普洱茶自动化发酵罐的三维建模及有限元分析研究.doc

普洱茶自动化发酵罐的三维建模及有限元分析研究
马振纲1 黄云战1** 周红杰2 赵永洁3 郝强1 熊同强1

（1．云南农业大学工程技术学院，昆明650201；3．云南农业大学普洱茶学院；2．云南农业大学普洱茶学院，昆明650201；3．昆明铁道职业技术学院，昆明650208；）

摘 要：发酵是普洱茶加工中最为重要的环节，传统的普洱茶发酵是采用人工在车间内自然渥堆发酵，这种发酵方式不能保证普洱茶发酵过程中湿度的均匀性，这样的发酵方式已不能满足普洱茶品质提升的要求，为此，本文设计出一种离地式的自动化普洱茶发酵罐，将微生物技术、机械加工技术、PLC、传感器和变频调速技术融为一体，使普洱茶发酵实现清洁化、规范化，并具有科学性[1-2]。
关键词：发酵罐 普洱茶发酵 PLC 传感器 变频

Pick the 3d modeling of pu-erh tea automation and finite element analysis research
MA Zhen-gang, HUANG Yun-zhan, ZHOU Hong-jie ,ZHAO Yong-jie,HAO qiang,XIONG Tong-qiang
（1.Yunnan Agricultural University,College of Engineering and Technology
Yunnan Kunming 650201;2. Yunnan Agricultural University,longrun pu-erh tea academy，Yunnan Kunming 650201;;3. Kunming Railroad Mechanical and electrical Professional Technology Institute, Yunnan Kunming 650201;）

基金项目：国家科技部“十一五”国家科技支撑计划项目“普洱茶加工关键技术研究与应用”(2007BAD58B02)；云南省自然科学基金“十二五”重点项目“普洱茶加工工艺与品质关系研究”(2009CC005)；云南省发改委2008年度产业重大关键技术开发项目“普洱茶发酵新技术研究与推广”[2008]1657-20
作者简介：马振纲，（1982－），男，山西怀仁人，云南农业大学工程技术学院，主要从事机带你一体化研究。E-mail:Mzhg214@
**通讯作者：黄云战，（1953－），男，教授，云南广南人，云南农业大学工程技术学院，主要从事机械设计制造及其自动化。E-mail:ystyh@

Abstract：Traditional fermented Pu'er tea is used in the workshop manual heap fermentation of natural Ottawa，Fermentation is puer tea processing of the most important link, the traditional pu-erh tea fermentation is using artificial in the workshop natural fermentation, the fermentation prismis heap way cannot guarantee puer tea fermentation process of humidity evenness, such fermentation way already cannot satisfy puer tea quality promotion request, this paper designs a new type of automation puer tea from the ground, will pick microbial technology, mechanical processing technology, PLC, sensors and frequency conversion technology is an organic whole, make puer tea fermentation realize clean and standardization, and has the scientific nature.
Key words：fermentation cylinder；Puer tea fermentation；PLC；sensor ；Frequency conversion

前言
国内外对普洱茶的开发研究起步较晚，其自动化、规范化、产业化程度低。目前，普洱茶发酵生产基本上均采用传统的渥堆方式，依靠环境微生物自然感染进行。
在传统小作坊式的自然发酵过程中存在着卫生条件差、品质不稳定、工人劳动强度大、生产率低等诸多问题，严重影响普洱茶产业的健康、持续、稳定发展。可见，离地式自动化发酵罐的研究对云南普洱茶清洁化、产业化及自动化生产具有重要的意义。
加湿是普洱茶固态发酵过程中的一个重要环节。据研究，加湿量是产生发酵温度高低和发酵速度快慢的重要指标，是普洱茶品质形成关键环节。目前多数工厂批量发酵普洱茶均采用人工自然加湿，带来了加湿的不均匀性，使得渥堆各位置温升速度不同。有的地方由于加湿过量，致使发酵温度过高而导致烧心、霉变等。有的地方加湿不足，发酵温度过低，影响有益菌的生长繁殖，质量难以保证。因此，实现精确定量加湿科学化、标准化、规范化对高品质普洱茶的形成具有重要意义[3-4]。
1 发酵罐机械系统分析
对自动化发酵罐的设计，所需的知识覆盖面很广，需要将普洱茶发面的专业知识、机械与电气控制方面的知识相融合，虽然这个过程与其他设计有很大差异，但在设计上与其它系统有着共同的规律。根据系统论的观点，运用现代设计方法对发酵罐的构造结构、功能进行设计，普洱茶发酵罐设计的流程框图如图1-1所示。主要的设计过程可分为五个阶段：整体规划、概念设计、详细设计、设计实施和设计定型 ，各个阶段都有其不同的内容和侧重点，现将各个步骤详细分解如下：
整体规划阶段：整体规划要求对普洱茶发酵罐进行需求分析、需求设计、可行性分析、确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书，作为设计、评价和决策的依据。就本研究来说，要做到以下几个方面：
1） 了解普洱茶的历史及发展概况；
2） 了解普洱茶产品的现状及其优势和劣势；
3） 对普洱茶的生产工艺进行学习，掌握各个工艺的特点和要点；
4） 对形成普洱茶特殊口味品质的工序进行分析；
5） 掌握普洱茶在发酵过程中的理化变化和需要控制的因素。
概念设计阶段：对普洱茶罐的需求是以它所具有的功能来体现的，概念设计是根据普洱茶的总体生产要求，将系统分解并划分为各个执行单元，确定它们之间的逻辑关系；然后对各个单元之间的关系进行分析，确定发酵罐的参数要求、外观造型和总体结构。本阶段的主要工作是：
1） 普洱茶发酵罐的整体规划设计；
2） 普洱茶发酵罐控温保湿的功能性设计；
详细设计阶段：根据设计的目标，对普洱茶发酵车间进行详细的规划，绘制相应的模型图和工程图；对于有过程控制要求的系统建立各要素的数学模型，最后对所做的设计进行整体技术经济评价、设计目标考核和系统优化，挑选出综合性能指标最优的设计。在本阶段的主要任务是：
3） 普洱茶发酵罐主要功能实现的设计；
3） 普洱茶发酵罐机械系统的设计；
3） 普洱茶发酵罐变频控制系统的设计；
根据以上的设计理念，绘制出发酵罐整体结构设计框架，如下图1-1：

图1-1自动化发酵罐流程框图
2 发酵罐的三维建模
2.1 Pro/E软件简介
随着计算机应用技术的普及，CAD技术在世界范围内得到广泛的应用，先进的工具提高了人们的工作效率和工作质量。目前，较为先进的机械CAD软件有：AutoCAD、Pro/ENGINEER、UG、CATIA等。随着面向对象技术及特征建模技术的发展，CAD/CAE/CAM技术已紧密相连，CAD已从单纯模仿二维工程图样飞跃到三维实体造型，同时，当今虚拟现实技术的发展，使得CAD技术在工程设计中呈现越来越重要的地位。Pro/ENGINEER软件是美国PTC公司(Parametric Technology Corpo-ration)的产品，是一种单一数据库结构、标准的基于特征的建模技术以及独特的全相关技术的机械设计自动化软件。Pro/ENGINEER是建立在一个统一的能在系统内部引起变化的数据结构的基础上，因此开发过程中某一处所发生的变化能够很快传遍整个设计制造过程，以确保所有的零件和各个环节保持一致性和协调性。Pro/ENGINEER的零件设计功能是一些和系统内部蕴藏的知识、智能相联结的过程，可以画出非常复杂的几何外形[5-8]。Pro/ENGINEER设计的零件不仅包含制造工艺和成本等一些非几何的信息，而且还包括零件的位置信息以及它们之间的相互联系。这意味着对零件进行布置时，并不需要一个坐标系，零件自身知道它们是任何和模型的其余部分相联系的。这就使得对模型的改动非常迅速，并且使最终和最初的设计意图相一致。
2.2 基于Pro/E的发酵罐三维建模
发酵罐主要由五部分组成：罐体、搅拌体、支架体、链传动装置、电动机。以下列出本文构建发酵罐的零件模型。
（1）罐体是装载茶叶的主体部件，对茶叶起到清洁化、保湿、保温的作用。图2-1是发酵罐的三维实体模型。在三维建模时利用利用拉伸、旋转、去除材料及阵列等一系列命令来对罐体进行建模。

图2-1罐体三维模型

（2）搅拌进水机构是对茶叶进行均匀搅拌的同时实现潮水效果，基本上可以达到均匀搅拌、均匀潮水，在搅拌棒的圆柱面上开有一定数量的小圆孔，使水能够通过主轴流经搅拌棒进入到发酵罐的内部。根据以往是实验经验，在搅拌棒的排列上我们采用每两个搅拌棒沿主轴圆周旋转60度的方向上进行排列，这样的排列方式有利于实现潮水的更加均匀，同时，搅拌棒的长度也在以前实验的基础上进行缩短，在前几次的实验中可知，搅拌棒太长在搅拌时受到的阻力非常的大，缩短搅拌棒有利于减小搅拌阻力。图2-2是发酵罐内部的进水、搅拌机构的三维实体模型。

图2-2搅拌机构三维实体模型
（3）支撑架在整个机构中起到支撑罐体及内部茶叶的作用，保证罐体旋转时不接触地面，图2-3是发酵罐的整个支撑架的三维实体模型。

图2-3支撑架的三维实体模型
（4）发酵罐的动力装置采用三相异步电动机作为驱动装置，电动机通过摆针减速器减速后驱动发酵罐旋转。根据设计的需要选用功率为3千瓦、转速1420 r/min的电动机，图2-4是电动机的三维实体模型。

图2-4电动机的三维实体模型
（5）链轮是发酵罐传动装置的重要部件，在此我们采用小链轮作为主动轮，大连论作为从动轮，通过齿数比实现一定的减速功能，图2-5是链轮的三维实体模型。

图2-5链轮的三维实体模型
（5）对各部件进行逐一装配，本文在Pro/E环境中建立了发酵罐的虚拟样机模型如图2-6所示。该模型的建立为以后的仿真工作，以及样机的制作做好了准备工作。

图2-6发酵罐的虚拟样机模型
2.3 工作装置的动态模拟和干涉检查
Pro/MECHANISM模块是Pro/ENGINEER软件提供的用于机构运动学分析的模块，本文利用其与建模环境的无缝接口，直接在Pro/MECHANISM模块进行抓斗的运动学仿真和分析。在完成抓斗的虚拟样机的虚拟装配后，点击【应用程序】下拉菜单后点击MECHANISM即可进入Pro/MECHANISM模块，通过各种机构运动环境和参数的设定后，就可进行各种分析。在Pro/ENGINEER软件环境中，一般机械系统的动态模拟与分析基本流程[9-10]如图2-7所示。

图2-7机械系统动态模拟与分析基本流程
发酵罐的工作部件中，罐体与搅拌机构之间的配合运动能否成功运行是非常关键的，如果发生干涉将直接损坏工作部件而使机器陷于瘫痪，因此，本文用Pro/Engineer进行了机构的运动模拟仿真，以便发现设计中的问题，保证设计质量。
（1）加入驱动条件
驱动器好比机构运动的动力源，如电动机，本设计中，根据机构运动特点，加入一个驱动器，均为匀速。V=250mm/s，如图2-8所示。

图2-8 设置驱动条件
（2）播放分析结果
系统将开始计算，当播放器出现并加以播放后，干涉的部分会以红色显示，本设计中没有出现干涉，从而表明本设计没有运动问题，否则应重新设计发酵罐的机构。设定发酵罐初始状态为起始位置，并根据作业循环时间设定各个“电动机”的起止时间。使工作装置整个工作循环动态模拟能顺利地按工作顺序完成。如图2-9

图2-9 旋转过程动作模拟
3 发酵罐的有限元分析
在进行发酵罐整体设计时，须对各部件进行强度分析。由于工作装置是一个受力比较复杂的空间超静定系统，利用传统的平面解析方法进行强度计算，不仅工作量大，对危险截面的选取也不可能完全准确合理，因此计算结果不一定科学。本文利用
ANSYS进行有限元分析，可以准确地反映出部件的受力情况。ANSYS软件具有以下特点:(1)强大的网格划分功能;(2)强大的加载求解能力;(3)强大的后处理能力。
3.1发酵罐主轴的有限元分析
3.1．1问题描述
发酵罐主轴的受力情况可以看作为一薄壁圆筒，在其中心受集中力的作用，如图3-1所示，主轴材料使用的是符合食品安全卫生要求的302不锈钢弹性模量E=193GPa;泊松比 v=1.5;集中力F=3000N

图3-1受力示意图
3.1．2 问题分析
发酵罐主轴受力属于薄壁件的结构分析问题。根据对称性，选择圆筒的1/8建立几何模型，相应的载荷为原载荷的1/4，所以选择SHELL150壳单元进行分析。
3.1．3 求解步骤
1．定义单元类型
1）在Main Menu→Preferences命令中选择Structural和p-Method Struct
2）在Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，点击Add，在Library of Element Types中选择p-Element 3Dshell150，在Element type reference number中输入1。
3)在Main Menu→Preprocessor→Real Contants→Add,点击Add，在Real Constant Set No.输入1，在Shell thickness at node I TK(I)输入0.4E-3，其他为0。
2．定义材料性能参数
选择Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material models命令，设置如图3-2

图3-2定义材料性能参数
3．生成几何模型、划分网格
采用实体建有自底向上建模和自顶向下建模两种方法。所谓自底向上建模是指先定义关键点，然后利用关键点定义较高级的实体图元；自顶向下建模是指生成体元素，属于该体素的较低级图元会由ANSYS自动生成。在实体建模的过程中，这两种建模技术可以自由组合。
网格是ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面填充节点和单元。还可以在几何边界上方便地施加载荷，但是几何实体模型并不参考有限元分析，所有施加在有限元边界上的载荷或约束，最终必须传递到有限元模型上(节点和单元)进行求解。网格划分实现实体模型向有限元模型的转化。实体模型的网格划分可分为：自由网格划分、映射网格划分和扫略生成体网格划分3种不同的网格划分形式，在此我们采用自由网格划分。
1）选择Global Cylindrical 命令，将当前坐标系转变为柱坐标系。
2）选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS 命令，在出现Create Keypoints number 中设置如图3-3

图3-3自由网格划分
3）选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→
Throug Kps命令，在Create Area thru中拾取关键点，生成几何模型，如图3-4

图3-4几何模型
4）选择Main menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→Free命令，进行自由网格划分，如图3-5

图3-5自由网格划分
3．加载求解
1）选择Main menu→Solution→Analysis Type→New Analysis 命令，出现New Analysis 对话框，选择分析类型Static 。
2）在Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→
Symmetry B.C→Node 命令中进行位移约束，如图3-6

图3-6位移约束
3）选择Main Menu→General Postproc→Plot Results→Deformed Shape命令，在Plot Deformed Shape 对话框，选择Def+undef ormed,显示变形后和未变形的几何形状，如图3-7

图3-7变形前后
4）选择Main Menu→General postproc→Plot Result→Contour Plot→Nodal Solu 命令，在Item,Comp Item to be contoured 选项中选择DOF solution Translation UX,显示X、Y方向位移等值线图，如图3-8

图3-8X、Y方向位移等值线
主轴的应力最大情况可以分析出，整个轴体部分应力分布基本均匀，而在主轴中心出应力最大，就是主轴的危险截面，此处的应力值远远小于材料的强度。
在分析过程中，各步骤的设定情况会对分析结果有直接影响，例如网格密集的划分、约束的选择、载荷的施加等。我通过若干次的分析得到的结果也会有所差别，这是因为每次计算机的计算精度都有所不同，但分析结果大同小异，大致上可以看出整主轴的变形和应力分布情况。因此说明采用有限元方法进行受力分析模拟能有效反映主轴的应力的变化规律。
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