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)
在茶葉加工過程中,茶鮮葉的分級(jí)顯得尤為重要,通過分級(jí)可以將茶鮮葉分為不同等級(jí),這樣有利于鮮葉加工過程中對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)茶鮮葉,對(duì)湄潭翠芽品質(zhì)提升制約嚴(yán)重。
我國對(duì)茶鮮葉分級(jí)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(jí)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(jí)的方法主要有滾篩分級(jí)、圓篩分級(jí)和風(fēng)選分級(jí)等,不同方法分級(jí)差異較大;另一種是基于計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)的現(xiàn)代分級(jí)技術(shù),茶鮮葉質(zhì)量近紅外評(píng)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(duì)茶鮮葉分級(jí)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(duì)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(jí)[2]。
近年來,許多學(xué)者致力于茶葉識(shí)別的研究,多聚焦于根據(jù)彩色圖像的顏色、形狀特征對(duì)成品茶葉進(jìn)行識(shí)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(duì)茶鮮葉進(jìn)行識(shí)別,常春等[4]設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于茶鮮葉分級(jí)的智能茶葉分選機(jī);在對(duì)茶鮮葉分級(jí)中,根據(jù)物理特征進(jìn)行分級(jí)的有風(fēng)選、滾篩、平篩分級(jí),這些主要是利用茶鮮葉大小形狀進(jìn)行歸類,分級(jí)效果差異較大[5]。以上研究都是針對(duì)大宗茶和機(jī)采茶,而針對(duì)湄潭翠芽鮮葉進(jìn)行分級(jí)的方法沒有研究。
茶鮮葉篩選分級(jí)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(dòng)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(dòng)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(jí)機(jī)為圓臺(tái)型,滾筒篩孔分三段,可分四級(jí),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(jí)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(jí)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(jí)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(jí),對(duì)分級(jí)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(jí)機(jī),對(duì)人工采摘的茶鮮葉進(jìn)行分級(jí),其成本比人工再分級(jí)節(jié)約60.37%,對(duì)機(jī)采茶鮮葉分級(jí),其成本比人工分級(jí)節(jié)約78%[10]。
綜上,國內(nèi)外專家對(duì)茶鮮葉分級(jí)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(jí)率低、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。
針對(duì)目前湄潭翠芽茶青自動(dòng)分選設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)需求和現(xiàn)有茶鮮葉篩選分級(jí)設(shè)備的缺點(diǎn),我們?cè)O(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(dòng)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)
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(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,i代表進(jìn)料傳動(dòng)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(dòng)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。
傳統(tǒng)的圓臺(tái)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(jí)),為保證茶鮮葉從滾筒一端向另一端移動(dòng),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(dòng),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(dòng)為滾篩軸向移動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[11]。根據(jù)設(shè)計(jì),滾篩安裝有2種篩網(wǎng),茶鮮葉分3級(jí)。
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(jí)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(dòng)摩擦輪帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng)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(dòng)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(dòng)和拋落運(yùn)動(dòng)組成茶鮮葉垂直于滾筒軸線的運(yùn)動(dòng)[12]。茶鮮葉在A點(diǎn)脫離滾筒內(nèi)表面作拋落運(yùn)動(dòng),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(jí)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(jí)率低;大于或等于臨界轉(zhuǎn)速時(shí),不能分級(jí)。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(jí)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(dòng)茶鮮葉移動(dòng)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(dòng)的茶鮮葉估算速度為:
vest=nχest=nDtanθ
(6)
軸向移動(dòng)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)率受到滾筒篩長度的影響,長度增加,分級(jí)時(shí)間增加,分級(jí)率越高;當(dāng)長度增加到一定數(shù)值,分級(jí)率增加幅度會(huì)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(duì)茶鮮葉有損傷,影響茶鮮葉品質(zhì)。因此,我們?cè)O(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(jí)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(jí)。
圖6 圓孔篩分級(jí) 圖7 長方孔篩分級(jí)
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(jí)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(jí)。根據(jù)湄潭翠芽茶鮮葉的等級(jí)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?cè)O(shè)計(jì)的篩分機(jī)安裝有兩種篩孔尺寸的篩網(wǎng),分別對(duì)應(yīng)兩種不同等級(jí)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。
本文通過對(duì)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(duì)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(duì)后續(xù)相關(guān)技術(shù)的研究有重要參考價(jià)值。