三平移并联茶叶筛分机的机械设计分析

刘玉英

（天津工业职业学院工业技术系，天津 300400）

1 机构描述和位置结构

在筛面上茶叶颗粒的运动方式对设计机械造成了十分严重的影响，只有使得筛面上的茶叶颗粒产生适合筛分的运动，才能提高筛分效率、优化筛分效果。茶叶筛分机在进行筛分的过程中，茶叶颗粒不断与筛框、筛面和周围颗粒发生碰撞、挤压和滑动摩擦等接触运动，产生接触力并且传递能量，从而促使茶叶颗粒的透筛，最终完成筛分目的。由于筛分过程、颗粒物料相互作用的复杂性，颗粒物料数量庞大，使得茶叶颗粒的透筛运动研究困难。筛分过程中，茶叶颗粒在筛面上的运动属于离散颗粒群动力学问题，是一种典型的颗粒系统。

1.1 结构描述

茶叶颗粒进入传统单自由度往复式运动筛框后，会在上面上做前后的往复式运动，以此种运动形式获得透筛的机会。传统式茶叶筛分机一般由筛面、吊杆组成的四杆机构和曲柄连杆机构组成。

1.2 位置正反解

茶叶筛分机筛面上茶叶颗粒的筛分过程是以统计概率论原理为基础的，茶叶颗粒的透筛概率理论实际上就是筛分的基本原理。了解茶叶颗粒透筛概率原理，对于选取合理的筛分振动形式和工作参数，以及提高筛分效率有着相当重要的意义。

2 茶叶筛分试验方案

就离散单元法的基本思路来说，能够形成一个结构较为松散的戒指颗粒，这些颗粒就是该方法的研究对象，每一个颗粒作为一个“元”或者是“粒子”，我们将介质看成是由很多的粒子独立运动构成的。相邻的单元之间会存在几个不同的作用力，因为牛顿第三定律，我们都知道力的作用是相互的，因此我们可以采用动态松弛法或静态松弛法来进行计算，确定单元在移动之后的位置情况。

经过跟踪单元计算，我们就能够得到一个研究对象的运动轨迹，在进行筛分的过程中，颗粒与颗粒之间会产生相互作用的力，这些彼此作用的粒子叫做邻居元。因为这些颗粒大多都是离散的，彼此之间相对独立，在运动的过程中邻居元也会产生变化，因此颗粒会聚集在一起，同样也会分散开来，在计算的时候，要去判断一个颗粒是否会与其他的颗粒之间产生接触，所以颗粒间的接触模型的建立也起到十分关键的作用。离散单元法最突出的优点是可以将庞大数量的颗粒作为研究对象，计算过程中对计算机的内存要求较少。离散元的计算过程常常会发生变化，其中会使用到牛顿运动定律以及力与位移的定律，牛顿运动定律会在颗粒的作用下加速运动，力与位移的关系要参考颗粒之间的接触情况来确定。通过反复运用这两个定律，来计算颗粒的位移以及受力等情况，以达到追踪每个颗粒运动状态的目的。

根据研究领域的不同，应该选择不同的颗粒形状。在茶叶筛分加工过程中，根据茶叶品种的变化，茶叶的几何形状也多种多样不尽相同，所以建立标准的茶叶几何模型是一件非常困难、繁琐的工作。常见的茶叶颗粒有片状、条杆状、不规则球状，但是这些复杂的几何体给离散元求解时的接触判断，角一角、边一边、角边接触中的力与力矩的计算以及二维至三维的推广带来困难。而圆盘或者球体在离散元法中仅需一个半径变量便可以定义，并且各个颗粒之间只可能有一种接触。因此作为先期研究，本文将茶叶颗粒的几何模型定义为三维球体，以便于茶叶颗粒接触状态易于检测，压缩计算机对于内存的要求，剪短计算机在计算上的时长，这样才可以更加有效的研究较多数量的茶叶颗粒，从而更准确的揭示茶叶颗粒的筛分特性。在茶叶筛分机的工作过程中，茶叶筛选的工作会受到颗粒运动的影响，因此我们必须要做好几何建模的工作，这一项工作是做好茶叶筛选的前提。在茶叶筛分机的机型中，筛面的形状最常用的就是长方形。因此本文通过迭代计算判断颗粒与筛面的接触情况，以实现复杂的茶叶颗粒筛分离散元模拟。

2.1 正交设计

颗粒间的受力分析是研究颗粒宏观透筛运动和微观运动筛分机理研究的重要步骤，就是建立一个颗粒动力学模型作为铺垫。茶叶颗粒会在筛框中做运动的时候，每一个颗粒收到的作用力是不一样的，颗粒与筛框之间不仅会受到彼此的作用力，同时还会受到地球的重力作用。其中，颗粒之间、颗粒与筛框之间的作用力是在运动的过程中产生的，彼此间会有碰撞、挤压以及摩擦等作用。因筛分作业包括粒状物料分散和透筛等过程。物料分层部分包括分散和透筛两个部分，所以分散度与透筛性这两个部分是筛分机性能指标中的重要参数，一般通过透筛时间代表。透筛茶叶时间也代表筛分机工作效率，透筛的时间越短，机械的使用效率就越高。利用这样的方式，来评价三平移振动筛缩短透筛时间的效果。试验因素的因素包含有以下几个方面：（1）筛分机操作自由度、（2）振动频率、（3）振幅、（4）茶叶含水率、（5）茶叶掺杂率，可以把透筛时间看成是评价指标，因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

2.2 试验结果分析

按照正交表进行试验，得到表2的数据。

表2 正交试验方案和结果

本次实验中，其中每一个因素都有各自的顺序，这个顺序是按照自由度、振幅、频率、掺杂率和含水率。每一个因素对于透筛时间的影响都是不一样的：自由度在筛分性能上的影响是：在X单向反复振动的影响下，茶叶筛分工序会持续比较长的时间；适当的提升Y方向的振动以后，因为Y方向的振动会让茶叶在筛面上进行径向运动，物料能够在短时间内快速分散，使茶叶与筛面的之间的接触面积有所提升，这样可以经一部缩短筛选的时间，这说明Y方向上的振动会对茶叶在筛面上的分散程度以及透筛性能的提升起到积极的影响；在X、Y、Z这3个方向上，Z方向上的振动明显会比其他两个方向上的震动更加明显。这是由于Z方向上的振动使得茶叶在筛网上以抛动的方式运动，能够有效地达到分层的目标，能够明显的缩短透筛的时间。

3 三平移茶叶筛分机仿真

颗粒的接触模型能够有效的使用接触力以及位移定律，计算出彼此接触的两个颗粒在接触点上会有什么样的关联，从而得到颗粒之间的运动轨迹。在茶叶筛分的过程当中，存在两种类型的接触：颗粒之间的接触和颗粒与筛框之间的接触。在颗粒流的模拟领域当中，普遍采用的模拟方法可以分为两大类。软球法与硬球法这两类方法将颗粒之间或者颗粒与筛框之间的接触视为一个碰撞的过程，前者将碰撞的过程当作若干个时步来处理，后者把碰撞的瞬间视为一个瞬间，颗粒经过碰撞之后的状态，很大程度上取决于颗粒发生碰撞之前的情况。“硬球法"虽然简化计算过程，减少计算时步，如果暂时先不考虑颗粒之间长距离的相互作用力，所以能够适用的颗粒数量比较少。相较之下，尽管“软球法”在时间消耗上比较多，计算的难度也比较大，但是却能够比较合适的处理多颗粒子碰撞的问题，因此更加符合茶叶颗粒筛分的实际情况。在茶叶颗粒筛分的模拟仿真中，由于茶叶物料外形的多样性与复杂性，在目前已有的研究手段中，无法建立类似茶叶物料外形的模型。本文采用了离散元法模拟仿真通用的建模方法，用球元颗粒代替了形状复杂的茶叶物料，Cleary认为：简单的模型与复杂的模型计算出来的结果可能会存在差异，所以我们在计算的过程中可能要适当的忽略一些影响计算结果的因素，所以无论是那一种接触模型对于模拟结果来说，所造成的影响是可以忽略的。根据简化模型的原则，首先构建虚拟样机模型，之后再把模型中的各个零件通过运动副进行连接，有利于杆件进行运动。首先在大地上固定静平台，之后使用圆柱副连接机架和滑块，从而达到移动与转动目的；连接杆与滑块之间分别了用转动副连接，达到连杆和滑块相对进行运动；连杆与动平台之间分别通过转动副连接，从而完成连杆与动平台之间的转动。通过计算可知曲线和理论结果基本一致，即驱动副的输入和动平台的输出相等，输入和输出之间不存在放大与缩小的关系，促使动平台各个方面的振幅、频率等参数的调整更为便捷，进一步在筛面上容易完成茶叶的运动轨迹，提升操作水平，节省操作时间。同时这一机构3条运动支链全面解耦，可以在三个方面开展振动，对类型不同的茶叶产生更强的适应力，并且有利于控制运动，由此可知，通过这一机构作为筛分机可以达到需求，是最为适合的机型。

颗粒离散元法的原理虽然简单，但在计算机上实施较为复杂，涉及的问题较多，计算过程费时。离散元的一般求解过程为：首先将求解空间分解为离散单元阵，并根据实际问题用合理的链接元件将相邻两颗粒连接起来；颗粒间相对位移是基本变量，由力与相对位移的关系可得到两颗粒法向方向和切向方向的作用力；对颗粒在各个方向上与其他颗粒间的作用力以及筛框对颗粒的作用力所引起的外力求合力和合力矩，根据牛顿第二运动定律可以求得颗粒的加速度；对其进行时间积分，进而获得颗粒的速度、位移。从而获得所有颗粒在任意时刻的接触力、速度、加速度、线位移与转角等物理量。

4 结语

对于传统的茶叶筛分设备来说，多位振动的不足还没有得到较好的解决，因此才提出了三平移并联机构茶叶筛分机。该设备利用了更加科学的计算原理，能够使茶叶运动更容易控制。利用正交试验的方式，研究三维振动茶叶筛分机各种参数对筛分效果的影响，从而证明了增加Y向与Z向振动能够帮助提升筛分的效率，能够有效地验证了正交试验过程中，自由度的结论是，三自由度振动最短透筛时间能够缩短成单自由度振动最短透筛时间的百分之五，其透筛的性能能够得到较好的改善。