[发明专利]一种球形茶加工设备的结构优化方法

权利要求书

1.一种球形茶加工设备的结构优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：确定影响球形茶成型的机械功

球形茶加工设备在进行翻炒的过程中，球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁、周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃构成影响球形茶成型的机械功W，因此以球形茶颗粒群机械功做功效率作为对球形茶成形能力的评价指标；

步骤二：建立球形茶颗粒模型

球形茶加工设备的炒茶机锅体内球形茶颗粒受到炒板的运动加速度的作用下产生挤压，假设球形茶颗粒为球形颗粒，炒茶机锅体内的所有球形茶颗粒组成球形茶颗粒群，球形茶颗粒群内的任何一颗球形茶颗粒将同时与12个球形茶颗粒接触，这12个球形茶颗粒包括沿着炒板运动方向的上下两层各设置的三颗呈“品”字形分布的球形茶颗粒与球形茶颗粒位于同一平面的周围设置有六颗呈六边形分布球形茶颗粒；

假设炒板的运动加速度为ε，球形茶颗粒运动方向与相邻任何一颗球形茶颗粒挤压力方向间的夹角为π/6，茶叶颗粒的质量为m，则单颗球形茶颗粒之间的挤压力F_j为：F_j＝mε_maxcos(π/6)；

球形茶颗粒之间的摩擦力F_nf为：F_nf＝μ_nF_j，其中μ_n为颗粒间的内摩檫系数；

步骤三：确定影响球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦所做的功W₁的因素

因为W₁是球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁摩擦力所做的功，由摩擦力公式F＝μ×FN可知，在球形茶颗粒不变的情况下，能改进的只有μ，即影响因素包括炒茶机锅体的材质以及炒茶机锅体内表面的材质，通过改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜，并在改变炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜后不断进行仿真分析得出不同情况下球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁，得出球形茶颗粒与炒茶机锅体内壁的摩擦力做功W₁最佳时炒茶机锅体的材质或者在炒茶机锅体内表面镀膜的厚度；

步骤四：通过仿真软件计算球形茶颗粒之间摩擦运动的距离Sn，进而计算周围颗粒的挤压球形茶颗粒所做的功W₂和球形茶颗粒本身摩擦所做的功W₃之和，不断的改变炒板和炒茶机锅体形状并不停的进行仿真计算，直至得出W₂和W₃之和的最大值；

其中，炒茶机锅体内单颗球形茶颗粒在挤压力的作用下，还需克服3颗球形茶颗粒的内摩擦力，假设加工过程中球形茶颗粒的运动距离为S_n，则内摩擦力做功W₃为：

W₃＝3F_nfS_n；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒成形过程是离散相颗粒之间能量的传递过程，通过基于离散元素法的分析软件EDEM进行球形茶颗粒翻炒成形过程的数值模拟，并确定球形茶颗粒在球形茶炒干机的茶叶锅内的翻炒周期内茶页颗粒群内摩擦运动的距离；

当球形茶颗粒在炒茶机锅体内翻炒时，在Hertz理论基础上建立接触模型，切向力是建立在Mindlin-Deresiewiez的研究上，将法向力以及切向力进行叠加得到的合力和合力矩，其中考虑到球形茶颗粒间因含水分发生明显粘结和团聚，所以采用JKR Cohesion接触模型求解；

球形茶在炒茶机锅体内翻炒的成形过程中，球形茶颗粒在炒板的作用下不断被抛起和抛散，球形茶颗粒周期性的先从炒茶机的锅体底部出发，在炒茶机锅体内做摩擦运动，当球形茶颗粒在炒茶机锅体体内达到一定高度时然后抛起做斜抛运动，再落到炒茶机锅体上并不断重复以上运动；为此选取炒板翻炒运动周期内四个典型位置的球形茶颗粒为研究对象，四个典型位置的球形茶颗粒需要保证球形茶颗粒之间是充分接触的；

对四个典型位置的球形茶颗粒进行标记，并分析某一位置单颗球形茶颗粒在炒茶机锅体内的轨迹运动情况，获取得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图；

得到某一位置的单颗球形茶颗粒的颗粒轨迹图后，对选取的球形茶颗粒的颗粒轨迹图进行提取，得到研究对象的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒群内摩擦运动的距离S_n，获取方法为当球形茶颗粒刚落到锅体时，利用软件提取该位置时颗粒的位置坐标为(x₁,y₁,z₁)，此位置炒干机锅体内炒板的中心位置的坐标为(x₂,y₂,z₂)，当球形茶颗粒抛洒时根据轨迹跟踪，此时球形茶颗粒的坐标为(x₃,y₃,z₃)，炒板的中心位置坐标为(x₄,y₄,z₄)；则球形茶颗粒从锅体出发到最后抛洒时，研究的球形茶颗粒在球形茶颗粒群中相对走过的距离的计算公式为：

利用上式对四个典型位置的球形茶颗粒在炒板翻炒周期内颗粒间摩擦运动的距离进行坐标提取求解，分别用S_n1、S_n2、S_n3和S_n4表示，最后再对四个位置得到的结果进行算术平均，作为翻炒周期内球形茶颗粒间摩擦运动的距离；

步骤五：不断改变电热丝的位置，即改变加热装置的位置，通过仿真软件进行分析，分析在球形茶炒制过程中W₂和W₃之和在电热丝的位置不断变化时的数值，得出W₂和W₃之和最大时加热丝的位置；

步骤六：根据步骤三、步骤四和步骤五的结果，获得最终优化的结果，得到炒茶机锅体的材质，炒茶机锅体上镀膜的材质及镀膜的厚度、炒板的形状和炒茶机锅体的形状以及电热丝的位置，并以此对球形茶加工设备进行结构优化。