CN112329325A - 一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置技术领域 - Google Patents
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Abstract
根据离散元颗粒模型理论，选择茶叶颗粒形状、接触力学模型以及接触判断算法，构建流体与茶叶颗粒之间的气固耦合方程；基于气固耦合方程，验证杀青机滚筒转速、导片板数量、滚筒倾角对杀青过程中对茶叶颗粒孔隙率、茶叶含水率、温升速率、去水速率的影响；分析影响杀青效果主要因素，得出茶叶杀青优化评判标准，对杀青机机械结构和运动参数进行优化设计。
Description
本发明涉及有关茶叶杀青机装置的结构优化方法，特别涉及的是基于离散元原理的叶杀青机结构优化设计方法。
背景技术
我国是茶树起源地，茶叶生产历史悠久，茶区幅员广阔。绿茶是以适宜茶树新叶为原料，未经发酵，经杀青、揉抢、干燥等典型工艺过程制成的茶叶，其干茶色泽和冲泡后的茶汤、叶底以绿色为主。绿茶在现今各种茶类中产量最高，约占全国茶叶产量的70％。绿茶既是我国茶叶出口的大宗传统产品，又是我国茶叶生产和消费的主导产品。国内目前对于绿茶加工技术和设备的研究较为落后，因此针对绿茶加工技术的研究和绿茶加工机械的优化具有重大意义。
茶叶杀青是通过高温破坏和钝化鲜茶叶中的氧化酶活性，抑制鲜叶中的茶多酷等的酶促氧化，蒸发鲜叶部分水分，使茶叶变软，便于操拾成形，同时散发青臭味，促进良好香气的形成的一种制茶步骤。杀青是绿茶初制的第一道工序，也是关键工序，决定了绿茶的品质。鲜叶在杀青过程中的物理变化主要为三方面：叶温变化、水分散失和体积缩小。杀青时，鲜叶和干燥器壁之间的热传递主要为热传导和热对流两种方式，由于鲜叶与干燥器壁之间存在着温度差，叶片通过吸收热量升温。在叶温升高过程中，叶片水分逐渐蒸发，首先是叶片表面水分的散失，接着叶内失水。由分析可知影响杀青效果的因素主要有温度、时间、投叶量及鲜叶质量。其中，温度是杀青的主要影响因素，温度高时，容易出现焦边现象，较嫩的叶子也会被杀焦；温度低时，杀青叶失水减少，含水量变大，影响杀青叶的质量，因此，要保证杀青质量，必须将温度控制在合适的范围内。
目前国内外对于植物干燥的研究，主要集中在牧草、茶叶和中药材等植物上，对茶叶滚筒杀青的研究，目前主要集中在理论分析方面。这些研究都没有分析滚筒杀青过程中温度场的变化情况，而茶叶在杀青过程中温度变化后，杀青叶所受的应力也将随之变化，这些都可通过对杀青过程进行模拟仿真来进一步分析。随着离散元的发展，近年来许多学者采用离散元研究散体物料间的热交换，物料在热传递过程中温度的变化情况能够直观地显示出来，这方面的研究主要集中在工业生产方面，使用离散元方法探究颗粒的密度、相互之间的接触情况对热传递的影响。由于茶叶群是不连续的离散介质，因此这种研究方法对于研究茶叶杀青有一定启示。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，基于离散元技术，分析了杀青机相关结构和运动参数对温度场的影响规律，构建了茶叶杀青相关的控制模型，对滚筒杀青机进行优化。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤S1、确定杀青机使用过程中杀气叶的运动特点、受力情况和温度变化情况；
步骤S2、使用正交表法综合评价滚筒杀青机的滚筒转速、导叶板数量和分布、导叶板形状等结构和运动参数对杀青效果的影响；
步骤S3、利用建模软件构建杀青机的三维模型，所述模型至少包含茶叶输送装置、筒体和传动机构三个部分组成；
步骤S4、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的材料属性；
步骤S5、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的边界条件；
步骤S6、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的载荷加载设置；
步骤S7、基于所述建立的三维模型，定义杀青机的求解条件设置；
步骤S8、给不同温度的颗粒标上颜色，每计算一个时步，颗粒的颜色更新一次，分析滚筒在不同结构和运动参数时是否均匀杀青；
步骤S9、将单位长度导叶板抄起的茶叶颗粒群体作为一个运动质点来研究，进行茶叶在滚筒的受力分析；
步骤S10：研究茶叶在滚筒中的运动分析，包括茶叶在滚筒内作匀速圆周运动、茶叶在滚筒内作复合运动和茶叶颗粒作抛射运动三种运动情况；
步骤S11、茶叶应力分析；
步骤S12、基于对杀青过程温度场和茶叶颗粒受力的分析，将原有的杀青机结构和运动参数进行了优化，通过仿真与实验验证，确立最终的优化方案。
所述的步骤2中，进行三因素三水平的试验优化，其中导叶板形状取两水平，然后通过对杀青叶的运动及温度、受力进行跟踪，得出结果。
所述的步骤3中，使用的建模软件为CATIA。
所述的步骤3中，筒体的直径为500mm，长度为2000mm，壁厚为2mm，外径为500mm，滚筒倾角为2°。
所述的步骤4中，颗粒间的摩擦系数为1.0，颗粒与壁面摩擦系数为0.8，颗粒比热为3.44，热传导率为0.52％。
所述的步骤5中，物理模型釆用温度和速度结合的混合边界。数值模拟中，设置滚筒筒壁切向和法向刚度分别为5900000N/m和6800000N/m。
所述的步骤6中，经过时间Δt后茶叶温度T(t-Δt)大于0，表达式为
其中m为杀青叶的质量，Cv为茶叶的比热，lp为连接热源的管道长度，Z为管道单位长度的热阻。
所述的步骤7中，热计算时步和机械计算时步表达式为
Δtther/Δtmech≈109lp；
其中，其中：Δtther为热计算的时步，Δtmech为机械计算的时步。
所述的步骤8中，杀青叶温度基本符合正态分布，标准差σ表征杀青叶叶温的均匀度，σ越小，叶温越均匀，标准差函数的表达式为
其中
T1～Tn为各粒子温度。
所述的步骤10中，当茶叶在做匀速圆周运动时，茶叶随着滚筒的转动，茶叶被导叶板提升；当茶叶在做复合运动时，茶叶在匀速圆周运动，同时开始沿导叶板滑动；茶叶上升到一定高度后，脱离导叶板作抛射运动。
所述的步骤11中，将茶叶颗粒进行应力分析，根据切应力互等定理，只需考虑τxy、τxz和τyz，结合仿真中坐标系的设置情况和茶叶颗粒的应力分量情况，只考虑对茶叶成形作用最明显的切应力分量τyz进行分析。
所述的步骤12中，基于对杀青过程温度场和茶叶颗粒受力的分析，将原有的杀青机结构和运动参数进行了优化，通过仿真与实验验证，优化后的杀青机，在杀青质量、生产效率和能源利用率等方面均具有显著优势。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置，通过离散元分析技术的颗粒流法，以外壁加热的滚筒杀青机为例，研究在杀青过程中，滚筒转速、导叶板结构形状、安装倾角和布置方式对杀青叶平均温度、温升速率以及温度均匀性的影响，并对茶叶在杀青机中的受力和运动过程进行分析，优选杀青叶温升速率大，叶温分布均匀的滚筒杀青机结构和运动参数，为滚筒杀青机的优化提供理论依据。
附图说明
图1是本发明茶叶杀青机结构优化装置设计流程图；
图2为本发明滚筒杀青机前视图；
图3为本发明滚筒杀青机左视图；
图4为本发明滚筒杀青机仿真模型；
图5为滚筒上坐标轴的设置；
图6为茶叶在滚筒运动示意图；
图7为本发明优化前后杀青机杀青叶平均温度分布；
图8为优化后滚筒杀青机仿真图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步发明。
实施例
步骤S1、确定杀青机使用过程中杀气叶的运动特点、受力情况和温度变化情况；
步骤S2、使用正交表法综合评价滚筒杀青机的滚筒转速、导叶板数量和分布、导叶板形状等结构和运动参数，进行三因素三水平的试验优化，其中导叶板形状取两水平，然后通过对杀青叶的运动及温度、受力进行跟踪，得出结果；
步骤S3、如图4所示，使用的建模软件为CATIA，构建杀青机茶叶输送装置、筒体和传动机构三个部分的三维模型；
进一步说，如图2、图3所示，筒体的直径为500mm，长度为2000mm，壁厚为2mm，外径为500mm，滚筒倾角为2°；
步骤S4、如图4所示，该图为滚筒杀青机的仿真模型，随后完成对杀青机三维模型的材料属性设置，颗粒间的摩擦系数为1.0，颗粒与壁面摩擦系数为0.8，颗粒比热为3.44，热传导率为0.52％；
步骤S5、完成对杀青机三维模型的边界条件设置，物理模型釆用温度和速度结合的混合边界。数值模拟中，设置滚筒筒壁切向和法向刚度分别为5900000N/m和6800000N/m；
步骤S6、完成对杀青机三维模型的载荷加载设置和求解条件设置；
经过时间Δt后茶叶温度T(t-Δt)大于0，表达式为：
其中m为杀青叶的质量，Cv为茶叶的比热，lp为连接热源的管道长度，Z为管道单位长度的热阻。热计算时步和机械计算时步表达式为：
Δtther/Δtmech≈109lp；
其中，其中：Δtther为热计算的时步，Δtmech为机械计算的时步。
步骤S7、给不同温度的颗粒标上颜色，每计算一个时步，颗粒的颜色更新一次，分析滚筒在不同结构和运动参数时是否均匀杀青，杀青叶温度基本符合正态分布，标准差σ表征杀青叶叶温的均匀度，σ越小，叶温越均匀，标准差函数的表达式为
其中
T1～Tn为各粒子温度；
步骤S8、图5为茶叶在滚筒受力分析时，采用的坐标系的设置，坐标系OXYZ和O1X1Y1Z1，其中OX与水平面的夹角为β角，O1X1Y1Z1则是由OXYZ坐标系先绕OY顺时针绕α角，再绕OX轴逆时针旋转ωt角，并将原点坐标从O移到O1点而变换来的，则OXYZ和O1X1Y1Z1存在如下关系:
其中R为滚筒半径。
步骤S9、茶叶颗粒受到的作用力有重力G、导叶板和筒壁的反力N1和N2、导叶板和筒壁对茶叶颗粒的摩擦力N1f和N2f、离心惯性力P＝mRω2其中重力G在O1X1Y1Z1坐标系下可分解为三个分力
和
步骤S10，如图6所示，为茶叶在滚筒运动示意图，运动的四个阶段为匀速圆周运动(A1～A2)：随着滚筒的转动，茶叶被导叶板提升；复合运动(A2～A3)：茶叶在匀速圆周运动的同时，开始沿导叶板滑动；抛射运动(A3～A0)：茶叶上升到一定高度后，脱离导叶板作抛射运动；滑动(A0～A1)：茶叶与滚筒内壁接触，并相对筒壁滑动，直到再接触导叶板并开始作匀速圆周运动，在本阶段茶叶与筒壁始终接触。
步骤S11、将茶叶颗粒进行应力分析，根据切应力互等定理，只需考虑τxy、τxz和τyz，结合仿真中坐标系的设置情况和茶叶颗粒的应力分量情况，只考虑对茶叶成形作用最明显的切应力分量τyz进行分析，在计算过程中，以滚筒轴线为中心线，取滚筒横截面，以轴为分界线，由于杀青过程中茶叶在十点到十点半的位置被抛落，现取Z轴左侧的滚筒截面布置测量圆，分别对滚筒内壁六点至十点钟范围内等间距的三处茶叶颗粒的应力变化情况进行测量，因为杀青过程中导叶板对茶叶成形起着重要作用，因此测量圆圆心与滚筒内壁面的距离应小于导叶板的高度，此处测量圆半径取茶叶颗粒平均半径，测量圆圆心距滚筒左侧端面0.2m。
步骤S12、对原有杀青机结构和运动参数进行优化，并在滚筒转速为33r/min，导叶板倾角17°，形状为“L”形，滚筒温度和倾角与优化前一样的条件下进行过程数值模拟，优化前后杀青叶的平均叶温变化如图7所示。
步骤S13、如图8所示，为优化后滚筒杀青机仿真图，优化后的杀青机茶叶在滚筒内壁的覆盖面积大于优化前的，即散度大于优化前的，茶叶上升的高度也高于前者，这与实验中的情况一致。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (12)
1.一种基于离散元原理茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：确定杀青机使用过程中杀气叶的运动特点、受力情况和温度变化情况；
S2：使用正交表法综合评价滚筒杀青机的滚筒转速、导叶板数量和分布、导叶板形状等结构和运动参数对杀青效果的影响；
S3：利用建模软件构建杀青机的三维模型，所述模型至少包含茶叶输送装置、筒体和传动机构三个部分组成；
S4：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的材料属性；
S5：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的边界条件；
S6：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的载荷加载设置；
S7：基于所述建立的三维模型，定义杀青机的求解条件设置；
S8：给不同温度的颗粒标上颜色，每计算一个时步，颗粒的颜色更新一次，分析滚筒在不同结构和运动参数时是否均匀杀青；
S9：将单位长度导叶板抄起的茶叶颗粒群体作为一个运动质点来研究，进行茶叶在滚筒的受力分析；
S10：研究茶叶在滚筒中的运动分析，包括茶叶在滚筒内作匀速圆周运动、茶叶在滚筒内作复合运动和茶叶颗粒作抛射运动三种运动情况；
S11：茶叶应力分析；
S12：基于对杀青过程温度场和茶叶颗粒受力的分析，将原有的杀青机结构和运动参数进行了优化，通过仿真与实验验证，确立最终的优化方案。
2.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤2中，进行三因素三水平的试验优化，其中导叶板形状取两水平，然后通过对杀青叶的运动及温度、受力进行跟踪，得出结果。
3.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤3中，使用的建模软件为CATIA。
4.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤3中，筒体的直径为500mm，长度为2000mm，壁厚为2mm，外径为500mm，滚筒倾角为2°。
5.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤4中，颗粒间的摩擦系数为1.0，颗粒与壁面摩擦系数为0.8，颗粒比热为3.44，热传导率为0.52％。
6.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤5中，物理模型釆用温度和速度结合的混合边界。数值模拟中，设置滚筒筒壁切向和法向刚度分别为5900000N/m和6800000N/m。
7.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤6中，经过时间Δt后茶叶温度T(t-Δt)大于0，表达式为
其中m为杀青叶的质量，Cv为茶叶的比热，lp为连接热源的管道长度，Z为管道单位长度的热阻。
8.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤7中，热计算时步和机械计算时步表达式为Δtther/Δtmech≈109lp，其中，其中：Δtther为热计算的时步，Δtmech为机械计算的时步。
9.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤8中，杀青叶温度基本符合正态分布，标准差σ表征杀青叶叶温的均匀度，σ越小，叶温越均匀，标准差函数的表达式为
其中
T1～Tn为各粒子温度。
10.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤10中，当茶叶在做匀速圆周运动时，茶叶随着滚筒的转动，茶叶被导叶板提升；当茶叶在做复合运动时，茶叶在匀速圆周运动，同时开始沿导叶板滑动；茶叶上升到一定高度后，脱离导叶板作抛射运动。
11.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤11中，将茶叶颗粒当做该物体进行应力分析，根据切应力互等定理，只需考虑τxy、τxz和τyz，结合仿真中坐标系的设置情况和茶叶颗粒的应力分量情况，只考虑对茶叶成形作用最明显的切应力分量τyz进行分析。
12.根据权利1茶叶杀青机结构优化装置方法，其特征在于，所述的步骤12中，基于对杀青过程温度场和茶叶颗粒受力的分析，将原有的杀青机结构和运动参数进行了优化，通过仿真与实验验证，优化后的杀青机，在杀青质量、生产效率和能源利用率等方面均具有显著优势。
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