大宗茶鲜叶原料分级机的研制与实验

任广鑫，范起业，何 鑫，2，何雪军，李文萃，2，王 进，唐小林，*

(1.中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院，浙江杭州310016;2.浙江大学茶叶系，浙江杭州310058;3.浙江大学CAD＆CG国家重点实验室，浙江杭州310027)

近年来，我国茶区劳动力日渐紧缺，采茶成本普遍上涨［1］，大量优质大宗茶不能被有效利用。据统计，我国茶区劳动力成本约占总生产成本的80%～90%，鲜叶采摘成本约占劳动力成本的70%［2］。随着茶鲜叶机械化采摘技术的发展、成熟与装备的推广［3-6］，机采鲜叶已成为提高大宗茶利用率的必然趋势。然而，采茶机的大量使用也产生了一些负面的问题，如机采叶长短不一，老嫩不同，是导致大宗茶品质下降的主要原因之一。因此，迫切需要一种优选优质茶鲜叶，保证茶叶加工品质的大宗茶鲜叶分级设备。目前，在茶鲜叶质量分级方面，主要有名优茶鲜叶分级机的研制以及茶鲜叶质量近红外评价技术的引进。王胜鹏等［7］通过偏最小二乘(PLS)方法，建立了茶鲜叶的近红外光谱(NIRS)与其含水量、粗纤维总量和全氮量之间的相关性模型。提出了基于鲜叶含水量、粗纤维总量和全氮量的茶鲜叶原料的质量系数方程，得出了鲜叶的质量系数。并证明了鲜叶质量系数越大，其质量等级越高。Zhang等［8］将近红外光谱技术与PLS法相结合用于幼嫩芽叶组成性质的评价和质量等级的评估，获得了较好的结果。骆耀平等人［9］研制出名优茶鲜叶原料分级机MCF-Ⅰ、改良型MCF-Ⅰ和MCF-Ⅱ，并进行了分级效果的对比实验。同时，在国内各大茶叶机械厂已生产有不同型号的鲜叶原料分级机具，如6CXF-70型茶叶分级机(浙江春江茶叶机械有限公司)等，已在茶叶生产中得到应用。但对大宗茶分级的研究至今仍鲜有文献报道。本文自主研制的抛掷式大宗茶鲜叶分级机是一个曲柄摇杆机构，首先由电机通过皮带驱动曲轴旋转，曲轴通过连杆将运动传递到摇杆，摇杆最终带动分级槽体作往复运动。通过改变槽体上的筛网孔径大小，即可进行分级作业。采用正交实验方法分析鲜叶的分级效果，为茶鲜叶分级机在大宗茶生产中的实际应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

单人采茶机采回的茶鲜叶原料 采自浙江省金华市九峰山周边区域的鹫坑种，实验茶园为夏季轻修剪后的有机茶区，茶园枝叶长势良好，未见明显病、虫害，地点选择金华市采云间茶业有限公司九峰茶叶出口基地。

SV100型双人川崎采茶机 浙江川崎茶叶机械有限公司;FA1104A型电子天平 上海国灏化学仪器有限公司;PAN-GLOBE型多功能计时器 深圳万兴鸿电子有限公司;6CZF-300型抛掷式大宗茶鲜叶原料分级机 中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院与浙江上洋机械有限公司联合研制。

1.2 整机结构设计

1.2.1 整机结构和工作原理 本文研制的抛掷式大宗茶鲜叶分级机的整机结构如图1所示，主要由动力部分(三相异步电机)、传动部分(皮带轮、曲轴、连杆、摇杆)、分级槽体(振动槽、筛网)和机架部分(挡板、连接块、连接机架)等四部分组成，整机外部尺寸及功率等参数设置见表1。

表1 设计参数表Table 1 Design parameters

图1 大宗茶鲜叶分级机总体结构Fig.1 Structure of the grading machine for ordinary tea leaf material

该机工作时，电机旋转带动曲轴摇杆机构，使摇杆作往复摆动，槽体与各摇杆铰接构成平行四边形机构，促使槽体往复平动。槽体中的茶鲜叶，受槽体斜向抛力作用，不断向前运动，当孔径大于茶鲜叶的尺寸时，茶鲜叶便会从孔中落下，传送至下一工序的接茶口。

1.2.2 筛网的设计 根据机采鲜叶原料采摘嫩度、大小差异较大的特点，自制了抛掷式分级机的网孔筛板，结构如图2所示。从图中可以看出，筛板设置有五种不同孔径的网孔。按照网孔大小顺序，其长度和宽度分别设定为 3、4.5、6、7、8cm 和 1.5、2、3、4、4cm，以达到将单片叶、粗大的原料与优质鲜叶原料分级付制的目的。各个网孔筛板的长度为54cm，宽度为75cm，分级机筛板总长为270cm，保证了大小差异较大的鲜叶原料能够较好地分离，获得较好的分级结果。

图2 分级机筛网的结构Fig.2 The structure of screen of the grading machine

1.2.3 机器运行状况 研制的抛掷式分级机在浙江省金华市汤溪镇采云间茶业有限公司九峰工场进行了茶鲜叶原料的分级实验。实验过程中，机器运行良好，状态稳定，无故障发生。

1.3 实验设计

为了综合评价抛掷式鲜叶分级机的工作性能，探明影响其分级效果的主次因素。根据文献报道［9-12］及抛掷式分级机的工作原理，该机是通过振动和投叶等多因素共同完成分级作业，以单因素作为控制分级效果难以实现，且不切合生产实际。因此，选择鲜叶机械组成、投叶量、振动频率为影响实验指标的主要因素。采用3因素3水平正交实验获得各指标与各个因素间的量化关系，实验因素水平如表2所示。

表2 实验因素与水平表Table 2 Table of experimental factors and levels

1.4 分级效果评价指标

分净率(Grading ratio，Gr)和挂网率(Netting ratio，Nr)是决定生产中茶鲜叶分级质量的主要指标。因此，选择分净率Gr和挂网率Nr作为鲜叶原料分级机分级效果优劣的评价指标。

1.4.1 分净率 分净率是指在鲜叶分级过程中，一定长度的枝叶落入分级机相应大小网孔的多少。计算公式如下:

式中，Ms为鲜叶落入相应大小网孔的重量，单位:kg/min;Mt为落入筛网的鲜叶总重量，单位:kg/min。

1.4.2 挂网率 挂网叶是指在鲜叶分级过程中，由于枝叶展叶角度较大，挂于筛网而不能正常落入网孔内的鲜叶。挂网率计算公式如下:

式中，Mf为分级过程中的投叶量，单位:kg/min;Mz为落入各个筛网下的鲜叶总量，单位:kg/min。

2 结果与分析

2.1 大宗茶鲜叶分级机分级效果

表3 茶鲜叶原料机械组成划分结果Table 3 Divisions of fresh leaf material mechanical composition

表4 分级机的分级结果Table 4 Classification results of the grading machine

2.1.1 鲜叶机械组成划分 为评估大宗茶鲜叶原料分级机的分级效果，根据机具结构设置有五个不同孔径的网孔，鲜叶由投叶口经振动分筛可以得到六段不同大小的鲜叶原料，即一区段(小于3cm)、二区段(3～4.5cm)、三区段(4.5～6cm)、四区段(6～7cm)、五区段(7～8cm)、六区段(大于8cm)。采用五分法取样，以机采鲜叶原料大小分级归类，划分原料机械组成，不同批次进厂的机采鲜叶原料机械组成划分结果见表3。从表3茶鲜叶组成看，一至五区段的鲜叶所占的比例差异不大，六区段的鲜叶占有较高的比例，是其它区段鲜叶比例的2～3倍。这表明，大宗茶鲜叶原料机械组成中，粗大的茶鲜叶原料所占比例较大［7］。

2.1.2 鲜叶原料分级 不同投叶量、振动频率下，不同批次的鲜叶原料经大宗茶鲜叶分级机分级结果见表4。表4结果显示，各个批次的鲜叶原料经分级机分级，得到各区段的分净率均大于50%。其中，一、二、六区段的分净率较高，三、四、五区段的分净率相对较低。从振动频率的变化看，振动频率为50Hz时，各区段的分净率较高。选取第二批次的鲜叶，振动频率为50Hz，投叶量为5kg/min时，获得各区段的分净率最高，分别约为84.44%、82.49%、74.48%、72.85%、74.57%、85.42%。“分级付制”是茶叶加工的基本原则［13］，加工技术的选择和参数的设置基于对原料等级的科学评价。通过抛掷式鲜叶分级机分筛，优选出不同质量的鲜叶原料，在此基础上加工出外形均一，品质上乘的优质茶是完全可行的，这也是建立连续化、自动化生产线的必要环节。

2.2 正交实验结果

以各批次鲜叶机械组成、投叶量、振动频率为分级机分级效果的影响因素，得到正交实验结果见表5。表5正交实验结果显示，各批次鲜叶机械组成、投叶量、振动频率对分级机的平均分净率和挂网率的极差分别为 0.4、7.0、12.1 和 0.5、3.6、5.5，相应的变幅分别为59.59%～79.04%和3.60%～14.96%。这表明，各因素影响分净率和挂网率的主次顺序为振动频率＞投叶量＞鲜叶机械组成，最优组合为第二批次鲜叶机械组成、投叶量5kg/min、振动频率50Hz。其中，振动频率为50Hz时，可在降低挂网率的同时缩短分级机进出料时间，进而有效地提高分级机的分级效率。对于本研究所设计的分级机而言，采用第二批次鲜叶为实验原料，投叶量为5kg/min且振动频率为50Hz时，平均分净率最高，挂叶率最低，分别可达到79.04%和3.60%。

表5 正交实验结果Table 5 Results of orthogonal experiment

3 结论与讨论

3.1 利用一种新型大宗茶鲜叶原料分级机，通过抛掷的方式进行分级作业。设置投叶量为5kg/min、振动频率为50Hz，使用第二批次鲜叶原料分级，得到平均分净率为79.04%，挂网率为3.60%。实验结果表明，应用抛掷式大宗茶鲜叶原料分级机对机采大宗茶鲜叶进行分级是可行的。为改善大宗茶品质，实现标准化加工提供了可行性。

3.2 分级槽体长短和网孔大小的配置是影响分级质量优劣的必要因素。适度增加分级槽体长度，合理配置网孔孔径大小，有助于减少各区段鲜叶重叠交叉现象的产生，降低分级机的误分率。同时，为保证分级过程中鲜叶厚度均匀一致，防止展叶状态小的原料提前或滞后出现，可在投叶口配置匀叶器，为实现加工技术装备的标准化提供了可能。

3.3 机采大宗茶鲜叶经分级机分级，可有序地筛分断碎、粗老芽叶与中间段质量较好的优质原料。选用优质原料制得的优质大宗茶，可有效地提高大宗茶质量和增加其经济效益。同时，使传统观念对大宗茶原料粗老、品质低劣、效益贫乏的看法得到改观，有利于带动我国茶叶消费的转型和茶产业的发展。

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