往復式茶葉振動抖篩機優化設計與試驗

王小勇 余 志 倪德江

(1.華中農業大學園藝林學學院,武漢 430070; 2.果蔬園藝作物種質創新與利用全國重點實驗室,武漢 430070)

0 引言

茶葉品質包括外形與內質,其中外形又包括形狀與色澤,內質包括湯色、香氣、滋味和葉底[1]。內質主要受茶多酚、氨基酸等非揮發性物質和芳香物質等揮發性物質的影響,質量與初加工相關[2]。外形是影響消費者購買欲的第一感官品質,外觀整齊一致的茶葉不僅受到消費者青睞,同時也影響茶葉包裝性能與成本,而外形質量與毛茶精制密切相關[3]。

茶葉精加工的流程包括篩分、切細、風選、揀梗、車色和干燥等步驟,其中篩分工序主要是對毛茶的長短、粗細、大小進行整理,以及剔除茶梗、碎石等茶類和非茶類夾雜物,使茶葉外形整齊劃一,有利于后續的風選揀梗等工序操作[4]。抖篩作為整個篩分工序中最重要的一個環節,可以篩出茶頭和筋梗,而完成抖篩的設備主要是抖篩機。衡量抖篩機效果與性能的指標為誤篩率和生產率。

目前對茶葉抖篩機的相關研究較少,相關類似抖篩的研究主要還是集中在農產品(大米、大豆、玉米等)以及礦業領域[5-7]。在農產品領域,NING等[8]設計了一種大豆雙層振動篩;WEI等[9]分析了馬鈴薯-土壤混合料篩分過程中的損傷機理;YEOUN等[10]研究了紫蘇顆粒在橢圓振動篩上的速度。在礦業領域,SHANMUGAM等[11]結合正交試驗研究了水分、角度、頻率等操作參數對振動篩篩分煤炭的影響。MONCADA等[12]對雙層直線運動振動篩礦石運動及其與篩板的相互作用進行研究。ZHAO等[13]研究了顆粒在篩板上的運動與振動篩分級過程。在茶葉領域,ZHAO等[14]對茶葉抖篩過程進行仿真;李兵等[15]結合蟻群算法對茶葉抖篩機關鍵參數進行優化設計;浙江上洋茶葉機械公司研制出了一種全封閉式符合集中除塵功能的新型拋振式茶葉抖篩機[16];王成軍等[17-18]設計了三維振動茶葉篩分機和二自由度茶葉滾筒篩分機,并研究各主要工作參數對篩分效果的影響。

綜上所述,上述學者主要通過對篩分設備的傳動結構、操作參數和篩分過程進行研究,以提高篩分效率,而且大部分通過算法模擬優化、傳動結構設計或者試驗分析來進行設備改進。考慮到經過加工后的毛茶外形并非規則的球形,大部分呈橢圓狀卷曲和U形狀卷曲的外形,并且抖篩作業中茶葉的運動非常復雜,茶葉需在抖篩網上經過上下往復運動、離開篩面被拋起運動以及顆粒落到篩孔后的碰撞運動3個過程,完成茶葉抖篩作業。因此茶葉抖篩機理研究對提高篩分效率具有重要影響,但目前關于抖篩機理的相關研究較少,現有篩分理論分析與模型搭建并不適用于茶葉抖篩機,缺少往復式振動抖篩機結構設計和操作參數改進的理論支撐。因此,本文建立往復式茶葉振動抖篩機篩分過程茶葉顆粒的動力學模型,分析茶葉在篩床上的抖篩機理,通過EDEM模型和篩分試驗對茶葉抖篩機的最佳工作參數進行優化,以提高篩分效率。

1 材料與方法

1.1 往復式茶葉振動抖篩機結構與工作原理

往復式茶葉振動抖篩機由上茶裝置、螺旋升降機構、上層篩床、下層篩床、曲柄、電動機、機架等構成。整機通過電動機作為動力源,篩床的一端安裝在上茶裝置下方,與上茶裝置出茶口相對,另一端與傳動機構相連,并通過螺旋升降機構調整篩床與水平面的傾斜角,往復式茶葉抖篩機的三維結構示意圖如圖1所示。

圖1 往復式茶葉抖篩機主體結構圖

6CD-116型往復式茶葉抖篩機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

往復式茶葉振動抖篩機的工作原理是:往復式茶葉振動抖篩機工作時,通過電動機提供動力源,經過曲柄搖桿機構將動力傳遞到篩面上,使篩床前后往復抖動。茶葉通過上茶裝置進入并通過閘門調節進入篩面茶葉量。茶葉進入篩面后在篩床的前后往復抖動和篩床傾斜角的作用下開始運動,茶葉在篩分過程中受隨篩面運動的離心慣性力、茶葉與篩面的摩擦力及茶葉撞擊篩孔的撞擊力,使茶葉在篩床上輕微跳動,細的茶條則可以穿過篩面,到達下層篩面,而粗的茶條無法通過篩面,則從篩床的出口方向滑出,從而達到篩分茶葉粗細的目的[19]。在茶葉精制生產線上,可以通過控制輸送裝置上料速度,完成茶葉精制加工的連續化作業。

1.2 茶葉-篩床動力學模型建立

茶葉篩分過程中主要受到篩床往復運動產生的慣性力、茶葉與篩面的摩擦以及茶葉在跳動后與篩孔之間產生碰撞,從而區分出茶葉粗細。因此茶葉在篩面的運動形式主要有:茶葉顆粒沿篩床上下運動、茶葉顆粒離開篩面被拋起運動以及顆粒落到篩孔后與篩面的碰撞運動。已有多位學者通過離散元的方法分析了茶葉鮮葉分級、理條、干燥等過程[20-23],因此本研究結合茶葉物料具有的離散特性,以單個茶葉顆粒為研究對象進行動力學分析。

1.2.1茶葉顆粒沿篩床上下運動分析

茶葉沿篩面上下運動過程中,隨篩面運動產生的慣性力與篩面運動方向有關。為了使茶葉不斷流向出茶口,則茶葉沿篩面向下的速度需大于茶葉沿篩面向上的速度,為了降低誤篩率和提高篩分效率,則需增加茶葉在篩面運動距離,因此茶葉需能夠沿著篩面向上運動[24-26]。茶葉在篩面的運動受力分析如圖2所示。

圖2 茶葉沿篩床上下運動受力分析

篩床往復運動速度v由茶葉抖篩機曲柄帶動搖桿擺動所產生,茶葉沿篩面運動速度v0則由篩床產生,篩床往復運動可以簡化為簡諧運動,則有

L=-Aωcos(ωt)

(1)

v=Aωsin(ωt)

(2)

a0=Aω2cos(ωt)

(3)

v0=vcosα=Aωsin(ωt)cosα

(4)

式中L——抖篩機篩床位移,m

A——茶葉抖篩機篩面振動幅度,m

ω——抖篩機篩床轉動角速度,rad/s

t——篩分時間,s

a0——篩床加速度,m/s2

α——茶葉抖篩機篩面傾斜角,(°)

當慣性力方向沿篩面向上時,沿斜面方向合力F1和支持力N可以表示為

F1=Fcos(θ-α)-f-mgsinα

(5)

N=mgcosα-Fsin(θ-α)

(6)

其中

f=Ntanφ

(7)

F=ma0=mAω2cos(ωt)

(8)

式中F——茶葉顆粒受到的慣性力,N

θ——振動方向角,取53°[14]

f——茶葉顆粒沿著篩面的摩檫力,N

m——茶葉顆粒質量,kg

g——重力加速度,取9.8 m/s2

φ——茶葉與茶葉抖篩機篩面的靜摩擦角,取20°[27]

將式(7)、(8)代入式(5)、(6)后整理得

F1=mAω2cos(ωt)cos(θ-α)-Ntanφ-mgsinα

(9)

N=mgcosα-mAω2cos(ωt)sin(θ-α)

(10)

同理,當慣性力方向沿篩面向下時,沿斜面方向合力F1和支持力N可以表示為

F1=Fcos(θ-α)-f+mgsinα

(11)

N=mgcosα+Fsin(θ-α)

(12)

整理可得

F1=mAω2cos(ωt)cos(θ-α)-Ntanφ+mgsinα

(13)

N=mgcosα+mAω2cos(ωt)sin(θ-α)

(14)

分析可知,茶葉沿著篩面上下運動與篩面振動幅度A、篩床轉動角速度ω、篩面傾斜角α、茶葉顆粒質量m、在篩面所受到的摩擦力f有關。當慣性力沿篩面向上時,當支持力N小于0時,茶葉顆粒將離開篩面被拋起,當沿斜面方向合力F1大于0時,茶葉顆粒沿著篩面往上運動,降低了茶葉抖篩機篩面振動幅度A和抖篩機篩床轉動角速度ω,有利于茶葉離開篩面被拋起;同理當慣性力沿篩面向下時,當支持力N小于0時,茶葉顆粒將離開篩面被拋起,當沿斜面方向合力F1大于0時,茶葉顆粒沿著篩面向下運動,增大了茶葉抖篩機篩面振動幅度A和抖篩機篩床轉動角速度ω,有利于茶葉離開篩面被拋起。

1.2.2茶葉顆粒離開篩面被拋起時運動分析

茶葉顆粒在篩面往復運動過程中會產生輕微跳動而被拋起,忽略茶葉在空中所受到的阻力,茶葉在拋起的瞬間支持力為0,在空中只受到重力作用,根據牛頓第二定律,此時茶葉顆粒在離開篩面進行斜拋運動。假設茶葉離開篩面時速度為v1,速度和水平方向夾角為τ,茶葉顆粒從t1時刻離開篩面,t2時刻茶葉顆粒與篩面接觸,茶葉顆粒離開篩面的運動軌跡如圖3所示。

圖3 茶葉顆粒離開篩面被拋起運動分析

茶葉離開篩面時初始速度為v1,由圖3可知

(15)

式中vx、vy、vz——茶葉離開篩面的初始速度v1在圖示坐標系X、Y、Z方向上的分量,m/s

茶葉在垂直篩面方向作自由落體運動,則有

(16)

式中z——茶葉顆粒運動到最高點的豎直位移,m

茶葉在X、Y方向的位移可以表示為

(17)

(18)

其中

Δz=Acos(ωt2)-Acos(ωt1)

(19)

式中 Δz——茶葉顆粒做拋體運動時篩床位移,m

ε——速度v1在平行于篩面平面上的投影與v1的夾角,(°)

x——茶葉顆粒從拋起到接觸篩網沿篩面方向位移,m

y——茶葉顆粒從拋起到接觸篩網垂直篩面方向的軸向位移,m

將式(19)代入式(17)、(18)后,可以得到

(20)

(21)

根據圖3可知,茶葉顆粒在篩床上沿沿斜面位移s和茶葉在水平方向位移x1可表示為

(22)

x1=xcosα

(23)

由式(20)～(23)可知,茶葉顆粒在篩床上沿沿斜面的位移s和茶葉在水平方向位移x1與茶葉抖篩機篩面振動幅度A、抖篩機篩床轉動角速度ω、茶葉抖篩機篩面傾斜角α有關,增加篩面振動幅度能夠增加茶葉顆粒在篩面上的移動位移;篩面傾斜角α增大,茶葉顆粒水平方向的位移則會減少,茶葉在篩面上停留的時間會增大,從而影響篩分效率。

1.2.3茶葉顆粒落到篩孔后碰撞運動分析

茶葉離開篩面被拋起后落入篩面,與篩床發生碰撞,由于茶葉顆粒的不均勻性,茶葉顆粒在篩分過程中大部分顆粒不會直接穿過篩孔,而是與篩孔發生碰撞后產生轉動決定顆粒是否能夠穿過篩孔。根據茶葉顆粒與篩床發生碰撞的位置可以分為位于篩孔上端和位于篩孔下端兩類;茶葉與篩床發生碰撞如圖4所示。

圖4 茶葉顆粒在篩床篩孔上發生碰撞分析

根據圖4可知,茶葉碰撞瞬間顆粒法向初始速度和切向初始速度可以表示為

(24)

(25)

式中v′——茶葉碰撞瞬間顆粒初始速度,m/s

vt——茶葉碰撞瞬間顆粒切向初始速度,m/s

vn——茶葉碰撞瞬間顆粒法向初始速度,m/s

γ1——法向力與軸線的夾角,(°)

γ2——切向力與軸線的夾角,(°)

根據碰撞恢復系數e,可以求出碰撞后茶葉顆粒的法向速度為

(26)

式中vn1——茶葉碰撞后顆粒的法向速度,m/s

茶葉顆粒與篩床接觸碰撞開始到產生最大壓縮時刻摩擦力沖量P1和從最大壓縮到脫離篩體表面時刻摩擦力沖量P2可以表示為

(27)

(28)

式中I——壓縮沖量,N·s

I′——恢復沖量,N·s

μ——茶葉與篩網碰撞的摩擦因數

根據動量定理可知

mvt1-mvt=-μ(I+I′)

(29)

其中

I′=eI

(30)

I=mvn

(31)

vt1=vt-μ(1+e)vn

(32)

式中vt1——茶葉碰撞后顆粒切向速度,m/s

則茶葉顆粒反彈速度為

(33)

同理可知茶葉顆粒在篩網下端碰撞時茶葉顆粒反彈速度為

(34)

通過比較茶葉顆粒與篩床碰撞時法向力與切向力產生的力矩則可以判斷顆粒與篩孔碰撞后的轉動狀態,根據圖4可知

(35)

其中

Mn=Fnlcosγ1

(36)

Mt=Ftlcosγ2

(37)

式中Mn、Mt——茶葉受到法向力和切向力相對于茶葉質心產生的力矩,N·m

M——茶葉轉動總力矩,N·m

Fn、Ft——茶葉受到法向力和切向力,N

l——茶葉碰撞點與茶葉質心沿篩面方向距離,m

根據上述分析可知,茶葉顆粒與篩面碰撞后速度與篩面振動幅度A、篩床轉動角速度ω、篩面傾斜角α、碰撞系數e、摩擦因數μ有關;通過茶葉轉動總力矩可知茶葉碰撞后的轉動狀態與茶葉質心與碰撞點的位置關系有關,當茶葉顆粒質心位于碰撞點右側在篩孔上端碰撞后向上運動與茶葉顆粒質心位于碰撞點左側在篩孔下端碰撞后向上運動時,此時茶葉顆粒轉動時遠離篩孔,不利于茶葉顆粒透過篩孔;當茶葉顆粒質心位于碰撞點右側在篩孔上端碰撞后向下運動與茶葉顆粒質心位于碰撞點左側在篩孔下端碰撞后向下運動時,茶葉顆粒已經進入篩孔;當茶葉顆粒質心位于碰撞點左側在篩孔上端碰撞和當茶葉顆粒質心位于碰撞點右側在篩孔下端碰撞,此時茶葉在轉動過程中有利于透過篩孔。

結合上述茶葉在篩床上的整個動力學分析可知,篩面振動幅度A、篩床轉動角速度ω、篩面傾斜角α始終影響茶葉篩分的整個過程,而篩床振動幅度A由抖篩機曲柄半徑所決定,篩床轉動角速度ω由曲柄轉速所決定,因此需對曲柄半徑、曲柄轉速、篩面傾斜角進行分析。

1.3 仿真模型建立

本文使用的篩網為金屬絲編織篩網,采用不繡鋼絲編織而成,篩面尺寸為1 450 mm×800 mm,篩孔邊長為3 mm,篩網模型采用SolidWorks軟件建立。結合試驗茶葉物料外形特征,大部分茶葉經歷炒制過程后轉變為橢圓狀卷曲顆粒和U形卷曲顆粒,結合茶葉外形特征參數,通過SolidWorks軟件建立茶葉顆粒三維模型,并進行網格劃分導入到EDEM軟件中,采用自動填充顆粒建模方法對模型快速填充,如圖5所示。茶葉與篩面接觸模型采用Hertz-Mindlin(no Slip)模型。設置茶葉顆粒及篩體相關物理參數[18,28],如表2、3所示。顆粒工廠設為 400 mm×200 mm 的長方形,顆粒工廠共產生5 000個茶葉顆粒,速率為1 000個/s,取仿真時間為5 s,設置茶鮮葉仿真數據輸出頻率為0.01 s;仿真網格大小設為最小粒子半徑3倍,仿真模型如圖6所示,茶葉在篩網上的運動狀態如圖7所示。根據茶葉在篩網上的動力學分析,仿真模擬參數包括3個曲柄轉速(240、250、260 r/min)、3個篩面傾斜角(2°、3°、4°)和3個曲柄半徑(20、22.5、25 mm),以茶葉顆粒在篩網上的速度與受力作為評價指標,分析各因素對篩分過程的影響。

表2 材料物理參數

表3 材料之間接觸參數

圖5 EDEM仿真模型

圖6 茶葉篩面運動狀態仿真模型

圖7 茶葉篩面運動狀態

1.4 試驗方法

1.4.1茶葉加工工藝流程

試驗材料為安徽省休寧縣溪口鎮山培村群體種茶葉,以一芽二葉為主,兼具一芽三葉和幼嫩對夾葉。鮮葉采摘后,根據綠茶加工要求[29],工藝流程為:攤青(30 min,厚度為3～5 cm,含水率71.9%)—殺青(6CST-50型滾筒殺青機,浙江上洋茶葉機械公司,1.5 min,溫度300℃,含水率60.4%)—揉捻(6CRZ-40型茶葉揉捻機,浙江上洋茶葉機械公司,空揉2～3 min—輕壓6～8 min—重壓8～10 min—輕壓5～7 min—松壓2～3 min,含水率59.6%)—定形(6CC-120型筒式炒干機,休寧縣三五九茶葉機械公司,溫度100℃,時間10～15 min,含水率10.6%)—干燥(6CHB-10型鏈板式干燥機,浙江上洋茶葉機械公司,溫度80～90℃,時間5.5～6.5 min,含水率5.6%)。

按照精制加工流程將經過毛茶復火(6CHB-10型鏈板式干燥機,浙江上洋茶葉機械公司,溫度100℃,時間3.5～4.5 min)、滾條(6CCP-110型瓶式炒干機,浙江上洋茶葉機械公司,溫度100℃,時間60～70 min)、圓篩(6CSY-90型平面圓篩機,浙江上洋茶葉機械公司)后的4孔茶作為試驗原料,抖篩試驗如圖8所示,圖8為抖篩后茶樣。

圖8 往復式抖篩機抖篩試驗

1.4.2正交試驗設計

茶葉顆粒運動狀態主要受曲柄轉速、篩面傾斜角和曲柄半徑影響,因此選擇曲柄轉速(240、250、260 r/min)、篩面傾斜角(2°、3°、4°)和曲柄半徑(20、22.5、25 mm)三因素三水平試驗,因素編碼如表4所示。

表4 因素編碼

1.5 分析測定方法

按照中華人民共和國機械行業標準JB/T 5676—2007《茶葉抖篩機》要求將誤篩率與生產率作為設備的主要性能考核指標[30]。

1.5.1誤篩率測定

在測定篩凈率的同時(第1次篩分),接取15 min首面篩篩下茶并稱量,然后在不改變抖篩機工作參數條件下,將接取的茶樣單獨投入抖篩機進行復篩,再接取復篩后的首面篩篩上茶并稱量[30]。誤篩率計算式為

(38)

式中ξn——誤篩率,%

Wfx——復篩后接取的首面篩篩上茶質量,kg

W′e——復篩前茶樣質量,kg

1.5.2生產率測定

在負載試驗中,接取30 min各出茶口排出的茶葉并稱量[30],生產率計算式為

(39)

式中E——生產率,kg/(m2·h)

∑Wi——各出茶口排出茶葉質量之和,kg

T——接取茶葉時間,min

S——首面篩有效篩分面積,m2

2 結果與分析

2.1 仿真結果

2.1.1不同曲柄半徑下茶葉篩分運動分析

仿真結果表明,曲柄半徑對茶葉在篩床上的速度和受力有顯著影響,如圖9所示。當曲柄半徑為20 mm時,1 s后茶葉在篩床上平均速度0.62 m/s,平均法向力為0.08 N,平均切向力為 0.03 N,此時茶葉在篩面上的平均速度較小,則茶葉獲得的動能較小,茶葉只能沿著篩面上下往復運動,不利于茶葉離開篩面做拋起運動,容易導致茶葉在篩面堆積,此時茶葉誤篩率較高。當曲柄半徑為25 mm時,1 s后茶葉在篩床上平均速度為0.85 m/s,平均法向力為0.09 N,平均切向力為 0.02 N,此時茶葉在篩面上平均速度較大,茶葉容易離開篩面被拋起,導致茶葉在篩面所停留時間減短,不利于篩分;速度大的同時還容易導致茶葉在篩分的過程跳離篩面;茶葉在篩面上的法向力較大還容易導致茶葉在與篩面接觸時發生碎茶。當曲柄半徑為22.5 mm時,1 s后茶葉在篩床上平均速度0.75 m/s,平均法向力為0.04 N,平均切向力為 0.014 N,此時茶葉速度適中,有利于茶葉拋起,并且茶葉在篩面上的碰撞不會導致碎茶情況的發生,整體運動平穩,有利于提高篩分效率。

圖9 不同曲柄半徑下茶葉平均速度、平均法向力、平均切向力變化曲線

2.1.2不同曲柄轉速下茶葉篩分運動分析

曲柄轉速通過影響篩床慣性力以及茶葉拋起高度,從而影響篩分效率。仿真結果表明,曲柄轉速對茶葉在篩床上的受力影響較大,如圖10所示。當曲柄轉速為240 r/min時,1 s后茶葉在篩床上平均速度0.71 m/s,平均法向力為0.04 N,平均切向力為 0.015 N,此時曲柄轉速較低,篩床振動慣性力較低,不利于茶葉拋起,導致茶葉與篩床碰撞的法向力與切向力增大,茶葉在運動過程會加大與其他茶葉顆粒碰撞的機率,影響茶葉在篩面上的運動狀態,導致篩分穩定性降低;當曲柄轉速為260 r/min時,1 s后茶葉在篩床上平均速度0.76 m/s,平均法向力為0.02 N,平均切向力為 0.009 N,曲柄轉速較大容易導致篩床的振動慣性力增大,從而篩分過程中會出現更多碎茶;切向力與法向力較低時影響茶葉拋起運動高度,導致茶葉調整姿態時間較短,不利于茶葉透篩。當曲柄轉速為250 r/min時,1 s后茶葉在篩床上平均速度0.74 m/s,平均法向力為0.03 N,平均切向力為 0.012 N,此時篩床慣性力適中,篩分出現碎茶可能性降低,茶葉在篩分過程碰撞機率降低且拋起高度適中,調整姿態時間充裕,篩分效果好。

圖10 不同曲柄轉速下茶葉平均速度、平均法向力和平均切向力變化曲線

2.1.3不同篩面傾斜角下茶葉篩分運動分析

篩面傾斜角通過茶葉摩檫力主要影響茶葉在篩面上的切向力從而影響茶葉在篩面上的反向移動。如圖11所示,當篩面傾斜角為2°時,1 s后茶葉在篩床上平均速度為0.74 m/s,平均法向力為0.03 N,平均切向力為 0.015 N,此時茶葉所受到的切向力較小,茶葉向下運動能力較弱,茶葉在篩面上停留時間較長導致茶葉在篩床上堆積;當篩面傾斜角為4°時,1 s后茶葉在篩床上平均速度0.76 m/s,平均法向力為0.04 N,平均切向力為 0.042 N,此時茶葉所受到的切向力較大,茶葉向下運動能力加強,茶葉下滑速度加快,容易造成茶葉沿篩床向上運動能力變差,導致誤篩率提升;當篩面傾斜角為3°時,1 s后茶葉在篩床上平均速度0.75 m/s,平均法向力為0.05 N,平均切向力為 0.024 N,此時茶葉切向力合適,茶葉既能沿著篩面向上運動,又不會造成茶葉堆積,茶葉誤篩率低,篩分效果好。

圖11 不同篩面傾斜角下茶葉平均速度、平均法向力和平均切向力變化曲線

2.2 正交試驗結果

以曲柄轉速、篩面傾斜角和曲柄半徑三因素水平為自變量,誤篩率和生產率作為試驗指標的試驗結果如表5所示,a、b、c為因素編碼值。

表5 試驗方案與結果

2.2.1誤篩率回歸模型與方差分析

利用Design-Expert軟件,得出茶葉誤篩率的方差分析結果如表6所示。根據試驗結果,得到誤篩率對3個因素的二次多元回歸方程為

表6 誤篩率方差分析

lnξn=1.70+0.02a+0.05b-0.02c-0.01ab+0.15ac+

0.01bc+1.18a2+0.11b2+0.12c2

(40)

由表6可知,因素ac、bc、a2、b2、c2對誤篩率影響顯著,其他則不顯著,各因素對誤篩率的影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉速、曲柄半徑。由圖12可以得出,誤篩率隨著篩面傾斜角的增大先減小后增大,增大的幅度大于減小的幅度;誤篩率隨著曲柄轉速的增大先減小后增大,增大的幅度大于減小的幅度;誤篩率隨著曲柄半徑的增大先減小后增大,減小的幅度大于增大的幅度。

圖12 各因素對誤篩率的響應曲面

2.2.2生產率回歸模型與方差分析

利用Design-Expert軟件,得出生產率的方差分析如表7所示。根據圖13試驗結果,得到生產率對3個因素的二次多元回歸方程為

表7 生產率方差分析

圖13 各因素對生產率的響應曲面

E=441.20-2.12a-8.12b-1.75c+3.50ab-

14.75ac-4.25bc-15.50a2-11.00b2-10.85c2

(41)

由表7可知,因素b、ac、a2、b2、c2對生產率影響顯著,其他則不顯著,各因素對生產率的影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉速、曲柄半徑。由圖13可得,生產率隨著篩面傾斜角的增大先增大后減小;生產率隨著曲柄轉速的增大先增大后減小;生產率隨著曲柄半徑的增大先增大后減小。

2.3 樣機試驗驗證

為了獲得往復式茶葉抖篩機篩分的最佳性能參數組合,確立往復式茶葉抖篩機優化數學模型為

(42)

經過Design-Expert軟件獲得最優組合為曲柄轉速247.99 r/min、篩面傾斜角2.60°、曲柄半徑23.11 mm,驗證試驗仍然在同樣的條件下進行,為了規避隨機誤差,重復試驗5次,取平均值作為最后試驗結果,誤篩率為5.3%,生產率為440 kg/(m2·h),與軟件分析結果(誤篩率5.43%,生產率442.82 kg/(m2·h))基本一致,表明試驗的最優值組合符合茶葉抖篩機設計要求。

3 結論

(1)通過分析茶葉在往復式茶葉抖篩機篩床上茶葉與篩床連續碰撞規律,建立了茶葉沿篩床上下運動、離開篩面被拋起運動以及落到篩孔后的碰撞運動3個過程的動力學模型,確定了往復式茶葉抖篩機在篩床上的篩分機理,得到影響茶葉篩分的主要因素為曲柄半徑、曲柄轉速、篩面傾斜角。

(2)通過離散元模擬建立茶葉篩分的仿真模型,分析茶葉在不同影響茶葉篩分主要因素情況下茶葉在篩床上的受力和速度變化規律。

(3)正交試驗結果表明:對誤篩率影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉速、曲柄半徑,對生產率影響由大到小為篩面傾斜角、曲柄轉速、曲柄半徑。Design-Expert軟件獲得最優的組合為曲柄轉速247.99 r/min、篩面傾斜角2.60°、曲柄半徑23.11 mm,此時誤篩率為5.3%,生產率為440 kg/(m2·h),試驗結果與預測值接近,驗證了模型的可行性。