基于EDEM的茶葉揉捻機參數優化及試驗研究

李兵，李為寧，柏宣丙，黃劍虹

基于EDEM的茶葉揉捻機參數優化及試驗研究

李兵1,2，李為寧1，柏宣丙1，黃劍虹3

1. 安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230036；2. 安徽農業大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室，安徽 合肥 230036；3. 浙江上洋機械股份有限公司，浙江 衢州 324000

為解決目前茶葉在揉捻過程中揉捻質量不穩定的問題，以6CR-40型茶葉揉捻機為研究對象，基于Solidworks對茶葉揉捻機進行三維建模，運用離散元仿真軟件EDEM對茶葉揉捻機的揉捻過程進行數值模擬，探求各試驗因素對茶葉揉捻機性能指標的影響規律。運用二次正交旋轉試驗，通過Design-Expert軟件進行優化求解，獲得揉捻質量最佳的結構參數組合。結果表明，當揉桶轉速為42?r·min-1、棱骨高度為10?mm、揉盤傾角為3.8°時，茶葉的成條率為88.55%、碎茶率為1.83%。茶葉揉捻機具有較好的揉捻質量。驗證試驗結果與仿真優化結果基本一致。

茶葉揉捻機；EDEM；仿真分析；二次正交旋轉試驗；響應面法

揉捻是茶葉加工重要工序之一，茶葉加工過程中，除了白茶、綠茶和黃茶中的少類茶無需揉捻外，一般均需揉捻。殺青后的茶葉經過揉捻工序使得茶葉體積縮小，卷緊條索，增加了茶葉容重，并且由于適當破壞葉組織，茶汁逐漸溢出于茶葉外表面，加速多酚類化合物的酶促氧化，促進了茶葉色香味的形成[1]。現代茶葉加工生產過程中揉捻環節已經實現機械化，主要依靠盤式茶葉揉捻機來完成，為提高茶葉揉捻機的工作性能，相關專家對茶葉揉捻機的揉捻性能進行了大量研究。陳世輝[3]以茶葉揉捻機的外揉盤凹傾角為研究對象，通過有限元分析獲得揉捻特性較好時外揉盤的結構參數；岳鵬翔等[4]運用機械優化設計方法，建立優化設計數學模型，對茶葉揉捻機的棱骨安裝數量、棱骨安裝角度等結構參數進行優化設計；周昊等[5]通過對棱骨的有限元動力學分析，研究了不同棱骨結構參數對揉捻葉的影響；瞿廷怡等[6]通過對揉捻機支臂優化設計以減輕其重量，運用電機進行自動加壓，實現揉捻自動化。上述研究對揉捻機的參數優化提供了新的方法，但并未能對揉捻過程中茶葉顆粒的運動學參數進行量化分析。近年來，隨著計算機技術不斷發展，離散元法及其虛擬仿真在農業工程領域有著越來越多的應用，為研究物料顆粒—機械零部件間相互作用的變化規律，優化機械結構提供了新的技術手段[7-10]。

本文以6CR-40型茶葉揉捻機為研究載體，通過Solidworks建立茶葉揉捻機三維模型，運用EDEM對揉捻過程中茶葉運動學參數進行量化分析，得到不同結構參數對茶葉揉捻質量的影響規律，以成條率和碎茶率作為性能評價指標，進行二次正交旋轉組合試驗并借助Design-Expert繪制影響茶葉揉捻機性能的響應曲面圖，旨在獲得茶葉揉捻機的最優參數組合，為該型號揉捻機的優化設計提供參考依據。

1 茶葉揉捻機的基本結構與工作原理

茶葉揉捻機由電動機、小皮帶輪、大皮帶輪、減速器、曲柄、立柱、加壓臂、加壓蓋、揉桶、揉盤、三角架、支撐機架、出茶門推桿、加壓手輪以及手柄等組成[11]。茶葉揉捻機的相關結構設計參數如表1所示。揉盤是一個由四周向中心位置逐漸下凹的盤型結構件，通常由不銹鋼板做成，并裝有若干不銹鋼弧形棱骨，用以增強茶葉揉捻的揉搓力。揉捻過程中壓力調整通過絲桿和螺母的運動控制加壓蓋的升降來實現，加壓蓋的上、下浮動由彈簧控制。揉盤的中心位置是用于開啟和關閉茶葉出料的出茶門，出茶門采用擺動式結構，由出茶門推桿、手柄等組成。當轉動手柄時出茶門隨之擺動回轉，若將出茶門關閉，將出茶門推桿鎖住出茶門即可。茶葉揉捻機整體結構圖，如圖1所示。

茶葉揉捻機工作時，電動機作為動力輸出，經皮帶傳動及齒輪箱轉換運動方向，驅動主曲柄做回轉運動，帶動揉桶在揉盤上做偏心回轉運動，茶葉在揉桶中受加壓蓋加壓，并在棱骨的搓揉作用下進行揉捻作業。揉捻過程大致可以分為3個階段，分別是空壓起條階段、加壓緊條階段以及松壓解團階段。空壓階段是促使茶葉成條的基礎階段，空壓可以減少茶葉的滾動摩擦阻力，便于片狀葉起條。加壓階段增大了茶葉顆粒間的內摩擦力以及棱骨對茶團的揉搓作用，促使茶葉細胞破壞，條索卷緊。松壓階段，加壓蓋逐漸上移致使葉層占有的空間增大，緊壓的茶團被振松抖散。

表1 茶葉揉捻機的結構設計參數

注：1-電動機，2-小皮帶輪，3-減速器，4-大皮帶輪，5-曲柄，6-立柱，7-加壓臂，8-加壓蓋，9-揉桶，10-三腳架，11-揉盤，12-支撐機架，13-出茶門推桿，14-加壓手輪，15-手柄

2 茶葉揉捻運動規律

茶葉在揉捻過程中的運動情況十分復雜，不僅有揉桶、揉盤等結構部件對茶葉的翻滾運動，而且還有茶葉之間的相互運動，以及茶葉散落在揉盤上的自由運動。揉捻葉受到多種力的綜合作用而形成一定的運動規律，將揉桶內所有茶葉看成一個整體，茶團所受的作用力包括：揉桶側壁的推力、揉盤支持力、加壓蓋正壓力、茶葉自身重力以及茶葉顆粒間的內摩擦力[12]。以單顆茶葉顆粒為例進行受力分析，如圖2所示。

1=2/····························· （1）

F=(+3) ························· （2）

=+4································（4）

式中，1—揉桶側壁推力，N；3—茶葉顆粒所受擠壓力，N；—茶葉顆粒單位面積所受擠壓力，N；4—加壓蓋壓力，N；—茶葉顆粒間內摩擦力，N；—加壓蓋壓力與茶葉重力之和，N；—茶葉自身重力，N；—茶葉顆粒的質量，kg；—揉桶半徑，m；—茶葉顆粒的線速度，m·s-1。

揉捻葉在揉桶內不僅隨揉桶中心作圓周運動，而且又在翻轉作用力下向上前方運動，最后散落在揉盤上。每一時刻揉捻葉在揉桶內的位置都不相同，故形成了茶葉揉捻運動規律，可大致分為4個不同的作用區[13]。靠近揉盤和棱骨的區域由于揉搓作用力較大，茶葉在揉桶推力作用下向前運動形成揉搓區。在揉搓區內揉捻葉運動速度較快，從而將茶葉揉捻成條，體積逐漸縮小；在揉桶、揉盤以及加壓蓋對茶葉作用力的交點周圍，由于茶葉受到的作用力最大，故形成強壓區。當茶葉進入強壓區時，茶葉被推向揉桶中心位置匯集，相互擠壓成團狀，并在翻轉作用力下向上翻轉；由于揉桶上半部揉捻葉受到的摩擦阻力較小，故在慣性力和茶葉自身重力的作用下而向前下翻，形成下翻區；揉桶繼續作回轉運動，下翻區的揉捻葉散落在揉盤尚未進行揉捻的區域，形成散落區。

3 仿真過程及分析

3.1 仿真模型建立

為了能夠更加清晰、直觀地模擬茶葉的揉捻過程，運用三維建模軟件Solidworks對揉桶、揉盤等關鍵結構部件實體建模（圖3），并導入EDEM中進行仿真分析。

茶葉顆粒在揉捻過程中形狀差異明顯，按照長寬高的正態分布尺寸選取建模對象，故在EDEM中擬合出與茶葉顆粒外形輪廓相吻合的多球面組合體作為顆粒模型[14]，按照茶葉大小建立茶葉顆粒仿真模型，如圖4所示。根據茶葉物料物理特性，設置茶葉顆粒模型的物理屬性參數和接觸屬性參數[15-18]，如表2所示。

根據茶葉顆粒表面物理特性，選擇Hertz-Mindlin（no slip）模型作為仿真接觸模型。設置EDEM顆粒工廠以300個·s-1的速率生成茶葉顆粒模型，保證揉桶內有充足茶葉顆粒進行仿真模擬。

注：F1-揉桶側壁推力，F2—揉盤支持力，F4—加壓蓋壓力，Ff—茶葉顆粒間內摩擦力，G—茶葉自身重力

圖3 茶葉揉捻機仿真模型

圖4 茶葉顆粒模型

表2 茶葉顆粒參數

3.2 揉桶轉速對茶葉揉捻質量的影響

揉桶轉速對茶葉顆粒在揉桶中的運動有著顯著影響。隨著揉桶轉速增大，揉捻葉的平均速度明顯增大（圖5-A）。揉桶轉速對茶葉顆粒受力影響分為兩個階段：0~3.5?s是松散茶葉揉捻成茶團的過程，此過程揉桶轉速對茶葉顆粒受力影響不大；3.5?s后茶團形成，揉桶轉速對茶葉顆粒受力影響較大，當揉桶轉速適當時（45?r·min-1），茶葉顆粒受力較為均勻，有助于茶葉揉搓成條狀。揉桶轉速過低，機器對茶葉的擠壓、揉搓作用力過小，茶葉在揉桶中不能充分翻動，導致所制茶葉條索粗松，茶葉顆粒受力不均勻，成條率低；揉桶轉速過高，茶葉顆粒間內摩擦力過大，碎茶率相應增大。當產生較多數量的碎茶時內摩擦力減小，成條率降低，同時造成機器較大振動（圖5-B）。

3.3 棱骨高度對茶葉揉捻質量的影響

理論分析及實際使用均表明，棱骨在茶葉揉捻成形過程當中發揮著重要作用，棱骨結構有利于揉捻過程中形成茶團、促進其向上翻轉并扭轉成條[19]。仿真結果表明：棱骨高度變化對茶葉顆粒的平均速度影響不大（圖6-A）；但棱骨高度變化對揉捻葉的作用力影響較大，棱骨高度減小，棱骨對茶葉的摩擦阻力以及茶葉向上翻轉的作用力減小，導致揉捻葉成條率降低。同時棱骨不能把茶葉導向揉捻強壓區，揉捻葉的跑茶率相應增大；棱骨高度過高，棱骨對揉捻葉的摩擦阻力增大，位于揉盤底部的茶葉易揉碎，碎茶率增大，揉捻質量下降（圖6-B）。

圖6 不同棱骨高度下茶葉顆粒的平均速度、作用力曲線

3.4 揉盤傾角對茶葉揉捻質量的影響

揉盤對揉捻茶團的支持力是偏向揉盤中心的，它是促使茶團在揉盤翻滾的重要因素之一。如圖7-A所示，0~0.8?s，為松散茶葉加速時間，松散茶葉在揉桶轉動帶動下逐漸加速；0.8~3.0?s，為茶葉成團過程，茶葉由于茶葉間互相摩擦，粘滯阻力及內摩擦力逐漸加大，茶葉速度下降并逐步揉捻成團；3.0~3.5?s，為茶團加速過程，成團的茶葉在揉桶的帶動下速度逐漸增大到最大值。揉盤傾角對茶團的形成影響較小，但隨著揉盤傾角變大，茶團的最大速度也增大。如圖7-B所示，所受作用力在揉盤傾角為4°時明顯增大且達到最大值。揉盤傾角過大使得強壓區的揉搓時間過長，揉桶側邊與揉盤中心位置的揉捻葉不容易發生易位，形成局部強壓區，從而導致揉捻葉碎茶率相應增大；揉盤傾角過小使得揉捻葉不容易翻滾，茶葉不容易進入強壓區揉搓成形，從而造成揉捻葉成條率降低，揉捻質量較差。

4 正交旋轉試驗與結果

4.1 試驗因素與評價指標

為了研究揉捻過程中影響茶葉揉捻質量的主要因素，得到揉捻性能最優的結構參數組合，在仿真模型建立及EDEM結果分析基礎上，進行二次正交旋轉試驗。影響茶葉揉捻機揉捻質量優劣的主要因素有揉桶轉速、揉盤傾角、棱骨高度、棱骨數量等多種因素，岳鵬翔等[4]對棱骨數量優化結果為12，為了探求其他影響因素的優化結果，選取揉桶轉速、棱骨高度以及揉盤傾角作為試驗因素，選擇成條率和碎茶率作為揉捻機的性能評價指標，設計3因素3水平的二次正交旋轉試驗，試驗因素編碼如表3所示，每組試驗重復3次，取平均值，試驗結果如表4所示。

表3 試驗因素編碼

4.2 試驗原料和設備

試驗原料采用6CST-60型電熱滾筒殺青機進行殺青處理，然后將殺青葉混勻后，通過更換不同結構參數（棱骨高度、揉盤傾角）的揉盤進行茶葉的揉捻試驗（圖8）。加入適量殺青葉，揉捻時間為35?min，采用常規加壓方式[20]。揉捻過程結束后對揉捻葉取樣，測定所取樣品的成條率和碎茶率。為了使試驗結果能正確反映茶葉揉捻機的揉捻性能，按照茶葉揉捻機行業標準（JB/T 9814—2007）將成條率和碎茶率指標的計算方法規定如下：

成條率：取揉捻葉樣50?g，剔除老梗老葉、雜質，分出該成條而未成條葉（包括扁條、扁片）、碎茶和成條葉3種，分別稱重，成條率計算公式如下：

式中，—成條率，%；W—成條質量，g；∑—成條葉質量、該成條而未成條葉質量、碎茶質量之和，g；—焦末碎片率，%。

碎茶率：取恒溫箱烘干揉捻葉樣200?g（含水率為7%~9%），分兩次取樣，每次取樣100?g，在轉速為200?r·min-1碎末茶測定計上用直徑為280?cm的16目樣篩篩動5轉，稱篩下的碎茶質量，碎茶率計算公式如下：

式中，—碎茶率，%；s—碎茶質量，g；—焦末碎片率，%。

4.3 結果與分析

運用Design-Expert 10.0對表4中的試驗數據進行回歸分析，并對影響評價指標的因素進行顯著性分析[21]，得到成條率1、碎茶率2與揉桶轉速、棱骨高度以及揉盤傾角之間的回歸方程：

1=–14.755?75＋3.143?93＋4.936?88＋2.654?62－0.008?875－0.007?5＋0.069?375－0.032?6952－0.225?52－0.389?82，

2=2.724－0.009?35－0.247?5－0.226?75＋0.000?25＋0.001＋0.027?5＋0.000?492－0.009?752＋0.006?52。

由表5可知，茶葉揉捻機成條率的回歸模型的<0.000?1，影響極顯著；失擬項=0.135?5（>0.05），影響不顯著，模型的決定系數2=0.991?0。茶葉揉捻機碎茶率的回歸模型<0.000?1，影響極顯著；失擬項=0.097?6（>0.05），影響不顯著，模型的決定系數2=0.981?2。即表明在一定范圍內，回歸模型與實際情況擬合度較高，無失擬因素存在，故可用成條率和碎茶率的回歸方程代替試驗真實點對茶葉揉捻質量進行分析與預測[22]。

圖8 不同結構參數下茶葉揉捻機揉捻試驗

表4 試驗設計與結果

表5 回歸方程方差分析

為了更加直觀的分析試驗因素與評價指標之間的關系，運用Design-Expert 10.0軟件得到不同試驗因素與評價指標的響應曲面圖[23]。

根據回歸方程和響應曲面可得，揉桶轉速、棱骨高度以及揉盤傾角間存在交互作用，并且對成條率的影響較為顯著。當揉桶轉速一定時，成條率隨著棱骨高度增大而增大；當棱骨高度一定時，成條率隨著揉桶轉速增大先增大后減小；當揉桶轉速變化時，成條率的變化區間較大，揉桶轉速對成條率指標的影響更為顯著（圖9-A）。當揉盤傾角一定時，成條率隨著揉桶轉速增大先增大后減小；當揉桶轉速一定時，成條率隨著揉盤傾角增大先增大后減小；當揉盤轉速變化時，成條率的變化區間較大，揉盤轉速對成條率指標的影響更為顯著（圖9-B）。當棱骨高度一定時，成條率隨著揉盤傾角增大先增大后減小；當揉盤傾角一定時，成條率隨著棱骨高度增大而增大。當棱骨高度變化時，成條率的變化區間較大，棱骨高度對成條率指標的影響更為顯著（圖9-C）。對成條率指標影響顯著性的由大至小依次為：揉桶轉速、棱骨高度、揉盤傾角。

圖9 各因素對成條率的響應曲面

圖10 各因素對碎茶率的響應曲面

當揉桶轉速一定時，碎茶率隨著棱骨高度增大而增大。當棱骨高度一定時，碎茶率隨著揉桶轉速增大而增大；當揉桶轉速變化時，碎茶率指標的變化區間較大，揉桶轉速對碎茶率指標的影響更為顯著（圖10-A）。當揉盤傾角一定時，碎茶率隨著揉桶轉速的增大而增大；當揉桶轉速一定時，碎茶率隨著揉盤傾角的增大而增大；當揉桶轉速變化時，碎茶率指標的變化區間較大，揉桶轉速對碎茶率指標的影響更為顯著（圖10-B）。當棱骨高度一定時，碎茶率隨著揉盤傾角增大而增大；當揉盤傾角一定時，碎茶率隨著棱骨高度增大而增大；當棱骨高度變化時，碎茶率的變化區間顯著，棱骨高度對碎茶率指標的影響更為顯著（圖10-C）。對碎茶率指標影響顯著性由大至小依次為：揉桶轉速、棱骨高度、揉盤傾角。

為了獲得茶葉揉捻機性能的最優參數組合，對試驗進行優化設計。結合試驗因素的邊界條件，建立茶葉揉捻機的優化數學模型，對成條率和碎茶率的回歸方程進行分析。運用Design-Expert 10.0軟件中的參數優化模塊對優化數學模型求解[24]，得到優化結果：揉桶轉速為42?r·min-1，棱骨高度為10?mm，揉盤傾角為3.8°時，成條率指標為88.55%，碎茶率指標為1.83%，茶葉揉捻機的揉捻質量最優。

為了進一步驗證參數優化結果的正確性，在安徽農業大學茶葉加工中心進行茶葉揉捻機的驗證試驗。以6CR-40型茶葉揉捻機為驗證試驗樣機，選取揉桶轉速為42?r·min-1，棱骨高度為10?mm，揉盤傾角為3.8°的試驗樣機進行驗證試驗，加入適量的殺青葉，揉捻時間20?min，采用常規加壓方式，得到茶葉揉捻機的成條率為88.32%，碎茶率為1.87%。參數優化結果與驗證試驗結果基本一致。

5 小結

通過Solidworks建立揉捻機三維模型，基于離散元法建立茶葉顆粒仿真模型，運用EDEM軟件對揉捻過程進行數值模擬，解決了茶葉加工過程中的運動學量化分析問題，以成條率和碎茶率為目標函數，以揉桶轉速、棱骨高度、揉盤傾角為試驗因素，對茶葉揉捻機相關參數進行優化設計。運用二次正交旋轉組合試驗進行數據處理及驗證，利用Design-Expert軟件優化模塊對試驗結果進行優化求解，正交旋轉試驗優化結果與驗證試驗結果基本一致。因此運用離散元法對茶葉揉捻機的結構參數進行優化具有可行性，并且為茶葉揉捻機的優化設計提供了一種新方法。本文僅選取茶葉揉捻機關鍵結構參數當中的揉桶轉速、棱骨高度以及揉盤傾角對揉捻質量進行分析研究，在今后的研究中為了更加精確建模，可綜合考慮棱骨寬度、棱骨截面形狀、棱骨螺旋角、棱骨數量等其他結構參數以及茶葉物理特性參數對茶葉揉捻質量的影響。

[1] 張哲, 牛智有. 茶葉加工過程中的物理特性變化規律[J]. 農機化研究, 2012, 34(8): 116-119. Zhang Z, Niu Z Y. The changes of physical parameters in tea processing [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012, 34(8): 116-119.

[2] 權啟愛. 茶葉揉捻機的發明及我國茶葉揉捻機研制與發展[J]. 中國茶葉, 2017, 39(11): 7-9. Quan Q A. Invention of tea twisting machine and development of tea twisting machine in China [J]. Journal of China Tea, 2017, 39(11): 7-9.

[3] 陳世輝. 茶葉揉捻機外揉盤凹傾角對揉捻特性的影響研究[J]. 農機化研究, 2015, 37(9): 41-44. Chen S H. Reseach on the effect of the relationship between inclination angle and rolling characteristic [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(9): 41-44.

[4] 岳鵬翔, 張桂銀. 茶葉揉捻機棱骨安裝的優化參數[J]. 茶葉科學, 1995, 25(1): 43-48. Yue P X, Zhang G Y. Optimized designing of the batten mounting parameters for tea rolling machines [J]. Journal of Tea Science, 1995, 25(1): 43-48.

[5] 周昊, 楊旭東, 曹菡婷, 等. 全自動茶葉揉捻機棱骨參數的研究[J]. 現代機械, 2017(2): 19-23. Zhou H, Yang X D, Cao H T, et al. Study on batten parameters of automatic tea twisting machine [J]. Modern Machinery, 2017(2): 19-23.

[6] 瞿廷怡, 王濤, 談鑫, 等. 茶葉揉捻機支臂的優化設計[J]. 機械工程師, 2013(8): 105-106. Qu T Y, Wang T, Tan X, et al. Optimization design of the supporting beam in tea twisting machine [J]. Mechanical Engineer, 2013(8): 105-106.

[7] 劉凡一, 張艦, 李博, 等. 基于堆積試驗的小麥離散元參數分析及標定[J]. 農業工程學報, 2016, 32(12): 247-253. Liu F Y, Zhang J, Li B, et al. Calibration of parameters of wheat required in discrete element method simulation based on repose angle of particle heap [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(12): 247-253.

[8] 劉月琴,趙滿全, 劉飛, 等. 基于離散元的氣吸式排種器工作參數仿真優化[J]. 農業機械學報, 2016, 47(7): 65-72. Liu Y Q, Zhao M Q, Liu F, et al. Simulation and optimization of working parameters of air suction metering device based on discrete element [J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 65-72.

[9] 張強, 張旭, 孫紹安. 基于EDEM的家用榨油機壓榨腔工作性能仿真研究[J]. 農業工程學報, 2018, 34(24): 283-291. Zhang Q, Zhang X, Sun S A. Simulation study on working performance of pressing cavity of household oil press based on EDEM [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(24): 283-291.

[10] 王芳, 呂冰, 王洪明, 等. 氣吸式谷子排種裝置吸種孔的結構設計與試驗[J]. 農業工程學報, 2017, 33(8): 30-36. Wang F, Lv B, Wang H M, et al. Structural design and test of seed-suction hole of air-sucking seed-metering device for millet [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(8): 30-36.

[11] 張祖明, 張銘耀, 江子穎, 等. 自動化茶葉揉捻機的設計與實現[J]. 中國高新科技, 2018(1): 68-70. Zhang Z M, Zhang M Y, Jiang Z Y, et al. Design and implementation of automatic tea rolling machine [J]. Journal of China High Tech, 2018(1): 68-70.

[12] 趙章風, 任超, 鄭勁松, 等. 球形茶炒制設備的做功效率與茶葉成形關系研究[J]. 茶葉科學, 2018, 38(5): 527-536. Zhao Z F, Ren C, Zheng J S, et al. Study on the relationship between work efficiency of spherical tea frying equipment and tea formation [J]. Journal of Tea Science, 2018, 38(5): 527-536.

[13] 林宏清. 綠茶揉捻機主要性能結構設計參數的初步分析[J]. 茶葉科學, 1965(3): 66-72. Lin H Q. Primary analysis of main performance and structure design parameters of green tea twisting machine [J]. Journal of Tea Science, 1965(3): 66-72.

[14] 頓國強, 陳海濤, 馮夷寧, 等. 基于EDEM軟件的肥料調配裝置關鍵部件參數優化與試驗[J]. 農業工程學報, 2016, 32(7): 36-42. Dun G Q, Chen H T, Feng Y N, et al. Parameter optimization and test of key parts of fertilizer allocation device based on EDEM software [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(7): 36-42.

[15] Shi Y Y, Xin S, Wang X C, et al. Numerical simulation and field tests of minimum-tillage planter with straw smashing and strip laying based on EDEM software [J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2019, 166(11): 1-9.

[16] 虞文俊, 吳瑞梅, 李紅, 等. 基于Fluent-EDEM耦合的茶葉紅外殺青機滾筒內流場數值模擬[J]. 食品與機械, 2019, 35(8): 104-109. Yu W J, Wu R M, Li H, et al. The numerical simulation on temperature field inside the radiation de-enzyme machine based on Fluent-EDEM coupling [J]. Food & Machinery, 2019, 35(8): 104-109.

[17] 李兵, 李為寧, 柏宣丙. 基于EDEM的茶鮮葉分級機的篩分率的研究[J]. 茶葉科學, 2019, 39(4): 484-494. Li B, Li W N, Bai X B. Research on screening rate of fresh tea leaves classifier based on EDEM [J]. Journal of Tea Science, 2019, 39(4): 484-494.

[18] 朱志楠, 趙章風, 鐘江, 等. 基于多相流耦合過程數值模擬的茶鮮葉離心式連續脫水設備參數模擬與優化[J]. 茶葉科學, 2017, 37(3): 280-289.Zhu Z N, Zhao Z F, Zhong J, et al. Study on parameter optimization of centrifugal and continuous dewatering of tea leaves based on numerical simulation of multiphase flow [J]. Journal of Tea Science, 2017, 37(3): 280-289.

[19] 岳鵬翔. 茶葉揉捻機棱骨作用研究[J]. 茶葉機械雜志, 1994(1): 27-29.Yue P X. Study on the role of the ribs of tea twisting machine [J]. Journal of Tea Machine, 1994(1): 27-29.

[20] 張哲, 牛智有. 揉捻過程中茶葉物理特性的變化規律[J]. 湖北農業科學, 2012, 51(13): 2767-2770. Zhang Z, Niu Z Y. The variation law of physical properties of tea in the rolling process [J]. Hubei Agricultural Sciences, 2012, 51(13): 2767-2770.

[21] 彭飛, 方芳, 王紅英, 等. 基于CFD-DEM的飼料調質器物料運動模擬與試驗[J]. 農業機械學報, 2018, 49(12): 355-363. Peng F, Fang F, Wang H Y, et al. Numerical simulation and experiment on raw material in feed conditioner based on coupled CFD-DEM [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2018, 49(12): 355-363.

[22] 朱德泉, 李蘭蘭, 文世昌, 等. 滑片型孔輪式水稻精量排種器排種性能數值模擬與試驗[J]. 農業工程學報, 2018, 34(21): 17-26. Zhu D Q, Li L L, Wen S C, et al. Numerical simulation and experiment on seeding performance of slide hole-wheel precision seed-metering device for rice [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(21): 17-26.

[23] 趙淑紅, 陳君執, 王加一, 等. 精量播種機V型凹槽撥輪式導種部件設計與試驗[J]. 農業機械學報, 2018, 49(6): 146-158. Zhao S H, Chen J Z, Wang J Y, et al. Design and experiment on V-groove dialing round type guiding-seed device [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2018, 49(6): 146-158.

[24] 王金武, 唐漢, 王金峰, 等. 懸掛式水田單側修筑埂機數值模擬分析與性能優化[J]. 農業機械學報, 2017, 48(8): 72-80. Wang J W, Tang H, Wang J F, et al. Numerical analysis and performance optimization experiment on hanging unilateral ridger for paddy field [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 72-80.

Parameter Optimization and Experimental Study of Tea Twisting Machine Based on EDEM

LI Bing1,2, LI Weining1, BAI Xuanbing1, HUANG Jianhong3

1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China;3. Zhejiang Sunyoung Machinery Co., Ltd, Quzhou 324000, China

To solve the problems caused by unstable quality in the process of tea twisting, the 6CR-40 tea twisting machine was taken as the research object in this study. The three-dimensional modeling of tea twisting machine was established based on Solidworks. The numerical simulation of the twisting process of tea twisting machine was carried out by the discrete element simulation software EDEM. The influences of various experimental factors on the performance indexes of tea twisting machine were obtained. The quadratic orthogonal rotation test was carried out and the Design-Expert was used to optimize the solution and obtain the best combination of structural parameters of twisting quality. The results showed that: when the twisting barrel rotational speed, the prismatic height, twisting plate inclination angles, forming rate of tea and breaking rate of tea were 42?r·min-1, 10?mm, 3.8°, 88.55% and 1.83% respectively, the tea twisting machine had a good quality of twisting. The results of verification test and simulation optimization were basically consistent.

tea twisting machine, EDEM, simulation analysis, quadratic orthogonal rotation test, response surface method

S571.1；TS272.7

A

1000-369X(2020)03-375-11

2019-10-22

2019-12-09

國家重點研發計劃（2018YFD0700504、2017YFD0400801）、安徽省教育廳自然重點項目（KJ2017A133）

李兵，男，副教授，博士，主要從事茶園及茶葉機械方面的研究，libing@ahau.edu.cn

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