新型鲜叶滚筒分级机的研制与参数优化

高士伟，叶 飞,3，滕 靖，龚自明*，桂安辉，张 强，崔清梅，戴居会，梁金波，

（1.湖北省农业科学院果树茶叶研究所，湖北 武汉 430064；2.恩施州农业科学院，湖北 恩施 445000；3.湖南农业大学茶学教育部重点实验室，湖南 长沙 410128）

茶树鲜叶机械采摘是解决采工荒、采茶贵和采茶难的有效途径[1-7]。但是受现阶段茶园管理和采摘机械的制约，致使茶树机采鲜叶老嫩混杂、长短不一。因此，以机采鲜叶为原料，如何分离得到适合加工优质茶的鲜叶原料，一直是业内研究的热点和难点。袁海波[1]等研究发现，传统分级设备难以从机采鲜叶中分离得到目标芽叶。因而新型鲜叶分级机相继被研制，如改良型分级机[7]、螺旋导向鲜叶分级机[8]、振动分级机[9-12]及直径滚筒式茶鲜叶分级机[13-14]等。湖北省农业科学院果树茶叶研究所联合恩施州农业科学院，先后开展鲜叶分级及加工等试验[15-18]，同时比较不同分级机的效果，研发了一种滚筒式茶鲜叶分级机，并优化得到了筛孔形状和大小、滚筒倾角和滚筒转速等参数，旨在为鲜叶分级机的研发及鲜叶品质提升与茶叶加工提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料

以福鼎大白茶鲜叶为原料，其中一芽一叶20.31%、一芽二叶23.15%、一芽三叶28.32%与一芽四叶28.22%，2016年5月～2018年5月采自恩施州农科院试验茶园。茶鲜叶机械组成测定：按照炒青绿茶鲜叶的分级标准（ZB B35001-88）要求进行。

1.1.2 设备

图1 不同形状筛孔的设计Fig.1 Design of different mesh shape

图2 滚筒分级机主视图和俯视图Fig.2 Vertical and Front view of new roller screening machine

设备：新研制的鲜叶滚筒分级机，配备筛网为正方形、椭圆形和六边形，面积大小分别为 3.5～8.0 cm2、4.5～10.0 cm2和 5.5～12.0 cm2；滚筒分级机的整机倾角可调（0～8.5o），转速可调 （0～24 r/min），如图1和图2所示。通过工艺参数优化试验，鲜叶滚筒分级机平稳运行。

1.2 方法

新型滚筒分级机参数优化试验：先后设计不同形状和面积大小的筛孔，后续优化了分级后集叶区域，并分别比较了不同形状和面积大小的筛孔、不同倾角和不同转速对鲜叶分级的影响，最后提出了滚筒分级机的参数。

其中W1为分级后各出口目标芽叶的质量，W为未分级鲜叶的总质量，a为分级后该出口目标芽叶的占比，b为目标芽叶在未分级鲜叶中的占比。每个试验3次重复。

1.3 数据处理分析

数据经Excel和SPSS 19.0处理，大写字母和小写字母分别表示Duncan，s新复极差（SSR）在P=0.01和0.05水平下的差异显著性，字母不同表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同集叶区域内鲜叶的机械组成比较

表1 不同分级区域内鲜叶的组成比例 （%）Table 1 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area （%）

表2 不同分级区域内鲜叶的组成 （%）Table 2 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area with different mesh shapes （%）

表3 不同分级区域内鲜叶质量的比例 （%）Table 3 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area with different mesh area （%）

表4 不同筛孔面积处理各集叶区的鲜叶组成 （%）Table 4 Results of proportion of fresh tea leaves in different leaf collecting area with different screening size （%）

滚筒分级机采用椭圆形的筛孔（4.5～10.0 cm2），设置滚筒转速16 r/min，倾角6.5o时，比较滚筒分级机不同分级区域内鲜叶的组成比例结果（表1），发现0～2000 mm分级区段内，一芽一二叶占比为94.76%；2000～3000 mm区段内，一芽二三叶占比为83.66%；尾部区段内，一芽三四叶占比为100%，说明一芽一二叶、一芽二三叶和一芽三四叶分别分布在0～2000 mm、2000～3000 mm和尾部的集叶区域内，所以将滚筒分级机的集叶区域分为上述三段，后续试验的不同处理按照上述三个区域采集鲜叶。

2.2 不同形状和面积的筛孔对鲜叶的分级效果

不同形状和面积筛孔对鲜叶分级的影响结果（表2和表3）显示：不同筛孔形状的筛孔在同等面积 （4.5～10.0 cm2）和同等投叶量的情况下，六边形筛孔目标芽叶分级率为87.08%，分级效果相对较好；比较不同面积大小的六边形筛孔对分级率的影响结果，发现4.5～10 cm2面积的六边形筛孔的分级效果较好，推测在自然情况下4.5～10.0 cm2六边形的筛孔更符合一芽一叶至一芽三叶的垂直剖面图，分级效果更好。

表5 不同倾角处理各分级区域鲜叶的比例及分级率（%）Table 5 Effects of different roller obliquity treatments on proportion and screening rate of fresh tea leaves in different roller screening areas （%）

表6 不同转速处理各分级区域鲜叶的比例及分级率（%）Table 6 Effects of different rotation rate treatments on proportion and screening rate of fresh tea leaves in different roller screening areas （%）

2.3 不同滚筒倾角和转速对鲜叶的分级效果

分析不同倾角和不同转速对鲜叶分级的影响结果（表5和表6），发现在同等投叶量的情况下，随滚筒倾角和滚筒转速的增加，分级率都呈现先上升后降低的趋势，其中倾角5.5°和转速16 r/min处理的分级率最高，分级效果相对较好，与胡永光等人研究结果相似[13]，推测是滚筒倾角和转速决定了分级时间，倾角过低或者转速过慢，可能会导致鲜叶在滚筒内堆积，倾角过大或者转速过快，可能会导致鲜叶未得到有效分级，从而降低了分级率。

表7 三种分级设备性能比较Table 7 Comparison of different classifiers and performance characteristics

2.4 不同鲜叶分级设备特性及分级效果

以同一批鲜叶为原料，比较了传统分级机（6CLY-70型）、振动分级机（恩施振动分级机）和新型滚筒分级机的设备特性和分级效果，结果（表7）发现，传统分级机结构简单，其传统竹篾容易损坏，产能较低。振动式分级机的原理是通过设备振动带动鲜叶运动，操作简单但机械噪声较大，加重了茶叶加工生产中的劳动强度。新型滚筒分级机采用滚筒旋转带动鲜叶分级，操作简便，稳定性好。比较三种不同分级设备的综合性能，发现新型滚筒分级机的噪音小 （35～40 db），产能较大 （＞120 kg/h），目标芽叶的分级率较高。

3 讨论与结论

在现有茶园栽培管理、机械化采摘设备条件下，短期内机采鲜叶质量难有大幅度提高，目前业内研究主要集中在鲜叶分级设备及技术方面。为了进一步提高分级效果，本研究团队研制了一款新型鲜叶分级机，并以手采鲜叶为原料，先后优化了不同鲜叶分级的集叶区域，筛孔形状、面积大小和滚筒倾角，比较了不同类型的鲜叶分级机的设备特性和分级效果，结果发现：新型滚筒分级机采用六边形筛孔，筛孔面积为4.5～10.0 cm2，参数设置转速16 r/min，倾角5.5o，能较好地将一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶和一芽四叶分开。相比其他研究所采用的筛孔形状（圆形和长方形）[14]，本次试验比较了三种筛孔形状（六边形、椭圆形和正方形），结果发现六边形筛孔效果更优，推测是受茶树品种、采摘时间和鲜叶摊放失水等因素影响下，六边形更符合本次试验鲜叶的垂直剖面图。为了进一步提高机采鲜叶加工技术水平，初精制工艺优化将是本研究的下一步内容。