一種茶葉揉捻機的自動化裝置改進設計

徐文娟,楊美萍

(咸寧職業技術學院,湖北 咸寧 437100)

0 引言

揉捻是制茶過程的一個重要步驟,對成茶的形狀和品質有著直接影響。揉捻的過程是將葉團在葉桶中做勻速圓周運動,在揉桶、壓蓋和自身應力的綜合作用下,將茶葉的組織細胞破壞,使其汁液粘附于茶葉表面、葉團形成緊湊的條索形狀的過程[1]。該過程對于茶葉使用和藥用價值的提高有很大的影響[2]。目前,茶葉的揉捻工序大部分已經實現了機械化生產,但自動化程度還需提高。

我國的茶葉生產線中,大部分的稱茶下料環節、揉捻環節設備速度和壓力控制都依靠人工操作,下料速度慢、稱重不夠精準導致后續茶葉加工質量不均勻;揉捻力度和速度大小依據工人經驗調節,導致茶葉加工品質參差不齊。因此,本文將對揉捻過程的稱重下料和揉捻過程的壓力和速度控制進行自動化設計。

通過對茶葉整個揉捻過程的分析,在下料過程中,采用皮帶秤對茶葉稱重,下料口開閉則利用氣缸進行控制。在揉捻過程中,對加壓設備進行改造,利用電阻應變式測力傳感器對揉捻壓力進行實時監控并及時反饋,采用PLC控制器對下料和揉捻過程壓力、速度進行控制,實現了揉捻機的下料和揉捻過程的自動化,提高了茶葉揉捻機的工作效率,控制了揉捻精度,保證了茶葉揉捻過程的質量。

1 工藝過程

1.1 自動控制系統圖

茶葉揉捻機的自動控制系統主要由顯示系統、計算機、速度控制系統、稱茶下料系統、壓力控制系統和PLC控制系統組成,如圖1所示。

圖1 茶葉揉捻機自動控制系統結構

1.2 計算機和顯示系統

計算機和顯示系統組成一體機,由顯示器、指示燈和警報器組成。通過計算機輸入各項工作參數,控制揉捻過程;顯示器用于顯示揉捻過程茶葉入料質量、揉捻速度及壓力等各項參數。揉捻機開始工作,指示燈亮起,停止工作,指示燈自動關閉。揉捻機出現異常情況,如壓力或速度超過工作極值等狀況時,警報器報警,揉捻機停止工作,查找異常并修復。

1.3 速度控制系統

速度控制系統由1個變頻器和1臺交流電機組成。一般揉捻機的速度由齒輪減速機構進行控制,但只能按照一個速度運轉,揉捻機需要根據不同的茶葉品種改變揉捻速度,因此加裝變頻器使該揉捻機可以適應不同的速度。根據茶葉品種的不同,在計算機上輸入對應速度參數,由PLC進行速度系統控制。

1.4 稱茶下料系統

稱茶下料系統由電磁閥、氣缸和皮帶秤組成,揉捻過程開啟后,第一步是稱茶下料,其工作流程圖如圖2所示。首先,出茶門關閉,揉盤和揉桶位置歸零,皮帶將茶葉運送至皮帶秤進行稱重,若達到設定質量則將茶葉下料至揉桶進行揉捻;若少于或多于設定質量,則進行適當的增加或減少,直到達到設定質量再投料。此時,壓蓋回復初始位置,按照計算機設定參數進行揉捻過程;結束后,茶門打開,由皮帶將茶葉運送至下一道工序。

圖2 稱茶下料系統工作流程圖

1.5 壓力控制系統

壓力控制系統由平衡彈簧、步進電機和電阻應變式測力傳感器組成。在茶葉的揉捻過程中,測力傳感器測量揉捻壓力,將結果反饋給PLC控制系統,對壓力測定值和輸入值做比較,由步進電機和壓蓋對揉捻壓力進行調整,芯片將電壓信號轉為數字信號,并在計算機上顯示,調整過程如圖3所示。加壓過程的原則是“逐步加壓,逐步減壓,最后不加壓”。

圖3 壓力控制系統調整過程圖

1.6 PLC控制系統

PLC控制系統是揉捻機的核心控制設備,計算機負責輸入工作參數,由PLC根據參數對各系統進行控制。

2 自動控制原理

2.1 原理描述

揉捻過程可以使茶葉體積變小,假設茶葉揉捻過程壓力保持不變,則壓蓋的高度在揉捻前后存在一定的關系,由此可以得出揉捻時間。揉捻壓力恒定時,茶葉壓縮比M為

揉捻結束壓蓋位置H為

H=H3-H3·M

其中,H1為茶葉裝滿時壓蓋位置,H2為揉捻工藝完成時壓蓋位置,H3為揉捻開始時壓蓋位置。

揉捻時間可以根據揉捻壓力得出,揉捻速度則與茶葉品種有關,因此對揉捻過程的自動控制,即是對揉捻壓力和速度的控制。

2.2 壓力控制

在壓力檢測機構中,為減少壓蓋重力對揉捻壓力的影響,在連桿和測力傳感器之間增加平衡彈簧,以平衡壓蓋重力[3-4],此時的測力傳感器測得的壓力和揉捻壓力近似相等。根據壓力控制系統對壓蓋和連桿進行受力分析,如圖4所示。

圖4 壓蓋和連桿受力分析圖

由此得到個各應力之間的關系為

F茶-F測+F彈-G=0

F茶=F測+G-F彈

其中,F彈為平衡彈簧在調節螺母的作用下產生的回彈力;G為壓蓋重力;F測為測力傳感器受到反作用力,即連桿頂端球面作用于測力傳感器的壓力;F茶為茶葉受到壓蓋的壓力。因此,當F彈=G時,揉捻壓力的大小F茶=F測。

測力傳感器采用電阻應變式測力傳感器作為質量和電量的轉化元件[5],工作原理是金屬絲發生彈性變形后,其電阻值相應的物理特性發生變化。為了便于計算,采用電橋測量電路將電阻的變化轉變為電流或電壓的變化。電橋有直流電橋和交流電橋,其原理相似,本文采用直流電橋進行分析,電橋電路圖如圖5所示。

圖5 電橋電路圖

電橋平衡時,傳感器元件Rs的基準狀態為R,輸出電壓V=0。揉捻過程開始后,傳感器元件Rs受到壓蓋的壓力作用產生彈性變形,電阻值變化為R(1+μ),此時電橋狀態失衡,輸出電壓V為

其中,μ為傳感器元件Rs的變化率,E為電源,R為電阻。由上式可知,當μ≤2時,可近似認為輸出電壓V與傳感器元件變化率μ呈線性關系,此時有

為得到與傳感器元件變化率μ成正比的輸出電壓V,將Rs串聯的電阻由恒流源替代,并串聯電阻Rh,此時通過Rs的電流為恒定值I0,輸出電壓V為

調節Rh的電阻值,使

可得到輸出電壓V為

V=I0Rμ

由此可得到測力傳感器的值。

2.3 速度控制原理

揉捻機的轉速主要影響茶葉揉捻質量和揉捻機的動力消耗,對于揉捻質量的影響主要包括茶葉成條率、破壞率和碎茶率。在揉捻壓力一定時,若轉速過低,則揉桶對茶葉的揉搓和擠壓作用過小,雖然碎茶較少、動力消耗少,但茶葉條索不夠緊實,細胞破壞程度不高;若轉速過高,則茶葉所受離心力過大,茶葉破壞率較高,茶葉條索粗松,且對揉捻機零件磨損嚴重,降低設備的使用壽命[6]。

針對不同的茶葉,由于其組織、嫩度和殺青質量的不同,需要適應不同揉捻要求的變化,因此在揉捻機內加裝變頻器作為調速裝置。通過試驗確定揉捻機轉速,使揉捻機適應不同的茶葉,使茶葉條索質量良好,且設備耗電量小。

3 試驗

為了驗證揉捻機的自動控制系統和使用性能,對揉捻機的轉速和壓力控制模塊進行測試,確定自動控制系統的性能;對揉捻機進行試用試驗,確定揉捻機的揉捻效果,并對結果進行分析。

3.1 壓力和轉速控制模塊測試

首先對系統的壓力控制模塊進行測試,固定揉捻機的轉速為25r/min,揉捻時間5min,在常用的壓力值范圍200～300N調整,將設定值輸入計算機,記錄測力傳感器的壓力值,結果如圖6(a)所示。

(a)

對系統的轉速控制模塊進行測試,固定揉捻機的壓力為250N,調整揉桶轉速10～50r/min,將設定值數計算機,采用編碼器測試異步電機的實際轉速,比較設定值和實際值的差異,結果如圖6(b)所示。

由圖6可以看出:壓力控制模塊的平均誤差在20N以內,轉速的平均誤差在2r/min以內,滿足揉捻機的自動控制系統的要求。

3.2 試用試驗測試

選取紅茶和綠茶作為試驗對象,分別選取相同品種、相同嫩度的茶葉分別在人工和安裝了自動控制系統的揉捻機上進行試驗。人工試驗由一名熟練工進行操作,自動控制系統則按照制茶工藝經驗,將制茶的工藝參數輸入計算機,包括揉捻壓力、揉桶轉速、工作時間等。為確保試驗結果的準確性,每種茶葉進行兩組試驗,取平均值進行統計,試驗結果如表1所示。

表1 茶葉揉捻工藝試驗結果

對比試驗結果發現:安裝自動控制系統的揉捻機茶葉成條率均大于85%,人工控制揉捻過程的茶葉成條率均大于80%,安裝自動控制系統揉捻機的成條率大于人工控制。觀察揉捻過程,人工控制揉捻過程需要工人實時關注揉捻狀態,調節揉捻參數,對于工人的熟練程度要求很高,且工作效率較低,人工成本較高;安裝自動控制系統的揉捻機,在開啟后運轉正常,稱茶下料系統可以對茶葉進行稱重并能投入揉桶,氣缸能夠順暢地控制開門、關門,壓力和轉速控制模塊運行良好,工作效率較高,人工成本較低。

4 結論

1)針對揉捻機進行了自動化裝置改進設計,主要由顯示系統、計算機、速度控制系統、稱茶下料系統、壓力控制系統和PLC控制系統組成。通過采用皮帶秤對茶葉自動稱重,設置測力傳感器檢測揉捻壓力,加裝變頻器有效控制揉捻速度,提高了揉捻效率,保證了茶葉的揉捻品質。

2)對安裝自動化裝置的揉捻機進行性能測試,結果表明:該揉捻機能夠穩定工作,實現了揉捻壓力和揉捻速度的準確監測和控制,且茶葉成條率大于80%,能夠滿足用戶對于揉捻機的性能要求。