摩擦; 上加热元件的热辐射等, 在以上因素共同作用下茶叶干燥、成条, 从而达到做形失水的目的, 此时茶叶香气凸显, 特征品质逐渐形成。
在整个理条过程中, 温度感应探头把实时的温度数据传回控制装置进行处理, 然后按照设定好的温度调节部分上加热元件的开关, 节约能耗。槽锅的运动速度可以由电磁阀的工作频率调节, 可以方便人员对锅内茶叶进行操作。当槽锅内的茶叶理条完成后, 工作人员操控机器将上加热装置上提, 然后向上提槽锅把手, 将锅内茶叶倒出, 完成理条作业。
1. 2主要性能指标及技术参数
节能型气动上加热理条机的主要技术参数:
产品型号: 6CL - 50 - 6
锅槽数量/个: 6
气缸活塞行程/mm: 130
台时产量/kg·h- 1: 15 ~ 20
运动部分质量/kg: 16
往复次数/次·min-1:80~180
槽锅尺寸/mm:720×500×100
整机外形尺寸/mm: 1 480 × 700 × 1 100
整机结构质量/kg: 110
2关键工作部件的设计及选用
2. 1气缸的选用及安装
气缸作为将气体压力能转变为机械能、实现机器直线往复运动的执行器, 具有机械结构简单、往复运动速度快、操作使用方便等优点。考虑到本机机械运动的实现, 采用的是运行速度更快的标准高速气缸, 其由缸体、活塞杆、安装脚座等部分组成, 如图2所示。
1.活塞杆2.安装脚座3.进气/出气孔4.缸体
SMC公司生产的RHC系列高速型标准双作用气缸刚好适合本机使用, 结合本机负载的大小, 在这里选用RHC L 63 - 130 - C73L型气缸作为执行元件, 其缸径为63mm。使用流体为: 空气 ( 不给油) 。活塞速度: 50 ~ 3 000mm /s。最高使用压力为1. 0MPa。缓冲形式为气缓冲。
气缸安装在机器机架的一端, 活塞杆一头与槽锅支撑架的连接部分相连。为了保证平稳的运行, 气缸必须安装在正中间的位置, 且必须与槽锅支撑架处于同一个水平位置。气缸运行所需的气源由空气压缩机压缩空气所得。空气压缩机压缩空气使空气压强达到一定值, 经过冷却器后输送给储气罐, 储气罐再与气缸相连, 中间应当有冷干机、油雾分离器、三联组合 ( 排水器、压力表、油杯护罩) 、电磁换向阀和限流阀等元件, 各个元件通过配管相连。气缸运行的气压应当在0. 05 ~ 1. 0MPa之间, 一般维持在0. 5MPa左右。
2. 2直线导轨机构选用及安装
直线导轨机构由滑块以及固定滑块的导轨组成, 如图3所示。在整个机器中, 直线导轨起到支撑槽锅及其支撑架的作用, 安装在机架与槽锅支撑架之间。 为了机器运行稳定, 四角共安装4个直线导轨。在工作过程中, 滑块在导轨上往复滑动, 它们两者间的摩擦力为滚动摩擦, 且内部滚珠的精度较高, 所以两者的摩擦力很小, 仅有一般滚动摩擦的几十分之一, 甚至上百分之一, 进而可以减少能耗。
1.滑块2.导轨
2. 3上加热元件的选用及安装
远红外加热是一种辐射传热过程, 它利用热物体源所发射出来的红外线照射到被加热物料上, 并被吸收后转化成热能, 以达到加热的目的。在茶叶加工领域内应用红外加热有以下优点: 一是电热转换效率高, 可达90% ; 二是减少能耗, 降低了运行费用; 三是减少了环境污染; 四是提高了茶叶产品质量。但是, 目前远红外加热技术在茶叶机械行业应用较少, 大多数厂家仍采用传统的加热方式。为了节约能源, 降低成本, 提高产品的市场竞争力, 改善环境等, 笔者认为有必要大力推广这一技术[4 - 9]。
经仔细筛选比较, 挑选出一种具有价格便宜、稳定性好、使用寿命长等优点的陶瓷上加热元件。该元件由外部的绝缘材料与内置的发热体组成, 其外观如图4所示。外部为氧化铅陶瓷元件作绝缘材料。内置的是导电性更好、发热更稳定的镍铬丝缆作为发热体。加热片由弹簧片和固定夹固定在上加热机架上, 每片加热片的功率为600W, 整机共用8 ~ 10片, 相对于传统的加热管加热, 减少能耗3 ~ 5k W。加热机架还有悬挂装置和位于整机机架上的挡位把手等部件。 当需要向槽锅内加茶叶时, 扳动把手, 整个加热机架被提升到合适位置, 留出操作空间, 加过茶叶, 放下加热机架, 整机开始运作, 理条完成后, 提升加热机架, 提升槽锅, 倒出茶叶, 放下槽锅继续开始下次作业。
3试验结果及分析
样机试制后, 在宣城进行了理条机加工试验, 理条叶为轻揉捻后的揉捻叶, 理条叶含水量为50% 左右, 每锅加理条叶1. 3kg; 每锅加工时间平均为6min, 槽锅往复频率设定在常用值120次/min。试验主要测试样机生产性能和理条完成后的茶叶质量, 试验结果如表1所示。
从表1试验结果可看出: 该机的槽锅往复频率为80 ~ 180次/ min, 正常工作速度设为120次/ min。茶叶成条率在93% 左右, 生产率在15 ~ 20kg /h鲜叶之间, 这与每锅加茶量有关, 整机工作耗电率在0. 32k W·h / kg以下。与同类理条机相比, 该机具有生产效率高、成条率高、茶叶品质好、单位耗电量低、工作性能稳定、操作方便、结构紧凑和噪声小等诸多优点。
4结论
1) 针对我国当前茶叶理条机加工作业的要求, 对节能型气动上加热理条机进行了设计。试验结果和实际生产作业考核表明: 该机完全满足设计要求, 并能够较好地适用于中小型茶叶加工厂茶叶理条的加工作业, 也可以广泛应用于大型流水生产线的理条作业。
2) 本机动力装置采用气动式的设计, 并且加热装置也换成了更节能更高效的远红外加热装置。在理条作业时, 这样的组合设计具有单位能耗低、生产效率高、操作简便、振动小、噪声低以及茶叶理条的质量高等特点。
3) 该机具的研制成功对机器理条技术的推广应用、改进机制茶叶的质量、完善茶叶机械行业结构等都具有十分重要的意义。
参考文献
[1]王同和.茶叶鉴赏[M].合肥:中国科学技术大学出版社, 2008.
[2]张正竹, 李尚庆, 吴卫国, 等.茶叶现代化加工技术和装备的研究与推广[J].中国茶叶, 2009, 29 (2) :4-6.
[3]黄山市徽州漕溪茶厂.一种适于名优茶制作的茶叶理条机:中国, ZL 200720039976.5[P].[2013-03-01].
[4]王协书, 钟梅.茶几节能浅议[J].中国茶叶, 2007 (3) :31-32.
[5]葛世名, 李工一.高红外节能新技术[J].节能, 2002 (9) :11-14, 2.
[6]曹正芳.干燥过程的节能途径[J].节能技术, 2000, 18 (1) :21-22.
[7]过婉珍, 程国良, 吕荣高.制茶节能促进临安生态农业可持续发展[J].能源研究与利用, 2003 (3) :39-40.
[8]Jun S, Irudayaraj J.Selective far infrared heating systemdesign and evaluation.Drying[J].Drying Technology, 2003, 21 (1) :51-67.