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1、全日制普通本科生毕业设计立柱式砖茶机设计THE DESIGN OF HIGH COLUMN OF BRICK TEA MACHINE由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706学生姓名： 学 号：年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自指导老师及职称学 部：理工学部提交日期：2012年5月目 录 摘要1关键词11 前言22 设计的目的与意义及现状22.1 设计的目的与意义22.2 我国茶叶的加工现状及发展前景23 紧压茶压力的确定44 设计原理与方案的选择64.1 设计原理64.2 设计方案选择85 工作原理及主要参数95.1 液压千斤顶的选择105
2、.2 立柱的设计计算105.3 选择螺纹115.4 立柱的拉应力116 压缩弹簧的设计计算126.1 弹簧丝直径的计算126.2 弹簧圈数的设计137 台板的强度设计计算148 结论158.1 该机械存在的问题158.2 该机械解决的问题158.3 小结16参考文献16致谢17附录17立柱式砖茶机设计 摘 要：世界上生产的散茶叶以条索、片状为主，紧压茶也只有蒸压后发酵的砖茶、沱茶，而没有绿茶的紧压茶，由于发酵砖茶，饮用时必须先将砖茶叶捣碎，在锅中烹煮出茶叶汁味才可饮用。本文介绍了一种在茶叶加工过程的最后一道干燥工序前，利用茶叶的自有粘性采用笔者设计研制的；绿茶紧压机来加工成紧压绿茶块的方法，并
3、就立柱式紧压机的工作原理及力柱、弹簧的受力情况进行了初步研究分析。这种茶耐储藏，饮用既方便又卫生，还能保持和提高了绿茶的原有形态和品质，所具有的优点使其带来很高的附加值。 关键词：紧压茶；立柱；紧压机The Design of High Column of Brick Tea Machine Abstract: The worlds production of bulk tea to be cable，mainly Flake，Jinya only after fermentation of brick tea autoclaving，Tuocha，but not the green tea
4、Jinya，the fermentation brick tea，drink tea，must first brick chopped Broken，cooked in a pot of tea to drink juice to taste. In this paper，a tea processing in the last one before the drying process，the use of tea by the authors own cohesive design and development of high column brick tea-processing ma
5、chines to block the way Jinya green tea and brick tea on the working principle and Li-chu，the spring force conducted a preliminary analysis. This tea-resistant storage，convenient and health drink，but also maintain and improve the original form of green tea and quality，which is to bring the advantage
6、s of high added value. Key words: Tight-tea；Pile；Press machine1 前言 茶叶千百年来均是以条索状、叶片状、砖块状的形状展现在人们面前1。目前，用于紧压砖茶的机具要么是几十万的大型砖压机，要么是螺杆式的紧压机。为了降低成本和提高生产效率、克服劳动强度大、紧压茶品质差的缺点。我们设计了一种体积小，适用性强的立柱式紧压茶叶机。该机可把茶制成各种形状的砖茶。2 设计的目的与意义及现状2.1 设计的目的与意义 我国是一个生产和消费茶叶的大国。目前，我国年产干茶80多万吨，其中绿茶就占60多万吨。全国有大中型茶叶生产企业近万家，个体茶农100多
7、万户。茶叶是特殊的商品，自古以来，中国人就有着“柴米油盐酱醋茶”、“琴棋书画诗曲茶”的生活实践，人们把茶当作日常的物质生活和精神生活不可缺少的组成部分，发展至今，饮茶被称为“国饮”。 茶叶千百年以来，茶叶的形状以条索、片状为主，紧压茶只有蒸压后发酵的砖茶、沱茶展现在人们面前2。食用时，人们往往用手抓茶叶入杯泡茶给自己或客人，这样既不卫生也不雅观。倾倒茶叶虽然卫生又拿捏不准份量也不方便。目前，我国生产的紧压茶大多为发酵砖茶。由于砖茶与散茶不同，甚为紧实，所以，用开水冲泡难以浸出汁，饮用时必须先将砖茶捣碎，在铁锅或铝壶内烹煮才可。为了克服发酵类紧压茶这些缺陷，填补绿茶没有紧压茶的空白，设计一种体积
8、小，适用性强的绿茶紧压机。该机可把绿茶制成各种形状的小块紧压茶。这种茶耐储藏，饮用方便卫生，又保持和提高了绿茶的原有形态和品质。目前国内外市场上很少有此类小块茶，即使有也是手工加工而成，生产效率低、劳动强度大、紧压茶品质差。而小块紧压绿茶所具有的优点使其带来很高的附加值。因此很有必要对紧压绿茶进行研究和开发。 本项目研究的目的: 将绿茶通过紧压机加工，保持绿茶原有的形态和品质，并可将绿茶加工成各种形状、大小不一的紧压茶，以及加工表面带字的紧压茶。其加工机具重量轻、体积小、操作简单。加工的紧压茶耐储藏、饮用方便卫生，具有很高的附加值。因此，这种紧压茶具备较大的潜在市场和经济价值。2.2 我国茶叶
9、的加工现状及发展前景 中国是茶叶大国，却不是茶叶强国。目前，全球有近50个国家和地区产茶，100多个国家和地区需要进口茶叶3。有一个尴尬的数字让人无法回避，我国的茶园面积约占全世界的45%，居第一位，产量却仅仅占了世界产量的22%，平均每亩单产仅为世界平均水平的一半4。近年来，我国茶产业遇到了空前的挑战，茶叶质量和出口状况都不甚理想，全行业处于亏损状态，中国茶叶产业的振兴面临着不可回避的诸多难题。 统计资料显示，我国茶园平均单产608公斤/公顷，大大低于世界茶园平均单产1000公斤/公顷的标准，而印度为1498公斤/公顷，日本高达1725公斤/公顷。目前全国的茶叶产值约为70亿元，全国竟有6.
10、7万家茶叶初制厂，每家茶厂加工量不足10吨，绝大多数企业生产设备陈旧落后，工艺粗糙，管理水平低下。大量的乡镇、个体小茶厂大多单纯追求利润最大化，在原料的收购、成品的加工、质量等级检验等重要环节中，往往随意降低标准要求5。这类“企业”收购茶叶原料时无任何农药残留检验技术、手段和方法，绝大部分“企业”收购时只是靠鼻子闻一闻，缺少科学的定量化的手段。与茶叶质量每况愈下的情况相反，各地“名茶”却铺天盖地而来。泥俱下，让人难分真假，致使以次充好的现象屡禁难止。因此，出口量虽然不少，但是由于质量和市场适应问题，卖价不高。同时，出口秩序混乱，低价竞销，经济效益下滑。改革开放以来，我国茶叶出口由垄断性经营转为
11、开放性经营，开放口岸和经营主体迅速增加，虽然这样有利于调动各方面出口茶叶的积极性，但是也出现经营秩序混乱，恶性竞争，低价竞销，导致出口价格不断下跌。一般红、绿、青茶的外观已很难适应新的市场变化，而且价格低下，效益低。所以，传统的烘青、炒青绿茶、红茶及乌龙茶等大宗茶，如能通过特殊加工方法，使其外形光滑，富有美感，其价值将会大大提高，销路也会更好6。为此，着手研究一种新的加工工艺、并设计制造出一种紧压茶叶加工机械势在必行。立柱式砖茶机是利用茶叶的自有粘性和加工成紧压茶块的方法，加工工艺过程简单，易于操作。生产出来的成型茶保持茶叶原有的品质和冲泡后保持散茶一松形状。同时可进行精美包装，方便冲泡、易于
12、保存、既卫生又有一定的艺术性。所研制配套的立柱式紧压机结构简单，设计合理、生产效率高、性能稳定、体积小，安全可靠，操作方便。该机械的研制，非常成功地解决了各种毛茶特别是中低档茶类的外型松散，包装臃肿，易吸潮，易变味，不便携带和运输费用高的老大难问题，加工出的成品茶外形光滑、紧实，十分便于包装、库存及携带，并且保持茶原有的风味，减少运输费用。特别适用于中低档茶类的生产7。新工艺加工出的紧压茶叶，由于外观新颖，冲泡饮用方便，能有效地促进茶叶市场的繁荣，提高茶叶生产经济效益。 茶叶加工机械总的课分为茶叶初制机械和精制机械两大类。初制机械按茶类分有绿茶、红茶、乌龙茶、再加工茶加工机械以及目前生产上使用
13、较多的名优茶加工机械等。按照茶叶加工工序分，有鲜叶摆放机械、杀青机械、萎调机械、做青机械、揉捻和揉切机械、解块分筛机械、茶叶做形与干燥机械等8。茶叶精制机械则包括炒干机械、筛分机械、切茶机械、风选机械和匀堆装箱机械等几大类。由以上这些机械匹配组合，形成不同的茶叶初精制生产线，可加工出不同茶类的产品。3 紧压茶压力的确定 紧压茶是直接在茶叶加工过程的最后一道工序干燥前将其加工成不同形状的小块紧压茶，有砖形、饼形、碗形、柱形、方块形等。压制工艺因品种不同而异。基本加工流程: 鲜叶手工杀青手工揉捻进行炒二青边炒边揉搓紧压干燥9。 紧压茶属再加工茶和茶叶的深加工，符合现代茶叶加工的发展趋势，使茶叶产品
14、增值，立柱式紧压茶叶机对茶叶的加工不改变原茶的性质，使茶叶能保持原滋原味，并且可以加入些有益成分，还使茶叶加工艺术化，富有美感，让现代气息扑面而来。在茶叶压制的过程中，压制力过大，容易将茶叶挤压破裂，茶汁外溢，影响紧压茶的品质，压制力过小，不容易将茶叶压制成型，干燥后紧实度不够，表面不平整。因此压制力的大小直接影响到茶叶的品质，压力的大小由茶块的受力面积和厚度，以及茶叶的含水量来决定10，厚度和受力面积已经给定，利用螺杆式紧压茶叶机进行试验，下面为试验过程和试验数据：第一次试验，先将采摘的鲜叶在阴凉通风清洁地方摊放4h，期间每小时轻翻一次。试验时采用手工杀青，锅温在160C，每次鲜叶投放量为4
15、00g，杀青时间为5min。杀青后摊凉进行手工揉捻3min，然后进行炒二青，锅温在100C，边炒边揉搓，时间为6min。这时测得茶叶的含水量在24，起锅后立即利用茶叶的粘性趁热进行压制成型茶。压制的成型茶形状为圆饼形，截面积为2.6 cm。采用3种压力2.94MPa，4.41MPa，5.88MPa压制11。 第二次试验，采用同块地里的鲜叶，将采摘的鲜叶在阴凉通风清洁的地方摊放4h，期间每小时轻翻一次。试验时采用第一次试验的前四道工序的同样方法，第四道工序完工即炒二青后摊凉复揉5min，然后进行炒三青，锅温为90C，时间8min，边炒边揉搓提毫，起锅时测得含水量为15，同样趁热压制成型茶，形状大
16、小同前，采用压力为2.94MPa，4.41MPa，5.88MPa12。 两次试验紧压茶与散茶的感官审评结果如表1、表2。表1 茶叶含水量、压力与紧压茶质量关系Table 1 Relationship between Content of Water and Compressed tea含水量（%）压力（MPa）感官评定（干燥前）感官评定（干燥后）含水量（8%）152.94茶块表面欠平整、香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底翠绿茶块表面欠平整、棱角欠分明香气纯正清香、汤色黄绿明亮滋味甘爽、叶底黄绿154.41茶块表面较平整、香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底翠绿茶块表面欠平整、棱角
17、欠分明香气纯正清香、汤色黄绿明亮滋味甘爽、叶底黄绿155.88茶块表面平整光滑、香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底翠绿茶块表面平整、棱角分明香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底黄绿242.94茶块表面较平整、香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底翠绿茶块表面欠平整、棱角欠分明、香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底黄绿244.41茶块表面平整、香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底翠绿茶块表面较平整、棱角欠明香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底黄绿 245.88茶块表面平整、香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底翠绿茶块表面平整、棱角分明香气纯正清香、汤色黄
18、绿明亮、滋味甘爽、叶底黄绿 表2 同批散茶与紧压茶（含水量15%、压力5.88MPa）内质关系Table 2 The Endocarp Relationship between the scattered tea and the compressed tea (Water content 15%， Pressure 5.88MPa)种类感官评定（干燥前）感官评定（干燥后）紧压茶（15%）（5.88MPa）香气纯正清香、汤色黄绿明、亮、滋味甘爽、叶底翠绿香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底黄绿散茶香气纯正清香、汤色黄绿明、亮、滋味甘爽、叶底翠绿香气纯正清香、汤色黄绿明亮、滋味甘爽、叶底黄绿
19、分析:含水量对紧压茶外形及内质影响 1）当茶叶水分在24时，在干燥前前两种压力对茶叶外形影响不大，表面都比较平整，但当压力达到5.88MPa时，紧压茶表面比前两种压力的紧压茶表面要光滑平整。棱角分明，但色彩呈墨绿，有微量茶汁液留在模具上。干燥后前两种压力的紧压茶表面不平整，棱角欠分明，这与茶叶在干燥过程中具有收缩性质有关。块茶给人不紧实的感觉，从一米高处自然下落，会产生掉渣碎叶断裂不紧13。后一种压力较大，压出的茶叶产生较大粘性，因而干燥后紧压茶表面仍平整，棱角分明，从一米高处自然下落无变形，掉渣，冲泡后叶底呈黄绿，香气纯正。 2）当茶叶水分含量在15%时，在干燥以前前两种压力的紧压茶表面欠平
20、整，但当压力达5.88MPa时，紧压茶表面光滑平整，棱角分明，色彩翠绿。干燥后紧压茶表面与干燥前变化不大，这与茶叶水分含量较少有关。从一米高处让其自然下落，前两种压力紧压茶掉渣，压力越小，掉渣越严重14。后一种压力较大，紧压茶表面光滑坚实，无掉渣断裂现象，冲泡后香气纯正，叶底黄绿。加工压力对紧压茶外形及内质的影响 1）当压力为2.94MPa对两种水分含量的紧压茶外形影响较大，干燥后表面均不平整，不紧实，内质同散茶无区别15。 2）当压力为4.41MPa对水分含量低的紧压茶外形还是有影响，干燥后表面欠光滑平整。水分含量高的紧压茶外形光滑平整，棱角分明。冲泡后香气纯正，叶底黄绿。 3）当压力为5.
21、88MPa无论水分含量高低，紧压茶的外型表面光滑平整，棱角分明，但水分含量高的紧压茶在模具上留有微量茶汁，色彩呈墨绿，且不易脱模，影响生产效率。内质同散茶无区别。但水分含量高的紧压茶茶汁挤压出太多对茶叶内质有一定影响。 结论： 1）从试验中得知，当水分含量大于24以上时，压力大于4.41MPa时，紧压茶表面光滑平整，但易使茶叶挤压破裂，茶汁外溢，茶叶水分含量越高，茶汁外溢越 严重。这样会使紧压茶内质受到影响，也影响紧压茶脱模。压力太小，则紧压茶不紧实，表面不光滑，较松散。2）从试验结果也可以得出这样结论：当采用在干燥前把茶叶压制成小块紧压茶时，只要压力适当，紧压茶表面就光滑平整，而且不会影响茶
22、叶的内质16。而采用干茶复水后蒸煮压制成紧压茶品质就会受到一定影响。 综上可知压力的选择在45kg/cm80kg/cm为佳。即压力在4.5MPa-8MPa为佳。4 设计原理与方案的选择4.1 设计原理 为了可靠方便的进料，采用人工定量倒入竖放的模子中。挤压的方式同时也采用竖压式。立柱式砖茶机由动力部分、辅助部分、成型部分三部分组成，结构简单，操纵方便。动力部分有两部分，一是人力部分，人旋转手轮，形成力矩。再通过螺杆将力矩转换为正压力对茶叶进行初压制。采用初压制后的成型压制力的来源是千斤顶，而千斤顶的运动速度比较慢，需要的时间比较长，加大了工人的劳动强度，所以先采用螺杆快速旋入，对茶叶进行快速的
23、初压制，以便于提高生产效率17。另一部分就是采用“液压千斤顶”，通过它的压力直接对茶叶进行最后压制成型。成型部分就是模具，它包含上、下模板及模套。辅助部分主要有立柱、弹簧、机架、支撑板等。图1 手轮Fig. 1 Hand wheel本设计千斤顶采用手柄操作，中间连接油管及压力表,手动方式操作，方便容易拆装手摇泵表面上有个卸油口，能手动卸油，如图2所示。1.千斤顶 2.油管 3.压力表 4手柄 5.手摇泵图2 手摇千斤顶Fig.2 Hydraulic jack执行部分，执行部分就是上下模板。1.上模 2.茶叶 3.凹模 4.下模图 3 上下模板Fig.3 Up and down model传动部
24、分，人力的传动部分是一个螺杆传动，它是将手柄的施转运动转换成直线运动，将转矩转换成正压力，从而推动上模板向下移动对茶叶进生初压制；千斤顶则是将力直接作用在一个可活动的台板上，通动台板的上移，推动下模、凹模上移产生压力对茶叶进行最终的压制。辅助部分，辅助部分主要有，立柱、弹簧、机架支撑板等，主要是对其于部分起到完善、支撑的作用。4.2 设计方案选择由产品的要求，来考虑机械下的设计，产品是带由字样的茶块，这种产品主要通过物理的压力的加工来压缩完成，这一过程比较简单，压缩的方法方式也有多种多样，考虑采用液压传动，也可以用螺纹传动来实现，最简单的是直接用力压模柱，来压缩成茶块。采用液压动力源来提供工作
25、压力，以提高它的工作效率和自动化程度。还想考虑一个分料定量的装置进去以提高工作效率。但在后来的茶叶成型试验中发现一个严重的问题，影响到工作效率的提高。茶叶的成型与时间压力等有关，压力的大小影响到砖茶的成型时间和成型质量。压力小，成型时间长，茶叶成型质量不高，压力过大，成型时间会稍有减短，但对砖茶的成型质量有明显的影响，只有在压力适中时才能得到最好的成型质量，得到时间与质量的最优值。根据老师指定的砖茶图样，压力在4.88Mpa，加压时间在4-5分种为最佳。受成茶叶成型的条件限制，砖茶成型工作效率不可能得到提高，所以在后来的设计方案的选择中，作了比较大的改进。开始采用液压系统提供压力，如呆采用液压
26、系统，就必须要有液压系统的和组成部分，如：液压油缸、方向控制阀、溢流阀、液压油、管道等很多的辅助元件，由于液压元件都是较贵的，这就大大的提高的机器成本，虽然自动化是得到了提高，但是我们的生产率得不到提高。在后期的设备维护中，提高难度，也会提高成本，所以不宜采用。开始还想搞一个分料定量的机构，但后来考虑到砖茶的成型时间比较长，由其在后来的烘干的时间长达几个小时间，我们有充足的时间来作这些辅助事情，加一个这样的机构进去，也只有能高它的制造成本，降低其市场竞争力，所以后来也选择取消这个分料定量机结构的设计。取消液压系统的设计，将其采用一个“千斤顶”代替，降低的生产成本。经过认真分析后，得到现在的设计
27、方案，则劳动强度比较低，生产效率较高，其结构比较简单，且加工制造比较方便，不仅经济，而且便于维修. 最终方案结构装配图4：1.螺母 2.弹簧垫圈 3.上档板 4.弹簧 5.上模板 6. 模套 7. 下模板 8. 支撑板 9.顶板 10.油管 11.手柄 12.压力表 13.手摇泵 14.立柱 15.机架 16.托架 17.千斤顶 18.手柄 19.撑套 20.寸套 21.手轮 22.定位螺钉 23.传动螺母 24.传动螺杆 25.螺栓 图 4 结构装配图Fig.4 Structure assemble chart5 工作原理及主要参数此处已删除3）茶块与字模接触面积大，摩擦阻力大，分离有难度，
28、不容易实现自动化生产，需要经常打蜡，以减少摩擦，容易脱模23。8.2 该机械解决的问题 1）成功的实现了紧压茶块的机械生产，弥补了绿茶紧压茶块生产的空白。 2)该机械的传动比较简单，各零部件设计也较简单，易于操作和加工制造。 3)绿茶紧压茶机不仅可以压小块绿茶，也可以压大块黑砖茶；利用螺杆快速初压制和退模，提高了生产效率。 4)由于压力大，该机加工的茶块成型好，加工砖茶不需要冷却即可马上退料，提高了生产效率，加工的砖茶表面整洁光滑，质量均匀，绿茶冲泡后茶叶散开快，叶片完整性好，且色泽、滋味、汤色与同类散茶质量并无变化24。 5)砖茶机的液压千斤顶如采用分离式电动泵，则生产效率还可以大大提高。8
29、.3小结紧压茶叶机还处于初步设计和研制阶段，立柱式砖茶机在原有螺杆式紧压茶叶机的基础上进行改进，大大提高了生产的效率，附加值大大提高。参考文献1施兆鹏. 茶叶加工学M.北京：中国农业出版社，1997：27632白堃元. 茶叶加工M.北京: 化学工业出版社, 2001: 1782513倪德江, 陈玉琼. 制茶工艺对名优绿茶香气品质的影响J 茶叶科学, 1997,17（1）:65684黄意欢. 茶学实验技术M. 中国农业出版社, 1997: 1842405陆松侯, 施兆鹏. 茶叶审评与检验M.北京: 中国农业出版社,2001:1011506尹在继. 茶叶的评分和评语M.广西： 中国农业出版社， 1
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32、上海：高等教育出版社，2005： 22828422汤兴初,辛继红,尚本清,张喻,张岚.含水量和加工压力对紧压茶成型及品质的影响D.湖南：湖南农业大学，200523William A.Wolovich.Robotics:Basic analysis and design.CBS college publishing.198724Kutz.Mechanical EngineersHandbook，1998致 谢本设计在汤兴初老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着老师的心血和汗水，在此向老师表示深深的感谢和崇高的敬意。本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向湖南农业大学机械系的全体老师表示由衷的谢意,感谢他们四年来的辛勤栽培。附录附录1：A0装配图1张附录2：A3零件图12张附录3：A4零件图2张12