往復(fù)式茶葉振動(dòng)抖篩機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王小勇 余 志 倪德江

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院,武漢 430070; 2.果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

0 引言

茶葉品質(zhì)包括外形與內(nèi)質(zhì),其中外形又包括形狀與色澤,內(nèi)質(zhì)包括湯色、香氣、滋味和葉底[1]。內(nèi)質(zhì)主要受茶多酚、氨基酸等非揮發(fā)性物質(zhì)和芳香物質(zhì)等揮發(fā)性物質(zhì)的影響,質(zhì)量與初加工相關(guān)[2]。外形是影響消費(fèi)者購(gòu)買欲的第一感官品質(zhì),外觀整齊一致的茶葉不僅受到消費(fèi)者青睞,同時(shí)也影響茶葉包裝性能與成本,而外形質(zhì)量與毛茶精制密切相關(guān)[3]。

茶葉精加工的流程包括篩分、切細(xì)、風(fēng)選、揀梗、車色和干燥等步驟,其中篩分工序主要是對(duì)毛茶的長(zhǎng)短、粗細(xì)、大小進(jìn)行整理,以及剔除茶梗、碎石等茶類和非茶類夾雜物,使茶葉外形整齊劃一,有利于后續(xù)的風(fēng)選揀梗等工序操作[4]。抖篩作為整個(gè)篩分工序中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié),可以篩出茶頭和筋梗,而完成抖篩的設(shè)備主要是抖篩機(jī)。衡量抖篩機(jī)效果與性能的指標(biāo)為誤篩率和生產(chǎn)率。

目前對(duì)茶葉抖篩機(jī)的相關(guān)研究較少,相關(guān)類似抖篩的研究主要還是集中在農(nóng)產(chǎn)品(大米、大豆、玉米等)以及礦業(yè)領(lǐng)域[5-7]。在農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域,NING等[8]設(shè)計(jì)了一種大豆雙層振動(dòng)篩;WEI等[9]分析了馬鈴薯-土壤混合料篩分過(guò)程中的損傷機(jī)理;YEOUN等[10]研究了紫蘇顆粒在橢圓振動(dòng)篩上的速度。在礦業(yè)領(lǐng)域,SHANMUGAM等[11]結(jié)合正交試驗(yàn)研究了水分、角度、頻率等操作參數(shù)對(duì)振動(dòng)篩篩分煤炭的影響。MONCADA等[12]對(duì)雙層直線運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩礦石運(yùn)動(dòng)及其與篩板的相互作用進(jìn)行研究。ZHAO等[13]研究了顆粒在篩板上的運(yùn)動(dòng)與振動(dòng)篩分級(jí)過(guò)程。在茶葉領(lǐng)域,ZHAO等[14]對(duì)茶葉抖篩過(guò)程進(jìn)行仿真;李兵等[15]結(jié)合蟻群算法對(duì)茶葉抖篩機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);浙江上洋茶葉機(jī)械公司研制出了一種全封閉式符合集中除塵功能的新型拋振式茶葉抖篩機(jī)[16];王成軍等[17-18]設(shè)計(jì)了三維振動(dòng)茶葉篩分機(jī)和二自由度茶葉滾筒篩分機(jī),并研究各主要工作參數(shù)對(duì)篩分效果的影響。

綜上所述,上述學(xué)者主要通過(guò)對(duì)篩分設(shè)備的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)和篩分過(guò)程進(jìn)行研究,以提高篩分效率,而且大部分通過(guò)算法模擬優(yōu)化、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者試驗(yàn)分析來(lái)進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)?？紤]到經(jīng)過(guò)加工后的毛茶外形并非規(guī)則的球形,大部分呈橢圓狀卷曲和U形狀卷曲的外形,并且抖篩作業(yè)中茶葉的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,茶葉需在抖篩網(wǎng)上經(jīng)過(guò)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)、離開篩面被拋起運(yùn)動(dòng)以及顆粒落到篩孔后的碰撞運(yùn)動(dòng)3個(gè)過(guò)程,完成茶葉抖篩作業(yè)。因此茶葉抖篩機(jī)理研究對(duì)提高篩分效率具有重要影響,但目前關(guān)于抖篩機(jī)理的相關(guān)研究較少,現(xiàn)有篩分理論分析與模型搭建并不適用于茶葉抖篩機(jī),缺少往復(fù)式振動(dòng)抖篩機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)改進(jìn)的理論支撐。因此,本文建立往復(fù)式茶葉振動(dòng)抖篩機(jī)篩分過(guò)程茶葉顆粒的動(dòng)力學(xué)模型,分析茶葉在篩床上的抖篩機(jī)理,通過(guò)EDEM模型和篩分試驗(yàn)對(duì)茶葉抖篩機(jī)的最佳工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以提高篩分效率。

1 材料與方法

1.1 往復(fù)式茶葉振動(dòng)抖篩機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

往復(fù)式茶葉振動(dòng)抖篩機(jī)由上茶裝置、螺旋升降機(jī)構(gòu)、上層篩床、下層篩床、曲柄、電動(dòng)機(jī)、機(jī)架等構(gòu)成。整機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,篩床的一端安裝在上茶裝置下方,與上茶裝置出茶口相對(duì),另一端與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連,并通過(guò)螺旋升降機(jī)構(gòu)調(diào)整篩床與水平面的傾斜角,往復(fù)式茶葉抖篩機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 往復(fù)式茶葉抖篩機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

6CD-116型往復(fù)式茶葉抖篩機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

往復(fù)式茶葉振動(dòng)抖篩機(jī)的工作原理是:往復(fù)式茶葉振動(dòng)抖篩機(jī)工作時(shí),通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源,經(jīng)過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到篩面上,使篩床前后往復(fù)抖動(dòng)。茶葉通過(guò)上茶裝置進(jìn)入并通過(guò)閘門調(diào)節(jié)進(jìn)入篩面茶葉量。茶葉進(jìn)入篩面后在篩床的前后往復(fù)抖動(dòng)和篩床傾斜角的作用下開始運(yùn)動(dòng),茶葉在篩分過(guò)程中受隨篩面運(yùn)動(dòng)的離心慣性力、茶葉與篩面的摩擦力及茶葉撞擊篩孔的撞擊力,使茶葉在篩床上輕微跳動(dòng),細(xì)的茶條則可以穿過(guò)篩面,到達(dá)下層篩面,而粗的茶條無(wú)法通過(guò)篩面,則從篩床的出口方向滑出,從而達(dá)到篩分茶葉粗細(xì)的目的[19]。在茶葉精制生產(chǎn)線上,可以通過(guò)控制輸送裝置上料速度,完成茶葉精制加工的連續(xù)化作業(yè)。

1.2 茶葉-篩床動(dòng)力學(xué)模型建立

茶葉篩分過(guò)程中主要受到篩床往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力、茶葉與篩面的摩擦以及茶葉在跳動(dòng)后與篩孔之間產(chǎn)生碰撞,從而區(qū)分出茶葉粗細(xì)。因此茶葉在篩面的運(yùn)動(dòng)形式主要有:茶葉顆粒沿篩床上下運(yùn)動(dòng)、茶葉顆粒離開篩面被拋起運(yùn)動(dòng)以及顆粒落到篩孔后與篩面的碰撞運(yùn)動(dòng)。已有多位學(xué)者通過(guò)離散元的方法分析了茶葉鮮葉分級(jí)、理?xiàng)l、干燥等過(guò)程[20-23],因此本研究結(jié)合茶葉物料具有的離散特性,以單個(gè)茶葉顆粒為研究對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

1.2.1茶葉顆粒沿篩床上下運(yùn)動(dòng)分析

茶葉沿篩面上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,隨篩面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力與篩面運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。為了使茶葉不斷流向出茶口,則茶葉沿篩面向下的速度需大于茶葉沿篩面向上的速度,為了降低誤篩率和提高篩分效率,則需增加茶葉在篩面運(yùn)動(dòng)距離,因此茶葉需能夠沿著篩面向上運(yùn)動(dòng)[24-26]。茶葉在篩面的運(yùn)動(dòng)受力分析如圖2所示。

圖2 茶葉沿篩床上下運(yùn)動(dòng)受力分析

篩床往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度v由茶葉抖篩機(jī)曲柄帶動(dòng)搖桿擺動(dòng)所產(chǎn)生,茶葉沿篩面運(yùn)動(dòng)速度v0則由篩床產(chǎn)生,篩床往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),則有

L=-Aωcos(ωt)

(1)

v=Aωsin(ωt)

(2)

a0=Aω2cos(ωt)

(3)

v0=vcosα=Aωsin(ωt)cosα

(4)

式中L——抖篩機(jī)篩床位移,m

A——茶葉抖篩機(jī)篩面振動(dòng)幅度,m

ω——抖篩機(jī)篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s

t——篩分時(shí)間,s

a0——篩床加速度,m/s2

α——茶葉抖篩機(jī)篩面傾斜角,(°)

當(dāng)慣性力方向沿篩面向上時(shí),沿斜面方向合力F1和支持力N可以表示為

F1=Fcos(θ-α)-f-mgsinα

(5)

N=mgcosα-Fsin(θ-α)

(6)

其中

f=Ntanφ

(7)

F=ma0=mAω2cos(ωt)

(8)

式中F——茶葉顆粒受到的慣性力,N

θ——振動(dòng)方向角,取53°[14]

f——茶葉顆粒沿著篩面的摩檫力,N

m——茶葉顆粒質(zhì)量,kg

g——重力加速度,取9.8 m/s2

φ——茶葉與茶葉抖篩機(jī)篩面的靜摩擦角,取20°[27]

將式(7)、(8)代入式(5)、(6)后整理得

F1=mAω2cos(ωt)cos(θ-α)-Ntanφ-mgsinα

(9)

N=mgcosα-mAω2cos(ωt)sin(θ-α)

(10)

同理,當(dāng)慣性力方向沿篩面向下時(shí),沿斜面方向合力F1和支持力N可以表示為

F1=Fcos(θ-α)-f+mgsinα

(11)

N=mgcosα+Fsin(θ-α)

(12)

整理可得

F1=mAω2cos(ωt)cos(θ-α)-Ntanφ+mgsinα

(13)

N=mgcosα+mAω2cos(ωt)sin(θ-α)

(14)

分析可知,茶葉沿著篩面上下運(yùn)動(dòng)與篩面振動(dòng)幅度A、篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、篩面傾斜角α、茶葉顆粒質(zhì)量m、在篩面所受到的摩擦力f有關(guān)。當(dāng)慣性力沿篩面向上時(shí),當(dāng)支持力N小于0時(shí),茶葉顆粒將離開篩面被拋起,當(dāng)沿斜面方向合力F1大于0時(shí),茶葉顆粒沿著篩面往上運(yùn)動(dòng),降低了茶葉抖篩機(jī)篩面振動(dòng)幅度A和抖篩機(jī)篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω,有利于茶葉離開篩面被拋起;同理當(dāng)慣性力沿篩面向下時(shí),當(dāng)支持力N小于0時(shí),茶葉顆粒將離開篩面被拋起,當(dāng)沿斜面方向合力F1大于0時(shí),茶葉顆粒沿著篩面向下運(yùn)動(dòng),增大了茶葉抖篩機(jī)篩面振動(dòng)幅度A和抖篩機(jī)篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω,有利于茶葉離開篩面被拋起。

1.2.2茶葉顆粒離開篩面被拋起時(shí)運(yùn)動(dòng)分析

茶葉顆粒在篩面往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生輕微跳動(dòng)而被拋起,忽略茶葉在空中所受到的阻力,茶葉在拋起的瞬間支持力為0,在空中只受到重力作用,根據(jù)牛頓第二定律,此時(shí)茶葉顆粒在離開篩面進(jìn)行斜拋運(yùn)動(dòng)。假設(shè)茶葉離開篩面時(shí)速度為v1,速度和水平方向夾角為τ,茶葉顆粒從t1時(shí)刻離開篩面,t2時(shí)刻茶葉顆粒與篩面接觸,茶葉顆粒離開篩面的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 茶葉顆粒離開篩面被拋起運(yùn)動(dòng)分析

茶葉離開篩面時(shí)初始速度為v1,由圖3可知

(15)

式中vx、vy、vz——茶葉離開篩面的初始速度v1在圖示坐標(biāo)系X、Y、Z方向上的分量,m/s

茶葉在垂直篩面方向作自由落體運(yùn)動(dòng),則有

(16)

式中z——茶葉顆粒運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的豎直位移,m

茶葉在X、Y方向的位移可以表示為

(17)

(18)

其中

Δz=Acos(ωt2)-Acos(ωt1)

(19)

式中 Δz——茶葉顆粒做拋體運(yùn)動(dòng)時(shí)篩床位移,m

ε——速度v1在平行于篩面平面上的投影與v1的夾角,(°)

x——茶葉顆粒從拋起到接觸篩網(wǎng)沿篩面方向位移,m

y——茶葉顆粒從拋起到接觸篩網(wǎng)垂直篩面方向的軸向位移,m

將式(19)代入式(17)、(18)后,可以得到

(20)

(21)

根據(jù)圖3可知,茶葉顆粒在篩床上沿沿斜面位移s和茶葉在水平方向位移x1可表示為

(22)

x1=xcosα

(23)

由式(20)～(23)可知,茶葉顆粒在篩床上沿沿斜面的位移s和茶葉在水平方向位移x1與茶葉抖篩機(jī)篩面振動(dòng)幅度A、抖篩機(jī)篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、茶葉抖篩機(jī)篩面傾斜角α有關(guān),增加篩面振動(dòng)幅度能夠增加茶葉顆粒在篩面上的移動(dòng)位移;篩面傾斜角α增大,茶葉顆粒水平方向的位移則會(huì)減少,茶葉在篩面上停留的時(shí)間會(huì)增大,從而影響篩分效率。

1.2.3茶葉顆粒落到篩孔后碰撞運(yùn)動(dòng)分析

茶葉離開篩面被拋起后落入篩面,與篩床發(fā)生碰撞,由于茶葉顆粒的不均勻性,茶葉顆粒在篩分過(guò)程中大部分顆粒不會(huì)直接穿過(guò)篩孔,而是與篩孔發(fā)生碰撞后產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)決定顆粒是否能夠穿過(guò)篩孔。根據(jù)茶葉顆粒與篩床發(fā)生碰撞的位置可以分為位于篩孔上端和位于篩孔下端兩類;茶葉與篩床發(fā)生碰撞如圖4所示。

圖4 茶葉顆粒在篩床篩孔上發(fā)生碰撞分析

根據(jù)圖4可知,茶葉碰撞瞬間顆粒法向初始速度和切向初始速度可以表示為

(24)

(25)

式中v′——茶葉碰撞瞬間顆粒初始速度,m/s

vt——茶葉碰撞瞬間顆粒切向初始速度,m/s

vn——茶葉碰撞瞬間顆粒法向初始速度,m/s

γ1——法向力與軸線的夾角,(°)

γ2——切向力與軸線的夾角,(°)

根據(jù)碰撞恢復(fù)系數(shù)e,可以求出碰撞后茶葉顆粒的法向速度為

(26)

式中vn1——茶葉碰撞后顆粒的法向速度,m/s

茶葉顆粒與篩床接觸碰撞開始到產(chǎn)生最大壓縮時(shí)刻摩擦力沖量P1和從最大壓縮到脫離篩體表面時(shí)刻摩擦力沖量P2可以表示為

(27)

(28)

式中I——壓縮沖量,N·s

I′——恢復(fù)沖量,N·s

μ——茶葉與篩網(wǎng)碰撞的摩擦因數(shù)

根據(jù)動(dòng)量定理可知

mvt1-mvt=-μ(I+I′)

(29)

其中

I′=eI

(30)

I=mvn

(31)

vt1=vt-μ(1+e)vn

(32)

式中vt1——茶葉碰撞后顆粒切向速度,m/s

則茶葉顆粒反彈速度為

(33)

同理可知茶葉顆粒在篩網(wǎng)下端碰撞時(shí)茶葉顆粒反彈速度為

(34)

通過(guò)比較茶葉顆粒與篩床碰撞時(shí)法向力與切向力產(chǎn)生的力矩則可以判斷顆粒與篩孔碰撞后的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),根據(jù)圖4可知

(35)

其中

Mn=Fnlcosγ1

(36)

Mt=Ftlcosγ2

(37)

式中Mn、Mt——茶葉受到法向力和切向力相對(duì)于茶葉質(zhì)心產(chǎn)生的力矩,N·m

M——茶葉轉(zhuǎn)動(dòng)總力矩,N·m

Fn、Ft——茶葉受到法向力和切向力,N

l——茶葉碰撞點(diǎn)與茶葉質(zhì)心沿篩面方向距離,m

根據(jù)上述分析可知,茶葉顆粒與篩面碰撞后速度與篩面振動(dòng)幅度A、篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、篩面傾斜角α、碰撞系數(shù)e、摩擦因數(shù)μ有關(guān);通過(guò)茶葉轉(zhuǎn)動(dòng)總力矩可知茶葉碰撞后的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)與茶葉質(zhì)心與碰撞點(diǎn)的位置關(guān)系有關(guān),當(dāng)茶葉顆粒質(zhì)心位于碰撞點(diǎn)右側(cè)在篩孔上端碰撞后向上運(yùn)動(dòng)與茶葉顆粒質(zhì)心位于碰撞點(diǎn)左側(cè)在篩孔下端碰撞后向上運(yùn)動(dòng)時(shí),此時(shí)茶葉顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)遠(yuǎn)離篩孔,不利于茶葉顆粒透過(guò)篩孔;當(dāng)茶葉顆粒質(zhì)心位于碰撞點(diǎn)右側(cè)在篩孔上端碰撞后向下運(yùn)動(dòng)與茶葉顆粒質(zhì)心位于碰撞點(diǎn)左側(cè)在篩孔下端碰撞后向下運(yùn)動(dòng)時(shí),茶葉顆粒已經(jīng)進(jìn)入篩孔;當(dāng)茶葉顆粒質(zhì)心位于碰撞點(diǎn)左側(cè)在篩孔上端碰撞和當(dāng)茶葉顆粒質(zhì)心位于碰撞點(diǎn)右側(cè)在篩孔下端碰撞,此時(shí)茶葉在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有利于透過(guò)篩孔。

結(jié)合上述茶葉在篩床上的整個(gè)動(dòng)力學(xué)分析可知,篩面振動(dòng)幅度A、篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、篩面傾斜角α始終影響茶葉篩分的整個(gè)過(guò)程,而篩床振動(dòng)幅度A由抖篩機(jī)曲柄半徑所決定,篩床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω由曲柄轉(zhuǎn)速所決定,因此需對(duì)曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾斜角進(jìn)行分析。

1.3 仿真模型建立

本文使用的篩網(wǎng)為金屬絲編織篩網(wǎng),采用不繡鋼絲編織而成,篩面尺寸為1 450 mm×800 mm,篩孔邊長(zhǎng)為3 mm,篩網(wǎng)模型采用SolidWorks軟件建立。結(jié)合試驗(yàn)茶葉物料外形特征,大部分茶葉經(jīng)歷炒制過(guò)程后轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓狀卷曲顆粒和U形卷曲顆粒,結(jié)合茶葉外形特征參數(shù),通過(guò)SolidWorks軟件建立茶葉顆粒三維模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分導(dǎo)入到EDEM軟件中,采用自動(dòng)填充顆粒建模方法對(duì)模型快速填充,如圖5所示。茶葉與篩面接觸模型采用Hertz-Mindlin(no Slip)模型。設(shè)置茶葉顆粒及篩體相關(guān)物理參數(shù)[18,28],如表2、3所示。顆粒工廠設(shè)為 400 mm×200 mm 的長(zhǎng)方形,顆粒工廠共產(chǎn)生5 000個(gè)茶葉顆粒,速率為1 000個(gè)/s,取仿真時(shí)間為5 s,設(shè)置茶鮮葉仿真數(shù)據(jù)輸出頻率為0.01 s;仿真網(wǎng)格大小設(shè)為最小粒子半徑3倍,仿真模型如圖6所示,茶葉在篩網(wǎng)上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示。根據(jù)茶葉在篩網(wǎng)上的動(dòng)力學(xué)分析,仿真模擬參數(shù)包括3個(gè)曲柄轉(zhuǎn)速(240、250、260 r/min)、3個(gè)篩面傾斜角(2°、3°、4°)和3個(gè)曲柄半徑(20、22.5、25 mm),以茶葉顆粒在篩網(wǎng)上的速度與受力作為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析各因素對(duì)篩分過(guò)程的影響。

表2 材料物理參數(shù)

表3 材料之間接觸參數(shù)

圖5 EDEM仿真模型

圖6 茶葉篩面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真模型

圖7 茶葉篩面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1茶葉加工工藝流程

試驗(yàn)材料為安徽省休寧縣溪口鎮(zhèn)山培村群體種茶葉,以一芽二葉為主,兼具一芽三葉和幼嫩對(duì)夾葉。鮮葉采摘后,根據(jù)綠茶加工要求[29],工藝流程為:攤青(30 min,厚度為3～5 cm,含水率71.9%)—?dú)⑶?6CST-50型滾筒殺青機(jī),浙江上洋茶葉機(jī)械公司,1.5 min,溫度300℃,含水率60.4%)—揉捻(6CRZ-40型茶葉揉捻機(jī),浙江上洋茶葉機(jī)械公司,空揉2～3 min—輕壓6～8 min—重壓8～10 min—輕壓5～7 min—松壓2～3 min,含水率59.6%)—定形(6CC-120型筒式炒干機(jī),休寧縣三五九茶葉機(jī)械公司,溫度100℃,時(shí)間10～15 min,含水率10.6%)—干燥(6CHB-10型鏈板式干燥機(jī),浙江上洋茶葉機(jī)械公司,溫度80～90℃,時(shí)間5.5～6.5 min,含水率5.6%)。

按照精制加工流程將經(jīng)過(guò)毛茶復(fù)火(6CHB-10型鏈板式干燥機(jī),浙江上洋茶葉機(jī)械公司,溫度100℃,時(shí)間3.5～4.5 min)、滾條(6CCP-110型瓶式炒干機(jī),浙江上洋茶葉機(jī)械公司,溫度100℃,時(shí)間60～70 min)、圓篩(6CSY-90型平面圓篩機(jī),浙江上洋茶葉機(jī)械公司)后的4孔茶作為試驗(yàn)原料,抖篩試驗(yàn)如圖8所示,圖8為抖篩后茶樣。

圖8 往復(fù)式抖篩機(jī)抖篩試驗(yàn)

1.4.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

茶葉顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾斜角和曲柄半徑影響,因此選擇曲柄轉(zhuǎn)速(240、250、260 r/min)、篩面傾斜角(2°、3°、4°)和曲柄半徑(20、22.5、25 mm)三因素三水平試驗(yàn),因素編碼如表4所示。

表4 因素編碼

1.5 分析測(cè)定方法

按照中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5676—2007《茶葉抖篩機(jī)》要求將誤篩率與生產(chǎn)率作為設(shè)備的主要性能考核指標(biāo)[30]。

1.5.1誤篩率測(cè)定

在測(cè)定篩凈率的同時(shí)(第1次篩分),接取15 min首面篩篩下茶并稱量,然后在不改變抖篩機(jī)工作參數(shù)條件下,將接取的茶樣單獨(dú)投入抖篩機(jī)進(jìn)行復(fù)篩,再接取復(fù)篩后的首面篩篩上茶并稱量[30]。誤篩率計(jì)算式為

(38)

式中ξn——誤篩率,%

Wfx——復(fù)篩后接取的首面篩篩上茶質(zhì)量,kg

W′e——復(fù)篩前茶樣質(zhì)量,kg

1.5.2生產(chǎn)率測(cè)定

在負(fù)載試驗(yàn)中,接取30 min各出茶口排出的茶葉并稱量[30],生產(chǎn)率計(jì)算式為

(39)

式中E——生產(chǎn)率,kg/(m2·h)

∑Wi——各出茶口排出茶葉質(zhì)量之和,kg

T——接取茶葉時(shí)間,min

S——首面篩有效篩分面積,m2

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

2.1.1不同曲柄半徑下茶葉篩分運(yùn)動(dòng)分析

仿真結(jié)果表明,曲柄半徑對(duì)茶葉在篩床上的速度和受力有顯著影響,如圖9所示。當(dāng)曲柄半徑為20 mm時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度0.62 m/s,平均法向力為0.08 N,平均切向力為 0.03 N,此時(shí)茶葉在篩面上的平均速度較小,則茶葉獲得的動(dòng)能較小,茶葉只能沿著篩面上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),不利于茶葉離開篩面做拋起運(yùn)動(dòng),容易導(dǎo)致茶葉在篩面堆積,此時(shí)茶葉誤篩率較高。當(dāng)曲柄半徑為25 mm時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度為0.85 m/s,平均法向力為0.09 N,平均切向力為 0.02 N,此時(shí)茶葉在篩面上平均速度較大,茶葉容易離開篩面被拋起,導(dǎo)致茶葉在篩面所停留時(shí)間減短,不利于篩分;速度大的同時(shí)還容易導(dǎo)致茶葉在篩分的過(guò)程跳離篩面;茶葉在篩面上的法向力較大還容易導(dǎo)致茶葉在與篩面接觸時(shí)發(fā)生碎茶。當(dāng)曲柄半徑為22.5 mm時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度0.75 m/s,平均法向力為0.04 N,平均切向力為 0.014 N,此時(shí)茶葉速度適中,有利于茶葉拋起,并且茶葉在篩面上的碰撞不會(huì)導(dǎo)致碎茶情況的發(fā)生,整體運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),有利于提高篩分效率。

圖9 不同曲柄半徑下茶葉平均速度、平均法向力、平均切向力變化曲線

2.1.2不同曲柄轉(zhuǎn)速下茶葉篩分運(yùn)動(dòng)分析

曲柄轉(zhuǎn)速通過(guò)影響篩床慣性力以及茶葉拋起高度,從而影響篩分效率。仿真結(jié)果表明,曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉在篩床上的受力影響較大,如圖10所示。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為240 r/min時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度0.71 m/s,平均法向力為0.04 N,平均切向力為 0.015 N,此時(shí)曲柄轉(zhuǎn)速較低,篩床振動(dòng)慣性力較低,不利于茶葉拋起,導(dǎo)致茶葉與篩床碰撞的法向力與切向力增大,茶葉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)加大與其他茶葉顆粒碰撞的機(jī)率,影響茶葉在篩面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)致篩分穩(wěn)定性降低;當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為260 r/min時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度0.76 m/s,平均法向力為0.02 N,平均切向力為 0.009 N,曲柄轉(zhuǎn)速較大容易導(dǎo)致篩床的振動(dòng)慣性力增大,從而篩分過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)更多碎茶;切向力與法向力較低時(shí)影響茶葉拋起運(yùn)動(dòng)高度,導(dǎo)致茶葉調(diào)整姿態(tài)時(shí)間較短,不利于茶葉透篩。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度0.74 m/s,平均法向力為0.03 N,平均切向力為 0.012 N,此時(shí)篩床慣性力適中,篩分出現(xiàn)碎茶可能性降低,茶葉在篩分過(guò)程碰撞機(jī)率降低且拋起高度適中,調(diào)整姿態(tài)時(shí)間充裕,篩分效果好。

圖10 不同曲柄轉(zhuǎn)速下茶葉平均速度、平均法向力和平均切向力變化曲線

2.1.3不同篩面傾斜角下茶葉篩分運(yùn)動(dòng)分析

篩面傾斜角通過(guò)茶葉摩檫力主要影響茶葉在篩面上的切向力從而影響茶葉在篩面上的反向移動(dòng)。如圖11所示,當(dāng)篩面傾斜角為2°時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度為0.74 m/s,平均法向力為0.03 N,平均切向力為 0.015 N,此時(shí)茶葉所受到的切向力較小,茶葉向下運(yùn)動(dòng)能力較弱,茶葉在篩面上停留時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致茶葉在篩床上堆積;當(dāng)篩面傾斜角為4°時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度0.76 m/s,平均法向力為0.04 N,平均切向力為 0.042 N,此時(shí)茶葉所受到的切向力較大,茶葉向下運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng),茶葉下滑速度加快,容易造成茶葉沿篩床向上運(yùn)動(dòng)能力變差,導(dǎo)致誤篩率提升;當(dāng)篩面傾斜角為3°時(shí),1 s后茶葉在篩床上平均速度0.75 m/s,平均法向力為0.05 N,平均切向力為 0.024 N,此時(shí)茶葉切向力合適,茶葉既能沿著篩面向上運(yùn)動(dòng),又不會(huì)造成茶葉堆積,茶葉誤篩率低,篩分效果好。

圖11 不同篩面傾斜角下茶葉平均速度、平均法向力和平均切向力變化曲線

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾斜角和曲柄半徑三因素水平為自變量,誤篩率和生產(chǎn)率作為試驗(yàn)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,a、b、c為因素編碼值。

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.2.1誤篩率回歸模型與方差分析

利用Design-Expert軟件,得出茶葉誤篩率的方差分析結(jié)果如表6所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,得到誤篩率對(duì)3個(gè)因素的二次多元回歸方程為

表6 誤篩率方差分析

lnξn=1.70+0.02a+0.05b-0.02c-0.01ab+0.15ac+

0.01bc+1.18a2+0.11b2+0.12c2

(40)

由表6可知,因素ac、bc、a2、b2、c2對(duì)誤篩率影響顯著,其他則不顯著,各因素對(duì)誤篩率的影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑。由圖12可以得出,誤篩率隨著篩面傾斜角的增大先減小后增大,增大的幅度大于減小的幅度;誤篩率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大,增大的幅度大于減小的幅度;誤篩率隨著曲柄半徑的增大先減小后增大,減小的幅度大于增大的幅度。

圖12 各因素對(duì)誤篩率的響應(yīng)曲面

2.2.2生產(chǎn)率回歸模型與方差分析

利用Design-Expert軟件,得出生產(chǎn)率的方差分析如表7所示。根據(jù)圖13試驗(yàn)結(jié)果,得到生產(chǎn)率對(duì)3個(gè)因素的二次多元回歸方程為

表7 生產(chǎn)率方差分析

圖13 各因素對(duì)生產(chǎn)率的響應(yīng)曲面

E=441.20-2.12a-8.12b-1.75c+3.50ab-

14.75ac-4.25bc-15.50a2-11.00b2-10.85c2

(41)

由表7可知,因素b、ac、a2、b2、c2對(duì)生產(chǎn)率影響顯著,其他則不顯著,各因素對(duì)生產(chǎn)率的影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑。由圖13可得,生產(chǎn)率隨著篩面傾斜角的增大先增大后減小;生產(chǎn)率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小;生產(chǎn)率隨著曲柄半徑的增大先增大后減小。

2.3 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了獲得往復(fù)式茶葉抖篩機(jī)篩分的最佳性能參數(shù)組合,確立往復(fù)式茶葉抖篩機(jī)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

(42)

經(jīng)過(guò)Design-Expert軟件獲得最優(yōu)組合為曲柄轉(zhuǎn)速247.99 r/min、篩面傾斜角2.60°、曲柄半徑23.11 mm,驗(yàn)證試驗(yàn)仍然在同樣的條件下進(jìn)行,為了規(guī)避隨機(jī)誤差,重復(fù)試驗(yàn)5次,取平均值作為最后試驗(yàn)結(jié)果,誤篩率為5.3%,生產(chǎn)率為440 kg/(m2·h),與軟件分析結(jié)果(誤篩率5.43%,生產(chǎn)率442.82 kg/(m2·h))基本一致,表明試驗(yàn)的最優(yōu)值組合符合茶葉抖篩機(jī)設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)分析茶葉在往復(fù)式茶葉抖篩機(jī)篩床上茶葉與篩床連續(xù)碰撞規(guī)律,建立了茶葉沿篩床上下運(yùn)動(dòng)、離開篩面被拋起運(yùn)動(dòng)以及落到篩孔后的碰撞運(yùn)動(dòng)3個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型,確定了往復(fù)式茶葉抖篩機(jī)在篩床上的篩分機(jī)理,得到影響茶葉篩分的主要因素為曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾斜角。

(2)通過(guò)離散元模擬建立茶葉篩分的仿真模型,分析茶葉在不同影響茶葉篩分主要因素情況下茶葉在篩床上的受力和速度變化規(guī)律。

(3)正交試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)誤篩率影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑,對(duì)生產(chǎn)率影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑。Design-Expert軟件獲得最優(yōu)的組合為曲柄轉(zhuǎn)速247.99 r/min、篩面傾斜角2.60°、曲柄半徑23.11 mm,此時(shí)誤篩率為5.3%,生產(chǎn)率為440 kg/(m2·h),試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值接近,驗(yàn)證了模型的可行性。