湄潭翠芽鮮葉篩分設備關鍵技術的研究設計*

夏先春，甘 密，汪 飛，李志強

(貴州省機電研究設計院，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間及溫度的控制，有助于提高成品茶葉的品質。目前湄潭翠芽鮮葉分級存在較大困難，茶葉品質趨同性較差，特別是中小制茶廠家在收茶鮮葉的時候，不同等級的茶鮮葉混雜嚴重，雖有統一標準，但執行難度較大，無法獲得高等級茶鮮葉，對湄潭翠芽品質提升制約嚴重。

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在該領域展開研究[1]。目前茶鮮葉分級主要有兩種方法：一種是根據茶鮮葉的物理特征進行分級的方法主要有滾篩分級、圓篩分級和風選分級等，不同方法分級差異較大；另一種是基于計算機評價的現代分級技術，茶鮮葉質量近紅外評價技術的引進以及人工神經網絡與圖形分析技術對茶鮮葉分級技術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，應用較多，第二種方法還在試驗階段，還沒有真正應用于茶鮮葉分級[2]。

近年來，許多學者致力于茶葉識別的研究，多聚焦于根據彩色圖像的顏色、形狀特征對成品茶葉進行識別[3]；利用圖像處理技術和人工神經網絡技術對茶鮮葉進行識別，常春等[4]設計了一臺用于茶鮮葉分級的智能茶葉分選機；在對茶鮮葉分級中，根據物理特征進行分級的有風選、滾篩、平篩分級，這些主要是利用茶鮮葉大小形狀進行歸類，分級效果差異較大[5]。以上研究都是針對大宗茶和機采茶，而針對湄潭翠芽鮮葉進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，茶鮮葉與篩網碰撞頻繁，損傷較多，因使用偏心結構設計，噪聲和振動較大，使用較少；滾筒篩因結構簡單、工作連續、易操作、振動小等優點應用較廣。

我國應用較廣的6CFJ-70型滾筒式茶鮮葉分級機為圓臺型，滾筒篩孔分三段，可分四級，篩網用竹篾編制，篩網孔均勻性受限制，其生產率和分級率都低[6]；唐萌等在試驗的基礎上研制了一種名優茶鮮葉分級機，但在配比滾筒轉數、長度和段數等參數上還有待進一步研究[7]；駱耀平發明的一種名優茶鮮葉分級機，指出其錐度為6°～8°，轉速為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，對分級機的設計和研究具有重要意義[8-9]。張蘭蘭等設計了MCFⅡ型鮮葉分級機，對人工采摘的茶鮮葉進行分級，其成本比人工再分級節約60.37%，對機采茶鮮葉分級，其成本比人工分級節約78%[10]。

綜上，國內外專家對茶鮮葉分級技術進行了一些研究，但研究還不夠深入，現有技術有生產率低、篩網利用率低、參數固定、分級率低、適應性差等缺點。

1 茶鮮葉自動篩分設備組成

針對目前湄潭翠芽茶青自動分選設備關鍵技術需求和現有茶鮮葉篩選分級設備的缺點，我們設計并研發了湄潭翠芽茶鮮葉篩分設備，其主要由勻進料機構、篩分滾筒、機架、角度調節機構以及自動控制系統組成(圖1)。主體結構如圖2所示。

圖1 湄潭翠芽茶鮮葉 圖2 湄潭翠芽茶鮮葉 篩分設備組成 篩分設備結構

2 勻進料系統設計

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

圖3 茶鮮葉勻進料系統結構

茶鮮葉進料率等于單位時間內進入滾筒的茶鮮葉體積(或質量)，進料率計算公式：

(1)

式中，a代表茶鮮葉進料層寬度，b代表茶鮮葉進料層厚度，r代表進料鏈輪直徑，n0代表進料變頻電動機轉速，i代表進料傳動機構減速比，V代表進料率。

容積密度db為已知時，進料率表示為單位時間內的進料質量M，公式為：

(2)

式中，db為茶鮮葉容積密度，M為茶鮮葉進料率?？梢酝ㄟ^改變茶鮮葉進料層寬度、厚度以及電動機轉速來改變進料率，輸送帶決定進料寬度，限料板決定料層厚度，電機轉速由變頻器調節，根據技術要求得進料率M=3.4 kg/min。

3 滾筒設計

傳統的圓臺式滾筒進料端直徑小，生產率低，篩網固定，適應性差。我們選用圓柱形滾筒，因進料端直徑大，生產率高，加工簡單，圓柱滾筒的篩網可根據需要分成多段直徑相同、長度相同或者不同的分段安裝，適應性更好；篩網因直接跟茶葉接觸，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，茶鮮葉由進料端進入，在篩網內表面和重力的共同作用下由進料端向出料端移動，茶鮮葉小于篩網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，茶鮮葉運動為滾篩軸向移動和回轉運動[11]。根據設計，滾篩安裝有2種篩網，茶鮮葉分3級。

1)滾筒的結構

本文滾筒結構設計為圓柱形，外部為框架，里面為篩網，2級篩網可根據要求更換。摩擦輪支撐滾筒前端，通過電機驅動摩擦輪帶動滾筒轉動，另一端由支架和軸承支撐。滾筒的框架支撐滾筒篩網并帶動滾筒旋轉，為了保證其強度可靠，材料選擇50 mm×25 mm的不銹鋼方鋼。主要組成由最外側軸向支管、支撐和固定滾筒篩網的輪轂。

2)滾筒內茶鮮葉受力分析

圖4 滾筒內茶鮮葉受力分析

滾筒內茶鮮葉在不同轉速下的運動狀態分析。茶鮮葉在滾筒內的受力分析如圖4所示[11]。

圓周運動和拋落運動組成茶鮮葉垂直于滾筒軸線的運動[12]。茶鮮葉在A點脫離滾筒內表面作拋落運動，這個時候的離心力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)

轉速增大到一定數值，夾角α=0°，重力正好提供向心力，轉速為臨界轉速nc。

(4)

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

3)滾筒篩直徑計算

圖5 茶鮮葉前進速度

滾筒篩的直徑越大生產率越高。茶鮮葉在滾筒篩內先被提升后被拋出[12]。如圖5，滾筒篩旋轉一周后，沿軸向運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，當轉速為n時，軸向移動的茶鮮葉估算速度為：

vest=nχest=nDtanθ

(6)

軸向移動茶鮮葉實際速度與估算速度不等，需有一個修正系數Kv：

vexp=nDKvtanθ

(7)

設計中θ=5°，Kv=1.85。

通常是通過分級機生產率確定滾筒篩的直徑。填充率F取值根據分級的技術要求變化，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)

通常以茶鮮葉的質量來度量茶鮮葉處理能力。容積密度為db，每分鐘茶鮮葉質量：

Qm=dbQv

(11)

式(10)和式(11)聯立得[6]：

(12)

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

茶鮮葉分級的有效區域接近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，設計中滾筒直徑選0.6 m。

4)滾筒篩長度設計

茶鮮葉分級率受到滾筒篩長度的影響，長度增加，分級時間增加，分級率越高；當長度增加到一定數值，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，分選時間與分選率成反比，分選時間過短，分選不到位；分選時間太長，對茶鮮葉有損傷，影響茶鮮葉品質。因此，我們設計分選時間為2min較適宜。

當n=50%nc時，聯立式(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，我們取L=3.0 m。

5)滾筒篩網孔選擇及配置方式

常用的篩網孔有圓形、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尺寸度量值，凡粒度小于篩孔邊長的物料都可穿過。在實際生產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。

根據技術要求，我們設計的篩分機安裝有兩種篩孔尺寸的篩網，分別對應兩種不同等級的茶鮮葉。篩網的配置方式采用分段串聯安裝方式，篩網孔尺寸由進料端向出料端依次增大，這種安裝方式結構簡單，更換篩網方便。

4 結束語

本文通過對湄潭翠芽鮮葉篩分關鍵技術的研究設計，確定了基本的技術參數。經計算，茶鮮葉篩分系統的進料率M=3.4 kg/min、滾筒長度L=3.0 m、滾筒直徑D=0.6 m；篩網網孔選擇方形網孔5 mm×5 mm、15 mm×15 mm兩種，安裝方式采用分段式串聯安裝。這些關鍵技術參數確定，對湄潭翠芽鮮葉篩分系統的設計制造奠定了理論基礎。本文系統的提出了湄潭翠芽鮮葉篩分技術的理論計算依據及設計基礎，對后續相關技術的研究有重要參考價值。