摘    要：【目的】解決茶葉揉捻機揉捻壓力大小由制茶師憑經驗施加，導致加工茶葉質量不穩定，嚴重影響茶葉品質等問題。【方法】課題組在6CR-55型單柱式揉捻機基礎上，改進設計一種輪輻式壓力傳感自動加壓裝置。采用理論分析法和ADAMS動力學仿真分析，確定了揉捻壓力的大小及方向；選擇DYLF-102輪輻式壓力傳感器，將壓力傳感器固定在揉捻軸接近底端位置，實時監測揉捻壓力大小；利用步進電機通過錐齒輪、絲桿滑塊傳遞動力，實現自動化控制加壓；開發揉捻機自動控制系統，并進行樣機試驗。【結果與結論】1）根據受力分析，得出揉捻蓋受到茶葉擠壓力時力傳導方向是垂直向上的結論。2）仿真結果表明，除去開始力的突變過程，總體上CONTACT＿1與SFORCE＿1的大小基本接近，由此可推斷出茶葉對揉捻蓋的擠壓力也會反作用到揉捻軸上，而且大小和方向非常接近。3）樣機實驗表明，采用自動加壓的揉捻壓力滿足了“輕-重-輕”的茶葉揉捻工藝，且揉捻效率相較于手動加壓茶葉揉捻機的揉捻效率平均提升了28.5%，茶葉鎖緊成條，品質更加穩定，茶味更加香醇。

關鍵詞：茶葉揉捻機;ADAMS;自動加壓;揉捻壓力;

0 引言

揉捻是茶葉初加工的一道重要工序，將殺青葉或萎凋葉在手工或機械作用下做回轉運動，使茶葉鎖緊成條，破壞茶葉組織細胞，擠出茶汁，讓茶汁黏附在茶葉表面，有利于茶葉的沖泡[1]，而揉捻過程中所施加的揉捻壓力需遵循“輕-重-輕”原則，即茶葉揉捻過程中，其揉捻壓力需先輕后重，逐步加壓，輕重交替，最后不加壓。目前，茶葉揉捻壓力大小大多憑制茶師經驗控制，每批次茶葉加工過程中所施加的揉捻壓力并不一致，導致不同批次茶葉質量不穩定，也增加了勞動強度。

為了實現茶葉揉捻機自動化生產，減輕人工勞動強度，近幾年國內學者對揉捻壓力控制進行了大量研究[2,3]。徐海衛等[4]將測力傳感器安裝在揉捻機懸臂梁上，當壓蓋向下移動與鮮茶葉相互擠壓時，連桿受反作用力向上移動，連桿頂端球面與測力傳感器產生擠壓作用，實現揉捻壓力的檢測。譚和平等[5]設計了一種橋梁式壓力傳感器檢測裝置來測定揉捻壓力。對于桶式揉捻機自動揉捻過程，徐海衛等[6]還建立了茶葉受力模型，進行試驗仿真，求解出茶葉所受揉捻壓力與揉捻桶轉速之間的數值關系。而這些研究主要還只是停留在理論上，未考慮實際揉捻過程中振動和外界因素的影響，也并未在實際生產中進行試驗。

本文在6CR-55型單柱式揉捻機的基礎上進行改進，提出采用實時自動加壓方式，實現每次茶葉加工所施加壓力的一致性，結合揉捻加工工藝，利用Proe軟件建立加壓機構的三維模型，采用ADAMS軟件對該機構進行動力學仿真，模擬仿真出該構件的受力情況。根據揉捻軸蓋動力學仿真結果及揉捻軸蓋結構，設計壓力檢測裝置、自動加壓裝置及控制系統，滿足“輕-重-輕”交替數字化加壓原則。

1 茶葉揉捻機工作原理及揉捻過程中茶葉受力分析

1.1 茶葉揉捻機工作原理

本文改進的自動化茶葉揉捻機由揉捻軸、揉捻蓋、連接法蘭盤、壓力傳感器、揉捻桶、桶轂、揉捻盤、卸料底盤、橫臂梁、腳支柱、揉捻曲柄、主電機、自動加壓機構、自動卸料機構等組成，自動化控制的茶葉揉捻機結構圖如圖1所示。其工作過程如下：根據鮮茶葉嫩度、采摘季節等具體情況，操作人員在控制系統界面上輸入需施加的“輕-重-輕”各段壓力值及每段壓力所需的揉捻時間、揉桶轉速、出茶時間等參數并保存；加壓電機工作，揉捻蓋上升并旋轉打開，倒入鮮茶葉后，揉捻蓋旋轉合攏并向下移動；主電機正轉，通過皮帶傳遞動力，揉捻桶在揉捻盤上做旋轉運動，茶葉沿棱骨方向收緊翻轉；控制系統實時監測揉捻軸上的壓力數據，控制加壓電機旋轉來改變揉捻壓力大小，揉捻結束后，卸料電機工作，卸料曲柄逆時針旋轉，卸料底盤打開自動卸料，至此，揉捻完成。

圖1 6ZCR-55茶葉揉捻機結構圖 

1.揉捻蓋；2.主電機；3.桶轂；4.揉捻桶；5.揉捻盤；6.腳支柱；7.揉捻曲柄；8.加壓電機；9.支柱；10.橫臂梁；11.接觸器；12.壓力傳感器；13.揉捻軸；14.擺動導桿機構；15.卸料電機；16.卸料底盤。

1.2 茶葉揉捻工作過程中受力分析

茶葉在揉捻過程中，受到揉捻蓋、揉捻桶以及茶葉內部之間的相互作用力，在這些力的作用下，每一片茶葉的受力和運動情況都不同，且受力大小和方向隨時變化。對單片茶葉進行受力分析工作量太大，需簡化茶葉受力分析，將所有茶葉看成一個葉團，再進行受力分析。揉捻時，葉團隨著揉捻桶做平面圓周運動，該過程中受到多種力，這些力主要有：揉捻桶的反作用力F1、揉捻盤出茶口的反作用力F2、茶葉與揉捻盤間的摩擦力f、揉捻盤表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4、揉捻蓋對茶葉的壓力N、茶葉做平面圓周運動的離心力F5、自身重力G。受力分析如圖2所示，作用在茶葉上的合力為Q，其大小為[7]:

茶葉在這些力的作用下做回轉運動，根據茶葉在桶內的運動情況，將揉捻桶分成4個作用區，如圖3所示。揉捻運動的作用區是茶葉揉捻成條的主要區域，在該區域內，茶葉受到揉捻桶的反作用力F1，向前順著棱骨卷曲成條；強壓區是茶葉成團的主要區域，茶葉在這個區域受到揉捻盤表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4、揉捻蓋對茶葉的壓力N，且此時力的強度最大，在這3個力的作用下，茶葉向揉桶中心相互擠壓，擠壓程度最大；下翻區中，茶葉受到的揉捻桶的反作用力F1、揉捻盤表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4幾乎可以忽略，在該區域，茶葉已經運動到了揉桶的頂部，在慣性力和重力的作用下向下翻滾；陷空區里沒有茶葉，因為揉桶一直在做回轉運動，下翻區落下來的茶葉瞬時間沒有到達，出現空缺[7]。

圖2 茶葉揉捻時的受力分析

圖3 茶葉揉捻時的作用區

Ⅰ.揉捻運動作用區；Ⅱ.強壓區；Ⅲ.下翻區；Ⅳ.陷空區。

通過以上分析，揉捻桶的反作用力F1、茶葉與揉捻盤間的摩擦力f、揉捻盤表面的反作用力F3、棱骨的揉搓力F4和揉捻蓋對茶葉的壓力N對茶葉揉捻工作至關重要，而當揉捻機的主要機構參數確定后，通過控制揉捻機的轉速和揉捻蓋下壓程度，即可改變這些力的大小。在揉捻轉速一定的情況下，只有控制揉捻蓋的上下移動，才能控制揉捻蓋對茶葉的壓力N；而改變揉捻蓋對茶葉的壓力N，即可控制茶葉揉捻總作用力。

2 揉捻軸蓋動力學仿真分析

本文利用ADAMS對揉捻蓋進行受力分析，驗證理論分析的正確性。假設揉捻蓋受到茶葉擠壓力的瞬間幾乎處于靜止狀態，為了簡化模型結構，只分析其連接構件的作用力。用Proe軟件建立揉捻蓋、揉捻軸等簡單的連接結構模型，導出Parasolid格式，再將模型導入ADAMS中進行動力學分析[8]。為了減少模型的約束，零件按是否存在相對運動劃分成3個構件，其中，軸承、連接法蘭盤、揉捻蓋看成一個構件，橫臂和揉捻軸各為一個構件。模型導入后，對各個構件添加材料屬性及約束：橫臂與地面之間添加固定副（JOINT＿1），橫臂與揉捻軸之間添加固定副（JOINT＿2），揉捻軸與揉捻蓋中的軸承添加接觸力（CONTACT＿1），橫臂與揉捻蓋之間添加彈簧力（SPRING＿1），根據原揉捻機安裝在揉捻軸上的彈簧來設定彈簧力的剛度系數和阻尼系數，分別為9N/mm、6 N·s/mm。模擬茶葉對揉捻蓋的擠壓力，在揉捻蓋上依次施加3個垂直向上的力（SFORCE＿1），大小分別為200 N、300 N、400 N，并對施加的三個力依次仿真，所有的構件添加鋼鐵屬性。完成揉捻蓋連接機構的虛擬模型建立后，進行動力學仿真，點擊Simulation命令，設置仿真類型為動力仿真（Dynamic），仿真時長設為1 s，步長設為50，開始計算。仿真結束，進入后處理界面，點擊查看與揉捻蓋接觸的作用力的變化，力的變化曲線如圖4所示[9]。從圖4可以看出揉捻軸蓋之間作用力的變化情況：CONTACT＿1是揉捻蓋與揉捻軸之間的作用力，剛開始該力會有一個突變的過程，除去這個突變過程，總體上CONTACT＿1與SFORCE＿1的大小基本接近，而揉捻蓋上所添加的垂直力SFORCE＿1可以表示茶葉對揉捻蓋的擠壓力，由此可推斷出茶葉對揉捻蓋的擠壓力也會反作用到揉捻軸上，而且大小和方向非常接近。

3 自動加壓裝置結構設計

3.1 壓力傳感器選型

通過上述對茶葉揉捻力的分析，發現茶葉的揉捻壓力會反作用在揉捻軸上，本研究將壓力傳感器安裝在揉捻軸合適位置來實時測定揉捻壓力大小。通過查閱相關資料可知，安裝在軸上的壓力傳感器常用結構類型有輪輻式和S型，如圖5所示。S型壓力傳感器容易受振動影響，一般應用于小尺寸軸的設備壓力檢測；輪輻式壓力傳感器線性度好，抗偏載和側向能力強，可以減輕外界振動干擾。由于揉捻機在工作過程中振動較大，且揉捻蓋有時也會處于一種傾斜狀態，因此本裝置選擇DYLF-102輪輻式壓力傳感器。

圖4 揉捻蓋上的作用力變化曲線圖 

圖5 壓力傳感器的結構類型

3.2 壓力傳感器結構安裝設計

在揉捻過程中，揉捻蓋由于受到茶葉的摩擦力作用而發生旋轉，便于茶葉揉捻到頂部能自由掉落，并且有一定角度的傾斜，讓茶葉揉捻時，有一定的緩沖空間，不至于被“揉死”。因此，輪輻式壓力傳感器與揉捻軸采用螺紋連接；傳感器下方設計安裝一個墊板，保護傳感器應變片安全；法蘭與傳感器墊板之間設計安裝推力軸承，中間墊上柔性墊圈，為揉捻蓋的自轉和傾斜提供一定的活動空間。自動加壓機構由自動加壓電機、錐齒輪、絲桿組成，整體結構安裝在一個從動的揉捻曲柄上，絲桿與橫臂梁是螺旋副連接；揉捻蓋用連接法蘭連接在揉捻軸上，揉捻軸與連接法蘭通過推力軸承連接，壓力傳感器與揉捻軸由螺紋連接，揉捻軸固定在橫臂梁上，如圖6所示。

圖6 揉捻機壓力檢測裝置

3.3 自動加壓電機選型及安裝

自動加壓機構通過一對錐齒輪實現動力轉向作用，加壓電機與小錐齒輪通過聯軸器固定。計算電機扭矩時，用扭力扳手夾緊小錐齒輪的軸，轉動小錐齒輪，測出扭矩力大概為120 N。根據力與扭矩的計算公式[10]:T=F×D，求解得到扭矩為3 N·m，為了節省成本，可接受脈沖信號的控制，選擇86步進電機。

為了減輕軸的受力，設計一塊墊板固定在桶轂上，在墊板上方安裝步進電機，電機軸與錐齒輪結構聯接，如圖7所示。當加壓電機工作時，電機帶動錐齒輪機構運動，進而帶動絲桿旋轉，絲桿與橫臂采用螺旋副連接，帶動橫臂做上下運動，實現揉捻蓋的上下運動，以此達到揉捻機自動加壓的目的。

4 樣機試驗

根據理論設計和仿真分析確定了裝置整體結構，在6CR-55型單柱式揉捻機基礎上進行樣機6ZCR-55試制，并以STM32為主機核心芯片開發了一套茶葉揉捻機自動控制系統，如圖8所示。樣機試驗結果表明：揉捻過程中，揉捻壓力滿足了“輕-重-輕”的三次施加過程，符合實際揉捻工藝。采用自動加壓茶葉揉捻機的揉捻效率比手動加壓茶葉揉捻機的揉捻效率平均提升了28.5%，揉捻后的茶葉鎖緊成條，品質更加穩定，香味更加醇厚。

圖7 自動加壓裝置圖

5 結論

1）對茶葉揉捻過程進行理論受力分析，根據受力分析結果，利用ADAMS動力學仿真軟件進一步驗證，得出揉捻蓋受到茶葉擠壓力時力傳導方向是垂直向上的結論。

圖8 6ZCR-55自動化茶葉揉捻機樣機試驗

2）確定自動加壓裝置的具體結構，將輪輻式壓力傳感器固定在揉捻軸接近底端的位置，再通過推力軸承、法蘭連接揉捻蓋，實現揉捻壓力的實時監測功能；利用步進電機通過錐齒輪、絲桿滑塊傳遞動力，實現自動化控制加壓功能。

3）開發控制系統，自動控制壓力大小，使揉捻壓力滿足“輕-重-輕”的揉捻工藝需求，揉捻效率相較于手動加壓茶葉揉捻機平均提升了28.5%，茶葉鎖緊成條，品質更加穩定，茶味更加香醇。

文章來源南方農機. 2023,54(21)