自走式黑茶翻堆机的设计与试验研究-杨光.pdf

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1、 I _ II _ III 自走式 黑茶翻 堆机的 设计与 试验研 究 摘 要 茶叶原产于中国，是中国的特殊食品之一，我国是探索并食用茶叶最早的国家， 也是当前茶种类最丰富的国家之一， 时至今日 我国的茶园面积仍然处在世界第一的位 置，每年的产量也处在世界第一的位置，出口处在世界第二的位置。 拿产自云南的普洱茶来说，其渥堆发酵的时间大约需要一个半月左右，每隔 5 天左右要进行一次翻堆作业， 把结成团的茶叶打散解块， 可以让中间和四周的茶叶混 合均匀， 提高渥堆里面的供氧情况， 以此来适应各种微生物的好氧需求， 最终让整堆 的茶叶上下、 左右都发酵的很均匀， 获得 较好的质量效果， 眼下这种翻堆

2、作业几乎全 部由人工来实现，机械化生产的程度普遍非常低，生产的工具大多是钉耙、铁铲等。 因此探索黑茶翻堆技术， 研制新型的翻堆设备， 提高黑茶的生产效率和质量显得迫在 眉睫。 本研究通过对大量的文献进行检索和研究调查， 针对翻堆 作业过程中存在劳动强 度大， 劳动条件差， 清洁卫生不规范等问题， 在对国内外翻抛设备和技术进行比较的 基础上，并通过与黑茶渥堆发酵的各项工艺参数相结合，运用 PROE 和 CAXA 对黑 茶翻堆机进行了三维和二维造型， 并在 ADAMS 中形成了翻堆装置的仿真模型， 进而 对辊筒进行运动仿真。 仿 真结果与理论模型计算相吻合， 理论模型得到仿真结果的印 证与支持，

3、说明理论模型的条件假设合理， 并 利用 MATLAB 对螺距 S 和翻堆装置 的 输送效率 0 进行了优选。 为了探寻较理想的翻堆作业效果， 深入分析了辊筒的翻堆原理与翻堆质量影响因 素， 选取翻堆装置外圆线速度、 机器前进速度和两者的速比作为翻堆质量的主要影响 因素； 设计并加工了翻堆转速和高度、 机器前进速度可调的样机， 以两个主要影响因 素为因子， 进行了翻堆的正交试验研究。 通过极差分析， 得出了影响翻堆质量评价指 标 （ 翻 堆 前 后 的 温 差 、 含 水 率 变 化 、 蓬 松 率 ） 较 优 的 组 合 ： 翻 堆 装 置 外 圆 线 速度 400m/min ， 机器前进速度

4、 3.33m/min ， 速比 120。 试验结果为翻堆前后温差变化 10.5， 含水率变化 0.68% ， 蓬松率 123.58% ， 对翻堆作业起到了很好的促进作用。 翻堆试验 证明了黑茶翻堆机设计的正确性， 并很好的展示了工作性能。 本设计成功填补了我国 自走式黑茶翻堆机设计的空白，为我国黑茶的发展起到了促进作用。 关键词：黑茶 翻堆机 设计分析 试验研究 _ IV Abstract As the original country of tea, china is the first one to discover and utilize tea; As well, it possess

5、es the richest types of tea. With the largest tea garden area in the world, the tea production of china ranks the first and its exports ranks the second. Since the discovery of wild tea from the birth of loose leaf as well as cakes of compacted tea and to the boiled water, from the green tea to the

6、various tea types, from manual operation to the mechanization of tea, china has experienced complicated change during its long history. As one of the most important links in tea fermentation, the turning heap process mainly relies on manual operation. Take Pu-erh for example, its fermentation proces

7、s takes about half and one month which determines the puer teas unique taste and aroma. It need a turning head every 5 days by which the sticky blocking will be turned into the loose tea. The process enables the surrounding tea mix well with the tea in center which improves he ventilation conditions

8、 in pile to satisfy the needs of aerobic microorganisms. So they could ferment well and reach the expected effect finally. So far, the operating process is done completely by human beings which results in the low mechanization degree, such as rake and shovel. Therefore, exploration of tea fermentati

9、on technology is urgent and imminent. Based on considerable literature research as well as investigation, and comparison of domestic and foreign turning head technology, the study makes use of PROE and CAXA to achieve the two and three dimensional modeling about the dark tea turns heaps, at the same

10、 time, it established the dynamics simulation model of turning device in the ADAMS to carry out kinematics and dynamics simulation on the roller. If the simulation results consistent with the theoretical model calculation, and the calculation be confirmed and supported by the simulation results, it

11、can prove that the conditions of the theoretical model assumption is reasonable and be able to use the distance of MATLAB to pitch S as well as the efficiency of the turning head conveying device to achieve the optimization. In order to explore the ideal effect of the turning head and analyze the tu

12、rning head principles as well as factors which influent the quality of turning quality, the study select the turn heap cylindrical linear velocity, the machine speed and the speed ratio of the two as the main influence factors and then design the speed and altitude of the turning heap, the speed adj

13、ustable prototype machine. Orthogonal experiment research is carried out after determining the two main factors. Through extreme difference analysis, the study makes a conclusion about optimal combination of evaluation index (different temperature rate, _ V change of moisture as well as fluffy degre

14、e): cylindrical linear velocity of the turning heap is 400 m/min, the machine speed is 3.33 m/min, the speed ratio is 120. Temperature changes before and after the test results of the experiment are as follows: the before and after temperature difference is 10.5 , moisture change is 0.68% , fluffy r

15、ate is 123.58% ， its good to promote the dump operation.Turning test to prove the correctness of the machine design and show good performance. This design successfully fill the blank of our country Self-propelled Dark Tea Turning Device design, promoting the development of Chinas dark tea. Keywords:

16、 Dark tea Turning device Design and analysis Experimental study _ VI 目 录 自走式黑茶翻堆机的设计与试验研究 . II 摘 要 . III Abstract . IV 目 录 . IV 插图清单 . VII 附表清单 . VIII 第一章 引言 . 1 1.1 选题背景及课题来源 . 1 1.1.1 论文选题背景 . 1 1.1.2 论文课题来源 . 1 1.2 翻抛机械研究现状 . 1 1.2.1 国外研究现状 . 1 1.2.2 国内研究现状 . 2 1.3 选题目的与意义 . 2 1.4 主要研究内容 . 3 1.5

17、本章小结 . 3 第二章 自走式黑茶翻堆机的设计与分析 . 4 2.1 黑茶渥堆工艺 . 4 2.2 自走式翻堆机工作原理与总体结构 . 5 2.2.1 工作原理 . 5 2.2.2 总体结构 . 5 2.2.3 主要技术指标 . 6 2.3 主要机构设计方案 . 6 2.3.1 机架的设计 . 6 2.3.2 升降装置的设计 . 7 2.3.3 翻堆装置的设计 . 9 2.3.3.1 螺旋板 . 10 2.3.3.2 圆辊筒的设计 . 12 2.4 翻堆过程中黑茶的受力和运动分析 . 12 _ VII 2.4.1 黑茶的受力分析 . 12 2.4.2 黑茶的运动分析 . 15 2.5 黑茶翻

18、堆机相关参数的确定 . 17 2.5.1 填充系数 . 17 2.5.2 输送量 . 18 2.5.3 螺旋板公称直径 . 19 2.5.4 螺距 . 19 2.5.5 圆辊筒外径 . 20 2.6 本章小结 . 21 第三章 翻堆装置优化与仿真研究 . 22 3.1 优化设计原理 . 22 3.1.1 优化设计的概念 . 22 3.1.2 优化设计的数学模型 . 22 3.1.3 优化设计的求解方法 . 22 3.2 翻堆装置效率的优化研究 . 22 3.2.1 螺旋板任意直径茶叶的轴向移动速度 . 23 3.2.2 螺旋板的轴向负荷 . 24 3.2.3 螺旋板的输送效率公式 . 25 3

19、.3 翻堆装置运动学仿真 . 28 3.3.1 翻堆装置结构 . 28 3.3.2 翻堆装置工作原理 . 29 3.3.3 ADAMS 软件简介 . 29 3.3.4 翻堆装置虚拟样机的建立 . 29 3.4 本章小结 . 32 第四章 翻堆性能试验 . 33 4.1 试验目的 . 33 4.2 试验设备和材料 . 33 4.3 试验方法 . 33 4.4 试验结果与分析 . 34 4.4.1 正交试验结果与分析 . 34 _ VIII 4.4.2 验证试验 . 36 4.5 本章小结 . 36 第五章 全文总结与展望 . 37 5.1 总结 . 37 5.2 展望 . 37 参考文献 . 3

20、9 致 谢 . 43 作者简介 . 44 _ IX 插图清 单 图2-1 渥堆截面形.5 图2-2 自走式黑茶翻堆机.7 图2-3 机架.8 图2-4 升降装置结构图.9 图2-5 链轮零件图.10 图2-6 翻堆装置统结构图.11 图2-7 展开图.12 图2-8 螺旋升角变化图.13 图2-9 受力分析.14 图2-10 翻堆装置截面图.15 图2-11 速度分解图.16 图2-12 速度变化曲线图.18 图3-1 展开图.25 图3-2 运动简图.25 图3-3 螺旋板直径D X 处微元展开图.27 图3-4 MATLAB 程序信息.30 图3-5 翻堆装置. .31 图3-6 三维模型

21、图.32 图3-7 仿真运动. .32 图3-8 运动参数信息.33 图3-9 位移图.33 图3-10 速度图.33 图3-11 加速度图.34 图3-12 动能图.34 图4-1 横截面测量位置图.36 图4-2 试验过程.36 图4-3 各因素与试验指标关系图.38 _ X 附表清 单 表2-1 自走式黑茶翻堆机主 要参数与技术指标.7 表2-2 链轮技术参数表.10 表4-1 正交试验因素组合及结果.37 表4-2 极差分析.37 _ 1 第一章 引言 1.1 选 题背 景及课题 来源 1.1.1 论文选题背景 黑茶是由加工好的绿茶加水之后后发酵加工而形成的。 渥 堆的工艺是生产黑茶的

22、 特有工艺， 同时是黑茶最终形成其他茶类不具备的品质关键的工序， 渥堆发酵的过程 让茶叶的一些内在物质发生了一些根本的变化。 在黑茶的渥堆生产过程中， 会有一定次数的翻堆作业， 翻堆作业的目的是通过降 低堆内的温度把整堆上下、 左右发酵不均匀的茶叶混合均匀。 利用翻堆作业， 把结成 团的茶叶打散解块，可以让中间和四周的茶叶混合均匀，提高渥堆里面的供氧情况， 以此来适应各种微生物的好氧需求，最终让整堆的茶叶上下、左右都发酵的很均匀， 获得较好的质量效果， 眼下这种翻堆 作业几乎全部由人工来实现， 机械化生产的程度 普遍非常低，生产的工具大多是钉耙、铁铲等。 1.1.2 论文课题来源 本文课题来源于江苏省科技支撑项目， 旨在研 发一种适合黑茶渥堆发酵工艺的自 走乘坐式翻堆机，以满足我国黑茶制茶产业的需求。 1.2 翻 抛机 械研究现 状 1.2.1 国外研究现状 由于国外对茶叶方面的研究开始相对比较晚， 其生产的规范性相对比较低， 在对 茶叶各项指标的研究中处于落后的状态， 极其严重地影响了茶产业的蓬勃发展， 但国 外的翻抛机械还是很完备的，故以此为鉴。 国外的翻抛机械是一种使肥料、 污泥等堆积物先随着 翻堆装置拨动起来， 接着以 类平抛的轨迹飞出，最后混杂在一起的机械。 德国和美国等西方国家