茶叶揉捻机自动加压装置结构优化设计*

张贤溪 ，金山峰 ，吴瑞梅 ，杨代勤 ，何宇驰 ，贺 良 ，熊爱华

（江西农业大学工学院，江西 南昌 330045）

0 引言

揉捻是茶叶初加工的一道重要工序，将杀青叶或萎凋叶在手工或机械作用下做回转运动，使茶叶锁紧成条，破坏茶叶组织细胞，挤出茶汁，让茶汁黏附在茶叶表面，有利于茶叶的冲泡[1]，而揉捻过程中所施加的揉捻压力需遵循“轻-重-轻”原则，即茶叶揉捻过程中，其揉捻压力需先轻后重，逐步加压，轻重交替，最后不加压。目前，茶叶揉捻压力大小大多凭制茶师经验控制，每批次茶叶加工过程中所施加的揉捻压力并不一致，导致不同批次茶叶质量不稳定，也增加了劳动强度。

为了实现茶叶揉捻机自动化生产，减轻人工劳动强度，近几年国内学者对揉捻压力控制进行了大量研究[2-3]。徐海卫等[4]将测力传感器安装在揉捻机悬臂梁上，当压盖向下移动与鲜茶叶相互挤压时，连杆受反作用力向上移动，连杆顶端球面与测力传感器产生挤压作用，实现揉捻压力的检测。谭和平等[5]设计了一种桥梁式压力传感器检测装置来测定揉捻压力。对于桶式揉捻机自动揉捻过程，徐海卫等[6]还建立了茶叶受力模型，进行试验仿真，求解出茶叶所受揉捻压力与揉捻桶转速之间的数值关系。而这些研究主要还只是停留在理论上，未考虑实际揉捻过程中振动和外界因素的影响，也并未在实际生产中进行试验。

本文在6CR-55 型单柱式揉捻机的基础上进行改进，提出采用实时自动加压方式，实现每次茶叶加工所施加压力的一致性，结合揉捻加工工艺，利用Proe软件建立加压机构的三维模型，采用ADAMS 软件对该机构进行动力学仿真，模拟仿真出该构件的受力情况。根据揉捻轴盖动力学仿真结果及揉捻轴盖结构，设计压力检测装置、自动加压装置及控制系统，满足“轻-重-轻”交替数字化加压原则。

1 茶叶揉捻机工作原理及揉捻过程中茶叶受力分析

1.1 茶叶揉捻机工作原理

本文改进的自动化茶叶揉捻机由揉捻轴、揉捻盖、连接法兰盘、压力传感器、揉捻桶、桶毂、揉捻盘、卸料底盘、横臂梁、脚支柱、揉捻曲柄、主电机、自动加压机构、自动卸料机构等组成，自动化控制的茶叶揉捻机结构图如图1 所示。其工作过程如下：根据鲜茶叶嫩度、采摘季节等具体情况，操作人员在控制系统界面上输入需施加的“轻-重-轻”各段压力值及每段压力所需的揉捻时间、揉桶转速、出茶时间等参数并保存；加压电机工作，揉捻盖上升并旋转打开，倒入鲜茶叶后，揉捻盖旋转合拢并向下移动；主电机正转，通过皮带传递动力，揉捻桶在揉捻盘上做旋转运动，茶叶沿棱骨方向收紧翻转；控制系统实时监测揉捻轴上的压力数据，控制加压电机旋转来改变揉捻压力大小，揉捻结束后，卸料电机工作，卸料曲柄逆时针旋转，卸料底盘打开自动卸料，至此，揉捻完成。

图1 6ZCR-55茶叶揉捻机结构图

1.2 茶叶揉捻工作过程中受力分析

茶叶在揉捻过程中，受到揉捻盖、揉捻桶以及茶叶内部之间的相互作用力，在这些力的作用下，每一片茶叶的受力和运动情况都不同，且受力大小和方向随时变化。对单片茶叶进行受力分析工作量太大，需简化茶叶受力分析，将所有茶叶看成一个叶团，再进行受力分析。揉捻时，叶团随着揉捻桶做平面圆周运动，该过程中受到多种力，这些力主要有：揉捻桶的反作用力F1、揉捻盘出茶口的反作用力F2、茶叶与揉捻盘间的摩擦力f、揉捻盘表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4、揉捻盖对茶叶的压力N、茶叶做平面圆周运动的离心力F5、自身重力G。受力分析如图2 所示，作用在茶叶上的合力为Q，其大小为[7]：

图2 茶叶揉捻时的受力分析

茶叶在这些力的作用下做回转运动，根据茶叶在桶内的运动情况，将揉捻桶分成4 个作用区，如图3 所示。揉捻运动的作用区是茶叶揉捻成条的主要区域，在该区域内，茶叶受到揉捻桶的反作用力F1，向前顺着棱骨卷曲成条；强压区是茶叶成团的主要区域，茶叶在这个区域受到揉捻盘表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4、揉捻盖对茶叶的压力N，且此时力的强度最大，在这3 个力的作用下，茶叶向揉桶中心相互挤压，挤压程度最大；下翻区中，茶叶受到的揉捻桶的反作用力F1、揉捻盘表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4几乎可以忽略，在该区域，茶叶已经运动到了揉桶的顶部，在惯性力和重力的作用下向下翻滚；陷空区里没有茶叶，因为揉桶一直在做回转运动，下翻区落下来的茶叶瞬时间没有到达，出现空缺[7]。

图3 茶叶揉捻时的作用区

通过以上分析，揉捻桶的反作用力F1、茶叶与揉捻盘间的摩擦力f、揉捻盘表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4和揉捻盖对茶叶的压力N对茶叶揉捻工作至关重要，而当揉捻机的主要机构参数确定后，通过控制揉捻机的转速和揉捻盖下压程度，即可改变这些力的大小。在揉捻转速一定的情况下，只有控制揉捻盖的上下移动，才能控制揉捻盖对茶叶的压力N；而改变揉捻盖对茶叶的压力N，即可控制茶叶揉捻总作用力。

2 揉捻轴盖动力学仿真分析

本文利用ADAMS 对揉捻盖进行受力分析，验证理论分析的正确性。假设揉捻盖受到茶叶挤压力的瞬间几乎处于静止状态，为了简化模型结构，只分析其连接构件的作用力。用Proe 软件建立揉捻盖、揉捻轴等简单的连接结构模型，导出Parasolid 格式，再将模型导入ADAMS 中进行动力学分析[8]。为了减少模型的约束，零件按是否存在相对运动划分成3个构件，其中，轴承、连接法兰盘、揉捻盖看成一个构件，横臂和揉捻轴各为一个构件。模型导入后，对各个构件添加材料属性及约束：横臂与地面之间添加固定副（JOINT_1），横臂与揉捻轴之间添加固定副（JOINT_2），揉捻轴与揉捻盖中的轴承添加接触力（CONTACT_1），横臂与揉捻盖之间添加弹簧力（SPRING_1），根据原揉捻机安装在揉捻轴上的弹簧来设定弹簧力的刚度系数和阻尼系数，分别为9 N/mm、6 N·s/mm。模拟茶叶对揉捻盖的挤压力，在揉捻盖上依次施加3 个垂直向上的力（SFORCE_1），大小分别为200 N、300 N、400 N，并对施加的三个力依次仿真，所有的构件添加钢铁属性。完成揉捻盖连接机构的虚拟模型建立后，进行动力学仿真，点击Simulation 命令，设置仿真类型为动力仿真（Dynamic），仿真时长设为1 s，步长设为50，开始计算。仿真结束，进入后处理界面，点击查看与揉捻盖接触的作用力的变化，力的变化曲线如图4 所示[9]。从图4 可以看出揉捻轴盖之间作用力的变化情况：CONTACT_1 是揉捻盖与揉捻轴之间的作用力，刚开始该力会有一个突变的过程，除去这个突变过程，总体上CONTACT_1 与SFORCE_1 的大小基本接近，而揉捻盖上所添加的垂直力SFORCE_1 可以表示茶叶对揉捻盖的挤压力，由此可推断出茶叶对揉捻盖的挤压力也会反作用到揉捻轴上，而且大小和方向非常接近。

图4 揉捻盖上的作用力变化曲线图

3 自动加压装置结构设计

3.1 压力传感器选型

通过上述对茶叶揉捻力的分析，发现茶叶的揉捻压力会反作用在揉捻轴上，本研究将压力传感器安装在揉捻轴合适位置来实时测定揉捻压力大小。通过查阅相关资料可知，安装在轴上的压力传感器常用结构类型有轮辐式和S 型，如图5 所示。S 型压力传感器容易受振动影响，一般应用于小尺寸轴的设备压力检测；轮辐式压力传感器线性度好，抗偏载和侧向能力强，可以减轻外界振动干扰。由于揉捻机在工作过程中振动较大，且揉捻盖有时也会处于一种倾斜状态，因此本装置选择DYLF-102轮辐式压力传感器。

图5 压力传感器的结构类型

3.2 压力传感器结构安装设计

在揉捻过程中，揉捻盖由于受到茶叶的摩擦力作用而发生旋转，便于茶叶揉捻到顶部能自由掉落，并且有一定角度的倾斜，让茶叶揉捻时，有一定的缓冲空间，不至于被“揉死”。因此，轮辐式压力传感器与揉捻轴采用螺纹连接；传感器下方设计安装一个垫板，保护传感器应变片安全；法兰与传感器垫板之间设计安装推力轴承，中间垫上柔性垫圈，为揉捻盖的自转和倾斜提供一定的活动空间。自动加压机构由自动加压电机、锥齿轮、丝杆组成，整体结构安装在一个从动的揉捻曲柄上，丝杆与横臂梁是螺旋副连接；揉捻盖用连接法兰连接在揉捻轴上，揉捻轴与连接法兰通过推力轴承连接，压力传感器与揉捻轴由螺纹连接，揉捻轴固定在横臂梁上，如图6 所示。

图6 揉捻机压力检测装置

3.3 自动加压电机选型及安装

自动加压机构通过一对锥齿轮实现动力转向作用，加压电机与小锥齿轮通过联轴器固定。计算电机扭矩时，用扭力扳手夹紧小锥齿轮的轴，转动小锥齿轮，测出扭矩力大概为120 N。根据力与扭矩的计算公式[10]：T=F×D，求解得到扭矩为3 N·m，为了节省成本，可接受脉冲信号的控制，选择86 步进电机。

为了减轻轴的受力，设计一块垫板固定在桶毂上，在垫板上方安装步进电机，电机轴与锥齿轮结构联接，如图7 所示。当加压电机工作时，电机带动锥齿轮机构运动，进而带动丝杆旋转，丝杆与横臂采用螺旋副连接，带动横臂做上下运动，实现揉捻盖的上下运动，以此达到揉捻机自动加压的目的。

图7 自动加压装置图

4 样机试验

根据理论设计和仿真分析确定了装置整体结构，在6CR-55 型单柱式揉捻机基础上进行样机6ZCR-55试制，并以STM32 为主机核心芯片开发了一套茶叶揉捻机自动控制系统，如图8 所示。样机试验结果表明：揉捻过程中，揉捻压力满足了“轻-重-轻”的三次施加过程，符合实际揉捻工艺。采用自动加压茶叶揉捻机的揉捻效率比手动加压茶叶揉捻机的揉捻效率平均提升了28.5%，揉捻后的茶叶锁紧成条，品质更加稳定，香味更加醇厚。

5 结论

1）对茶叶揉捻过程进行理论受力分析，根据受力分析结果，利用ADAMS 动力学仿真软件进一步验证，得出揉捻盖受到茶叶挤压力时力传导方向是垂直向上的结论。

图8 6ZCR-55自动化茶叶揉捻机样机试验

2）确定自动加压装置的具体结构，将轮辐式压力传感器固定在揉捻轴接近底端的位置，再通过推力轴承、法兰连接揉捻盖，实现揉捻压力的实时监测功能；利用步进电机通过锥齿轮、丝杆滑块传递动力，实现自动化控制加压功能。

3）开发控制系统，自动控制压力大小，使揉捻压力满足“轻-重-轻”的揉捻工艺需求，揉捻效率相较于手动加压茶叶揉捻机平均提升了28.5%，茶叶锁紧成条，品质更加稳定，茶味更加香醇。