楊 瑩

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遵義 563000）

茶產(chǎn)業(yè)是貴州省最重要的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展條例》?！顿F州省茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展條例》規(guī)定，茶葉加工企業(yè)應(yīng)當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)化、清潔化的方式生產(chǎn)加工茶葉，同時鼓勵和支持科研機(jī)構(gòu)、高等院校、中等職業(yè)院校和茶葉生產(chǎn)加工經(jīng)營者聯(lián)合建立科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)換機(jī)制，開展茶樹種植、產(chǎn)品加工的先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備的研發(fā)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(jī)進(jìn)行研究。

1 茶葉揉捻工藝

揉捻的主要作用是使茶葉細(xì)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(xiàn)了機(jī)械化。最常見的茶葉揉捻設(shè)備為圓盤式揉捻機(jī)，由揉蓋、揉桶和揉盤3部分組成。葉子在揉桶內(nèi)搓揉翻滾，受揉蓋和揉盤的擠壓。揉捻中葉片以兩種形態(tài)卷緊：一種是以葉脈為中心的扭卷成條；另一種是緊卷狀態(tài)[3]。茶葉揉捻的質(zhì)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(zhì)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(jī)的機(jī)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(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)研究

根據(jù)茶葉揉捻的工藝要求，研究6CR-25A型茶葉揉捻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并針對揉捻機(jī)的棱骨進(jìn)行逆向設(shè)計，主要包括3D數(shù)據(jù)采集、3D建模、有限元分析、參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 揉捻機(jī)棱骨的逆向建模

茶葉揉捻機(jī)棱骨的主要作用是提供茶葉揉捻時的復(fù)雜作用力，改變桶內(nèi)葉片的運動方向，從而使葉片裹成圓團(tuán)形狀，并且在揉捻桶內(nèi)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(jìn)的螺旋運動，從而實現(xiàn)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(shè)計一般是由產(chǎn)品初始模型或現(xiàn)有產(chǎn)品來做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對有問題的產(chǎn)品參數(shù)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接的優(yōu)化、仿真和分析，從而獲得得到合理的結(jié)果[6]。逆向設(shè)計的一般流程為“對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集—處理采集到的數(shù)據(jù)—對處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行建?！獌?yōu)化或創(chuàng)新建好的模型—對新模型進(jìn)行加工工藝設(shè)計—形成新的產(chǎn)品”。

2.2 棱骨的數(shù)據(jù)采集

3D激光掃描儀可測量細(xì)節(jié)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(fù)雜幾何形狀的測量和檢查。這些表面和大量復(fù)雜的幾何形狀需要大量數(shù)據(jù)才能進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，如果使用傳統(tǒng)測量方法或測頭，將無法收集棱骨的點云數(shù)據(jù)[7]。通過掃描收集到的棱骨的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集完畢后，輸出asc文件。

圖1 掃描的棱骨點云數(shù)據(jù)

2.3 棱骨的點云處理與3D建模

Geomagic Wrap具有極強(qiáng)的點云數(shù)據(jù)處理能力，能夠快速將點云轉(zhuǎn)換為三角面片，為后續(xù)的3D建模做準(zhǔn)備。具體過程：對掃描的點數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)換格式，適用于工業(yè)產(chǎn)品的逆向建模。本文采用棱骨的點云數(shù)據(jù)，利用Geomagic Design X進(jìn)行3D建模，如圖2所示。

圖2 棱骨的3D建模

2.5 棱骨的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

茶葉揉捻機(jī)棱骨存在兩方面問題。一方面，在工作過程中，茶葉揉捻機(jī)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(jī)一起做揉捻動作。另一方面，利用ANSYS有限元軟件對棱骨進(jìn)行靜力學(xué)分析得出，茶葉揉捻機(jī)棱骨條在工作過程中的最大應(yīng)力和最大變形均出現(xiàn)在茶葉揉捻機(jī)棱骨條的工作面，如圖3所示。

圖3 棱骨的應(yīng)變有限元分析

為避免茶葉揉捻機(jī)工作面出現(xiàn)受力不均問題，提高茶葉揉捻機(jī)的工作質(zhì)量，需要優(yōu)化茶葉揉捻機(jī)棱骨條的橫截面形狀。優(yōu)化后的茶葉揉捻機(jī)棱骨條能夠有效提高茶葉揉捻機(jī)的工作質(zhì)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(jī)工作面受力不均情況發(fā)生的概率。

2.6 茶葉揉捻機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

運用SolidWorks軟件，以同樣的方法對茶葉揉捻機(jī)的各部分零件進(jìn)行逆向設(shè)計，最終形成茶葉揉捻機(jī)的總裝配文件。

3 結(jié)語

目前，雖然茶葉揉捻機(jī)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(shè)備也需要不斷改進(jìn)，以加工出品質(zhì)更優(yōu)、規(guī)模更大的茶葉。例如，揉捻機(jī)組連續(xù)作業(yè)，是將多臺茶葉揉捻機(jī)串聯(lián)在一起，實現(xiàn)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(shè)備研究，降低設(shè)計研發(fā)成本。