新型鮮葉滾筒分級機的研制與參數優化

高士偉，葉 飛,3，滕 靖，龔自明*，桂安輝，張 強，崔清梅，戴居會，梁金波，

（1.湖北省農業科學院果樹茶葉研究所，湖北 武漢 430064；2.恩施州農業科學院，湖北 恩施 445000；3.湖南農業大學茶學教育部重點實驗室，湖南 長沙 410128）

茶樹鮮葉機械采摘是解決采工荒、采茶貴和采茶難的有效途徑[1-7]。但是受現階段茶園管理和采摘機械的制約，致使茶樹機采鮮葉老嫩混雜、長短不一。因此，以機采鮮葉為原料，如何分離得到適合加工優質茶的鮮葉原料，一直是業內研究的熱點和難點。袁海波[1]等研究發現，傳統分級設備難以從機采鮮葉中分離得到目標芽葉。因而新型鮮葉分級機相繼被研制，如改良型分級機[7]、螺旋導向鮮葉分級機[8]、振動分級機[9-12]及直徑滾筒式茶鮮葉分級機[13-14]等。湖北省農業科學院果樹茶葉研究所聯合恩施州農業科學院，先后開展鮮葉分級及加工等試驗[15-18]，同時比較不同分級機的效果，研發了一種滾筒式茶鮮葉分級機，并優化得到了篩孔形狀和大小、滾筒傾角和滾筒轉速等參數，旨在為鮮葉分級機的研發及鮮葉品質提升與茶葉加工提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料

以福鼎大白茶鮮葉為原料，其中一芽一葉20.31%、一芽二葉23.15%、一芽三葉28.32%與一芽四葉28.22%，2016年5月～2018年5月采自恩施州農科院試驗茶園。茶鮮葉機械組成測定：按照炒青綠茶鮮葉的分級標準（ZB B35001-88）要求進行。

1.1.2 設備

圖1 不同形狀篩孔的設計Fig.1 Design of different mesh shape

圖2 滾筒分級機主視圖和俯視圖Fig.2 Vertical and Front view of new roller screening machine

設備：新研制的鮮葉滾筒分級機，配備篩網為正方形、橢圓形和六邊形，面積大小分別為 3.5～8.0 cm2、4.5～10.0 cm2和 5.5～12.0 cm2；滾筒分級機的整機傾角可調（0～8.5o），轉速可調 （0～24 r/min），如圖1和圖2所示。通過工藝參數優化試驗，鮮葉滾筒分級機平穩運行。

1.2 方法

新型滾筒分級機參數優化試驗：先后設計不同形狀和面積大小的篩孔，后續優化了分級后集葉區域，并分別比較了不同形狀和面積大小的篩孔、不同傾角和不同轉速對鮮葉分級的影響，最后提出了滾筒分級機的參數。

其中W1為分級后各出口目標芽葉的質量，W為未分級鮮葉的總質量，a為分級后該出口目標芽葉的占比，b為目標芽葉在未分級鮮葉中的占比。每個試驗3次重復。

1.3 數據處理分析

數據經Excel和SPSS 19.0處理，大寫字母和小寫字母分別表示Duncan，s新復極差（SSR）在P=0.01和0.05水平下的差異顯著性，字母不同表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同集葉區域內鮮葉的機械組成比較

表1 不同分級區域內鮮葉的組成比例 （%）Table 1 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area （%）

表2 不同分級區域內鮮葉的組成 （%）Table 2 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area with different mesh shapes （%）

表3 不同分級區域內鮮葉質量的比例 （%）Table 3 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area with different mesh area （%）

表4 不同篩孔面積處理各集葉區的鮮葉組成 （%）Table 4 Results of proportion of fresh tea leaves in different leaf collecting area with different screening size （%）

滾筒分級機采用橢圓形的篩孔（4.5～10.0 cm2），設置滾筒轉速16 r/min，傾角6.5o時，比較滾筒分級機不同分級區域內鮮葉的組成比例結果（表1），發現0～2000 mm分級區段內，一芽一二葉占比為94.76%；2000～3000 mm區段內，一芽二三葉占比為83.66%；尾部區段內，一芽三四葉占比為100%，說明一芽一二葉、一芽二三葉和一芽三四葉分別分布在0～2000 mm、2000～3000 mm和尾部的集葉區域內，所以將滾筒分級機的集葉區域分為上述三段，后續試驗的不同處理按照上述三個區域采集鮮葉。

2.2 不同形狀和面積的篩孔對鮮葉的分級效果

不同形狀和面積篩孔對鮮葉分級的影響結果（表2和表3）顯示：不同篩孔形狀的篩孔在同等面積 （4.5～10.0 cm2）和同等投葉量的情況下，六邊形篩孔目標芽葉分級率為87.08%，分級效果相對較好；比較不同面積大小的六邊形篩孔對分級率的影響結果，發現4.5～10 cm2面積的六邊形篩孔的分級效果較好，推測在自然情況下4.5～10.0 cm2六邊形的篩孔更符合一芽一葉至一芽三葉的垂直剖面圖，分級效果更好。

表5 不同傾角處理各分級區域鮮葉的比例及分級率（%）Table 5 Effects of different roller obliquity treatments on proportion and screening rate of fresh tea leaves in different roller screening areas （%）

表6 不同轉速處理各分級區域鮮葉的比例及分級率（%）Table 6 Effects of different rotation rate treatments on proportion and screening rate of fresh tea leaves in different roller screening areas （%）

2.3 不同滾筒傾角和轉速對鮮葉的分級效果

分析不同傾角和不同轉速對鮮葉分級的影響結果（表5和表6），發現在同等投葉量的情況下，隨滾筒傾角和滾筒轉速的增加，分級率都呈現先上升后降低的趨勢，其中傾角5.5°和轉速16 r/min處理的分級率最高，分級效果相對較好，與胡永光等人研究結果相似[13]，推測是滾筒傾角和轉速決定了分級時間，傾角過低或者轉速過慢，可能會導致鮮葉在滾筒內堆積，傾角過大或者轉速過快，可能會導致鮮葉未得到有效分級，從而降低了分級率。

表7 三種分級設備性能比較Table 7 Comparison of different classifiers and performance characteristics

2.4 不同鮮葉分級設備特性及分級效果

以同一批鮮葉為原料，比較了傳統分級機（6CLY-70型）、振動分級機（恩施振動分級機）和新型滾筒分級機的設備特性和分級效果，結果（表7）發現，傳統分級機結構簡單，其傳統竹篾容易損壞，產能較低。振動式分級機的原理是通過設備振動帶動鮮葉運動，操作簡單但機械噪聲較大，加重了茶葉加工生產中的勞動強度。新型滾筒分級機采用滾筒旋轉帶動鮮葉分級，操作簡便，穩定性好。比較三種不同分級設備的綜合性能，發現新型滾筒分級機的噪音小 （35～40 db），產能較大 （＞120 kg/h），目標芽葉的分級率較高。

3 討論與結論

在現有茶園栽培管理、機械化采摘設備條件下，短期內機采鮮葉質量難有大幅度提高，目前業內研究主要集中在鮮葉分級設備及技術方面。為了進一步提高分級效果，本研究團隊研制了一款新型鮮葉分級機，并以手采鮮葉為原料，先后優化了不同鮮葉分級的集葉區域，篩孔形狀、面積大小和滾筒傾角，比較了不同類型的鮮葉分級機的設備特性和分級效果，結果發現：新型滾筒分級機采用六邊形篩孔，篩孔面積為4.5～10.0 cm2，參數設置轉速16 r/min，傾角5.5o，能較好地將一芽一葉、一芽二葉、一芽三葉和一芽四葉分開。相比其他研究所采用的篩孔形狀（圓形和長方形）[14]，本次試驗比較了三種篩孔形狀（六邊形、橢圓形和正方形），結果發現六邊形篩孔效果更優，推測是受茶樹品種、采摘時間和鮮葉攤放失水等因素影響下，六邊形更符合本次試驗鮮葉的垂直剖面圖。為了進一步提高機采鮮葉加工技術水平，初精制工藝優化將是本研究的下一步內容。