夏先春，甘 密，汪 飛，李志強(qiáng)

(貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽 551003)

0 引言

在茶葉加工過程中，茶鮮葉的分級顯得尤為重要，通過分級可以將茶鮮葉分為不同等級，這樣有利于鮮葉加工過程中對炒制時(shí)間及溫度的控制，有助于提高成品茶葉的品質(zhì)。目前湄潭翠芽鮮葉分級存在較大困難，茶葉品質(zhì)趨同性較差，特別是中小制茶廠家在收茶鮮葉的時(shí)候，不同等級的茶鮮葉混雜嚴(yán)重，雖有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但執(zhí)行難度較大，無法獲得高等級茶鮮葉，對湄潭翠芽品質(zhì)提升制約嚴(yán)重。

我國對茶鮮葉分級的研究起步較晚，日本在七十年代末已經(jīng)在該領(lǐng)域展開研究[1]。目前茶鮮葉分級主要有兩種方法：一種是根據(jù)茶鮮葉的物理特征進(jìn)行分級的方法主要有滾篩分級、圓篩分級和風(fēng)選分級等，不同方法分級差異較大；另一種是基于計(jì)算機(jī)評價(jià)的現(xiàn)代分級技術(shù)，茶鮮葉質(zhì)量近紅外評價(jià)技術(shù)的引進(jìn)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖形分析技術(shù)對茶鮮葉分級技術(shù)的深入研究提供了新思路。這兩種方法中，第一種方法目前相對成熟，應(yīng)用較多，第二種方法還在試驗(yàn)階段，還沒有真正應(yīng)用于茶鮮葉分級[2]。

近年來，許多學(xué)者致力于茶葉識別的研究，多聚焦于根據(jù)彩色圖像的顏色、形狀特征對成品茶葉進(jìn)行識別[3]；利用圖像處理技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對茶鮮葉進(jìn)行識別，常春等[4]設(shè)計(jì)了一臺用于茶鮮葉分級的智能茶葉分選機(jī)；在對茶鮮葉分級中，根據(jù)物理特征進(jìn)行分級的有風(fēng)選、滾篩、平篩分級，這些主要是利用茶鮮葉大小形狀進(jìn)行歸類，分級效果差異較大[5]。以上研究都是針對大宗茶和機(jī)采茶，而針對湄潭翠芽鮮葉進(jìn)行分級的方法沒有研究。

茶鮮葉篩選分級目前以振平篩和滾筒篩為主，振平篩使用中，茶鮮葉與篩網(wǎng)碰撞頻繁，損傷較多，因使用偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，噪聲和振動較大，使用較少；滾筒篩因結(jié)構(gòu)簡單、工作連續(xù)、易操作、振動小等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較廣。

我國應(yīng)用較廣的6CFJ-70型滾筒式茶鮮葉分級機(jī)為圓臺型，滾筒篩孔分三段，可分四級，篩網(wǎng)用竹篾編制，篩網(wǎng)孔均勻性受限制，其生產(chǎn)率和分級率都低[6]；唐萌等在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制了一種名優(yōu)茶鮮葉分級機(jī)，但在配比滾筒轉(zhuǎn)數(shù)、長度和段數(shù)等參數(shù)上還有待進(jìn)一步研究[7]；駱耀平發(fā)明的一種名優(yōu)茶鮮葉分級機(jī)，指出其錐度為6°～8°，轉(zhuǎn)速為12～15 r/min，篩孔的尺寸為0.5 cm、1.5 cm、2.0 cm，有利于茶鮮葉分級，對分級機(jī)的設(shè)計(jì)和研究具有重要意義[8-9]。張?zhí)m蘭等設(shè)計(jì)了MCFⅡ型鮮葉分級機(jī)，對人工采摘的茶鮮葉進(jìn)行分級，其成本比人工再分級節(jié)約60.37%，對機(jī)采茶鮮葉分級，其成本比人工分級節(jié)約78%[10]。

綜上，國內(nèi)外專家對茶鮮葉分級技術(shù)進(jìn)行了一些研究，但研究還不夠深入，現(xiàn)有技術(shù)有生產(chǎn)率低、篩網(wǎng)利用率低、參數(shù)固定、分級率低、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。

1 茶鮮葉自動篩分設(shè)備組成

針對目前湄潭翠芽茶青自動分選設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)需求和現(xiàn)有茶鮮葉篩選分級設(shè)備的缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)并研發(fā)了湄潭翠芽茶鮮葉篩分設(shè)備，其主要由勻進(jìn)料機(jī)構(gòu)、篩分滾筒、機(jī)架、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及自動控制系統(tǒng)組成(圖1)。主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 湄潭翠芽茶鮮葉 圖2 湄潭翠芽茶鮮葉 篩分設(shè)備組成 篩分設(shè)備結(jié)構(gòu)

2 勻進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

茶鮮葉篩選必須有一個(gè)可靠的進(jìn)料系統(tǒng)，這樣才能保證茶鮮葉進(jìn)料均勻，減少茶鮮葉的重疊和不必要的擠壓受傷。茶鮮葉進(jìn)料系統(tǒng)由上料斗、限料板、送料帶、下料斗、進(jìn)料機(jī)架、打散風(fēng)機(jī)等組成(圖3茶鮮葉進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu))。茶鮮葉存放在上料斗，隨送料帶以一定的速率送料，茶鮮葉經(jīng)過限料板被限制一定厚度進(jìn)入下料斗，最下方是支架，支架上安裝有勻下料振動盤和打散風(fēng)機(jī)，把落入滾筒篩的茶鮮葉利用風(fēng)力打散均勻，利于篩分。

圖3 茶鮮葉勻進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

茶鮮葉進(jìn)料率等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入滾筒的茶鮮葉體積(或質(zhì)量)，進(jìn)料率計(jì)算公式：

(1)

式中，a代表茶鮮葉進(jìn)料層寬度，b代表茶鮮葉進(jìn)料層厚度，r代表進(jìn)料鏈輪直徑，n0代表進(jìn)料變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)速，i代表進(jìn)料傳動機(jī)構(gòu)減速比，V代表進(jìn)料率。

容積密度db為已知時(shí)，進(jìn)料率表示為單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)料質(zhì)量M，公式為：

(2)

式中，db為茶鮮葉容積密度，M為茶鮮葉進(jìn)料率。可以通過改變茶鮮葉進(jìn)料層寬度、厚度以及電動機(jī)轉(zhuǎn)速來改變進(jìn)料率，輸送帶決定進(jìn)料寬度，限料板決定料層厚度，電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)，根據(jù)技術(shù)要求得進(jìn)料率M=3.4 kg/min。

3 滾筒設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的圓臺式滾筒進(jìn)料端直徑小，生產(chǎn)率低，篩網(wǎng)固定，適應(yīng)性差。我們選用圓柱形滾筒，因進(jìn)料端直徑大，生產(chǎn)率高，加工簡單，圓柱滾筒的篩網(wǎng)可根據(jù)需要分成多段直徑相同、長度相同或者不同的分段安裝，適應(yīng)性更好；篩網(wǎng)因直接跟茶葉接觸，材料選擇SUS304不銹鋼(食品級)，為保證茶鮮葉從滾筒一端向另一端移動，滾筒需傾斜安裝。

滾筒上安裝有篩孔尺寸不同的兩段篩網(wǎng)，茶鮮葉由進(jìn)料端進(jìn)入，在篩網(wǎng)內(nèi)表面和重力的共同作用下由進(jìn)料端向出料端移動，茶鮮葉小于篩網(wǎng)孔穿過篩孔掉入集料裝置，其他的茶鮮葉由另一端出來。水平面和滾篩軸線方向有夾角，因此，茶鮮葉運(yùn)動為滾篩軸向移動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動[11]。根據(jù)設(shè)計(jì)，滾篩安裝有2種篩網(wǎng)，茶鮮葉分3級。

1)滾筒的結(jié)構(gòu)

本文滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓柱形，外部為框架，里面為篩網(wǎng)，2級篩網(wǎng)可根據(jù)要求更換。摩擦輪支撐滾筒前端，通過電機(jī)驅(qū)動摩擦輪帶動滾筒轉(zhuǎn)動，另一端由支架和軸承支撐。滾筒的框架支撐滾筒篩網(wǎng)并帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，為了保證其強(qiáng)度可靠，材料選擇50 mm×25 mm的不銹鋼方鋼。主要組成由最外側(cè)軸向支管、支撐和固定滾筒篩網(wǎng)的輪轂。

2)滾筒內(nèi)茶鮮葉受力分析

圖4 滾筒內(nèi)茶鮮葉受力分析

滾筒內(nèi)茶鮮葉在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)動狀態(tài)分析。茶鮮葉在滾筒內(nèi)的受力分析如圖4所示[11]。

圓周運(yùn)動和拋落運(yùn)動組成茶鮮葉垂直于滾筒軸線的運(yùn)動[12]。茶鮮葉在A點(diǎn)脫離滾筒內(nèi)表面作拋落運(yùn)動，這個(gè)時(shí)候的離心力c等于重力G在速度法向的分量N，得到mv2/R=Gcosα。因G=mg，v=2πRn/60，綜上可得：

(3)

轉(zhuǎn)速增大到一定數(shù)值，夾角α=0°，重力正好提供向心力，轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速nc。

(4)

一般正常分級時(shí)，臨界轉(zhuǎn)速總大于滾篩的轉(zhuǎn)速。通過計(jì)算及試驗(yàn)，滾篩轉(zhuǎn)速低于30%臨界轉(zhuǎn)速、超過60%臨界轉(zhuǎn)速或者達(dá)75%臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，滾筒分級率低；大于或等于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，不能分級。一般情況下取其臨界轉(zhuǎn)速的30%～60%[11]。我們從提高茶鮮葉分級率出發(fā)，滾筒轉(zhuǎn)速取臨界轉(zhuǎn)速的50%較好。

3)滾筒篩直徑計(jì)算

圖5 茶鮮葉前進(jìn)速度

滾筒篩的直徑越大生產(chǎn)率越高。茶鮮葉在滾筒篩內(nèi)先被提升后被拋出[12]。如圖5，滾筒篩旋轉(zhuǎn)一周后，沿軸向運(yùn)動茶鮮葉移動的估算距離為[12]：

χest=Dtanθ

(5)

式中，θ為傾角，D為滾筒直徑，當(dāng)轉(zhuǎn)速為n時(shí)，軸向移動的茶鮮葉估算速度為：

vest=nχest=nDtanθ

(6)

軸向移動茶鮮葉實(shí)際速度與估算速度不等，需有一個(gè)修正系數(shù)Kv：

vexp=nDKvtanθ

(7)

設(shè)計(jì)中θ=5°，Kv=1.85。

通常是通過分級機(jī)生產(chǎn)率確定滾筒篩的直徑。填充率F取值根據(jù)分級的技術(shù)要求變化，茶鮮葉在滾筒篩截面上所占面積可表示為：

(8)

得到茶鮮葉每分鐘流經(jīng)滾筒篩截面的體積為：

Qv=vAF

(9)

取n=50%nc，由上可得：

Qv=5.303 g0.5FKvD2.5tanθ

(10)

通常以茶鮮葉的質(zhì)量來度量茶鮮葉處理能力。容積密度為db，每分鐘茶鮮葉質(zhì)量：

Qm=dbQv

(11)

式(10)和式(11)聯(lián)立得[6]：

(12)

式中，Qm為進(jìn)料率，θ為傾角，Kv為速度修正系數(shù)，db為容積密度，F(xiàn)為填充率。

茶鮮葉分級的有效區(qū)域接近1/3圓周[12]。茶鮮葉料層厚度取2 cm，將n=50%nc、Qm=3.4 kg/min、F=0.0403、θ=5°、Kv=1.85、db=112 kg/m3、g=9.8 m/s2代入式(12)，得D≈0.60124 m，設(shè)計(jì)中滾筒直徑選0.6 m。

4)滾筒篩長度設(shè)計(jì)

茶鮮葉分級率受到滾筒篩長度的影響，長度增加，分級時(shí)間增加，分級率越高；當(dāng)長度增加到一定數(shù)值，分級率增加幅度會越來越小，制造成本增加越來越快。滾筒篩的長度一般取(2～6)D，計(jì)算公式為[12]：

L=tv

(13)

式中，v為茶鮮葉軸向速度，L為滾筒篩的長度。

由上可得，長度不變，分選時(shí)間與分選率成反比，分選時(shí)間過短，分選不到位；分選時(shí)間太長，對茶鮮葉有損傷，影響茶鮮葉品質(zhì)。因此，我們設(shè)計(jì)分選時(shí)間為2min較適宜。

當(dāng)n=50%nc時(shí)，聯(lián)立式(4)式(7)式(13)得：

(14)

將n=50%nc、θ=5°、Kv=1.85、D=0.6 m、t=2 mm代入式(14)，得L≈3.1805 m，為保證高分級率，我們?nèi)=3.0 m。

5)滾筒篩網(wǎng)孔選擇及配置方式

常用的篩網(wǎng)孔有圓形、方形、長方形等。圓孔篩唯一量度是篩孔的直徑，茶鮮葉粒度比圓孔直徑大就不能穿過篩孔。如圖6所示，物料1長度大于篩孔直徑，但寬和厚都小，豎立可穿過網(wǎng)孔，物料2、3所有尺寸都小于篩孔直徑，可以自由通過篩孔，物料4因長、寬、厚3個(gè)尺寸都大于篩孔，所以不能通過篩孔。

長孔篩有長度和寬度兩個(gè)尺寸。如圖7所示，物料1、2、3都能穿過篩孔，物料4不能通過篩孔。物料不能依據(jù)長孔篩的長度和寬度分級。

圖6 圓孔篩分級 圖7 長方孔篩分級

方孔篩與圓孔篩一樣只有一個(gè)尺寸度量值，凡粒度小于篩孔邊長的物料都可穿過。在實(shí)際生產(chǎn)中茶鮮葉分級多采用方孔篩。方孔篩一般用編織篩，制造成本低，有效分篩面積更大，更利于分級。根據(jù)湄潭翠芽茶鮮葉的等級和外形尺寸，方形篩孔的邊長尺寸初步選擇5 mm×5 mm、15 mm×15 mm兩種。

根據(jù)技術(shù)要求，我們設(shè)計(jì)的篩分機(jī)安裝有兩種篩孔尺寸的篩網(wǎng)，分別對應(yīng)兩種不同等級的茶鮮葉。篩網(wǎng)的配置方式采用分段串聯(lián)安裝方式，篩網(wǎng)孔尺寸由進(jìn)料端向出料端依次增大，這種安裝方式結(jié)構(gòu)簡單，更換篩網(wǎng)方便。

4 結(jié)束語

本文通過對湄潭翠芽鮮葉篩分關(guān)鍵技術(shù)的研究設(shè)計(jì)，確定了基本的技術(shù)參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，茶鮮葉篩分系統(tǒng)的進(jìn)料率M=3.4 kg/min、滾筒長度L=3.0 m、滾筒直徑D=0.6 m；篩網(wǎng)網(wǎng)孔選擇方形網(wǎng)孔5 mm×5 mm、15 mm×15 mm兩種，安裝方式采用分段式串聯(lián)安裝。這些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定，對湄潭翠芽鮮葉篩分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造奠定了理論基礎(chǔ)。本文系統(tǒng)的提出了湄潭翠芽鮮葉篩分技術(shù)的理論計(jì)算依據(jù)及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對后續(xù)相關(guān)技術(shù)的研究有重要參考價(jià)值。