基于混联机构的茶叶筛分机设计与研究

摘要

近年来茶叶的市场需求发生急剧变化，茶叶的供求市场已从以大宗茶的生产为主转向以名优茶的生产为主。这个变化带动了名优茶叶加工机械的发展，先后出现了茶叶整形机、理条机、筛分机等一系列适合各种名优茶叶的加工机械。其中茶叶筛分在精制茶叶的生产加工工序中起到至关重要的作用，对茶叶的品质具有直接的影响。
　　 目前生产中使用的茶叶筛分机械普遍采用曲柄摇杆机构，筛框能够产生单自由度平面运动。但是由于运动自由度少，目前的茶叶筛分机难以使茶叶在筛面上快速均布，从而使得茶叶与筛面接触面积较小，筛分效率低下。并且筛框做平面往复运动，使得茶叶难以垂直弹起，从而容易出现茶叶堵塞筛孔等问题。部分筛分机械通过增加振动幅度与频率提高筛分效率，但由于摩擦损耗随之增大，从而使得筛分机使用寿命较短。
　　 因此，本文将混联机构引入茶叶筛分机以弥补传统茶叶筛分机的不足，对空间多维运动轨迹的茶叶筛分机进行了系统的设计与研究，主要进行了以下工作:
　　 首先以颗粒离散元法为理论依据，在已有单颗粒或少颗粒筛分理论的基础上，对粒群在多维运动筛面的运动规律进行仿真探究，建立了茶叶粒群的多维运动筛分理论。
　　 其次利用EDEM软件，建立了筛分仿真模型，茶叶颗粒半径按照正态分布规律生成3000颗，对筛面的空间四种平移运动与四种转动运动进行筛分模拟。根据茶叶颗粒的筛分仿真结果，以及透筛效率的测定，优选组合三种筛面的运动形式，为并联机构的选型提供了依据。
　　 再次运用机构拓扑结构设计理论，设计出满足条件的三种并联机构机型，依据并联机构理论以及筛分机工作要求优选出一种机型，并在该机型静平台串联两移动副形成混联机构，以满足筛面运动需求。对选定多维振动茶叶筛分机的主体机构进行运动学、工作空间分析。利用ADAMS软件建立主体机构的运动仿真模型，得出筛面的运动输出曲线，并且运用MATLAB软件编制程序对茶叶筛分机主体机构的位置正、反解进行验证以及绘制茶叶筛分机工作空间的三维图。
　　 最后根据颗粒筛分理论以及仿真模拟情况，利用现有并联仪器设备，选择合适的正交试验方案对茶叶筛分进行试验研究，通过试验研究得出影响茶叶透筛与筛分效率的主要因素，验证混联机构多维振动茶叶筛分机的筛分效果，为混联茶叶筛分机的设计提供现实依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的与意义

1．2 国内、外研究概况

1．2．1 茶叶筛分机械发展概况

1．2．2 颗粒离散元的发展概况

1．2．3 并联机构的发展概况

1．3 本文的主要研究内容

第二章 振动筛面上茶叶颗粒运动理论研究

2．1 引言

2．2 平面往复式筛面上单颗茶叶颗粒运动分析

2．3 单颗茶叶颗粒透筛概率模型分析

2．4 基于离散单元法茶叶物料与筛面模型的建立

2．4．1 三维离散单元法的基本原理

2．4．2 茶叶物料以及筛面的几何模型

2．5 基于离散法的颗粒动力学模型

2．5．1 颗粒间运动受力分析

2．5．2 颗粒间接触模型

2．5．3 接触判断

2．5．4 颗粒间相对速度与接触点坐标计算

2．5．5 颗粒接触力与接触力矩的计算

2．5．6 茶叶颗粒与筛框之间的接触

2．6 颗粒离散元法求解过程分析

2．7 本章小结

第三章 基于DEM方法的茶叶颗粒在筛面上的运动仿真

3．1 概述

3．2 EDEM软件介绍

3．2．1 EDEM软件功能介绍

3．2．2 EDEM软件的分析流程

3．3 茶叶颗粒的振动筛分仿真模型设置

3．3．1 茶叶筛分机筛框三维建模与颗粒参数设置

3．3．2 筛面的运动形式设置

3．4 茶叶颗粒在三维平移筛面上的运动仿真

3．4．1 Y向平移筛面上颗粒运动仿真结果

3．4．2 XY向平移筛面颗粒运动仿真结果

3．4．3 YZ向平移筛面颗粒运动仿真结果

3．4．4 XYZ向平移筛面颗粒运动仿真结果

3．5 茶叶颗粒在绕三轴转动筛面上的运动仿真

3．5．1 绕X轴转动筛面上茶叶颗粒运动仿真结果

3．5．2 绕XY轴转动筛面上茶叶颗粒运动仿真结果

3．5．3 绕XZ轴转动筛面上茶叶颗粒运动仿真结果

3．5．4 绕XYZ轴转动筛面上茶叶颗粒运动仿真结果

3．6 茶叶筛分机筛面运动形式的优选

3．6．1 筛面不同运动形式下茶叶透筛率的评定

3．6．2 基于筛分效率分析的筛面振动形式组合优选

3．7 本章小结

第四章 筛分机主体并联机构的结构分析及机型优选

4．1 概述

4．2 并联机构拓扑结构设计理论

4．2．1 并联机构的组成原理

4．2．2 并联机构位置特征集

4．2．3 并联机构自由度计算与驱动副判据

4．2．4 基于单开链单元的机构组成原理

4．3 3T并联机构的组成和机构特性分析

4．3．1 3T并联机构组成

4．3．2 3T并联机构动平台方位特征方程分析

4．3．3 3T并联机构自由度计算及驱动副判断

4．3．4 3T并联机构结构复杂性分析

4．4 2T1R并联机构的组成和机构特性分析

4．4．1 2T1R并联机构的组成

4．4．2 2T1R并联机构动平台方位特征方程分析

4．4．3 2T1R并联机构自由度计算及驱动副判断

4．4．4 2T1R并联机构结构复杂性分析

4．5 1T2R并联机构的组成和机构特性分析

4．5．1 1T2R并联机构的组成

4．5．2 1T2R并联机构动平台方位特征方程分析

4．5．3 1T2R并联机构动平台方位特征方程分析

4．5．4 1T2R并联机构结构复杂性分析

4．6 空间多维运动茶叶筛分机机型优选

4．6．1 适用于多维振动机型的选取原则

4．6．2 茶叶筛分机主体机构机型的比较与选取

4．7 本章小结

第五章 茶叶筛分机的运动学及运动空间分析

5．1 引言

5．2 位置分析

5．2．1 混联机构空间位置数学建模

5．2．2 位置正解

5．2．3 位置正解仿真验证

5．2．4 位置反解

5．2．5 位置分析理论验证

5．3 速度正解分析

5．4 加速度正解分析

5．5 速度、加速度的运动仿真

5．6 混联机构工作空间分析

5．7 本章小结

第六章 基于并联机构的茶叶筛分试验研究

6．1 多维振动筛分机试验台系统介绍

6．2 茶叶试验方案设计

6．2．1 试验装置与试验条件

6．2．2 正交试验方案设计

6．3 茶叶筛分试验结果与分析

6．3．1 正交试验结果数据分析

6．3．2 试验结果结论研究

6．4 试验分析结果验证

6．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所取得的成果