（机械设计及理论专业论文）自动杀青理条机传动机构的创新设计与动态仿真.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 i i i iiiii rl l1 1 1 1 iii iiii y 17 4 7 3 9 6 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适应本版权书。 本学位论文属于 不保密瓯 学位论文作者签名：李闺一 日期：2 秒o 年罗月弓日 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 扁形茶是绿茶中的一个优良品种，在茶叶产品中有着重要的地位。随着社会对茶叶的 需求量逐年增大，茶叶种植、加工已形成一个巨大的产业。扁形茶叶的加工过程是一个复 杂的过程，包括：杀青、理条、压扁成形、整形、干燥等等，需要多个工艺步骤才能完成。 杀青理条是茶叶加工中的重要工序，所以对杀青理条机现有问题的解决是非常重要的。 自动杀青理条机是一种把杀青和理条工艺合二为一的新型加工茶叶的机器，它具有工 艺简单、操作方便、炒茶效果好等特点。但是，其槽锅的运动还是通过传统的曲柄滑块机 构，工作中振动大、茶叶的理条效率需要提高。为此，本文提出了应用非圆齿轮连杆机构 驱动槽锅运动的方法。通过研究非圆齿轮工作原理，设计了驱动槽锅运动的非圆齿轮连杆 机构，并根据自动杀青理条机工艺的运动要求，求解出了非圆齿轮机构中主、从动齿轮的 节曲线方程；分析研究了茶叶在多槽锅锅体内的受力和运动学模型，并通过非圆齿轮连杆 机构和曲柄滑块机构驱动槽锅的运动学分析得到：非圆齿轮连杆机构理条效果好于曲柄滑 块机构，非圆齿轮连杆机构的振动也小于曲柄滑块机构。 利用m a t l a b 编程对非圆齿轮的齿廓进行设计，并通过三维建模软件u g 完成了对 主、从动非圆齿轮的三维建模。使用a d a m s 软件对非圆齿轮的运动学进行仿真分析研究， 得出理论分析与虚拟样机的试验数据基本一致的结论。 在充分研究当前自动杀青理条机存在问题的基础上，设计了一种新型的自动杀青理条 机三节槽锅平衡往复式自动杀青理条机。对三节槽锅平衡往复式自动杀青理条机的工 作原理，并申报了国家实用新型专利和发明专利两项专利( 2 0 0 9 1 0 1 5 2 4 1 3 0 ； 2 0 0 9 2 0 1 9 5 8 0 3 1 ) 。 关键词：自动杀青理条机；非圆齿轮；曲柄滑块；振动；理条效率 浙江理工大学硕士学位论文 t h ei n v e s t i g a t i o no ff l a tt e a - - a u t o m a t i cf i x a t i o n - - s h a p i n gm a c h i n ew i t hh i g h e f f i c i e n c y , s a v ee n e r g y , s l o p i n ga n dm u l t i - p o t a b s t r a c t f l a tt e a , a so n eo fe x c e l l e n tv a r i e t i e si ng r e e nt e a , h a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt e a p r o d u c t s w i t ht h ed e m a n do ft e ai n c r e a s i n gy e a rb yy e 瓯i th a sb e c o m eah u g ei n d u s t r yi nt e a c u l t i v a t i o na n dp r o c e s s i n g t h ep r o c e s so ff l a tt e ai sv e r yc o m p l i c a t e dw h i c hi sc o n s i s t e db y f i x i n g ，c a r d i n g ，f l a t t e n i n g ，s h a p i n g ，d r y i n ga n ds oo n f i x i n ga n dc a r d i n ga r et h ei m p o r t a n t w o r k i n gp r o c e d u r e si nt e ap r o c e s s i n g s or e s o l v i n gt h ec u r r e n tp r o b l e m si nf m a t i o n s h a p i n g m a c h i n ei si m p o r t a n t t h ef i x a t i o n s h a p i n gm a c h i n ei san e wt e ap r o c e s s i n gm a c h i n ew h i c hc a nm a k ef i x a t i o na n d s h a p i n gm e r g e d i th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l et e c h n o l o g y , c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dg o o d e f f e c to ff r i e dt e a h o w e v e r , w h e nt h ep a ni sm o v i n gb yt r a d i t i o n a ls l i d e r - c r a n km e c h a n i s m ，i t m a k e sl a r g ev i b r a t i o n ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft e ac a r d i n gn e e d st oi m p r o v e b a s e do nt h ea b o v e ， w ea p p l yn o n - c i r c u l a rg e a rl i n k a g et op u s ho nt h ep a ni n t h i sp a p e r b a s e do na n a l y z i n gt h e w o r kp r i n c i p l eo fn o n - c i r c u l a rg e a r , w ed e v i s e dn o n - c i r c u l a rg e a ra sd r i v eo r g a n i z a t i o n t h e p i t c h c u r v ee q u a t i o n so fd r i v i n ga n dd r i v e nn o n - c i r c u l a rg e a ra r er e s o l v e da c c o r d i n gt ot h em o v e m e n t o fa u t of i x a t i o n - s h a p i n gm a c h i n e b a s e do na n a l y z i n gt e as t r e s sa n dm o v e m e n to f m u l t i p o t ，t h e t e ac a r d i n ge f f e c tw a si n v e s t i g a t e du s i n gt h en o n - c i r c u l a rg e a rl i n k a g e a n dt h et e ac a r d i n ge f f e c t i sc o m p a r e db e t w e e ns l i d e r - c r a n km e c h a n i s ma n dn o n c i r c u l a rg e a rl i n k a g e i tc a nb ec o n c l u d e d t h a tn o n c i r c u l a r g e a rl i n k a g e i sb e a e rt h a ns l i d e r - c r a n km e c h a n i s mi na u t o m a t i c f i x a t i o n s h a p i n gm a c h i n e ，a n dt h ev i b r a t i o no fn o n c i r c u l a rg e a rl i n k a g ei sl e s st h a ns l i d e r - c r a n k m e c h a n i s m t h et o o t hp r o f i l eo fn o n - c i r c u l a rg e a rn e e d st ob ed e s i g n e du s i n gm a t l a bp r o g r a m t h e nt h e 3 dm o d e l i n go fd r i v i n ga n dd r i v e nn o n c i r c u l a rg e a r si sc o m p l e t e db y3 dm o d e l i n gs o f t w a r e a c c o r d i n gt ou s i n ga d a m s s o f t w a r et oa n a l y z es i m u l a t i n gk i n e m a t i c so ft h en o n - c i r c u l a rg e a r , i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h ee x p e r i m e n td a t eo fv i r t u a lm a c h i n ei st h es a m ea st h et h e o r y o nt h e b a s i so fi n v e s t i g a t i n gt h ec u r r e n ta u t o m a t i c f i x a t i o n s h a p i n gm a c h i n e ，an e w f i x a t i o n s h a p i n gm a c h i n e - - t h r e e s e c t i o nb a l a n c e a b l e ，r e c i p r o c a t i n ga u t o m a t i cf i x a t i o n s h a p i n g m a c h i n ei si n v e n t e d c o n c e r n i n gt h ew o r kt h e o r yo ft h i sm a c h i n e ，au t i l i t ym o d e lp a t e n ta n da i i 浙江理工大学硕士学位论文 p a t e n tf o ri n v e n t i o nh a v ea l r e a d ya p p l i e d ( 2 0 0 9 1 0 1 5 2 4 1 3 0 ；2 0 0 9 2 0 1 9 5 8 0 3 1 ) k e y w o r d s ：a u t o m a t i cf i x a t i o n s h a p i n gm a c h i n e ；n o n c i r c u l a rg e a r ；s l i d e r - c r a n km e c h a n i s m ； l i b r a t i o n ；c a r d i n ge f f i c i e n c y i i i 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 前言1 1 1 课题研究的意义及目的3 1 2 国内外研究现状5 1 3 目前自动杀青理条机存在的问题7 1 4 本课题研究的主要内容8 1 5 本章小结8 第二章自动杀青理条机新型传动机构的提出1 0 2 1 曲柄滑块机构应用在自动杀青理条机上的不足。l o 2 2 非圆齿轮应用在自动杀青理条机上的优势。1 0 2 2 1 非圆齿轮的介绍1 0 2 2 2 非圆齿轮机构与其他机构相比具有的优势1 1 2 3 新型传动机构非圆齿轮连杆机构的提出1 2 2 4 非圆齿轮连杆机构的工作原理。1 3 2 5 本章小结13 第三章传动机构中非圆齿轮节曲线的设计1 4 3 1 非圆齿轮传动的分类。1 4 3 2 非圆齿轮节曲线的设计方法【2 们。1 4 3 2 1 按传动比计算节曲线1 4 3 2 2 按要求再现函数求节曲线1 6 3 2 3 节曲线封闭的条件1 7 3 2 4 节曲线凸性检验1 7 3 3 非圆齿轮节曲线的设计1 7 3 3 1 滑块机构( 多槽锅体) 的运动学分析1 2 3 1 18 3 3 2 近似等速阶段节曲线方程的求解1 9 3 - 3 3 加速和减速阶段节曲线方程的求解2 3 i 浙江理工大学硕士学位论文 3 3 4 主、从动非圆齿轮节曲线图形的得a t 2 9 1 2 6 3 4 本章小结一2 8 第四章非圆齿轮连杆机构对茶叶加工工艺的影响分析3 0 4 1 非圆齿轮连杆机构对茶叶理条效率的影响分析3 0 4 1 1 茶叶在多槽锅锅体中的受力分析3 0 4 1 2 多槽锅锅体中茶叶的运动学分析1 3 0 】。3 l 4 。1 3 两种传动机构茶叶理条效率的比较3 3 4 2 两种传动机构速度曲线的比较和振动分析3 7 4 2 1 曲柄滑块机构的运动学分析【3 l 】。3 7 4 2 2 非圆齿轮连杆机构的运动学分析3 9 4 2 3 两种机构的速度曲线和振动比较3 2 3 3 1 3 9 4 3 本章小结4 1 第五章三节槽锅平衡往复式自动杀青理条机的研究4 2 5 1 三节槽锅平衡往复式自动杀青理条机的工作原理。4 2 5 2 三节槽锅平衡往复式自动杀青理条机的传动机构设计4 4 5 3 三节槽锅平衡往复式自动杀青理条机的茶叶自动进出料方法的设计。4 5 5 4 本章小结一4 6 第六章非圆齿轮齿廓设计及其三维建模4 7 6 1 主、从动非圆齿轮齿廓的设计4 7 6 1 1m a t l a b 软件的介绍4 7 6 1 2 非圆齿轮共轭齿廓的形成原理一4 7 6 1 3 非圆齿轮共轭齿廓曲线的数学模型【4 0 】4 8 6 1 4 非圆齿轮压力角和根切校验5 2 6 1 5 非圆齿轮齿廓曲线图形的求解5 3 6 2 主、从动非圆齿轮的三维建模5 4 6 2 1 三维设计软件u g 的功能特点5 4 6 2 2 主、从动非圆齿轮的三维建模5 5 6 - 3 本章小结5 7 第七章基于a d a m s 非圆齿轮连杆机构的运动学分析5 8 7 1a d a m s 4 6 l 软件特点5 8 i i 浙江理工大学硕士学位论文 7 2 虚拟样机仿真分析的步骤5 9 7 3 非圆齿轮连杆机构的三维建模及a d a m s 仿真分析6 0 7 3 1 非圆齿轮连杆机构的三维模型的建立6 0 7 3 2 非圆齿轮连杆机构的a d a m s 仿真分析6 0 7 3 3 非圆齿轮连杆机构的理论分析与仿真验证的比较6 2 7 4 本章小结。6 3 第八章总结与展望6 4 8 1 总结。6 4 8 2 展望6 5 参考文献j 6 6 至l 谢6 9 攻读硕士学位期间获得的研究成果7 0 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 c 1 一 日o 青 “茶”，这种源于中国的神奇绿色饮料，在中国已有千年历史，它也是2 0 世纪9 0 年 代欧美国家发展最快的饮料，在国际上被称为“新时代饮料”，被认为符合现代人崇尚天 然、绿色的消费追求。但世界上的任何一个国家，都没有中国对茶研究之深，品鉴之彻。 世界饮料市场发展迅速，总体方向是发展无醇低醇饮料。茶叶已成为世界性饮料，和 其它饮料相比，茶饮料具有历史久远，低热量，高营养，价廉物美，具有天然、健康、提 神的特性，比碳酸饮料更爽口、解渴，比水饮料更怡人有味，清香淡雅、回味无穷，并且 具有营养、保健疗效及消暑解渴的功用等特点，因而具有取代碳酸饮料成为世界饮料之王 的可能，积极开拓多功能，多品种茶饮料，应成为茶饮料市场的发展主题。加强饮茶有益 健康的宣传，扩大生产大国的茶叶内销，有利于开掘茶饮料的市场潜力。 虽然2 0 0 9 年全球仍处在金融危机中，但中国包装饮料市场依旧保持高速增长。饮料 消费调查数据显示：第一季度相比去年同期增长1 6 ，其中即饮茶市场增长最为迅速，相 比去年同期增长3 2 ，为各品类之首。中投顾问 2 0 0 9 - - - 2 0 1 2 年中国茶饮料市场投资分析 及前景预测报告显示，中国茶饮料消费市场的发展速度更是惊人，几乎以每年3 0 的速 度增长，占中国饮料消费市场份额的2 0 ，超过了果汁饮料而名列饮料市场的“探花 ， 大有赶超碳酸饮料之势。2 l 世纪饮料市场将是茶的世纪，茶饮料越来越有横扫其他种类饮 料的趋势，从而成为“饮料之冠。在台湾地区和日本，茶饮料已超过碳酸饮料成为市场 第一大饮料品种。 我国茶饮料起步于上世纪8 0 年代初的含茶碳酸饮料，8 0 年代中期受到可口可乐、雪 碧等国外饮料的冲击，几乎被挤出市场。从1 9 9 4 年开始，随着茶饮料在国际市场尤其是 日本市场上的日益走俏，我国茶饮料的研制开发再次兴起。国内科研院所、饮料厂家相继 开发、生产出诸多品种的茶饮料。 茶为中华国饮，寒夜客来茶当酒，茶已成为中国人日常生活中必不可少、密不可分的 一部分。随着中国这些年的快速发展，大家的收入水平越来越高，温饱问题解决后就开始 关注生活质量，开始关注健康，而茶作为一个公认的健康饮品，尤其是其具备的抗癌、减 肥、降血压血脂的作用，使茶在高端人士中受到越来越多的青睐。 随着人民生活水平不断提高，国内市场上名优茶、礼品茶的消费比重逐年增加，而且 茶叶消费向品牌化、安全化、多元化方向发展，乌龙茶、普洱茶市场增幅明显，例如普洱 茶这几年在我国广东地区持续升温，仅广东就有几十万普洱茶的固定消费者，很好的证明 l 浙江理工大学硕士学位论文 了传统茶产业有着深厚的市场根基和成长土壤。同时政府部门对中国传统茶文化的重视， 在各地举办多种形式的茶叶生产技术推广和培训、茶文化宣传等活动也进一步有力地促进 了国内茶叶消费市场的开拓和整体消费水平的提高。根据资料统计，我国目前有净饮茶人 口2 6 亿，他们的年人均消费量为1 5 4 千克，如果每人每天沏茶增至三杯，那么他们的年 人均消费量将达到3 2 8 千克；而国内饮茶人口每增加1 ，消费量即可增加4 万吨，如果 饮茶人口达到5 0 的话，茶叶消费量将达到2 0 0 万吨。可见国内的茶叶消费将形成一个潜 力巨大的市场。 另外人们对茶叶作为健康原生饮品认识的加深，茶业市场也必将进一步发展壮大，有 业内权威人士预计，到2 0 1 5 年，茶业市场规模会从现在的3 0 0 亿元增长到7 0 0 亿元左右， 市场蕴涵的巨大潜力带给茶人的是希望和动力，但市场的变幻和整合，市场资源重新配置， 更需要茶人用智慧去把握。 日本是中国的邻国，茶叶市场成熟。人们不仅喝茶吃茶，食品中含茶，连日用品如拖 鞋、扇子、枕头、化妆品中都含茶。在普通家庭中可以看到茶叶搅碎机，搅碎的茶叶可以 直接入菜饭，茶的利用率极高。 由于茶叶采摘加工具有很强的季节性，所以对茶叶j n - r 机械【l 】来讲，每年物理样机的 实际试验时间非常的短暂。一旦在试验过程中发现结构或性能方面有缺陷时，就需要修改 设计方案及工程图纸，然后再次制造物理样机并对其进行测试。如果这样，再次试验很有 可能要到明年才能实施，导致农业机械设计周期的变长。因此引入c a d 技术和虚拟仿真 技术对农业机械的研发具有非常重要的意义。目前，我国农机行业就其技术力量和辅助设 备而言，和欧美、日本等国的c a d 应用水平还有较大的差距。要消除差距，我们必须采 用新方法、新思路。在茶叶加工机械【2 】进行整机设计、制造前对机器核一t , - r 作部件进行分 析，以寻求农机设计的最佳参数或是参数范围。然后用c a d 技术虚拟仿真技术进行运动 模拟、运动学和动力学分析。使设计人员在各种虚拟的工作条件下真实地模拟机械系统的 实际工作情况，可以尽可能的把问题消灭在设计阶段。同时利用虚拟样机技术快速分析多 种设计方案，优化得出的各个参数对样机试验具有极强的指导性，根据该优化方案进行物 理样机的研制、试验，可以最大程度地避免物理样机试验的盲目性、不确定性，缩短茶叶 加工机械的设计周期。本文首先在自动杀青理条机的传动机构曲柄滑块机构理论分析 的基础上，利用计算机辅助设计、虚拟制造和仿真技术，按照定性分析一数学建模一虚拟 模拟一参数优化一部件设计一虚拟样机试验一制造物理样机的研究思路，力图对茶叶加工 机械【3 l 的研究和应用作出成功的探索。 2 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义及目的 扁形茶( 龙井茶) 是绿茶中的一个优良品种，素以”色绿、香郁、味甘、形美”四绝著 称，已有上千年的历史，在茶叶产品中有着重要的地位。浙江省各个产茶县几乎都生产扁 形茶叶，安徽、江西、贵州、广西、重庆、四川、湖南、湖北、山东等省都已大力发展扁 形茶的种植和加工。扁形茶外形扁平光滑、削尖挺直、色泽嫩绿；内质香高持久、汤色明 亮、滋味甘爽，叶底嫩匀成朵，它的加工是很复杂的。传统加工一直是手工炒制，手工制 作手法分抖( 透) 、搭( 带) 、捺( 抹) 、拓、甩、扣、挺、抓、压、磨( 荡) 等十大技巧。 操作复杂，不同等级的鲜叶手法又不同，因而掌握其炒制技术是一个漫长的过程。 扁形茶的加工是一个复杂的过程，包括：杀青、理条、压扁成形、整形、干燥等等， 需要多个工艺步骤才能完成。在茶叶加工好后，为了进一步提高品质，有时还需进行磨光、 提香等加工。在几道工序中：摊青是前提，做青( 杀青、理条) 是基础，压扁做形是关键， 辉锅磨光、整形、提香是重点。 浙江省茶机产业已处于全国领先地位，全省茶机种类已达1 0 0 多种，占全国茶机销售 市场的8 0 左右，从传统的大宗茶制作发展到现在名优茶机械加工，适应于全国各种茶类 的炒制。目前我们江浙一带扁形茶( 龙井茶) 炒制机产品的普及，突破了传统龙井茶必须 手炒加工的瓶颈，为广大茶农增产增收提供了有效途径。 扁形茶炒制机是江浙一带茶叶加工经常使用的新型农业机械【4 】，主要用于农村家庭、 茶叶加工专业户及小型茶叶加工场对茶叶鲜叶进行机械炒制，代替传统的手炒加工，又名 龙井茶炒制机。由于结构简单、价格低廉、省工省时、使用方便，深受茶农的欢迎。但由 于各人炒制使用机器的水平不同，扁形茶叶加工的质量水平仍存在着参差不齐、茶叶质量 高低不一的普遍现象，制约着茶叶产业的健康发展。 现有扁形茶叶加工机械存在的主要问题有： 1 、茶叶机械功能单一，性能各异，很难组成连续化生产线 扁形茶叶的加工过程【5 i 是一个复杂的过程，包括：杀青、理条、压扁成形、整形、干 燥等等，需要多个工艺步骤才能完成。在茶叶加工好后，为了进一步提高品质，有时还需 进行磨光、提香等加工。而这些加工程序有的简单，可以较容易的用机械完成，有的比较 复杂，需要根据茶叶的品质变化不断调整加工方法；有的加工过程可以使用输送带连续加 工，有的加工过程则不能连续加工，必须间断投料、间断取料，有的加工过程需要很长时 间才能加工好，而有的加工过程则需要较短加工时间，可以很快完成。扁形茶加工的这些 特点，使其加工很难全部直接用机械方法来完成，往往要靠工人凭经验与机械结合来完成。 3 浙江理工大学硕士学位论文 国产机械以单一功能为主，只能完成单一任务，结构简单，不能实现连续作业，不能 满足现代有机茶、绿色茶要求的清洁、不落地的生产要求。同时因为结构单一，生产集约 化程度不高，产品智能化水平不够，不能有效地节约劳动力，减少人力资源的投入，故不 能有效地降低生产成本，以体现机械化作业节本增效的优点。 因此，实现茶叶加工全过程的连续化、清洁化、智能化，是茶叶加工技术发展的必然 趋势，是提高茶叶加工质量和品质的迫切要求。而目前茶叶加工的现状，却严重阻碍了茶 叶加工朝这个方向的发展。比如，传统扁形茶制茶机基本上全部为锅式加热，然后用加压 板模仿手工制茶，将茶叶沿着锅壁边磨擦边将茶叶压成扁形。这种扁形茶制茶机的特点就 是间断投料、间断出料，不能很好的和其他制茶设备配合起来实现连续制茶。 2 、现有茶叶加工机械科技含量低，茶叶加工工艺性差 目前市场上的茶叶加工机械大部分还是纯粹的机械产品，即使用电也仅仅是为了提供 动力。极少数较先进的茶机也只是实现了时间程序自动控制，没有在线检测茶叶加工状况 并能及时调整茶机加工状态的反馈自动控制系统。茶叶机械在加工茶叶的时候，必须由具 有经验的工人，根据茶叶加工状况随时调整茶机的加工温度、压力和加工时间等工作状态。 现有的茶叶加工机械，主要是为了减轻操作人员的体力劳动，不能根据茶叶的加工工艺要 求，实现茶叶全过程的自动加工，由此炒制出来的茶叶也是茶叶等级中比较低级的一种， 从而影响茶农的经济收入。 3 、制茶技术和加工机械理论研究脱节，两者不能相辅相成 目前，茶叶加工机械向智能化、连续化方向发展势在必行，茶叶加工过程主观性非常 强，机械制茶理论的发展，使得茶叶的加工质量，可以通过控制一些量化的参数进行调控， 如温度、速度、压力、颜色等。从目前研究茶叶机械的情况来看，研究茶叶加工与制茶原 理之间关系的较少，单方面研究较多。所见到的研究成果不是介绍各种茶机的工作原理， 就是介绍制茶方面的理论，或茶叶内含成分分析。关于不同茶叶加工机械或相同茶叶加工 机械，在不同工作条件下，对茶叶品质及内含物影响方面的研究很少。没有两者有机结合 理论方面的研究，就不能为设计先进的茶叶加工机械提供技术支撑，也很难从根本上提高 茶叶加工机械的制茶水平。 4 、茶叶加工机械基础研究薄弱，技术创新能力薄弱 我国茶叶加工机械的发展，只有5 0 多年历史，而且一开始以引进为主。虽然用于茶 叶杀青、揉捻、干燥方面的机械产品发展较快，但扁形茶机械产品大部分都是模仿手工制 茶来设计，设计思想单一。尽管已经出现了十几种扁茶机，如旋转长板式龙井茶炒制机、 4 浙江理工大学硕士学位论文 往复长板式龙井茶炒制机、压头式龙井茶炒制机等，但都没能突破模仿手工制茶的设计思 路，制茶效果很难满足名优茶对品质的要求。茶机生产企业目前多为小型企业，它们生产 的产品具有很高的同质性、技术含量都很低、利润小，是低水平重复建设。并且由于没有 利润支持，很难有技术创新。不仅企业很少有茶机研究部门，国内也没有专门的茶机研究 机构，他们往往依附于其他科研机构，科研力量不强，人才缺乏，导致茶叶机械很多都沿 袭以前的技术，许多机械用了十几年都没有什么变化。这种落后的现状，必须彻底改善， 势在必行。 基础研究薄弱，产品开发急功近利。除一些规模较大的茶机企业注重研发外，一般茶 机厂研发和设计能力极为薄弱，产品一味仿制，机器种类和型号虽繁多，但大同小异，体 现不出特色。往往是一种较新颖的机器出现后，各厂蜂拥仿造，而对所存在的问题尤其是 有关制茶质量的难题，很少去研究和解决。同时，一种新产品投产前理应进行一些必要的 制茶试验和试运转，然而这一点目前基本上被茶机生产厂家所忽略。一些机器往往是稍有 “苗头”或仅是样机，如有客户委托就造，造出后就卖，并且往往夸大宣传，掩盖缺点，急 功近利，造成不必要的损失。 随着社会对茶叶的需求量逐年增大，茶叶种植、加工已形成一个巨大的产业。为了能 改善茶叶产业，提高其国际竞争力，必须解决现有茶叶机械存在的问题。杀青是绿茶加工 的第一道工序，其主要目的是利用高温钝化鲜叶中酶的活性，使加工叶保持色泽翠绿、散 发出青臭气、挥发香气。理条是将茶叶加工成条的形状，它是炒制扁形茶和针形茶时茶叶 成形的关键工艺。把理条机输出的条形茶经过压扁机的热压后就形成了扁形茶( 龙井茶) ， 而理条机输出的条形茶就是针形茶。自动杀青理条机是能同时完成对茶叶杀青理条两道工 序的重要加工机械。改善自动杀青理条机的性能、解决其存在的问题将能更进一步推动茶 叶加工行业的前进。 1 2 国内外研究现状 茶业机械主要是指茶园作业机械和茶叶加工机 械，是发展茶叶生产的重要生产工具。中国有句古语： “工欲善其事，必先利其器。 因此茶业机械历来为 人们所重视。 国外先进国家发明了揉捻机和烘干机等茶叶加工 机械，其茶叶的加工机械水平比较先进，特别是日本， 如图1 1 所示。日本茶业机械化【6 1 和自动化程度相当高， s 图1 1 日本自动化制茶控制室 茶树修剪、采摘、加工、包装都 浙江理工大学硕士学位论文 实现了机械化和自动化。日本的茶叶机械制作所具有研发力量强、管理水平高、用材质量 高等优点，还采用引进其他机械行业先进技术的方法，推动茶叶机械的快速发展。日本在 2 0 世纪2 0 年代就有简单的精揉机用于茶叶加工，经过几十年的发展，制茶机械已很先进， 不仅台时产量大，而且产品质量稳定。茶叶加工都由高度自动化的蒸青生产线来完成。 目前印度居全球第二产茶大国的位置，也是世界茶叶出口的第四大国。印度国内设有 专门的研究机构，负责技术研发和推广，一些茶叶研究机构也正在加紧开发降低生产成本 的新技术并帮助茶厂进行生产加工设备的更新换代。 5 0 年代初期，成立不久的中国茶叶公司，为适应茶叶生产的恢复和发展的需要，提出 了利用机械，提高制茶生产能力，降低成本，以产定销，促进我国茶叶生产和贸易恢复及 发展的设想。并采取“压资订机”的办法，即由国家拨给一定的资金，有计划地安排上海、 杭州、无锡、济南等地的机械厂，以仿制为主，加工了包括揉捻机、解块分筛机、圆筛机、 抖筛机、切茶机、拣梗机、风力选别机、滚筒机、炒茶机和自动烘干机在内的一大批初、 精制茶叶机械，共2 3 5 6 台，动力2 0 0 多台。并使用这批机具，在华东和中南等重点产茶 区筹备兴建了一批新颖的初、精制机械茶厂，起到了示范作用，为我国现代化机械茶厂的 建立和茶叶机械的发展，开辟了道路。 随着茶叶生产的发展，我国机械行业从7 0 年代初期开始，不断增加从事茶叶机械研 究的力量，使茶机研究设计的广度、深度日趋扩展，促进了茶机品种和性能的增加与改善， 出现了静电拣梗、组合机、高频及微波烘干、流化床等新机种，诸如滚筒杀青机、揉捻机、 烘干机等也已形成系列。同时，茶叶生产连续化和自动控制技术，在国内已开始研究，揉 捻机的程控加压和烘干机的微机控制技术，目前已达到了相当水平。 8 0 年代以来，随着国内经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国名优茶获得 快速发展。进入2 1 世纪，就全国而言，名优茶总产量已占全国茶叶总产量的3 0 左右， 而名优茶产值更占到全国茶叶总产值的7 0 以上。在我国，由于扁形茶【7 n - r 3 ：艺独特、 工艺间的连接比较困难，其机械化水平远落后于其他种类的茶叶机械。到目前为止，还没 有一条扁形茶加工全自动化流水线。 扁形茶落后的单机加工使得我国扁形茶生产模式落后，制约着生产力的发展。与千家 万户的分散加工方式相比，相对集中的有一定规模的加工厂不仅有利于技术的发挥，而且 有利于扁形茶加工炒制质量水平的提高。此外，过于分散的茶叶加工使加工机器设备难以 发挥它的最大效率，利用率较低。并且，分散的设备对基础设施的需求、电力设施的大投 入等都是让地方政府很为难的问题，能耗的浪费也非常严重。到目前为止，关于扁型茶及 6 浙江理工大学硕士学位论文 其加工机械的理论研究也比较少，其中赵祖光等在茶叶理条机、多用机的一种往复运动 的新颖滑轨付机构中介绍了一种新颖的滑轨付即一圆一平滑轨【8 】。 2 0 0 8 年，陈全胜等在基于近红外光谱和机器视觉的多信息融合技术评判茶叶品质 中，首次提出利用近红外光谱和机器视觉的多传感信息融合技术评判茶叶品质。试验以4 个等级的炒青绿茶为试验对象，对获取的图像特征信息和光谱特征信息，通过主成分分析 提取相应的主成分得分向量构成模式识别的输入。利用b p 神经网络方法建立茶叶综合品 质评判模型【9 1 。 2 0 0 9 年，赵华勇等在u 型多槽锅式茶叶理条机传动机构的参数确定中，通过正交 试验得出影响理条机理条效率的传动参数依次为曲柄转速、曲柄长度、多槽锅偏心距，并 且得到最佳配合数据，即确定了理条机传动机构的各参数值【1 0 】。 1 3 目前自动杀青理条机存在的问题 目前市场上主要销售的自动杀青理条机如图1 2 所示。其工作过程为：将待加工的茶 叶倒入茶叶托盘内，开通电源，由于多槽锅在曲柄滑块机构的带动下左右滑动，所以茶叶 图1 2 自动杀青理条机 随着锅体的左右滑动而滑落到多槽锅中，多槽锅底部放有电热管f l l 】，用于给多槽锅底部加 热，茶叶在多槽锅内与多槽锅锅壁发生相对运动而被摩擦成条，且茶叶受热，茶叶内的水 分就会被蒸发，茶叶中酶的活性就会被钝化杀青，一段时间后，茶叶被理成条，由于自动 杀青理条机是倾斜式的，所以茶叶自动从另一端排出。温度设定好后，这个过程不需要人 的参与，比传统的杀青理条机有了较大的提高。但是其炒茶的工艺性【1 2 】却没有改进，而且 7 浙江理工大学硕士学位论文 机器的振动和噪音问题也没有得到很好的解决。 不管是杀青理条机还是自动杀青理条机，其中的多槽锅都是由曲柄滑块机构带动的。 电机先经带轮减速后，再由曲柄滑块通过连杆带动多槽锅左右滑动。由于多槽锅的重量较 重，所以产生较大的惯性力，造成较大的振动和噪音，给生产带来较大的不便，大大影响 了杀青理条机的工作寿命。而且曲柄滑块机构带动多槽锅锅体所作运动的速度曲线不平 缓，不符合茶叶加工工艺的要求，通过对曲柄滑块所作的各种减振措施来看，效果并不好， 加工工艺更是很难满足炒茶的要求。因此在设计自动杀青理条机新型传动机构时要首先根 据茶叶的加工工艺性，选择茶叶在多槽锅内合适的运动，再根据该运动确定多槽锅滑动的 振幅、频率等因素，从而可得到传动机构的各项参数。根据曲柄的功率选择合适的电机， 再由曲柄的转速和选用电机的转速来确定中间减速的传动齿轮。茶叶在多槽锅内被理成 条，对于不同型号的理条机理条效率有差异，而目前传动机构的参数只能根据工人的经验 选择。 1 4 本课题研究的主要内容 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 回顾了国内外茶机方面的研究现状和发展趋势，分析了传统理条机存在的机器振动 大、茶叶在理条机理方面研究少等问题，在此基础上引出本课题的研究内容。 2 为解决自动杀青理条机始终存在的理条效率不高和振动比较大的问题，首先在满足 茶叶加工工艺的条件下，提出了一种理条效率高且振动小的新型驱动机构非圆齿轮连 杆机构，通过m a t l a b 软件，对该机构中非圆齿轮的节曲线、齿廓等参数进行优化设计， 并利用三维建模软件对主、从动非圆齿轮进行三维建模。 3 对曲柄滑块机构和非圆齿轮连杆机构从茶叶理条效率的高低和机器振动的大小两 个方面进行比较，最终得出非圆齿轮连杆机构可以代替曲柄滑块机构的结论。 4 针对传统杀青理条机存在的振动问题，创新设计了全新的振动小的三节槽锅平衡往 复式自动杀青理条机，并对其机构原理和传动机构进行了详细论述。 5 利用a d a m s 软件开发了自动杀青理条机传动机构的虚拟样机，并对非圆齿轮连杆 机构进行了运动学仿真试验。从理论模型和虚拟样机两个角度来相互验证模型和虚拟样机 的正确性。 1 5 本章小结 本章研究了茶叶饮料及其加工机械的国内外现状和发展，对目前茶叶加工工艺的杀青 理条工艺和机器存在的问题进行了阐述，尤其是针对新型自动杀青理条机存在的问题，得 8 9 加工工艺性差 浙江理工大学硕士学位论文 第二章自动杀青理条机新型传动机构的提出 杭州千岛湖丰凯实业有限公司生产的自动杀青理条机目前主要存在两方面的问题：一 是理条效率有待提高，二是振动问题难以解决。为了改善其存在的主要问题，考虑到从曲 柄滑块机构出发，已很难找到解决以上两个问题的方法，而在当今非圆齿轮在减少振动以 及取得任意速度曲线的应用日趋广泛且加速效果好于曲柄滑块的背景下，用非圆齿轮连杆 机构代替曲柄滑块机构来提高炒茶效率以满足茶叶的加工工艺以及减少振动就成了一个 可以尝试的解决方案。 2 1 曲柄滑块机构应用在自动杀青理条机上的不足 目前自动杀青理条机的传动装置采用曲柄滑块机构【1 3 1 ，其工作原理是由曲柄滑块机构 带动多槽锅做往复移动，形成对槽锅内茶叶的滚动、翻动和挤压的理条作用。在曲柄的转 动下带动多槽锅做往复直线运动，这种移动产生的惯性力给机器带来很大的振动，严重影 响到机器的寿命和操作工人的身体健康。单独为了减少振动，在对驱动多槽锅运动的曲柄 滑块机构运动学分析的基础上，有人曾经从在原有机构上增加配重和增设附加机构两方面 对减少振动进行了研究，研究结果如下： 1 ) 在曲柄上直接增加配重的方法。根据理论分析，理条机要平衡3 5 的水平惯性力， 需增加4 2 堙的配重，这种配重方法将在纵向产生幅值为3 5 的新惯性力，影响机器在垂直 方向上惯性力的不平衡。由于目前机器本身的零、部件尺寸限制，所以在曲柄上加配重来 减少振动是非常难的。 2 ) 增设附加机构的方法。根据理论分析，该方法只需增设2 0 堙的平衡块，就可以平 衡大部分机器的水平惯性力，且无纵向的新惯性力产生。而且增设平衡块的位置不受机架 等零件的空间限制，但是由于增设的附加机构结构复杂，使机器结构尺寸变大，因此在现 实中没有实际的使用价值。 2 2 非圆齿轮应用在自动杀青理条机上的优势 2 2 1 非圆齿轮的介绍 非圆齿轮【1 4 l 一般被认为是圆齿轮的普遍形式，非圆齿轮的节曲线般是不封闭的，这 种齿轮副只能作往复的摆动而不能作连续的旋转，如果要求齿轮副作单项连续的运动，以 传递周期性的运动关系，则主动轮和从动轮两齿轮的节曲线都应该是封闭的，非圆齿轮