湄潭翠芽鲜叶筛分设备关键技术的研究设计*

夏先春，甘 密，汪 飞，李志强

(贵州省机电研究设计院，贵州 贵阳 551003)

0 引言

在茶叶加工过程中，茶鲜叶的分级显得尤为重要，通过分级可以将茶鲜叶分为不同等级，这样有利于鲜叶加工过程中对炒制时间及温度的控制，有助于提高成品茶叶的品质。目前湄潭翠芽鲜叶分级存在较大困难，茶叶品质趋同性较差，特别是中小制茶厂家在收茶鲜叶的时候，不同等级的茶鲜叶混杂严重，虽有统一标准，但执行难度较大，无法获得高等级茶鲜叶，对湄潭翠芽品质提升制约严重。

我国对茶鲜叶分级的研究起步较晚，日本在七十年代末已经在该领域展开研究[1]。目前茶鲜叶分级主要有两种方法：一种是根据茶鲜叶的物理特征进行分级的方法主要有滚筛分级、圆筛分级和风选分级等，不同方法分级差异较大；另一种是基于计算机评价的现代分级技术，茶鲜叶质量近红外评价技术的引进以及人工神经网络与图形分析技术对茶鲜叶分级技术的深入研究提供了新思路。这两种方法中，第一种方法目前相对成熟，应用较多，第二种方法还在试验阶段，还没有真正应用于茶鲜叶分级[2]。

近年来，许多学者致力于茶叶识别的研究，多聚焦于根据彩色图像的颜色、形状特征对成品茶叶进行识别[3]；利用图像处理技术和人工神经网络技术对茶鲜叶进行识别，常春等[4]设计了一台用于茶鲜叶分级的智能茶叶分选机；在对茶鲜叶分级中，根据物理特征进行分级的有风选、滚筛、平筛分级，这些主要是利用茶鲜叶大小形状进行归类，分级效果差异较大[5]。以上研究都是针对大宗茶和机采茶，而针对湄潭翠芽鲜叶进行分级的方法没有研究。

茶鲜叶筛选分级目前以振平筛和滚筒筛为主，振平筛使用中，茶鲜叶与筛网碰撞频繁，损伤较多，因使用偏心结构设计，噪声和振动较大，使用较少；滚筒筛因结构简单、工作连续、易操作、振动小等优点应用较广。

我国应用较广的6CFJ-70型滚筒式茶鲜叶分级机为圆台型，滚筒筛孔分三段，可分四级，筛网用竹篾编制，筛网孔均匀性受限制，其生产率和分级率都低[6]；唐萌等在试验的基础上研制了一种名优茶鲜叶分级机，但在配比滚筒转数、长度和段数等参数上还有待进一步研究[7]；骆耀平发明的一种名优茶鲜叶分级机，指出其锥度为6°～8°，转速为12～15 r/min，筛孔的尺寸为0.5 cm、1.5 cm、2.0 cm，有利于茶鲜叶分级，对分级机的设计和研究具有重要意义[8-9]。张兰兰等设计了MCFⅡ型鲜叶分级机，对人工采摘的茶鲜叶进行分级，其成本比人工再分级节约60.37%，对机采茶鲜叶分级，其成本比人工分级节约78%[10]。

综上，国内外专家对茶鲜叶分级技术进行了一些研究，但研究还不够深入，现有技术有生产率低、筛网利用率低、参数固定、分级率低、适应性差等缺点。

1 茶鲜叶自动筛分设备组成

针对目前湄潭翠芽茶青自动分选设备关键技术需求和现有茶鲜叶筛选分级设备的缺点，我们设计并研发了湄潭翠芽茶鲜叶筛分设备，其主要由匀进料机构、筛分滚筒、机架、角度调节机构以及自动控制系统组成(图1)。主体结构如图2所示。

图1 湄潭翠芽茶鲜叶 图2 湄潭翠芽茶鲜叶 筛分设备组成 筛分设备结构

2 匀进料系统设计

茶鲜叶筛选必须有一个可靠的进料系统，这样才能保证茶鲜叶进料均匀，减少茶鲜叶的重叠和不必要的挤压受伤。茶鲜叶进料系统由上料斗、限料板、送料带、下料斗、进料机架、打散风机等组成(图3茶鲜叶进料系统结构)。茶鲜叶存放在上料斗，随送料带以一定的速率送料，茶鲜叶经过限料板被限制一定厚度进入下料斗，最下方是支架，支架上安装有匀下料振动盘和打散风机，把落入滚筒筛的茶鲜叶利用风力打散均匀，利于筛分。

图3 茶鲜叶匀进料系统结构

茶鲜叶进料率等于单位时间内进入滚筒的茶鲜叶体积(或质量)，进料率计算公式：

(1)

式中，a代表茶鲜叶进料层宽度，b代表茶鲜叶进料层厚度，r代表进料链轮直径，n0代表进料变频电动机转速，i代表进料传动机构减速比，V代表进料率。

容积密度db为已知时，进料率表示为单位时间内的进料质量M，公式为：

(2)

式中，db为茶鲜叶容积密度，M为茶鲜叶进料率。可以通过改变茶鲜叶进料层宽度、厚度以及电动机转速来改变进料率，输送带决定进料宽度，限料板决定料层厚度，电机转速由变频器调节，根据技术要求得进料率M=3.4 kg/min。

3 滚筒设计

传统的圆台式滚筒进料端直径小，生产率低，筛网固定，适应性差。我们选用圆柱形滚筒，因进料端直径大，生产率高，加工简单，圆柱滚筒的筛网可根据需要分成多段直径相同、长度相同或者不同的分段安装，适应性更好；筛网因直接跟茶叶接触，材料选择SUS304不锈钢(食品级)，为保证茶鲜叶从滚筒一端向另一端移动，滚筒需倾斜安装。

滚筒上安装有筛孔尺寸不同的两段筛网，茶鲜叶由进料端进入，在筛网内表面和重力的共同作用下由进料端向出料端移动，茶鲜叶小于筛网孔穿过筛孔掉入集料装置，其他的茶鲜叶由另一端出来。水平面和滚筛轴线方向有夹角，因此，茶鲜叶运动为滚筛轴向移动和回转运动[11]。根据设计，滚筛安装有2种筛网，茶鲜叶分3级。

1)滚筒的结构

本文滚筒结构设计为圆柱形，外部为框架，里面为筛网，2级筛网可根据要求更换。摩擦轮支撑滚筒前端，通过电机驱动摩擦轮带动滚筒转动，另一端由支架和轴承支撑。滚筒的框架支撑滚筒筛网并带动滚筒旋转，为了保证其强度可靠，材料选择50 mm×25 mm的不锈钢方钢。主要组成由最外侧轴向支管、支撑和固定滚筒筛网的轮毂。

2)滚筒内茶鲜叶受力分析

图4 滚筒内茶鲜叶受力分析

滚筒内茶鲜叶在不同转速下的运动状态分析。茶鲜叶在滚筒内的受力分析如图4所示[11]。

圆周运动和抛落运动组成茶鲜叶垂直于滚筒轴线的运动[12]。茶鲜叶在A点脱离滚筒内表面作抛落运动，这个时候的离心力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，综上可得：

(3)

转速增大到一定数值，夹角α=0°，重力正好提供向心力，转速为临界转速nc。

(4)

一般正常分级时，临界转速总大于滚筛的转速。通过计算及试验，滚筛转速低于30%临界转速、超过60%临界转速或者达75%临界转速时，滚筒分级率低；大于或等于临界转速时，不能分级。一般情况下取其临界转速的30%～60%[11]。我们从提高茶鲜叶分级率出发，滚筒转速取临界转速的50%较好。

3)滚筒筛直径计算

图5 茶鲜叶前进速度

滚筒筛的直径越大生产率越高。茶鲜叶在滚筒筛内先被提升后被抛出[12]。如图5，滚筒筛旋转一周后，沿轴向运动茶鲜叶移动的估算距离为[12]：

χest=Dtanθ

(5)

式中，θ为倾角，D为滚筒直径，当转速为n时，轴向移动的茶鲜叶估算速度为：

vest=nχest=nDtanθ

(6)

轴向移动茶鲜叶实际速度与估算速度不等，需有一个修正系数Kv：

vexp=nDKvtanθ

(7)

设计中θ=5°，Kv=1.85。

通常是通过分级机生产率确定滚筒筛的直径。填充率F取值根据分级的技术要求变化，茶鲜叶在滚筒筛截面上所占面积可表示为：

(8)

得到茶鲜叶每分钟流经滚筒筛截面的体积为：

Qv=vAF

(9)

取n=50%nc，由上可得：

Qv=5.303 g0.5FKvD2.5tanθ

(10)

通常以茶鲜叶的质量来度量茶鲜叶处理能力。容积密度为db，每分钟茶鲜叶质量：

Qm=dbQv

(11)

式(10)和式(11)联立得[6]：

(12)

式中，Qm为进料率，θ为倾角，Kv为速度修正系数，db为容积密度，F为填充率。

茶鲜叶分级的有效区域接近1/3圆周[12]。茶鲜叶料层厚度取2 cm，将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，设计中滚筒直径选0.6 m。

4)滚筒筛长度设计

茶鲜叶分级率受到滚筒筛长度的影响，长度增加，分级时间增加，分级率越高；当长度增加到一定数值，分级率增加幅度会越来越小，制造成本增加越来越快。滚筒筛的长度一般取(2～6)D，计算公式为[12]：

L=tv

(13)

式中，v为茶鲜叶轴向速度，L为滚筒筛的长度。

由上可得，长度不变，分选时间与分选率成反比，分选时间过短，分选不到位；分选时间太长，对茶鲜叶有损伤，影响茶鲜叶品质。因此，我们设计分选时间为2min较适宜。

当n=50%nc时，联立式(4)式(7)式(13)得：

(14)

将n=50%nc、θ=5°、Kv=1.85、D=0.6 m、t=2 mm代入式(14)，得L≈3.1805 m，为保证高分级率，我们取L=3.0 m。

5)滚筒筛网孔选择及配置方式

常用的筛网孔有圆形、方形、长方形等。圆孔筛唯一量度是筛孔的直径，茶鲜叶粒度比圆孔直径大就不能穿过筛孔。如图6所示，物料1长度大于筛孔直径，但宽和厚都小，竖立可穿过网孔，物料2、3所有尺寸都小于筛孔直径，可以自由通过筛孔，物料4因长、宽、厚3个尺寸都大于筛孔，所以不能通过筛孔。

长孔筛有长度和宽度两个尺寸。如图7所示，物料1、2、3都能穿过筛孔，物料4不能通过筛孔。物料不能依据长孔筛的长度和宽度分级。

图6 圆孔筛分级 图7 长方孔筛分级

方孔筛与圆孔筛一样只有一个尺寸度量值，凡粒度小于筛孔边长的物料都可穿过。在实际生产中茶鲜叶分级多采用方孔筛。方孔筛一般用编织筛，制造成本低，有效分筛面积更大，更利于分级。根据湄潭翠芽茶鲜叶的等级和外形尺寸，方形筛孔的边长尺寸初步选择5 mm×5 mm、15 mm×15 mm两种。

根据技术要求，我们设计的筛分机安装有两种筛孔尺寸的筛网，分别对应两种不同等级的茶鲜叶。筛网的配置方式采用分段串联安装方式，筛网孔尺寸由进料端向出料端依次增大，这种安装方式结构简单，更换筛网方便。

4 结束语

本文通过对湄潭翠芽鲜叶筛分关键技术的研究设计，确定了基本的技术参数。经计算，茶鲜叶筛分系统的进料率M=3.4 kg/min、滚筒长度L=3.0 m、滚筒直径D=0.6 m；筛网网孔选择方形网孔5 mm×5 mm、15 mm×15 mm两种，安装方式采用分段式串联安装。这些关键技术参数确定，对湄潭翠芽鲜叶筛分系统的设计制造奠定了理论基础。本文系统的提出了湄潭翠芽鲜叶筛分技术的理论计算依据及设计基础，对后续相关技术的研究有重要参考价值。