基于逆向設計的茶葉揉捻機機械結構改造

楊 瑩

（遵義職業技術學院，遵義 563000）

茶產業是貴州省最重要的傳統產業之一。2020年12月4日，貴州省第十三屆人民代表大會通過了《貴州省茶產業發展條例》。《貴州省茶產業發展條例》規定，茶葉加工企業應當采用標準化、清潔化的方式生產加工茶葉，同時鼓勵和支持科研機構、高等院校、中等職業院校和茶葉生產加工經營者聯合建立科技創新與成果轉換機制，開展茶樹種植、產品加工的先進技術、設備的研發和推廣活動。茶的加工工藝主要包括殺青、揉捻以及理條等[1]。本文就揉捻工藝所使用的茶葉揉捻機進行研究。

1 茶葉揉捻工藝

揉捻的主要作用是使茶葉細胞破裂，溢出茶汁，使其黏附在茶葉表面。揉捻后沖泡，茶水更加香濃，色澤更加鮮艷。揉捻后的葉片成卷條狀，體形變小，外形美觀，便于存放[2]。

目前，茶葉揉捻已基本實現了機械化。最常見的茶葉揉捻設備為圓盤式揉捻機，由揉蓋、揉桶和揉盤3部分組成。葉子在揉桶內搓揉翻滾，受揉蓋和揉盤的擠壓。揉捻中葉片以兩種形態卷緊：一種是以葉脈為中心的扭卷成條；另一種是緊卷狀態[3]。茶葉揉捻的質量主要由以下3個因素決定。

第一，投葉量。一次揉捻的茶葉量稱為投葉量。它的大小主要由揉捻桶徑大小和葉質水分含量等情況確定。投葉量太多或者太少都會造成揉捻不均勻問題，影響揉捻的效果。

第二，揉捻時間。揉捻時間主要受揉捻機的機械性能和投葉量等因素影響。一般情況下，揉捻的時間不可以超過90 min。

第三，揉捻加壓控制。揉捻時的壓力是決定揉捻效果的重要因素。揉捻加壓一般要遵從“輕-重-輕”的原則，即先空揉理條，然后輕壓，后逐漸中壓、重壓，最后再輕壓[4]。

2 茶葉揉捻機的機械結構研究

根據茶葉揉捻的工藝要求，研究6CR-25A型茶葉揉捻機的機械結構，并針對揉捻機的棱骨進行逆向設計，主要包括3D數據采集、3D建模、有限元分析、參數優化和結構設計。

2.1 揉捻機棱骨的逆向建模

茶葉揉捻機棱骨的主要作用是提供茶葉揉捻時的復雜作用力，改變桶內葉片的運動方向，從而使葉片裹成圓團形狀，并且在揉捻桶內不斷翻滾。棱骨的另一個作用是使葉片做上下運動。尤其是出茶口上的棱骨，能使揉捻桶中心部位的茶葉形成向上遞進的螺旋運動，從而實現面上的葉片與底部的葉片位置的不斷更換，使茶葉揉捻得更加透徹和均勻[5]。

逆向設計一般是由產品初始模型或現有產品來做結構優化，通過對有問題的產品參數或結構進行直接的優化、仿真和分析，從而獲得得到合理的結果[6]。逆向設計的一般流程為“對現有產品進行數據采集—處理采集到的數據—對處理好的數據進行建模—優化或創新建好的模型—對新模型進行加工工藝設計—形成新的產品”。

2.2 棱骨的數據采集

3D激光掃描儀可測量細節并捕獲自由形狀，以快速生成高度精確的點云。3D激光掃描非常適合輪廓表面和復雜幾何形狀的測量和檢查。這些表面和大量復雜的幾何形狀需要大量數據才能進行準確的描述，如果使用傳統測量方法或測頭，將無法收集棱骨的點云數據[7]。通過掃描收集到的棱骨的點云數據如圖1所示。數據采集完畢后，輸出asc文件。

圖1 掃描的棱骨點云數據

2.3 棱骨的點云處理與3D建模

Geomagic Wrap具有極強的點云數據處理能力，能夠快速將點云轉換為三角面片，為后續的3D建模做準備。具體過程：對掃描的點數據進行著色，刪減不必要的雜點和噪聲點，處理完成后將點云文件進行封裝（即形成三角面片），最后將文件保存為STL文件格式。

Geomagic Design X兼具了點云處理和正向建模的功能，也可以與其他三維軟件相互轉換格式，適用于工業產品的逆向建模。本文采用棱骨的點云數據，利用Geomagic Design X進行3D建模，如圖2所示。

圖2 棱骨的3D建模

2.5 棱骨的結構分析與優化

茶葉揉捻機棱骨存在兩方面問題。一方面，在工作過程中，茶葉揉捻機會在棱骨工作面與揉捻盤的夾縫處堆積茶葉，而堆積的茶葉無法跟隨茶葉揉捻機一起做揉捻動作。另一方面，利用ANSYS有限元軟件對棱骨進行靜力學分析得出，茶葉揉捻機棱骨條在工作過程中的最大應力和最大變形均出現在茶葉揉捻機棱骨條的工作面，如圖3所示。

圖3 棱骨的應變有限元分析

為避免茶葉揉捻機工作面出現受力不均問題，提高茶葉揉捻機的工作質量，需要優化茶葉揉捻機棱骨條的橫截面形狀。優化后的茶葉揉捻機棱骨條能夠有效提高茶葉揉捻機的工作質量，避免茶葉在棱骨條工作面和揉捻盤之間的堆積，降低茶葉揉捻機工作面受力不均情況發生的概率。

2.6 茶葉揉捻機的結構優化

運用SolidWorks軟件，以同樣的方法對茶葉揉捻機的各部分零件進行逆向設計，最終形成茶葉揉捻機的總裝配文件。

3 結語

目前，雖然茶葉揉捻機已基本普及化，但是對于日益更新的茶葉加工工藝和不斷增長的茶葉需求量，設備也需要不斷改進，以加工出品質更優、規模更大的茶葉。例如，揉捻機組連續作業，是將多臺茶葉揉捻機串聯在一起，實現自動上下料，并自動控制揉捻壓力和速度。下一步將致力于高性能的茶葉加工設備研究，降低設計研發成本。