[发明专利]一种球形茶加工设备对球形茶成形能力的评测方法

摘要

本发明公开了一种球形茶加工设备对球形茶成形能力的评测方法，包括如下步骤：步骤一：建立茶叶颗粒模型；步骤二：确定影响球形茶成型的机械功；步骤三：计算茶叶颗粒与炒茶锅的锅壁摩擦做功；步骤四：计算茶叶颗粒间挤压力做功；步骤五：茶叶颗粒间的内摩擦力做功；步骤六：计算单位周期内茶叶颗粒群机械功的做功效率；本发明针对缺乏球形茶加工设备成形能力的评价指标，提出了一种球形茶加工设备对球形茶成形能力的评测方法，对提高球形茶加工品质的提高意义深远，提出了球形的茶叶颗粒群所做的机械功效率作为球形茶炒干机加工设备成形能力的评价指标，为球形茶炒干机的设计和数字化控制提供依据。

主权项

1.一种球形茶加工设备对球形茶成形能力的评测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：建立茶叶颗粒模型球形茶加工设备的炒茶锅内茶叶颗粒受到炒板的运动加速度的作用下产生挤压，假设茶叶颗粒为球形颗粒，炒茶锅内的所有茶叶颗粒组成茶叶颗粒群，茶叶颗粒群内的任何一颗茶叶颗粒将同时与12个茶叶颗粒接触，这12个茶叶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”字形分布的茶叶颗粒与茶叶颗粒位于同一平面的周围设置有六颗呈六边形分布茶叶颗粒；假设炒板的运动加速度为ε，茶叶颗粒运动方向与相邻任何一颗茶叶颗粒挤压力方向间的夹角为π/6，则单颗茶叶颗粒之间的挤压力F_j为：F_j＝mε_maxcos(π/6)；茶叶颗粒之间的摩擦力F_nf为：F_nf＝μ_nF_j；步骤二：确定影响球形茶成型的机械功影响球形茶的茶叶颗粒群成型的机械功包括茶叶颗粒与炒茶锅的锅壁摩擦做功W₁，茶叶颗粒间挤压力做功W₂和茶叶颗粒间的内摩擦力做功W₃，总机械功为：W＝W₁+W₂+W₃步骤三：计算茶叶颗粒与炒茶锅的锅壁摩擦做功假设颗粒从炒茶锅内的锅体底部出发沿锅壁运动到颗粒抛出锅体时，茶叶颗粒在炒茶锅内运动的距离为S，那么茶叶颗粒与锅壁摩擦做功W₁，其中F_f为茶叶颗粒与炒茶锅的锅壁之间的摩擦力：其中，S＝θRθ为茶叶在炒锅中移动的角度，R为炒锅半径；步骤四：计算茶叶颗粒间挤压力做功炒茶锅内茶叶颗粒在挤压力的作用下，将产生挤压变形，由步骤一可知，茶叶颗粒为球形颗粒，任意一颗茶叶颗粒沿炒板运动方向上下两层各有三颗茶叶颗粒与这颗茶叶颗粒相接触，则任意一颗茶叶颗粒上共有6个挤压点，根据赫兹理论中球体与球体的接触类型可知，每个挤压点的挤压变形量b为：其中ν₁、ν₂分别为相接触的两颗茶叶颗粒的泊松比，E₁、E₂分别为相接触的两颗茶叶颗粒的弹性模量，R₁、R₂为相接触的两颗茶叶颗粒的半径，P(P＝mε_max)为炒板对茶叶颗粒的接触力，假设茶叶颗粒的泊松比、弹性模量和茶叶颗粒的半径都相等，令每颗茶叶颗粒的泊松比、弹性模量和茶叶颗粒的半径分别为ν、E和r，那么每个挤压点的挤压变形量b可简化为：其中：P＝Fj/cos(π/6)，则每个挤压点的最大挤压变形量b_max为：单一茶叶颗粒的挤压变形功W₂为：W₂＝6F_jb_max；步骤五：茶叶颗粒间的内摩擦力做功炒茶锅内单颗茶叶颗粒在挤压力的作用下，还需克服3颗茶叶颗粒的内摩擦力，假设加工过程中茶叶颗粒的运动距离为Sn，则内摩擦力做功为：W₃＝3F_nfS_n；球形茶在炒茶锅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进行茶叶颗粒翻炒成形过程的数值模拟，并确定茶叶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；当茶叶颗粒在炒茶锅内翻炒时，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，其中考虑到茶叶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；球形茶在炒茶锅内翻炒的成形过程中，茶叶颗粒在炒板的作用下不断被抛起和抛散，茶叶颗粒周期性的先从炒茶机的锅体底部出发，在炒茶锅内做摩擦运动，当茶叶颗粒在炒茶锅体内达到一定高度时然后抛起做斜抛运动，再落到炒茶锅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茶叶颗粒为研究对象，四个典型位置的茶叶颗粒需要保证茶叶颗粒之间是充分接触的；对四个典型位置的茶叶颗粒进行标记，并分析某一位置单颗茶叶颗粒在炒茶锅内的轨迹运动情况，获取得到某一位置的单颗茶叶颗粒的颗粒轨迹图；得到某一位置的单颗茶叶颗粒的颗粒轨迹图后，对选取的茶叶颗粒的颗粒轨迹图进行提取，得到研究对象的茶叶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒群内摩擦运动的距离S_n，获取方法为当茶叶颗粒刚落到锅体时，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)，当茶叶颗粒抛洒时根据轨迹跟踪，此时茶叶颗粒的坐标为(x₃,y₃,z₃)，炒板的中心位置坐标为(x₄,y₄,z₄)；则茶叶颗粒从锅体出发到最后抛洒时，研究的茶叶颗粒在茶叶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茶叶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，作为翻炒周期内茶叶颗粒间摩擦运动的距离；步骤六：计算单位周期内茶叶颗粒群机械功的做功效率根据茶叶实际加工情况，则单位周期内茶叶颗粒群机械功做功效率η为：