茶葉揉捻壓力檢測裝置設計與試驗

摘要：茶葉揉捻壓力是影響茶葉揉捻品質的重要因素，對茶葉揉捻壓力開展實時檢測，是實現(xiàn)茶葉自動化加工的關鍵。在分析揉捻加壓相關部件的受力情況與揉捻作用區(qū)域的分布基礎上，運用SW-DAMS耦合仿真方法分析不同揉捻壓力檢測方法對應的感知傳感器接觸力學特性與作用力變化情況，對比優(yōu)化出揉捻壓力最佳檢測點位于揉蓋上端。確定壓力傳感器結構及量程，設計揉捻壓力檢測裝置，完成壓力校準及檢測試驗。結果表明：揉捻標準轉速為45 r/min時，選用的環(huán)形壓力感知傳感器內部直徑為32 mm、高度為20 mm，連接法蘭高度為40 mm，壓力輸出精度達到0.1%，無超調現(xiàn)象；樣機的生產率為65 kg/h，碎茶率為1%，動態(tài)壓力數(shù)值隨揉捻過程在3～35 N之間實時變化，能夠滿足自動化茶葉生產線對揉捻壓力的檢測要求。

關鍵詞：茶葉揉捻機；揉捻壓力；壓力檢測；運動仿真

中圖分類號：S225.2+9

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070114

08

Design and experiment of the measuring device for the twisting pressure of

tea twisting equipment

Zhang Jun1， Zheng Le1， Zhang Fugui1， 2， Hu Zhengjun3， Huang Haisong2， Yan Jianwei1， 2

（1. College of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang， 550025， China; 2. Key Laboratory of

Modern Manufacturing Technology， Ministry of Education， Guiyang， 550025， China; 3. Guizhou Jinsanye

Mechanical Manufacturing Limited Company， Bijie， 551800， China）

Abstract：

Tea rolling pressure is an important factor that affects the quality of tea rolling. Real-time detection of tea rolling pressure is the key to realize automatic tea processing. In this paper， based on the analysis of the force situation of the related components of the rolling pressure and the distribution of the rolling action area， the SW-DAMS coupling simulation method was used to analyze the contact mechanical characteristics and force changes of the sensing sensors corresponding to different rolling pressure detection methods， and the best detection point of the rolling pressure was located at the upper end of the gland. At the same time， the structure and measuring range of the pressure sensor were determined， and the rolling pressure detection device was designed to complete the pressure calibration and detection test. The results showed that when the standard rolling speed was 45 r/min， the selected annular pressure sensing sensor had an internal diameter of 32 mm， a height of 20 mm， connecting flange height 40 mm， a pressure output accuracy of 0.1%， and no overshoot. The productivity of the prototype was 65 kg/h， and the broken tea rate was 1%. The dynamic pressure changed in real time between 3-35 N with the rolling process， which could meet the requirements of automatic tea production line for testing the rolling pressure.

Keywords：

tea twisting machine; rolling pressure; pressure detection; motion simulation

0 引言

中國是茶葉生產大國［1］。中國茶葉生產發(fā)展迅速，茶葉種植面積不斷擴大，茶葉產量不斷增長［2］，全國茶園種植面積約2933.33 khm2，年產量達到2 600 kt，分別占世界茶葉的60%和45%［3］。茶葉的加工過程中，揉捻是影響茶葉品質的一個關鍵因素，促使茶葉成條擠出茶汁，壓力過大過小都會影響到茶葉的品質［46］。現(xiàn)階段，我國茶葉加工生產上多采用桶式揉捻機。茶團在揉桶內部受到多種作用力，壓力的大小會直接影響茶葉色澤、條索緊結程度，故實現(xiàn)對揉捻壓力的調控是決定揉捻技術的關鍵。多數(shù)研究利用PLC控制技術研發(fā)自動化揉捻設備，實現(xiàn)了茶葉揉捻工藝的連續(xù)性作業(yè)［79］，比人工控制更為穩(wěn)定、精確，但是對茶葉在揉桶內部的受力情況以及外界施壓關系的分析不足。針對傳統(tǒng)揉捻機在工作過程不能將茶葉受到的壓力量化等問題，譚和平等［10］提出了一種基于PLC和步進伺服的揉捻壓力柔性控制方法，通過模擬彈簧受力時的彈性力變化過程，實現(xiàn)了壓力值的量化；針對揉捻壓力對茶葉品質的影響，徐海衛(wèi)等［11］建立了揉盤葉片結構和桶內茶團受力的最佳模型，利用數(shù)學模型確定茶葉力度參數(shù)與揉盤轉速相關聯(lián)的曲線關系，有效解決了茶葉間的揉擠力度，達到卷曲茶葉的目的。針對揉捻壓力檢測機構中壓蓋重力對揉捻壓力的影響，許雪雙［12］參照揉捻經驗值，利用光電傳感器與限位傳感器進行揉捻壓力的調控，解決了成套揉捻設備的逐漸加壓控制。

上述研究針對揉捻壓力的研究大多是從揉捻機的結構和控制方式上進行改進，但是并未實現(xiàn)針對性的茶葉揉捻作業(yè)，且多采用經驗或者通過試驗對比茶葉的品質進行裝備研發(fā)，揉捻壓力依靠彈簧形變產生的彈力作為參考，缺少理論支撐［13， 14］。近年來，農業(yè)機械的發(fā)展以農業(yè)物料特性作為研究基礎［15， 16］，動力學軟件和數(shù)值模擬技術已經成為研究茶葉加工機械的重要工具。鑒于此，開展茶葉揉捻壓力檢測裝置的研究，研制基于自動化揉捻設備的最佳揉捻壓力檢測裝置，為自動化揉捻設備對不同茶類揉捻品質的通用性和平穩(wěn)性提供數(shù)據(jù)參考。本文采用SW-DAMS耦合仿真方法進行不同裝置的模擬分析，確定揉捻作用力的最佳檢測點，設計一種揉捻壓力檢測裝置，設計計算驗證裝置結構的可操作性，通過試驗驗證壓力檢測裝置的可靠性和穩(wěn)定性。

1 揉捻壓力檢測裝置的結構設計

1.1 揉捻機整機結構及工作原理

1.1.1 整機結構

自動化揉捻設備主要由步進電機、加壓手輪、揉桶等裝置組成［17］，如圖1所示。

1.1.2 工作原理

茶葉揉捻機工作時，步進電機控制加壓手輪使揉捻軸向上運動，揉蓋打開，這時茶葉從進料口進入揉桶內，達到揉捻質量要求之后，電動機作為動力輸出，通過皮帶輪帶動，曲柄在工作平臺上做回轉運動，同時步進電機控制加壓手輪使揉蓋與茶葉接觸進行揉捻工作。揉捻過程大致分為3個階段，即初壓—逐步加壓—輕壓。初壓階段，通過限位傳感器保持壓蓋剛好與茶葉接觸，此階段主要是減少茶葉的滾動摩擦，促使茶葉成條的基礎階段。逐步加壓階段，揉蓋勻速向下運動，通過增大茶葉與茶葉、揉盤和揉桶壁之間的摩擦力，促使組織細胞破壞，卷緊條索，此階段的壓力呈現(xiàn)動態(tài)變化，所達到的最大壓力值會嚴重影響茶葉揉捻品質的穩(wěn)定性［18， 19］。最后輕壓階段，揉蓋逐漸上升，逐漸松壓的過程使成團的茶葉被振松抖散。

1.2 茶葉受力及作用區(qū)域分析

1.2.1 茶葉受力分析

茶葉在揉捻機中的整個揉捻狀態(tài)是一個復雜的運動過程［20］，本文將揉桶中的茶葉看成一個整體，分析在揉捻桶內的受力情況如圖2所示。揉捻過程中的葉片變化如圖3所示。

Q0=F1→+F2→+F3→+F4→+F5→+G→+f→

（1）

式中：

F1——揉捻桶內臂的壓力；

F2——

揉桶內部茶葉之間的相互作用力；

F3——揉捻盤上表面的推力；

F4——

壓蓋凸部和凹陷處對茶葉的推壓力；

F5——外棱骨的反作用力；

G——茶葉自身的重力；

f——

茶葉與底部揉盤和棱骨之間的摩擦力。

茶葉在揉桶內部將其整體看作是一個茶團［21］，而揉蓋施加給揉捻葉的作用力P測，根據(jù)牛頓第三定律也會反作用給揉蓋P1，揉蓋受力如圖4所示。

P1=P測+G蓋

（2）

式中：

G蓋——壓蓋重力。

1.2.2 揉捻作用區(qū)域分析

揉捻盤是揉捻設備的核心部件，結構示意圖如圖5所示。防止機構出現(xiàn)卡死和運動不確定現(xiàn)象，曲柄呈不對稱分布。工作時，如圖6所示，曲柄帶動揉桶運動，茶葉在揉盤表面移動，揉盤上各部分軌跡沒有區(qū)別且相互平行，在每一點處的加速度與速度一致，曲柄M、N、P做勻速圓周運動，揉桶上每點的移動保持一致跟隨做勻速圓周轉動，運動軌跡則是以曲柄長度為半徑的圓。現(xiàn)用桶臂上A、B、C、D四個點為代表揉桶運動軌跡，如圖7所示。經揉桶直徑作兩個與運動方向垂直的假想截面AC和BD，揉桶被分上、下半圈ABC和CDA，揉桶運轉方向分別為中心軌跡圓在中心點處順時針方向的切線。工作時，上半圈ABC是脫離桶內茶葉的方向而轉動，對茶葉不構成作用力；下半圈CDA則沖著桶內茶葉的方向運動，對茶葉構成推力。揉桶以其運轉中連續(xù)變位的下半圈來推動茶葉，茶葉受推力作用并非一開始群體一起運動，而是把推力圈的茶葉予以壓縮、形變內壓力，克服與揉盤間的摩擦力而向前運動，同時，茶葉之間相互擠壓，以此類推，使桶內茶葉從不同向位被層層推動。

結合上述對揉桶運動情況分析，茶團在揉桶內部的位置是不斷變化的，整個揉捻過程可以分為以下5個作用區(qū)［10］，如圖8所示。上翻區(qū)域是保證茶葉揉捻均勻的主要區(qū)域，茶葉在此區(qū)域，受到揉桶與揉盤施加的反作用力，促使茶葉向上涌動；揉捻區(qū)是茶葉揉捻成條的關鍵區(qū)域，在此區(qū)域，茶葉運動速度達到最快，茶葉在此處，受到棱骨的揉搓作用力，揉盤的摩擦作用力，以及壓蓋施加的壓力，促使茶葉卷曲成條；強壓區(qū)是促使茶葉成團的主要區(qū)域，受到的壓力達到最大，茶葉的相對運動速度較慢；散落區(qū)域的茶葉速度最慢，茶葉在內外棱骨的作用下，由于自身重力及加壓蓋的作用，向下散落；輪空區(qū)沒有茶葉，揉桶沿著一個方向做回轉運動，到達壓蓋的茶葉還未散落下來，出現(xiàn)空缺。茶葉在上述5個區(qū)域內反復揉捻，從而達到使茶葉細胞破碎和卷曲成條的效果。

茶葉在揉桶內部的位置不斷變化，揉捻過程中揉桶內的茶葉主要集中在內揉盤上完成揉捻作業(yè)。底部內外揉盤始終保持靜止，在揉捻過程中所形成的不同作用區(qū)域中，位于強壓區(qū)茶葉所受的作用力最大，此處是外揉盤與內揉盤接觸區(qū)域，揉捻運動過程中茶葉始終與之保持接觸，此外，實際檢測得知外揉盤與內揉盤之間的傾斜角度為5°，如圖9所示，有利于將茶葉導向強壓區(qū)。

1.3 不同測壓方法的結構設計

通過上述對茶葉揉捻設備加壓部件與作用區(qū)域的分析，增設對比試驗，設計了兩種壓力檢測裝置。

1.3.1 揉蓋上端測壓裝置的結構設計

設計的壓力檢測裝置一次可檢測65 kg茶葉，考慮到壓力傳感器的布置以及能感知到壓力的變化范圍，初定揉捻軸長度為L=700 mm，最末端軸徑R=15 mm，傳感器選用環(huán)形壓力傳感器。根據(jù)受力分析，揉捻軸上連接部件的尺寸和要求為

H1=h+Δh0

H2=H1+h+Δh0

R1=R+Δr

（3）

式中：

H1——傳感器高度，mm；

H2——連接法蘭高度，mm；

R1——傳感器內部半徑，mm；

R——揉捻軸軸徑，mm；

h——軸承高度，19 mm；

Δh0——高度偏差，0.2；

Δr——半徑偏差，0.2。

計算后取H1=20 mm，R1=16 mm，H2=40 mm。

揉捻軸上壓力檢測如圖10所示。揉捻軸是茶葉揉捻機的關鍵部件，連接法蘭內部裝有軸承，使揉蓋在工作過程中始終保持旋轉，防止茶葉在揉蓋底部堆積，從而影響茶葉品質。茶葉所受的揉捻壓力主要由揉蓋在揉捻軸的上下往返運動中提供。

1.3.2 揉盤內部測壓裝置的結構設計

考慮揉桶外徑R0=650 mm，揉桶高度H0=450 mm，內揉盤半徑R3=150 mm，高度為55 mm，棱骨數(shù)量為5，凹傾角為5°，選擇傳感器為輪輻式壓力傳感器，相關部件尺寸情況為

R4=13R3±Δr

H3=h0±Δh0

（4）

式中：

R4——傳感器半徑，mm；

H3——傳感器高度，mm。

計算后取R4=52 mm，H3=50 mm。

內揉盤上壓力檢測裝置如圖11所示。在不銹鋼板與底盤之間添加壓力檢測設備，此時不銹鋼板與壓力傳感器表面直接接觸。

2 不同測壓方法的模型建立與仿真分析

在進行揉捻壓力實時檢測的過程中，傳感器能感知到的揉捻壓力是衡量裝置設計合理程度。因此，壓力感知傳感器的合理布置是設置檢測裝置的關鍵。在茶葉揉捻設備的機械系統(tǒng)中，構件數(shù)目有很多，利用傳統(tǒng)的理論力學知識分析各個部件的受力情況，會非常復雜。伴隨著耦合仿真的方法廣泛運用在農業(yè)工程領域［22， 23］，采用SW-DAMS耦合仿真［24， 25］的方法可以很好地解決復雜機械結構受力分析問題，得到復雜機械系統(tǒng)中任意構件和某個點的速度、位移、加速度和力。本文采用SW-DAMS耦合仿真對所設計的兩種揉捻壓力檢測裝置進行動力學與運動學模擬分析，旨在得出壓力感知傳感器的最佳作用點。

2.1 模型建立

兩個仿真模型如圖12和圖13所示。

兩個模型均是在壓力感知傳感器連接的部件之間定義接觸，其余部件看作是一個固定件，且均相互固定。為保證實際的揉捻運動，模型1中，加壓臂固定，在揉捻軸與加壓臂之間添加移動副，帶動揉捻軸上其余部件實現(xiàn)上下往返運動，同時壓蓋與連接法蘭之間添加轉動副，保證壓蓋旋轉；模型2中揉盤與大地固定，揉桶與揉盤之間添加勻速運動函數(shù)關系，繞內揉盤做回轉運動，棱骨與揉盤看為一個整體，固定連接。

2.2 運動曲線

為獲取運動完成后構件的受力情況，模型1與模型2定義機組速度方向為ADAMS中坐標軸的Y軸正方向和繞Z軸旋轉，重力方向均為Z軸反方向。設置地面距離模型1與模型2距離大地的距離為1 000 mm和100 mm。其中模型2揉桶中心的標記點P如圖14所示，繞OZ軸做以半徑為r的圓周運動。

待仿真試驗完成后，導出標記點的坐標，計算得出半徑r與實際曲柄運動半徑相同。為了保證仿真模型與揉捻機具實際運動情況相同，轉速保持勻速，添加運動副和轉動副，使其保持旋轉運動，先進行后處理分析運動軌跡轉角情況，可見其保持勻速旋轉運動，仿真模型可行，如圖15所示。

2.3 仿真結果分析

模型1與模型2的仿真試驗結果如圖16和圖17所示。進行動力學仿真分析時，考慮整個揉捻壓力檢測過程中，壓力是動態(tài)變化的，通過試驗分析了茶葉揉捻實際承載的力學情況，所以，分別用400 N、600 N、800 N三個不同大小的作用力與接觸力感知的作用力大小作對比分析，得出揉捻運動過程中壓蓋和內揉盤各自與壓力傳感器接觸力情況和作用力大小的變化曲線。

如圖16所示，壓力傳感器剛開始接觸到力的瞬間會產生一定沖擊，此時傳感器承受的作用力會出現(xiàn)突變，從圖16中（以受力600 N為例）又可以清晰地看出在沖擊效果作用之后逐漸趨于穩(wěn)定，在600 N左右上小浮動，受力均衡。由于仿真過程中忽略茶葉的容重，從圖17可以看出，作用在底部揉盤上的傳感器獲取到的作用力不穩(wěn)定。

結合實際生產、仿真試驗和相關文獻，分析得出，在揉捻工作開始之前，揉盤底部就會感知到茶葉的重力，揉捻運動復雜，無規(guī)律可循，作用在內揉盤上的茶葉顆粒對其產生的作用力，僅僅是處在強壓區(qū)的茶葉起到作用，茶葉揉捻工作并不是一個靜止的狀態(tài)，此處受到的動量過小，翻動較慢。

通過接觸力學曲線關系圖可知，初始所受載荷沖擊較小，后續(xù)受力趨于平穩(wěn)，分析確定出揉捻壓力的最佳測壓點在壓蓋上端，故以模型1作為揉捻壓力檢測裝置模型，即在揉蓋上進行測壓裝置的設計。

3 壓力感知傳感器的確定

壓力感知傳感器是實現(xiàn)揉捻壓力檢測的關鍵。根據(jù)上述對茶葉揉捻壓力檢測裝置的設計與仿真分析，進行環(huán)形壓力感知傳感器的量程計算與結構設計。

3.1 壓力感知傳感器的量程計算

揉桶內部茶團［20］質量mt為65 kg。在揉捻作業(yè)過程中，揉蓋受到揉桶內部茶團的反作用力。由于揉捻轉速致使茶團在揉桶和揉盤上形成五個不同的作用區(qū)，致使壓力感知傳感器受到揉蓋的沖力。假設壓力感知傳感器受到的沖力為茶團總重量的n倍，則選用的環(huán)形壓力感知傳感器的量程

Ph=（1+n）·mt×g×K

（5）

式中：

g——重力加速度，9.8 m/s2；

K——安全系數(shù)。

按照工程經驗n取1，安全系數(shù)K取1.5，則帶入取整以后，環(huán)形壓力感知傳感器量程Ph=2 000 N。

3.2 壓力感知傳感器結構及技術參數(shù)

開展揉捻壓力檢測工作時，壓力傳感器是整個檢測裝置最關鍵的部件。揉捻設備工作時，震動較大，壓蓋需要具備適當?shù)膬A斜角度，而現(xiàn)階段用于軸上的壓力傳感器有輪輻式、環(huán)式和“S”式，從傳感器的量程、安裝位置、適應性、成本等角度出發(fā)，環(huán)形壓力傳感器具備抗偏載、線性度好、剛性好的特點，能夠在揉捻過程中減輕震動干擾，最大程度上縮小體積，其余兩種傳感器受到壓蓋施加的側向擠壓會造成損傷，在所要求的量程范圍內，設備的體積較大［26］。此外，確定傳感器的量程與精度，對所選用的環(huán)形壓力傳感器應包含揉捻軸處被測器件的示值范圍，且考慮到被監(jiān)測點可能發(fā)生的最大應力值變化不應超過所選用壓力傳感器的最大量程，以免對傳感器造成損傷，致使傳感器失效。

傳感器的精度應該能準確地實現(xiàn)壓力變化相對值的可靠測定，這就要求其所需的壓力傳感器精度要高于相對比值，即壓力傳感器的精度應該至少保證在千分之幾的精度之內。壓力傳感器結構模型如圖18所示，性能參數(shù)見表1。

4 試驗

4.1 試驗條件

揉捻壓力檢測裝置安裝實體圖，如圖19所示。揉捻工作在溫度為22 ℃，空氣濕度為76%的揉捻室內，選取含水率為56.7%的貴州金沙綠茶作為試驗對象，在貴州金沙完成裝置試制并進行試驗，樣機工況生產率為65 kg/h，碎茶率在0.8%～1.2%之間，主要技術參數(shù)如表2所示。

4.2 試驗過程

以GB/T 9814—2007茶葉揉捻機為標準，選取三級鮮葉（一芽一葉和一芽兩葉）作為試驗對象，采用八點隨機和對角線四分法對試驗用的鮮葉進行取樣檢驗，并記錄檢驗結果。壓力信號采集流程如圖20所示。檢測過程為：壓力信號的輸出通過程控放大器進行信號放大，通過數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)模數(shù)轉換，通過轉接口獲取揉捻動態(tài)壓力值，壓力數(shù)據(jù)通過信號軟件在電腦端顯示與數(shù)據(jù)記錄。試驗開始之前，進行壓力檢測裝置的安裝和調試，觀察試驗樣機運轉的平穩(wěn)性。尋找標準力源，進行壓力傳感器的零點校準，保證信號輸出的準確性，并記錄數(shù)據(jù)，以此作為參照。揉捻過程遵循“初壓—逐步加壓—輕壓”的揉捻模式。觀察揉捻過程中揉捻葉的變化，壓力檢測裝置運行的平穩(wěn)性和壓力信號輸出的快速反響能力。試驗分別進行5次，取平均值。

記錄安裝此揉捻設備后進行揉捻作業(yè)時的試驗指標：生產率、碎茶率、電耗率。與未安裝時作對比分析。試驗參考JB/T 100808—2007《茶葉加工成套設備》、GB/T 9814—2007《茶葉揉捻機》。

4.3 試驗結果與分析

試驗基于三次逐漸加壓的揉捻模式條件下進行，整個茶葉揉捻壓力檢測過程在自動化揉捻設備上獨立完成，利用數(shù)字變送器通訊軟件獲取揉捻壓力。檢測一芽一葉與一芽兩葉的壓力動態(tài)變化曲線如圖21所示。

從圖21可知，動態(tài)壓力隨揉捻過程在3～35 N之間實時變化，設計的揉捻壓力檢測裝置的檢測精度達到0.01%，不同茶類揉捻壓力數(shù)值在此揉捻模式下差值在6.52%左右。為了驗證茶葉揉捻壓力檢測裝置在自動化揉捻設備上對揉捻工作的影響，根據(jù)GB/T 9814—2007茶葉揉捻機碎茶率的相關指標進行檢測，結果為：揉捻機工作效率為65 kg/h，碎茶率為1%，工作未受影響且裝置運行平穩(wěn)，壓力檢測精度達到0.1%，無超調現(xiàn)象。

5 結論

1） 設計一種揉捻壓力檢測裝置，解決所選用自動化揉捻設備測壓效果不理想的問題，實現(xiàn)對不同茶類揉捻壓力的獲??；對揉捻壓力檢測裝置進行理論分析，給出計算方法，確定連接法蘭、揉捻軸、壓力感知傳感器的結構與參數(shù)。

2） 基于SW-DAMS耦合仿真方法分析不同壓力檢測裝置模型以及壓力檢測點的受力情況，得到接觸力學變化曲線圖，確定在壓蓋上進行壓力檢測裝置的設計是最佳的，起初所受的載荷沖擊增量未超過固定值的1/3，壓力呈水平變化，滿足要求。

3） 分別進行揉捻壓力檢測裝置的性能試驗與不同茶類揉捻壓力的測量試驗。結果表明：本文所設計的揉捻壓力檢測裝置，選用的環(huán)形壓力傳感器內部直徑為32 mm，高度為20 mm，連接法蘭高度為40 mm，進行安裝和試驗。揉捻時長60 min，轉速45 r/min，壓力檢測精度達到0.1%，無超調現(xiàn)象；樣機的生產率為65 kg/h，碎茶率為1%，揉捻工藝未受影響。兩種茶葉揉捻壓力在3～35 N之間呈現(xiàn)波段變化。整個檢測裝置在試驗樣機上獨立完成，對后續(xù)開展不同季節(jié)、不同茶類揉捻壓力的測量與控制起到關鍵作用，對茶葉智能化加工有著重要的現(xiàn)實意義。

參 考 文 獻

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