[發明專利]一種球形茶加工設備的結構優化方法

有效

• 申請號: 201811332029.4
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109635333B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 黃劍虹;程梅;程斌;周金亮
• 申請（專利權）人: 浙江上洋機械股份有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;A23F3/06;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

1.一種球形茶加工設備的結構優化方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一：確定影響球形茶成型的機械功

球形茶加工設備在進行翻炒的過程中，球形茶顆粒與炒茶機鍋體內壁摩擦所做的功W₁、周圍顆粒的擠壓球形茶顆粒所做的功W₂和球形茶顆粒本身摩擦所做的功W₃構成影響球形茶成型的機械功W，因此以球形茶顆粒群機械功做功效率作為對球形茶成形能力的評價指標；

步驟二：建立球形茶顆粒模型

球形茶加工設備的炒茶機鍋體內球形茶顆粒受到炒板的運動加速度的作用下產生擠壓，假設球形茶顆粒為球形顆粒，炒茶機鍋體內的所有球形茶顆粒組成球形茶顆粒群，球形茶顆粒群內的任何一顆球形茶顆粒將同時與12個球形茶顆粒接觸，這12個球形茶顆粒包括沿著炒板運動方向的上下兩層各設置的三顆呈“品”字形分布的球形茶顆粒與球形茶顆粒位于同一平面的周圍設置有六顆呈六邊形分布球形茶顆粒；

假設炒板的運動加速度為ε，球形茶顆粒運動方向與相鄰任何一顆球形茶顆粒擠壓力方向間的夾角為π/6，茶葉顆粒的質量為m，則單顆球形茶顆粒之間的擠壓力F_j為：F_j＝mε_maxcos(π/6)；

球形茶顆粒之間的摩擦力F_nf為：F_nf＝μ_nF_j，其中μ_n為顆粒間的內摩檫系數；

步驟三：確定影響球形茶顆粒與炒茶機鍋體內壁摩擦所做的功W₁的因素

因為W₁是球形茶顆粒與炒茶機鍋體內壁摩擦力所做的功，由摩擦力公式F＝μ×FN可知，在球形茶顆粒不變的情況下，能改進的只有μ，即影響因素包括炒茶機鍋體的材質以及炒茶機鍋體內表面的材質，通過改變炒茶機鍋體的材質或者在炒茶機鍋體內表面鍍膜，并在改變炒茶機鍋體的材質或者在炒茶機鍋體內表面鍍膜后不斷進行仿真分析得出不同情況下球形茶顆粒與炒茶機鍋體內壁的摩擦力做功W₁，得出球形茶顆粒與炒茶機鍋體內壁的摩擦力做功W₁最佳時炒茶機鍋體的材質或者在炒茶機鍋體內表面鍍膜的厚度；

步驟四：通過仿真軟件計算球形茶顆粒之間摩擦運動的距離Sn，進而計算周圍顆粒的擠壓球形茶顆粒所做的功W₂和球形茶顆粒本身摩擦所做的功W₃之和，不斷的改變炒板和炒茶機鍋體形狀并不停的進行仿真計算，直至得出W₂和W₃之和的最大值；

其中，炒茶機鍋體內單顆球形茶顆粒在擠壓力的作用下，還需克服3顆球形茶顆粒的內摩擦力，假設加工過程中球形茶顆粒的運動距離為S_n，則內摩擦力做功W₃為：

W₃＝3F_nfS_n；

球形茶在炒茶機鍋體內翻炒成形過程是離散相顆粒之間能量的傳遞過程，通過基于離散元素法的分析軟件EDEM進行球形茶顆粒翻炒成形過程的數值模擬，并確定球形茶顆粒在球形茶炒干機的茶葉鍋內的翻炒周期內茶頁顆粒群內摩擦運動的距離；

當球形茶顆粒在炒茶機鍋體內翻炒時，在Hertz理論基礎上建立接觸模型，切向力是建立在Mindlin-Deresiewiez的研究上，將法向力以及切向力進行疊加得到的合力和合力矩，其中考慮到球形茶顆粒間因含水分發生明顯粘結和團聚，所以采用JKR?Cohesion接觸模型求解；

球形茶在炒茶機鍋體內翻炒的成形過程中，球形茶顆粒在炒板的作用下不斷被拋起和拋散，球形茶顆粒周期性的先從炒茶機的鍋體底部出發，在炒茶機鍋體內做摩擦運動，當球形茶顆粒在炒茶機鍋體體內達到一定高度時然后拋起做斜拋運動，再落到炒茶機鍋體上并不斷重復以上運動；為此選取炒板翻炒運動周期內四個典型位置的球形茶顆粒為研究對象，四個典型位置的球形茶顆粒需要保證球形茶顆粒之間是充分接觸的；

對四個典型位置的球形茶顆粒進行標記，并分析某一位置單顆球形茶顆粒在炒茶機鍋體內的軌跡運動情況，獲取得到某一位置的單顆球形茶顆粒的顆粒軌跡圖；

得到某一位置的單顆球形茶顆粒的顆粒軌跡圖后，對選取的球形茶顆粒的顆粒軌跡圖進行提取，得到研究對象的球形茶顆粒在炒板翻炒周期內顆粒群內摩擦運動的距離S_n，獲取方法為當球形茶顆粒剛落到鍋體時，利用軟件提取該位置時顆粒的位置坐標為(x₁,y₁,z₁)，此位置炒干機鍋體內炒板的中心位置的坐標為(x₂,y₂,z₂)，當球形茶顆粒拋灑時根據軌跡跟蹤，此時球形茶顆粒的坐標為(x₃,y₃,z₃)，炒板的中心位置坐標為(x₄,y₄,z₄)；則球形茶顆粒從鍋體出發到最后拋灑時，研究的球形茶顆粒在球形茶顆粒群中相對走過的距離的計算公式為：

利用上式對四個典型位置的球形茶顆粒在炒板翻炒周期內顆粒間摩擦運動的距離進行坐標提取求解，分別用S_n1、S_n2、S_n3和S_n4表示，最后再對四個位置得到的結果進行算術平均，作為翻炒周期內球形茶顆粒間摩擦運動的距離；

步驟五：不斷改變電熱絲的位置，即改變加熱裝置的位置，通過仿真軟件進行分析，分析在球形茶炒制過程中W₂和W₃之和在電熱絲的位置不斷變化時的數值，得出W₂和W₃之和最大時加熱絲的位置；

步驟六：根據步驟三、步驟四和步驟五的結果，獲得最終優化的結果，得到炒茶機鍋體的材質，炒茶機鍋體上鍍膜的材質及鍍膜的厚度、炒板的形狀和炒茶機鍋體的形狀以及電熱絲的位置，并以此對球形茶加工設備進行結構優化。