齊 裕， 陸佳平， 路 浪

(江南大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

近年來，隨著生活水平的不斷提高，太平猴魁茶葉的市場需求也在不斷擴大，傳統(tǒng)的手工作業(yè)已不能滿足市場的需求，制茶行業(yè)開始朝著自動化、高速化以及衛(wèi)生化方向發(fā)展。實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，是社會的發(fā)展趨勢，也是行業(yè)的最終發(fā)展模式[1]。

猴魁為我國十大名茶之一，葉片長度大約在5～7 cm，猴魁茶的制作過程較為復(fù)雜，每一道工序都會影響成品茶葉的品質(zhì)。猴魁茶葉的傳統(tǒng)制作工序為：采摘-殺青-理條-捏尖-壓扁-烘干定形。由于加工工藝獨特，目前猴魁茶葉的制作多采用半自動化生產(chǎn)方式，主要問題體現(xiàn)在理條與捏尖工序之間的連接較困難，同時分料問題也是掣肘建成自動化生產(chǎn)線的關(guān)鍵點[2-4]。

1 分料技術(shù)方案

分料是將經(jīng)殺青理條的制葉自動分離開，制葉之間不相互重疊或粘靠，以便進(jìn)入后續(xù)排條工序。分條本質(zhì)上屬于從有序團聚到有序分離的處理技術(shù)，其機械化技術(shù)的難度由茶葉物料本身特性所決定。一方面，理條后制葉之間的相互重疊粘靠會造成分料的實際困難，并存在許多未知的分離不確定性和分條效率影響，易造成產(chǎn)線上制葉“物流”的滯留阻塞；另一方面，理條后制葉初步形成的整形屬于非穩(wěn)定形，不當(dāng)?shù)臋C械化分料技術(shù)會存在過度破壞整形的風(fēng)險。

為將物料從堆積狀態(tài)分離開，采用平鋪差速原理進(jìn)行操作，即將其橫向鋪展開來，使其單位面積上的量減少，然后再通過多級提速進(jìn)行制葉分離。根據(jù)茶葉特性和工藝的要求，選擇橫分和縱分交相穿插的分料系統(tǒng)[5-7]。橫分旨在將理條后的聚積狀態(tài)的茶葉橫向攤薄鋪展開來，便于后續(xù)縱分的進(jìn)行；縱分通過各級傳送裝置的速度差值將互相搭接的茶葉分離為單根輸送。

由于茶葉從理條機輸出時的量較大，選擇先進(jìn)行提速縱分，將其縱向鋪開，減少橫向截面的量；為方便其橫向鋪展，再經(jīng)過2次相間的橫分和縱分完成茶葉之間的分離，不同級輸送帶的速度為成倍遞增關(guān)系。工藝流程如圖1所示。

圖1 茶葉分料工藝流程Figure 1 Tea separation process

2 技術(shù)原理

分料模塊主要由1級縱分裝置、1級橫分裝置、2級縱分裝置、2級橫分裝置和3級縱分裝置等組成，分料原理圖如圖2所示。

1—理條機出料口；2—1級縱分裝置；3—1級橫分裝置；4—2級縱分裝置；5—2級橫分裝置；6—3級縱分裝置。圖2 茶葉分料原理Figure 2 Tea separation schematic

如圖2所示，茶葉由理條機出料口1輸送到1級縱分裝置2上，經(jīng)過第1次縱向提速實現(xiàn)初步的縱分，隨后到達(dá)1級橫分裝置3，該裝置具有橫向振蕩作用。橫分裝置3的工作臺面為16通道的弧形槽，通過橫向往復(fù)振蕩，茶葉可在其中自由翻滾；并通過茶葉和工作臺面的摩擦力，使茶葉分離和錯位，實現(xiàn)茶葉的初步橫分。分離和錯位的茶葉到達(dá)2級縱分裝置4時，由于其自身的重力和與皮帶之間的摩擦力會被輸送帶捕獲并帶走，先接觸輸送帶的會被優(yōu)先捕獲，從而實現(xiàn)茶葉的2次縱分。隨后茶葉被輸送到2級橫分裝置5，進(jìn)行2次橫分，將還未分離的茶葉進(jìn)行分離和錯位并實現(xiàn)定向。2級橫分裝置與1級橫分裝置的區(qū)別主要在于工作平臺的槽形結(jié)構(gòu)不同。經(jīng)過2次橫分的茶葉通過3級縱分裝置6的第3次縱向提速，完成了整個的分料操作，此時茶葉呈單根定向排列輸送。

3 主要操作系統(tǒng)設(shè)計

3.1 縱分裝置設(shè)計

縱分裝置分為1級縱分裝置、2級縱分裝置和3級縱分裝置，各級縱分裝置的結(jié)構(gòu)相同，不同的是各級縱分裝置的速度。縱分裝置如圖3所示，主要由驅(qū)動輥組件、電機、輸送帶、從動輥組件和張緊輥組件組成。輸送帶選用PU材質(zhì)，滿足食品級要求。為了保證縱分裝置的平穩(wěn)運行，保證驅(qū)動滾筒分離點的張力，設(shè)置2個張緊輥裝置，一個為固定張緊輥，另一個為調(diào)節(jié)張緊輥。

圖3 縱分裝置原理Figure 3 Schematic of longitudinal dividing device

由于茶葉的質(zhì)量較輕，且長度只有5～7 cm，而常用的縱分裝置輸出端小輥直徑為60 mm，與橫分裝置會產(chǎn)生較大的落差，因此茶葉在從縱分裝置出料端輸送到橫分裝置時，茶葉會出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象；由此導(dǎo)致茶葉從有序變?yōu)闊o序狀態(tài)，影響下一步的橫向分離。因此選用輸出端呈刀口狀結(jié)構(gòu)的縱分裝置，小輥直徑為20 mm，如圖4所示。其刀口夾角α為50°，如圖4所示，橫分裝置的工作臺面緊貼縱分裝置的輸出端，保證茶葉平穩(wěn)地落入橫分裝置，便于下一級工序順利地進(jìn)行。

圖4 縱分裝置局部結(jié)構(gòu)Figure 4 Partial structure of longitudinal dividing device

縱分裝置長1 200 mm，帶寬1 000 mm，1級縱分裝置的最大帶速為2.5 m/min，2級縱分裝置的最大帶速為5 m/min，逆時針方向傾斜5°放置；3級縱分裝置的最大帶速為15 m/min，水平放置。采用逐點張力法進(jìn)行驅(qū)動滾筒軸功率的計算[8-9]，從驅(qū)動滾筒的分離點張力S1開始，沿運行方向逐點計算到驅(qū)動滾筒相遇點的張力Sn，得到Sn與S12點張力之間的公式：

Sn=f(S1)。

(1)

為保證輸送帶不打滑，按歐拉公式得：

Sn≤S1×eμα。

(2)

式中：eμα為包角系數(shù)；μ為摩擦因數(shù)，與驅(qū)動滾筒的表面材料和環(huán)境的濕度有關(guān)；α為膠帶繞驅(qū)動滾筒包角。

式(2)2邊取等式并與式(1)聯(lián)立可求得2點張力值，S1和Sn2點張力差即為驅(qū)動滾筒的圓周驅(qū)動力F：

F=Sn-S1。

(3)

驅(qū)動滾筒軸功率的逐點計算公式為

(4)

式中v為帶速。

電機功率為

(5)

式中：Kd為備用系數(shù)，一般取Kd=1.15～1.2；ηa為減速器與驅(qū)動滾筒的總效率。

各級縱分裝置的結(jié)構(gòu)相同，最大速度相差不大，茶葉質(zhì)量較輕且體積較小，為方便設(shè)計，選擇相同功率的電機，通過計算，選擇電機功率為200 W。

3.2 橫分裝置設(shè)計

橫分裝置為往復(fù)振蕩裝置，振幅為40 mm。工作臺面為16通道弧形槽結(jié)構(gòu)，弧形槽為2邊呈弧形且底部為平面的結(jié)構(gòu)，茶葉在底部平面上借助摩擦力和重力實現(xiàn)其分離，2邊弧形設(shè)計減少茶葉與工作臺面的碰撞而導(dǎo)致的茶葉黏滯作用，幫助茶葉分離。各級橫分裝置的結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于工作臺面的弧形槽設(shè)計不同，2級橫分裝置的弧形槽相對較大。

采用如圖5所示的曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)橫分裝置的往復(fù)振蕩，其中A在傳動滾軸上，傳動滾軸與電機相連，O為傳動滾軸軸心，AB為擺桿，CD為從動桿，與工作臺面相連，EG和HI為2段導(dǎo)軌。其中OA=20 mm，AB=100 mm，CD=200 mm。工作時，傳動滾軸轉(zhuǎn)動帶動擺桿AB的擺動，從而實現(xiàn)從動桿CD的往復(fù)運動。

圖5 橫分裝置執(zhí)行機構(gòu)原理Figure 5 Schematic of transverse dividing device actuator

4 分料相關(guān)影響因素的實驗研究

影響分料分離率的參數(shù)，從結(jié)構(gòu)分析有2級橫分裝置的振動頻率、振動幅度、橫分裝置工作臺的傾斜角度、橫分裝置工作臺面和物料之間的摩擦因數(shù)、 喂入量大小和理條機振幅及振動頻率大小、各級縱分裝置速度之間的關(guān)系等。

參照對其他物料的試驗研究，用于猴魁茶葉分料時，初定2級橫分裝置的振動頻率、橫分裝置工作臺的傾斜角度和各級縱分裝置速度之間的關(guān)系[10]。

4.1 試驗方案

4.1.1 1級橫分裝置

1級橫分裝置主要是將茶葉橫向攤薄，將堆積的茶葉初步分離開來，減少茶葉單位面積上的量，并使其產(chǎn)生錯位，從而利于縱向分離。為避免茶葉由于橫分裝置的速度過慢而使茶葉堆積，在設(shè)計時也要考慮茶葉的速度。橫分裝置的振蕩頻率和橫分裝置工作臺的傾斜角度是影響茶葉運輸速度和分離率的主要影響因素，因此對2者進(jìn)行試驗研究。根據(jù)物料的物理特性和具體的試驗環(huán)境，振蕩頻率取4，5，6，7和8 Hz；傾斜角度取10°，15°，20°，25°和30°；工作臺的總長度為400 mm。

4.1.2 2級橫分裝置

2級橫分裝置主要是將茶葉分離開來，并保證茶葉橫分后，茶葉的長度方向與縱分裝置輸送方向一致。試驗方法與1級橫分裝置相同，振蕩頻率取4，5,6,7和8 Hz；傾斜角度取20°，25°，30°，35°和40°；工作臺總長500 mm。

4.1.3 正交試驗

根據(jù)1級橫分裝置和2級橫分裝置試驗研究，確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，并選擇合適的參數(shù)進(jìn)行混合正交試驗，影響縱分效果的主要因素為前后2級裝置的速度，因此將前后2級縱分裝置的倍數(shù)關(guān)系加入正交試驗，綜合分析主要相關(guān)因素對分料效果的影響。

4.2 試驗研究

4.2.1 1級橫分裝置工作臺傾斜角度和振動頻率對橫分效果的影響

由圖6可知，茶葉的速度分別隨著振蕩頻率的增大和橫分裝置工作臺傾斜角度的增大而增大，增大幅度依次減小，振蕩頻率從4 Hz增大到5 Hz時，速度增幅達(dá)到最大值；茶葉的速度隨著工作臺傾斜角度的增大而增大，不過隨著振蕩頻率的增加，傾斜角度對速度的影響變小。由圖7可知，茶葉分離率隨著振蕩頻率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在5～7 Hz之間的效果最好；隨著工作臺的傾斜角度的增加，分離率整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，傾斜角度在15°～20°時分離率最高。

圖6 不同頻率和角度對通過時間的影響Figure 6 Effects of different frequencies and angles on transit time

圖7 不同頻率和角度對分離率的影響Figure 7 Influence of different frequencies and angles on separation rate

4.2.2 2級橫分裝置工作臺傾斜角度和振動頻率對橫分效果的影響

由圖8可知，振蕩頻率從4 Hz增大到5 Hz時，速度增幅達(dá)到最大值；由圖9可知，茶葉分離率在5～7 Hz時的效果最好；隨著工作臺的傾斜角度的增加，分離率整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，傾斜角度在25°～35°時分離率最高。

圖8 不同頻率和角度對通過時間的影響Figure 8 Effects of different frequencies and angles on transit time

圖9 不同頻率和角度對分離率的影響Figure 9 Influence of different frequencies and angles on separation rate

4.2.3 主要因素正交試驗研究

采用混合正交表設(shè)計正交試驗，確定最優(yōu)的分料參數(shù)及各個因素影響的重要程度。根據(jù)上述單因素試驗結(jié)果，確定試驗因素水平，如表1所示；正交試驗設(shè)計與結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal factor level table

表2 正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental design and results

2根茶葉完全分離且相鄰2根之間間距20 mm以上為成功分離，由表3中極差R的結(jié)果可以看出，在試驗考察范圍內(nèi)的5個因素對于茶葉成功分離率的影響順序為：1級橫分裝置傾斜角度>1級橫分裝置振蕩頻率>2級橫分裝置振蕩頻率>速度倍數(shù)>2級橫分裝置傾斜角度。雖然2級橫分裝置傾斜角度的極差最小，但是其對茶葉的分離時間影響較大，其也是一個很重要的影響因素。其中，K1，K2和K3分別表示各因素水平為1，2，3時的成功率之和。

表3 極差分析表Table 3 Range analysis table %

4.3 試驗結(jié)果分析

由多因素正交試驗數(shù)據(jù)可以得出最優(yōu)的組合為J2M1X2Y3Z1，通過極差分析得出的最佳組合為J2M1X1Y2Z1，2個結(jié)果的不同之處為1級橫分裝置振蕩頻率X和2級橫分裝置傾斜角度Y。通過單因素試驗可知1級橫分裝置振蕩傾斜角為15°時，1級橫分裝置振蕩頻率為6 Hz時茶葉的分離率最高，可以得出1級橫分裝置振蕩頻率的最優(yōu)參數(shù)為6 Hz。2級橫分裝置主要作用為輔助2次分離以及導(dǎo)向作用，并對通過的茶葉速度有較高的要求，通過單因素試驗可以得出傾斜角度越大，茶葉的速度越快，并且2級橫分裝置傾斜角度的極差最小，其對茶葉的成功分離率影響不大，因此選用40°。

通過綜合分析可以得出影響茶葉成功分離率的主要因素的最優(yōu)組合為J2M1X2Y3Z1，即前后級縱分裝置速度倍數(shù)關(guān)系為3倍，1級橫分裝置傾斜角度為15°，1級橫分裝置振蕩頻率為6 Hz，2級橫分裝置傾斜角度為40°，2級橫分裝置振蕩頻率為5 Hz，茶葉的成功分離率為87.3%，滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)語

通過對猴魁茶葉加工工藝和自動化加工生產(chǎn)可行性的研究，設(shè)計了一種機械自動分料技術(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的樣機設(shè)計和工藝參數(shù)試驗。通過試驗研究可以看出茶葉成功分料的關(guān)鍵在于橫分裝置，即通過該裝置將茶葉橫向攤薄是主要需解決的問題。對比試驗結(jié)果可以得出1級橫分裝置的工作平臺傾斜角度應(yīng)小一些，通過重力、摩擦力及往復(fù)振蕩力使茶葉分離；2級橫分裝置的傾斜角度應(yīng)大一些，保證茶葉的通過速度；各級橫分裝置的振蕩頻率都不應(yīng)太大。通過正交試驗得出：分料裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為前后級縱分裝置速度倍數(shù)關(guān)系為3倍，1級橫分裝置傾斜角度為15°，1級橫分裝置振蕩頻率為6 Hz，2級橫分裝置傾斜角度為40°，2級橫分裝置振蕩頻率為5 Hz。整機布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，可有效節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率，為柔性長徑比物料的分料提供參考和思路。