CN109635333A - 一种球形茶加工设备的结构优化方法 - Google Patents

Abstract

一种球形茶加工设备的结构优化方法，包括如下步骤：步骤一：确定影响球形茶成型的机械功；骤二：建立球形茶颗粒模型；步骤三：确定影响球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁的因素；步骤三：通过仿真软件计算球形茶颗粒之间摩擦运动的距离Sn进而计算周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃之和；步骤四：不断改变电热丝的位置，使得出W₂和W₃之和最大时加热丝的位置；步骤五：根据步骤三、步骤四和步骤五的结果，获得最终优化的结果，并以此对球形茶加工设备进行结构优化。本发明使用球形茶颗粒群机械功做功效率作为球形茶加工设备的结构优化方法的根据，对提高球形茶加工品质的提高意义深远。

Description

一种球形茶加工设备的结构优化方法

技术领域

本发明涉及茶叶加工领域，更具体的说，尤其一种球形茶加工设备的结构优化方法。

背景技术

目前球形茶作为主要的一种消费茶，出口历史悠久，世界闻名。在球形茶当中以珠茶最为典型。在历史上，珠茶起源于绍兴平水，品质高，外形圆润，价格昂贵。二十世纪八十年代，珠茶多次获得茶叶大奖。近年我国珠茶的出口量绍兴珠茶约占一半比重，经济影响深远。珠茶作为球形茶的代表在茶叶出口中占有很大比重，越来越受到国内外消费者的喜爱。

茶树的起源距今已有六到七万年漫长的历史，最初茶的利用是在原始社会中野生采集中发生的。中国是茶树的发源地，4000多年前，我国就开始利用茶叶，被人们作为解暑的良品。茶叶通过深加工后，可以作为食品或者医药的添加原材料。一般茶叶的加工过程主要分为三部分：茶叶的初制加工、茶叶的精制加工和茶叶的深加工。

茶叶初制加工过程中，翻炒成形是一道非常重要的工序，将很大程度上影响茶叶品质及茶叶成形效果的优劣。茶叶在翻炒过程中，将会发生一系列的物理、化学变化，茶叶在翻炒过程中被加工成球形，翻炒成形是茶叶成形、成味、成香、成色的协同工作

但是长期以来球形茶加工设备对于炒茶的温度，风速，时间和炒板速度并没有加以调控，因此提出一种球形茶加工设备的的结构优化方法，对提高球形茶加工品质的提高意义深远。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题而提供一种球形茶加工设备的结构优化方法，用于对球形茶加工设备对于炒茶的温度，风速，时间和炒板速度进行调控，以提高茶叶品质及茶叶成形效果。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种球形茶加工设备的结构优化方法，包括如下步骤：

步骤一：确定影响球形茶成型的机械功

球形茶加工设备在进行翻炒的过程中，球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁、周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃构成影响球形茶成型的机械功W，因此以球形茶颗粒群机械功做功效率作为对球形茶成形能力的评价指标；

步骤二：建立球形茶颗粒模型

球形茶加工设备的炒茶机锅体内球形茶颗粒受到炒板的运动加速度的作用下产生挤压，假设球形茶颗粒为球形颗粒，炒茶机锅体内的所有球形茶颗粒组成球形茶颗粒群，球形茶颗粒群内的任何一颗球形茶颗粒将同时与12个球形茶颗粒接触，这12个球形茶颗粒包括沿着炒板运动方向的上下两层各设置的三颗呈“品”字形分布的球形茶颗粒与球形茶颗粒位于同一平面的周围设置有六颗呈六边形分布球形茶颗粒；

假设炒板的运动加速度为ε，球形茶颗粒运动方向与相邻任何一颗球形茶颗粒挤压力方向间的夹角为π/6，则单颗球形茶颗粒之间的挤压力F_j为：F_j＝mε_maxcos(π/6)；

球形茶颗粒之间的摩擦力F_nf为：F_nf＝μ_nF_j；

步骤三：确定影响球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁的因素

因为W₁是球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦力所做的功，由摩擦力公式F＝μ×FN可知，在球形茶颗粒不变的情况下，能改进的只有μ，即影响因素包括炒茶机锅体的材质以及炒茶机锅体内表面的材质，通过改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜，并在改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜后不断进行仿真分析得出不同情况下球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁，得出球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁最佳时炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜的厚度；

步骤三：通过仿真软件计算球形茶颗粒之间摩擦运动的距离Sn，进而计算周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃之和，不断的改变炒板和炒茶机锅体形状并不停的进行仿真计算，直至得出W₂和W₃之和的最大值；

步骤四：不断改变电热丝的位置，即改变加热装置的位置，通过仿真软件进行分析，分析在球形茶炒制过程中W₂和W₃之和在电热丝的位置不断变化时的数值，得出W₂和W₃之和最大时加热丝的位置；

步骤五：根据步骤三、步骤四和步骤五的结果，获得最终优化的结果，得到炒茶机锅体的材质，炒茶机锅体上镀膜的材质及镀膜的厚度、炒板的形状和炒茶机锅体的形状以及电热丝的位置，并以此对球形茶加工设备进行结构优化。

进一步的，炒茶机锅体内单颗球形茶颗粒在挤压力的作用下，还需克服3颗球形茶颗粒的内摩擦力，假设加工过程中球形茶颗粒的运动距离为S_n，则内摩擦力做功为：

W₃＝3F_nfS_n；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒成形过程是离散相颗粒之间能量的传递过程，通过基于离散元素法的分析软件EDEM进行球形茶颗粒翻炒成形过程的数值模拟，并确定球形茶颗粒在球形茶炒干机的茶叶锅内的翻炒周期内茶页颗粒群内摩擦运动的距离；

当球形茶颗粒在炒茶机锅体内翻炒时，在Hertz理论基础上建立接触模型，切向力是建立在Mindlin-Deresiewiez的研究上，将法向力以及切向力进行叠加得到的合力和合力矩，其中考虑到球形茶颗粒间因含水分等原因发生明显粘结和团聚，所以采用JKRCohesion接触模型求解；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒的成形过程中，球形茶颗粒在炒板的作用下不断被抛起和抛散，球形茶颗粒周期性的先从炒茶机的锅体底部出发，在炒茶机锅体内做摩擦运动，当球形茶颗粒在炒茶机锅体体内达到一定高度时然后抛起做斜抛运动，再落到炒茶机锅体上并不断重复以上运动；为此选取炒板翻炒运动周期内四个典型位置的球形茶颗粒为研究对象，四个典型位置的球形茶颗粒需要保证球形茶颗粒之间是充分接触的；

对四个典型位置的球形茶颗粒进行标记，并分析某一位置单颗球形茶颗粒在炒茶机锅体内的轨迹运动情况，获取得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图；

得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图后，对选取的球形茶颗粒的颗粒轨迹图进行提取，得到研究对象的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒群内摩擦运动的距离S_n，获取方法为当球形茶颗粒刚落到锅体时，利用软件提取该位置时颗粒的位置坐标为(x₁,y₁,z₁)，此位置炒干机锅体内炒板的中心位置的坐标为(x₂,y₂,z₂)，当球形茶颗粒抛洒时根据轨迹跟踪，此时球形茶颗粒的坐标为(x₃,y₃,z₃)，炒板的中心位置坐标为(x₄,y₄,z₄)；则球形茶颗粒从锅体出发到最后抛洒时，研究的球形茶颗粒在球形茶颗粒群中相对走过的距离的计算公式为：

利用上式对四个典型位置的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒间摩擦运动的距离进行坐标提取求解，分别用S_n1、S_n2、S_n3和S_n4表示，最后再对四个位置得到的结果进行算术平均，作为翻炒周期内球形茶颗粒间摩擦运动的距离。

本发明的有益效果在于：本发明使用球形茶颗粒群机械功做功效率作为球形茶加工设备的结构优化方法的根据，对提高球形茶加工品质的提高意义深远；通过模型建立并进行仿真，得出了颗粒群内摩擦运动的距离，增加了方法结果的可信度；根据现有球形茶加工设备的结构，通过仿真不断优化，提高了优化的普适性；

附图说明

图1是本发明球形茶颗粒模型的示意图。

图2是本发明球形茶加工设备的结构示意图。

图中，1-电机、2-传动机构、3-中心轴、4-炒板、5-炒茶机锅体、6-电热丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和2所示，一种球形茶加工设备的结构优化方法，用于对球形茶加工设备进行结构优化，球形茶加工设备包括电机1、传动机构2、中心轴3、炒板4、炒茶机锅体5和电热丝6，电机1通过传动机构2带动中心轴3往复转动，进而带动炒板4在炒茶机锅体5内往复运动进行炒茶操作，电热丝6设置在炒茶机锅体5外侧用于对炒茶机锅体5进行加热。

所述结构优化方法包括如下步骤：

步骤一：确定影响球形茶成型的机械功

球形茶加工设备在进行翻炒的过程中，球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁、周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃构成影响球形茶成型的机械功W，因此以球形茶颗粒群机械功做功效率作为对球形茶成形能力的评价指标；

步骤二：建立球形茶颗粒模型

球形茶加工设备的炒茶机锅体内球形茶颗粒受到炒板的运动加速度的作用下产生挤压，假设球形茶颗粒为球形颗粒，炒茶机锅体内的所有球形茶颗粒组成球形茶颗粒群，球形茶颗粒群内的任何一颗球形茶颗粒将同时与12个球形茶颗粒接触，这12个球形茶颗粒包括沿着炒板运动方向的上下两层各设置的三颗呈“品”字形分布的球形茶颗粒与球形茶颗粒位于同一平面的周围设置有六颗呈六边形分布球形茶颗粒；

假设炒板的运动加速度为ε，球形茶颗粒运动方向与相邻任何一颗球形茶颗粒挤压力方向间的夹角为π/6，则单颗球形茶颗粒之间的挤压力F_j为：F_j＝mε_maxcos(π/6)；

球形茶颗粒之间的摩擦力F_nf为：F_nf＝μ_nF_j；

步骤三：确定影响球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁的因素

因为W₁是球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦力所做的功，由摩擦力公式F＝μ×FN可知，在球形茶颗粒不变的情况下，能改进的只有μ，即影响因素包括炒茶机锅体的材质以及炒茶机锅体内表面的材质，通过改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜，并在改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜后不断进行仿真分析得出不同情况下球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁，得出球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁最佳时炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜的厚度；

步骤三：通过仿真软件计算球形茶颗粒之间摩擦运动的距离Sn，进而计算周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃之和，不断的改变炒板和炒茶机锅体形状并不停的进行仿真计算，直至得出W₂和W₃之和的最大值；

步骤四：不断改变电热丝的位置，即改变加热装置的位置，通过仿真软件进行分析，分析在球形茶炒制过程中W₂和W₃之和在电热丝的位置不断变化时的数值，得出W₂和W₃之和最大时加热丝的位置；

步骤五：根据步骤三、步骤四和步骤五的结果，获得最终优化的结果，得到炒茶机锅体的材质，炒茶机锅体上镀膜的材质及镀膜的厚度、炒板的形状和炒茶机锅体的形状以及电热丝的位置，并以此对球形茶加工设备进行结构优化。

炒茶机锅体内单颗球形茶颗粒在挤压力的作用下，还需克服3颗球形茶颗粒的内摩擦力，假设加工过程中球形茶颗粒的运动距离为S_n，则内摩擦力做功为：

W₃＝3F_nfS_n；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒成形过程是离散相颗粒之间能量的传递过程，通过基于离散元素法的分析软件EDEM进行球形茶颗粒翻炒成形过程的数值模拟，并确定球形茶颗粒在球形茶炒干机的茶叶锅内的翻炒周期内茶页颗粒群内摩擦运动的距离；

当球形茶颗粒在炒茶机锅体内翻炒时，在Hertz理论基础上建立接触模型，切向力是建立在Mindlin-Deresiewiez的研究上，将法向力以及切向力进行叠加得到的合力和合力矩，其中考虑到球形茶颗粒间因含水分等原因发生明显粘结和团聚，所以采用JKRCohesion接触模型求解；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒的成形过程中，球形茶颗粒在炒板的作用下不断被抛起和抛散，球形茶颗粒周期性的先从炒茶机的锅体底部出发，在炒茶机锅体内做摩擦运动，当球形茶颗粒在炒茶机锅体体内达到一定高度时然后抛起做斜抛运动，再落到炒茶机锅体上并不断重复以上运动；为此选取炒板翻炒运动周期内四个典型位置的球形茶颗粒为研究对象，四个典型位置的球形茶颗粒需要保证球形茶颗粒之间是充分接触的；

对四个典型位置的球形茶颗粒进行标记，并分析某一位置单颗球形茶颗粒在炒茶机锅体内的轨迹运动情况，获取得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图；

得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图后，对选取的球形茶颗粒的颗粒轨迹图进行提取，得到研究对象的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒群内摩擦运动的距离S_n，获取方法为当球形茶颗粒刚落到锅体时，利用软件提取该位置时颗粒的位置坐标为(x₁,y₁,z₁)，此位置炒干机锅体内炒板的中心位置的坐标为(x₂,y₂,z₂)，当球形茶颗粒抛洒时根据轨迹跟踪，此时球形茶颗粒的坐标为(x₃,y₃,z₃)，炒板的中心位置坐标为(x₄,y₄,z₄)；则球形茶颗粒从锅体出发到最后抛洒时，研究的球形茶颗粒在球形茶颗粒群中相对走过的距离的计算公式为：

利用上式对四个典型位置的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒间摩擦运动的距离进行坐标提取求解，分别用S_n1、S_n2、S_n3和S_n4表示，最后再对四个位置得到的结果进行算术平均，作为翻炒周期内球形茶颗粒间摩擦运动的距离。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (2)

1.一种球形茶加工设备的结构优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：确定影响球形茶成型的机械功

球形茶加工设备在进行翻炒的过程中，球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁、周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃构成影响球形茶成型的机械功W，因此以球形茶颗粒群机械功做功效率作为对球形茶成形能力的评价指标；

步骤二：建立球形茶颗粒模型

球形茶加工设备的炒茶机锅体内球形茶颗粒受到炒板的运动加速度的作用下产生挤压，假设球形茶颗粒为球形颗粒，炒茶机锅体内的所有球形茶颗粒组成球形茶颗粒群，球形茶颗粒群内的任何一颗球形茶颗粒将同时与12个球形茶颗粒接触，这12个球形茶颗粒包括沿着炒板运动方向的上下两层各设置的三颗呈“品”字形分布的球形茶颗粒与球形茶颗粒位于同一平面的周围设置有六颗呈六边形分布球形茶颗粒；

假设炒板的运动加速度为ε，球形茶颗粒运动方向与相邻任何一颗球形茶颗粒挤压力方向间的夹角为π/6，则单颗球形茶颗粒之间的挤压力F_j为：F_j＝mε_maxcos(π/6)；

球形茶颗粒之间的摩擦力F_nf为：F_nf＝μ_nF_j；

步骤三：确定影响球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁的因素

因为W₁是球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦力所做的功，由摩擦力公式F＝μ×FN可知，在球形茶颗粒不变的情况下，能改进的只有μ，即影响因素包括炒茶机锅体的材质以及炒茶机锅体内表面的材质，通过改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜，并在改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜后不断进行仿真分析得出不同情况下球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁，得出球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁最佳时炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜的厚度；

步骤三：通过仿真软件计算球形茶颗粒之间摩擦运动的距离Sn，进而计算周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃之和，不断的改变炒板和炒茶机锅体形状并不停的进行仿真计算，直至得出W₂和W₃之和的最大值；

步骤四：不断改变电热丝的位置，即改变加热装置的位置，通过仿真软件进行分析，分析在球形茶炒制过程中W₂和W₃之和在电热丝的位置不断变化时的数值，得出W₂和W₃之和最大时加热丝的位置；

步骤五：根据步骤三、步骤四和步骤五的结果，获得最终优化的结果，得到炒茶机锅体的材质，炒茶机锅体上镀膜的材质及镀膜的厚度、炒板的形状和炒茶机锅体的形状以及电热丝的位置，并以此对球形茶加工设备进行结构优化。

2.根据权利要求1所述的一种球形茶加工设备的结构优化方法，其特征在于：炒茶机锅体内单颗球形茶颗粒在挤压力的作用下，还需克服3颗球形茶颗粒的内摩擦力，假设加工过程中球形茶颗粒的运动距离为S_n，则内摩擦力做功为：

W₃＝3F_nfS_n；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒成形过程是离散相颗粒之间能量的传递过程，通过基于离散元素法的分析软件EDEM进行球形茶颗粒翻炒成形过程的数值模拟，并确定球形茶颗粒在球形茶炒干机的茶叶锅内的翻炒周期内茶页颗粒群内摩擦运动的距离；

当球形茶颗粒在炒茶机锅体内翻炒时，在Hertz理论基础上建立接触模型，切向力是建立在Mindlin-Deresiewiez的研究上，将法向力以及切向力进行叠加得到的合力和合力矩，其中考虑到球形茶颗粒间因含水分等原因发生明显粘结和团聚，所以采用JKR Cohesion接触模型求解；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒的成形过程中，球形茶颗粒在炒板的作用下不断被抛起和抛散，球形茶颗粒周期性的先从炒茶机的锅体底部出发，在炒茶机锅体内做摩擦运动，当球形茶颗粒在炒茶机锅体体内达到一定高度时然后抛起做斜抛运动，再落到炒茶机锅体上并不断重复以上运动；为此选取炒板翻炒运动周期内四个典型位置的球形茶颗粒为研究对象，四个典型位置的球形茶颗粒需要保证球形茶颗粒之间是充分接触的；

对四个典型位置的球形茶颗粒进行标记，并分析某一位置单颗球形茶颗粒在炒茶机锅体内的轨迹运动情况，获取得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图；

得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图后，对选取的球形茶颗粒的颗粒轨迹图进行提取，得到研究对象的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒群内摩擦运动的距离S_n，获取方法为当球形茶颗粒刚落到锅体时，利用软件提取该位置时颗粒的位置坐标为(x₁,y₁,z₁)，此位置炒干机锅体内炒板的中心位置的坐标为(x₂,y₂,z₂)，当球形茶颗粒抛洒时根据轨迹跟踪，此时球形茶颗粒的坐标为(x₃,y₃,z₃)，炒板的中心位置坐标为(x₄,y₄,z₄)；则球形茶颗粒从锅体出发到最后抛洒时，研究的球形茶颗粒在球形茶颗粒群中相对走过的距离的计算公式为：

利用上式对四个典型位置的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒间摩擦运动的距离进行坐标提取求解，分别用S_n1、S_n2、S_n3和S_n4表示，最后再对四个位置得到的结果进行算术平均，作为翻炒周期内球形茶颗粒间摩擦运动的距离。