三平移并聯茶葉篩分機的機械設計簡析范文

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摘要：對于茶葉制作來說，其中最重要的一個設備就是茶葉篩分機，目前，這個機器的使用范圍是最廣的，這種機械通常采用的都是三平移并聯，這樣可以保證篩框可以在平行面上來回移動。傳統的茶葉分篩機械的篩框在移動的時候僅僅采用的是單向的自由移動，這就使得篩床上常常會出現查坯反復、跳躍與豎起的問題，篩選的標準也比較粗糙。不過，傳統的機械因為在自由度上的缺失，很難在篩面上迅速均勻分布茶葉，減少了茶葉和篩面接觸的面積，分篩工作的效率會受到很大程度的影響。在本文中給出了一種以基于三平移全解耦并聯機作為基礎的茶葉篩分機器，這種機器能夠解決好傳統機械在篩框運動方面的問題，能夠更好的完成茶葉分篩分級的工作，且這樣的機械在操作性上更加的簡單易懂，也能很好的客服機械性能不穩定的問題。

關鍵詞：三平移并聯；茶葉篩分機；機械設計

1機構描述和位置結構

在篩面上茶葉顆粒的運動方式對設計機械造成了十分嚴重的影響，只有使得篩面上的茶葉顆粒產生適合篩分的運動，才能提高篩分效率、優化篩分效果。茶葉篩分機在進行篩分的過程中，茶葉顆粒不斷與篩框、篩面和周圍顆粒發生碰撞、擠壓和滑動摩擦等接觸運動，產生接觸力并且傳遞能量，從而促使茶葉顆粒的透篩，最終完成篩分目的。由于篩分過程、顆粒物料相互作用的復雜性，顆粒物料數量龐大，使得茶葉顆粒的透篩運動研究困難。篩分過程中，茶葉顆粒在篩面上的運動屬于離散顆粒群動力學問題，是一種典型的顆粒系統。

1.1結構描述

茶葉顆粒進入傳統單自由度往復式運動篩框后，會在上面上做前后的往復式運動，以此種運動形式獲得透篩的機會。傳統式茶葉篩分機一般由篩面、吊桿組成的四桿機構和曲柄連桿機構組成。篩分機結構主要包括3條同樣運動支鏈，i=1，2，3構成。轉動副C1、C2和C3在動平臺1上分布，平面與軸線之間保持著互相垂直的位置關系。圓柱副A1以及A2在靜態2的兩旁分布，該圓柱的軸線與平面彼此垂直。A3在平臺2的立柱上布置，所以3個圓柱副的軸線也要保持垂直的位置關系，3條運動支鏈在空間位置關系上也要保持垂直，可以表示為。這一機構的完全解耦性表示為輸入=輸出，有利于控制運動。1.2位置正反解茶葉篩分機篩面上茶葉顆粒的篩分過程是以統計概率論原理為基礎的，茶葉顆粒的透篩概率理論實際上就是篩分的基本原理。了解茶葉顆粒透篩概率原理，對于選取合理的篩分振動形式和工作參數，以及提高篩分效率有著相當重要的意義。已知選擇3個圓柱副A1、A2和A3中的移動副作為驅動副。為了得到空間內的坐標系OXYZ，同時還要在動態臺上搭建起一套坐標系PUVW，p作為坐標原點。我們假設一個點在固定坐標系中的坐標為，能夠使動平臺與經坐標之間構成三個獨立的轉角。因此坐標中的任意一個向量r都能夠利用矩陣的模式轉化為一個固定的坐標R。

2茶葉篩分試驗方案

就離散單元法的基本思路來說，能夠形成一個結構較為松散的戒指顆粒，這些顆粒就是該方法的研究對象，每一個顆粒作為一個“元”或者是“粒子”，我們將介質看成是由很多的粒子獨立運動構成的。相鄰的單元之間會存在幾個不同的作用力，因為牛頓第三定律，我們都知道力的作用是相互的，因此我們可以采用動態松弛法或靜態松弛法來進行計算，確定單元在移動之后的位置情況。經過跟蹤單元計算，我們就能夠得到一個研究對象的運動軌跡，在進行篩分的過程中，顆粒與顆粒之間會產生相互作用的力，這些彼此作用的粒子叫做鄰居元。因為這些顆粒大多都是離散的，彼此之間相對獨立，在運動的過程中鄰居元也會產生變化，因此顆粒會聚集在一起，同樣也會分散開來，在計算的時候，要去判斷一個顆粒是否會與其他的顆粒之間產生接觸，所以顆粒間的接觸模型的建立也起到十分關鍵的作用。離散單元法最突出的優點是可以將龐大數量的顆粒作為研究對象，計算過程中對計算機的內存要求較少。離散元的計算過程常常會發生變化，其中會使用到牛頓運動定律以及力與位移的定律，牛頓運動定律會在顆粒的作用下加速運動，力與位移的關系要參考顆粒之間的接觸情況來確定。通過反復運用這兩個定律，來計算顆粒的位移以及受力等情況，以達到追蹤每個顆粒運動狀態的目的。

根據研究領域的不同，應該選擇不同的顆粒形狀。在茶葉篩分加工過程中，根據茶葉品種的變化，茶葉的幾何形狀也多種多樣不盡相同，所以建立標準的茶葉幾何模型是一件非常困難、繁瑣的工作。常見的茶葉顆粒有片狀、條桿狀、不規則球狀，但是這些復雜的幾何體給離散元求解時的接觸判斷，角一角、邊一邊、角邊接觸中的力與力矩的計算以及二維至三維的推廣帶來困難。而圓盤或者球體在離散元法中僅需一個半徑變量便可以定義，并且各個顆粒之間只可能有一種接觸。因此作為先期研究，本文將茶葉顆粒的幾何模型定義為三維球體，以便于茶葉顆粒接觸狀態易于檢測，壓縮計算機對于內存的要求，剪短計算機在計算上的時長，這樣才可以更加有效的研究較多數量的茶葉顆粒，從而更準確的揭示茶葉顆粒的篩分特性。在茶葉篩分機的工作過程中，茶葉篩選的工作會受到顆粒運動的影響，因此我們必須要做好幾何建模的工作，這一項工作是做好茶葉篩選的前提。在茶葉篩分機的機型中，篩面的形狀最常用的就是長方形。因此本文通過迭代計算判斷顆粒與篩面的接觸情況，以實現復雜的茶葉顆粒篩分離散元模擬。

2.1正交設計

顆粒間的受力分析是研究顆粒宏觀透篩運動和微觀運動篩分機理研究的重要步驟，就是建立一個顆粒動力學模型作為鋪墊。茶葉顆粒會在篩框中做運動的時候，每一個顆粒收到的作用力是不一樣的，顆粒與篩框之間不僅會受到彼此的作用力，同時還會受到地球的重力作用。其中，顆粒之間、顆粒與篩框之間的作用力是在運動的過程中產生的，彼此間會有碰撞、擠壓以及摩擦等作用。因篩分作業包括粒狀物料分散和透篩等過程。物料分層部分包括分散和透篩兩個部分，所以分散度與透篩性這兩個部分是篩分機性能指標中的重要參數，一般通過透篩時間代表。透篩茶葉時間也代表篩分機工作效率，透篩的時間越短，機械的使用效率就越高。利用這樣的方式，來評價三平移振動篩縮短透篩時間的效果。試驗因素的因素包含有以下幾個方面：（1）篩分機操作自由度、（2）振動頻率、（3）振幅、（4）茶葉含水率、（5）茶葉摻雜率，可以把透篩時間看成是評價指標。

2.2試驗結果分析

本次實驗中，其中每一個因素都有各自的順序，這個順序是按照自由度、振幅、頻率、摻雜率和含水率。每一個因素對于透篩時間的影響都是不一樣的：自由度在篩分性能上的影響是：在X單向反復振動的影響下，茶葉篩分工序會持續比較長的時間；適當的提升Y方向的振動以后，因為Y方向的振動會讓茶葉在篩面上進行徑向運動，物料能夠在短時間內快速分散，使茶葉與篩面的之間的接觸面積有所提升，這樣可以經一部縮短篩選的時間，這說明Y方向上的振動會對茶葉在篩面上的分散程度以及透篩性能的提升起到積極的影響；在X、Y、Z這3個方向上，Z方向上的振動明顯會比其他兩個方向上的震動更加明顯。這是由于Z方向上的振動使得茶葉在篩網上以拋動的方式運動，能夠有效地達到分層的目標，能夠明顯的縮短透篩的時間。

3三平移茶葉篩分機仿真

顆粒的接觸模型能夠有效的使用接觸力以及位移定律，計算出彼此接觸的兩個顆粒在接觸點上會有什么樣的關聯，從而得到顆粒之間的運動軌跡。在茶葉篩分的過程當中，存在兩種類型的接觸：顆粒之間的接觸和顆粒與篩框之間的接觸。在顆粒流的模擬領域當中，普遍采用的模擬方法可以分為兩大類。軟球法與硬球法這兩類方法將顆粒之間或者顆粒與篩框之間的接觸視為一個碰撞的過程，前者將碰撞的過程當作若干個時步來處理，后者把碰撞的瞬間視為一個瞬間，顆粒經過碰撞之后的狀態，很大程度上取決于顆粒發生碰撞之前的情況。“硬球法"雖然簡化計算過程，減少計算時步，如果暫時先不考慮顆粒之間長距離的相互作用力，所以能夠適用的顆粒數量比較少。相較之下，盡管“軟球法”在時間消耗上比較多，計算的難度也比較大，但是卻能夠比較合適的處理多顆粒子碰撞的問題，因此更加符合茶葉顆粒篩分的實際情況。在茶葉顆粒篩分的模擬仿真中，由于茶葉物料外形的多樣性與復雜性，在目前已有的研究手段中，無法建立類似茶葉物料外形的模型。本文采用了離散元法模擬仿真通用的建模方法，用球元顆粒代替了形狀復雜的茶葉物料，Cleary認為：簡單的模型與復雜的模型計算出來的結果可能會存在差異，所以我們在計算的過程中可能要適當的忽略一些影響計算結果的因素，所以無論是那一種接觸模型對于模擬結果來說，所造成的影響是可以忽略的。根據簡化模型的原則，首先構建虛擬樣機模型，之后再把模型中的各個零件通過運動副進行連接，有利于桿件進行運動。首先在大地上固定靜平臺，之后使用圓柱副連接機架和滑塊，從而達到移動與轉動目的；連接桿與滑塊之間分別了用轉動副連接，達到連桿和滑塊相對進行運動；連桿與動平臺之間分別通過轉動副連接，從而完成連桿與動平臺之間的轉動。通過計算可知曲線和理論結果基本一致，即驅動副的輸入和動平臺的輸出相等，輸入和輸出之間不存在放大與縮小的關系，促使動平臺各個方面的振幅、頻率等參數的調整更為便捷，進一步在篩面上容易完成茶葉的運動軌跡，提升操作水平，節省操作時間。同時這一機構3條運動支鏈全面解耦，可以在三個方面開展振動，對類型不同的茶葉產生更強的適應力，并且有利于控制運動，由此可知，通過這一機構作為篩分機可以達到需求，是最為適合的機型。

顆粒離散元法的原理雖然簡單，但在計算機上實施較為復雜，涉及的問題較多，計算過程費時。離散元的一般求解過程為：首先將求解空間分解為離散單元陣，并根據實際問題用合理的鏈接元件將相鄰兩顆粒連接起來；顆粒間相對位移是基本變量，由力與相對位移的關系可得到兩顆粒法向方向和切向方向的作用力；對顆粒在各個方向上與其他顆粒間的作用力以及篩框對顆粒的作用力所引起的外力求合力和合力矩，根據牛頓第二運動定律可以求得顆粒的加速度；對其進行時間積分，進而獲得顆粒的速度、位移。從而獲得所有顆粒在任意時刻的接觸力、速度、加速度、線位移與轉角等物理量。

4結語

對于傳統的茶葉篩分設備來說，多位振動的不足還沒有得到較好的解決，因此才提出了三平移并聯機構茶葉篩分機。該設備利用了更加科學的計算原理，能夠使茶葉運動更容易控制。利用正交試驗的方式，研究三維振動茶葉篩分機各種參數對篩分效果的影響，從而證明了增加Y向與Z向振動能夠幫助提升篩分的效率，能夠有效地驗證了正交試驗過程中，自由度的結論是，三自由度振動最短透篩時間能夠縮短成單自由度振動最短透篩時間的百分之五，其透篩的性能能夠得到較好的改善。

參考文獻

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作者:劉玉英 單位:天津工業職業學院工業技術系