自動化茶葉揉捻機自復位鎖緊裝置的多目標優(yōu)化設計*

劉 高 ，黃澤界 ，黃 崢

（遵義職業(yè)技術學院機電與信息工程系，貴州 遵義 563000）

0 引言

茶葉在中國發(fā)源甚早，并形成了獨特的中國茶文化，如今茶產(chǎn)業(yè)也是推進鄉(xiāng)村振興的重要產(chǎn)業(yè)[1]。茶葉揉捻是茶葉加工處理的關鍵工序[2]，茶葉揉捻質量與茶葉成品質量密切相關，目前部分地區(qū)茶葉揉捻還依靠手工操作，勞動強度大，茶葉揉捻質量不高。近年來，隨著茶產(chǎn)業(yè)在鄉(xiāng)村振興中的地位越來越高，茶葉產(chǎn)量也越來越大，實現(xiàn)茶葉加工自動化、機械化能夠進一步促進茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-4]。

茶葉揉捻是茶葉加工的一個重要工序，目前農村地區(qū)仍有部分農戶通過手工揉捻，隨著茶葉自動化揉捻需求的不斷增加，茶葉揉捻機也在不斷改進。楊碩林等[5]將茶葉揉捻機功能進行拆分設計，提高了茶葉揉捻機的工作效率，將復雜的揉捻裝置功能集合拆分成暫時獨立的功能單元；徐文娟等[6]對茶葉揉捻機自動化裝置進行了改進設計；李兵等[7]對茶葉揉捻機的相關參數(shù)進行了試驗研究，同時仍需通過進一步提高茶葉揉捻機械自動化程度來提高茶葉揉捻質量[8]。本研究基于現(xiàn)有茶葉揉捻機自動化程度不高、茶葉揉捻用工成本大的問題設計了自動化茶葉揉捻機，在自動化茶葉揉捻機內設計壓力傳感器，實現(xiàn)茶葉揉捻自動加壓操作，并且在茶葉揉捻機底部設計茶葉揉捻自復位鎖緊裝置，實現(xiàn)茶葉自動快速卸料，降低手工操作給茶葉揉捻質量帶來的影響。

1 自動化茶葉揉捻機的結構及工作原理

自動化茶葉揉捻機由揉捻盤電機、揉捻盤電機皮帶、揉捻盤、揉捻桶支架、揉捻桶、施壓電機、施壓電機皮帶、施壓桿、壓力傳感器、施壓盤、伺服電動缸、自復位鎖緊裝置、卸料盤、復位桿、復位電機組成。在工作時先將茶葉置于揉捻桶內，揉捻盤電機通過揉捻盤電機皮帶帶動揉捻盤支架和揉捻桶轉動，揉捻桶內的茶葉由于揉捻桶與揉捻盤之間的相對運動達到揉捻的目的。在茶葉的揉捻過程中，揉捻桶內茶葉的體積會不斷減小，當壓力傳感器檢測到揉捻桶內茶葉對施壓盤的壓力減小時，施壓電機通過施壓電機皮帶帶動施壓桿轉動，施壓桿向下運動推動施壓盤按壓揉捻桶內的茶葉，以達到更好的揉捻效果。當茶葉揉捻結束后，伺服電動缸推動自復位鎖緊裝置工作，卸料盤在重力作用下打開，茶葉從揉捻桶中掉落，實現(xiàn)卸料。卸料結束后，復位電機帶動復位桿轉動，復位桿帶動卸料盤轉動，并與自復位鎖緊裝置結合，將卸料盤鎖住，即完成一個工作流程。自動化茶葉揉捻機結構示意圖如圖1所示。

圖1 自動化茶葉揉捻機結構示意圖

2 自復位鎖緊裝置模型建立

自復位鎖緊裝置是自動化茶葉揉捻機中一個重要的部件，該部件主要由鎖緊塊、第一復位彈簧、第二復位彈簧、推桿、裝置外殼、第三復位彈簧、旋轉推桿和固定桿組成，自復位鎖緊裝置結構示意圖如圖2所示。自復位鎖緊裝置主要用于自動鎖緊、打開卸料盤，保證茶葉在揉捻過程中的穩(wěn)定性，當茶葉揉捻結束后，自復位鎖緊裝置在伺服電動缸的推動下自動打開，釋放揉捻盤，對揉捻完成的茶葉進行卸料操作。

圖2 自復位鎖緊裝置結構示意圖

3 自復位鎖緊裝置多目標優(yōu)化設計

3.1 設計變量

自復位鎖緊裝置通過電動缸施加動力，對自動化茶葉揉捻機的工作穩(wěn)定性和工作效率至關重要，對自復位鎖緊裝置進行結構優(yōu)化設計，可以提高設計效率，自復位鎖緊裝置尺寸模型圖如圖3所示。

圖3 自復位鎖緊裝置尺寸模型圖

根據(jù)自復位鎖緊裝置設計參數(shù)建立優(yōu)化數(shù)學模型，圖3中S1表示第三復位彈簧在工作回程結束時與旋轉推桿接觸點的距離，S2表示鎖緊塊延伸部分與裝置外殼之間的距離，S2的設計值為7.5 mm。S3表示旋轉推桿向左旋轉到最大角度與向右旋轉到最大角度時推桿頂部的水平距離，S4表示鎖緊塊滑動限位塊的寬度，S4的值為15 mm。k1、k2和k3分別為第一復位彈簧、第二復位彈簧和第三復位彈簧的勁度系數(shù)，a表示旋轉推桿上半部分長度，b表示旋轉推桿下半部分長度，θ表示旋轉推桿與豎直方向的最大旋轉角度，F(xiàn)f表示鎖緊塊與裝置外殼的摩擦力，F(xiàn)T表示伺服電動缸施加在旋轉推桿上的推力。

自復位鎖緊裝置鎖緊塊和裝置外殼選用鋼材設計，通過查詢《機械設計手冊》，鋼材靜摩擦因數(shù)為0.15，自動化茶葉揉捻機每次揉捻茶葉質量6 kg，卸料盤重量為0.6 kg，因此可得鎖緊塊在運動中所受的摩擦力：Ff=0.15×(60+6 N)=9.9 N，實際計算中取Ff=10 N。

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)分別用變量x1、x2、x3、x4、x5、x6和x7表示自復位鎖緊裝置尺寸模型中的變量a、b、k1、k2、k3、S1和θ，因此設計變量為：

3.2 推桿推力子目標建立

自復位鎖緊裝置在打開時，需要伺服電動缸對推桿施加推力來完成，建立推桿推力子目標，使推桿推力最小，能夠節(jié)約能源，延長自復位鎖緊裝置使用壽命。

推桿在推動旋轉推桿轉動時，根據(jù)平衡關系，推力FT與第三復位彈簧的彈力、鎖緊塊與裝置外殼的摩擦力Ff之間的關系，可以表示為：

將式（1）中的變量代入式（2）中整理，可得推桿推力子目標函數(shù)：

3.3 自復位鎖緊裝置推桿行程子目標建立

推桿推動旋轉推桿打開自復位鎖緊裝置的過程中，推桿的行程是打開自復位鎖緊裝置的關鍵，因此，將推桿行程作為一個子目標進行研究，根據(jù)自復位鎖緊裝置尺寸關系建立子目標函數(shù)，可得優(yōu)化數(shù)學模型的推桿行程子目標函數(shù)為：

3.4 約束條件

在自復位鎖緊裝置中，旋轉推桿總長度受安裝空間限制，根據(jù)實際情況得旋轉推桿的長度約束條件為：

自復位鎖緊裝置在復位過程中，旋轉推桿主要受第二復位彈簧和第三復位彈簧的作用，第三復位彈簧對旋轉推桿施加的力矩需要大于第二復位彈簧對旋轉推桿施加的力矩才能實現(xiàn)自動復位，因此約束條件為：

根據(jù)自復位鎖緊裝置設計需要，鎖緊塊延伸長度S2為7.5 mm，在旋轉推桿轉動過程中，鎖緊塊向右運動，鎖緊塊向右最大運動行程S4為15 mm，因此可得鎖緊塊的運動約束條件為：

根據(jù)旋轉推桿運動過程，可得其角度約束條件為：

自復位鎖緊裝置在復位過程中，由第一復位彈簧提供動力，根據(jù)力平衡關系：

4 多目標優(yōu)化模型

4.1 統(tǒng)一目標函數(shù)的建立

文中建立的目標函數(shù)優(yōu)化模型為多目標優(yōu)化問題[9-10]，采用統(tǒng)一目標函數(shù)法進行優(yōu)化求解，通過加權系數(shù)w1和w2將子目標函數(shù)f1(x)和f2(x)統(tǒng)一到一個目標函數(shù)f(x)中，即：

式中，w1、w2為加權系數(shù)，且滿足w1+w2=1。

加權系數(shù)反映了各子目標函數(shù)在統(tǒng)一目標函數(shù)中的重要程度，采用輔助參數(shù)法對加權系數(shù)進行計算，先求出各子目標函數(shù)fi(x)的約束極小點

通過輔助參數(shù)n構造方程組：

式（13）的系數(shù)矩陣為：

求解式（14）可得到w1，w2的解：

式中，I為單位矩陣，I=[1 1]T。

采用加權系數(shù)法求得子目標函數(shù)f1(x)的加權系數(shù)w1=0.3，子目標函數(shù)f2(x)的加權系數(shù)w2=0.7，因此得到統(tǒng)一目標函數(shù)：

4.2 多目標優(yōu)化模型求解

文中優(yōu)化數(shù)學模型為在非線性約束條件下求最小值的問題，采用MATLAB軟件中的優(yōu)化工具箱fmincon來對該模型進行求解，通過編程輸入優(yōu)化模型函數(shù)，輸入約束條件進行求解，求解結果如表1所示。

表1 優(yōu)化求解結果

由表1可知，優(yōu)化后自復位鎖緊裝置中旋轉推桿上半部分長度和下半部分長度均縮短44%，第一復位彈簧、第二復位彈簧和第三復位彈簧的勁度系數(shù)有了明顯調整，旋轉推桿在運動過程中與豎直方向的最大角度減小了33%。優(yōu)化后的自復位鎖緊裝置占用空間更小，節(jié)約了制造成本，自復位鎖緊裝置運行更加可靠。

5 結論

本研究基于茶葉自動化揉捻的需求，設計了自動化茶葉揉捻機，并采用多目標優(yōu)化設計方法對茶葉揉捻機的關鍵部件自復位鎖緊裝置進行了優(yōu)化設計，通過優(yōu)化前后對比，優(yōu)化后自復位鎖緊裝置中旋轉推桿上半部分長度和下半部分長度均縮短44%，第一復位彈簧、第二復位彈簧和第三復位彈簧的勁度系數(shù)有了明顯調整，旋轉推桿在運動過程中與豎直方向的最大角度減小了33%。