座人旋转式乌龙茶打末机的设计

旋转式乌龙茶打末机的设计

摘 要：文章对在用乌龙茶打末机产品进行分析，总结产品存在的共性问题。通过计算确定打末机选用的电动机功率，推导出茶袋旋转速度与茶包回转半径的计算公式。提出茶袋

自转速度、茶袋平衡装置、工作台、安全防护的设计原则和茶袋同定钩的设计方案。

打末是将经杀青的茶叶在制品，采用机械或人工加工的方式将杀青过程产生的焦末分离的过程。目前福建省乌龙茶打末主要靠人工摔打来实

现。由于乌龙茶打末是在茶叶杀青后马上进行的工序，每次打末的数量很少(少于3kg杀操作直接、疾速、高效青叶，含茶布巾质量约3.5kg)，每袋杀青叶打末至少需摔

打5次以上，做茶季节每天至少需摔打250次以上，操作人员劳动强度大，且不同操作员打末力度不同，打末效果不同，焦末分离彻底与否，直

接影响茶叶品质。2008年开始有个别生产企业研制出旋转式乌龙茶打末机，采用该设备打末，打末质量好，焦末分离彻底，且大大降低操作人员

的劳动强度，深受茶农的欢迎。旋转式打末机模仿人工打末动作，由电动机经皮带传动后，带动旋转轴转动，茶袋固定在旋转轴上，茶袋旋转时，

打在打末机的工作平台上。茶袋在绕旋转轴旋转的同时，以一定的边度自转，通过摔打使杀青过程中产生的焦边分离，打末叶经人工筛分，实现

焦末上除。

1 、 乌龙荼打末机现状

目前企业生产的乌龙茶打术机，型式相同，但结构、配套电动机功率、外形尺、相差很大。电动机功率：0.75～2.2kW；茶袋最大旋转半径

1.35～1m；主轴转边110～150r／min；茶这是我国首次将新材料做为1个独立的产业袋自转边度60～75r／min；使用时打末时间11～25s；整

机长度2～3m。 目前乌龙茶打末栩L存用产品普遍存在以下问题：

(1)茶袋旋转时不平衡，整机振动严重；

(2)齿轮剐为常开式传动，其润滑油容易污染茶布巾，从而污染茶叶品质；

(3)工作台工作平面与水平面夹角很小，茶包旋转的动量无法发挥出最大的冲击力；

(4)未设置安全防护装置，存在承大安全隐患；

(5)茶袋固定方式为开放式结构，容易产生茶袋脱钩现象。

2、旋转式乌龙荼打末机的设计

旋转式乌龙茶打末机的设计应本着结构紧凑、外廓尺寸小、整机工作平稳、节能、安全的设计原则。

2．1 电动机功率的选择

从目前在用的乌龙茶打末机参数看，茶包旋转的线速度在10.8～13.5m／s之间，茶包摔打时间0.011～0.014 S之间(以茶包中心算)。根据

动量定理，茶包旋转的动量为K=mν，冲量为S=Ft，计算茶包摔打的冲击力为2700～4250N。从使用情况看，冲击力为4250N的，打末效果较

好，焦末分离率高，茶农完全认可。目前在用打末机茶包直径为30cm，茶包质量为3.5kg。

茶包动量K=3.5·πnR／30=7πnR／60

冲击时间t=0.15／(πnR／30)=4.5／πnR

冲击力F=K／t=(7πnR／60)／(4.5／(πnR)

=7(πnR)²／270

若采用三相电动机，设电动机启动至止常转速时为匀加速运动，其时间为3s电动机至茶包旋转轴的传动效率为η=0.85，取茶包摔打的冲击

力F=4250N

将茶布巾的质量视为集中在茶包处，茶包的转动惯量为J=3.5R²

正常工作时茶包旋转的角速度ω=πn／30

电动机启动至正常转速过程，茶包旋转角加速度ε=(πn／30)／3=πn／90

茶包转矩为M=Jε=3.5R²πn／90

=7πnR²／180

由于茶包转轴为铜管，茶袋自转驱动装置质量不大，若不计转轴、茶袋自转驱动装置的力矩，

则：

茶包旋转需要的电动机的功率：

N=Mω/η

=(7πn²／180)(πn／30)／0.85

=7(πnR)²／4590=250

上述公式中：n一表示茶包旋转轴的转速，r／min；

R一表示茶包叫转半径，m；

K一表示茶包动量，kgm／s：

t一表示冲击时间，S；

F一表示冲击力，N；

J一表示茶包的转动惯量，kg·m2；

ω一表示茶包旋转的角速度，rad／s；

ε一表示茶包旋转角加速度，tad／s2；

M一表示茶包转矩，N·m；

N一表示电动机的功率，W。

为使打末机工作时振动幅度尽量小，应在固定茶袋的对应位置装置平衡装置。所以选用的电动机功率应为两倍的茶包旋转需要的电动机的功

率。由于茶袋自转驱动装置、茶袋自转、转轴转动消耗的功率远小于茶包旋转消耗的功率，根据上述计算情况看，打末机采用三相、功率为

0.75kw的电动机已足于带动茶袋摔打。

2．2茶袋旋转速度的选择

试验结果表明，茶包摔打的冲击力为4250N(计算值)时，拍打15s左右，打末效果较好，茶农完全认可。根据这一结果，选择茶袋旋转速

度时应考虑茶袋的旋转半径R。取茶包摔打的冲击力F=425 0 N。即，F=7(πnR)²／270=4250

则：茶袋旋转速度n≈129／R

若采用四极电动机，电动机转速为1440r／min

则电动机与茶袋转轴间的速比为i1=1440R／129=480R／43

由于茶农对体积庞大的打末机难以接受，因此在设计时不宜将茶袋的旋转半径R取的过大，以茶袋最大叫转半径不大于70cm为宜。

2．3茶袋自转速度的确定

试验结果表明：茶袋自转速度在60--75r／min间，打末机的打末效果能满足茶农使用要求，若取茶袋自转速度为70r／min，则茶袋自转驱动装

置的速比为i2=(1440／i1)／70=129／70R。

2．4茶袋平衡的确定

由于茶袋在旋转过程中处于不平衡状态，容易导致打末机的振动，严重时将导致整台打末机跳跃。在产品设计时，应

考虑在固定茶袋的对应位置装置平衡装置，平衡装置设计时应使平衡装置对茶袋旋转轴的转动惯量与茶包的转动惯量相

同。具体结构可根据实际情况而定。

2．5茶袋固定钩以防腐蚀的设计

茶袋的固定方式应确保茶袋在工作过程中不脱钩，以免出现安全事故。设计时可采用在打末机的旋转轴上固定有专用打末袋，需要打末时，

将茶包装入专用打末袋，茶袋固定可采用图示结构，装茶包时，将茶袋固定钩的活动侧转到烈点画线位置，装完茶袋后茶袋固定钩的活动侧在扭转弹簧的作用下，转到图示实践位置。打末过程茶袋固定钩处于闭合状态。

2．6工作台的设计

为使茶包旋转的动量发挥最大的冲击力，打末机的工作台的延长线应交与茶包旋转轴中心线，这样工作平面与茶包的线速度垂直，可发挥

出最大的冲击力。为保证茶布巾的使用寿命，应把工作台上部设计成圆弧过渡，以减少茶布巾的磨损量，延长其使用寿命。

2．7 安全防护

目前在用的乌龙茶打末机普遍未设安个防护措施。从产品的结构特点和使用情况看，设计打末机时应考虑用电的安全和危险运动件的防护。

用电安全主要有动力电路导线和保护接地电路间的绝缘电阻值应符合相关标准的规定、机架上应有可靠的接地装置且有明显的接地标志、接地螺

栓应是接地专用螺栓。茶袋旋转范围、皮带传动副等是容易对人员造成人身伤害的危险运动件，应依照GB 10395.1《农林拖拉机和机械安全技术

要求第1部分总则》的规定设置安全防护装置。

3 、结论

用于配套目前杀青工艺的乌龙茶打末机，其动力可选用0.75kW的三相异步电动机，茶袋旋转速度应根据茶袋摔打的冲击力、茶袋的旋转半径

确定。设计时应考虑茶袋自转速度、茶袋平衡、安全防护等问题。