新型鮮葉滾筒分級機的研制與參數(shù)優(yōu)化

高士偉，葉 飛,3，滕 靖，龔自明*，桂安輝，張 強，崔清梅，戴居會，梁金波，

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹茶葉研究所，湖北 武漢 430064；2.恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 恩施 445000；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)茶學(xué)教育部重點實驗室，湖南 長沙 410128）

茶樹鮮葉機械采摘是解決采工荒、采茶貴和采茶難的有效途徑[1-7]。但是受現(xiàn)階段茶園管理和采摘機械的制約，致使茶樹機采鮮葉老嫩混雜、長短不一。因此，以機采鮮葉為原料，如何分離得到適合加工優(yōu)質(zhì)茶的鮮葉原料，一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點和難點。袁海波[1]等研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)分級設(shè)備難以從機采鮮葉中分離得到目標(biāo)芽葉。因而新型鮮葉分級機相繼被研制，如改良型分級機[7]、螺旋導(dǎo)向鮮葉分級機[8]、振動分級機[9-12]及直徑滾筒式茶鮮葉分級機[13-14]等。湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹茶葉研究所聯(lián)合恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，先后開展鮮葉分級及加工等試驗[15-18]，同時比較不同分級機的效果，研發(fā)了一種滾筒式茶鮮葉分級機，并優(yōu)化得到了篩孔形狀和大小、滾筒傾角和滾筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)，旨在為鮮葉分級機的研發(fā)及鮮葉品質(zhì)提升與茶葉加工提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料

以福鼎大白茶鮮葉為原料，其中一芽一葉20.31%、一芽二葉23.15%、一芽三葉28.32%與一芽四葉28.22%，2016年5月～2018年5月采自恩施州農(nóng)科院試驗茶園。茶鮮葉機械組成測定：按照炒青綠茶鮮葉的分級標(biāo)準(zhǔn)（ZB B35001-88）要求進行。

1.1.2 設(shè)備

圖1 不同形狀篩孔的設(shè)計Fig.1 Design of different mesh shape

圖2 滾筒分級機主視圖和俯視圖Fig.2 Vertical and Front view of new roller screening machine

設(shè)備：新研制的鮮葉滾筒分級機，配備篩網(wǎng)為正方形、橢圓形和六邊形，面積大小分別為 3.5～8.0 cm2、4.5～10.0 cm2和 5.5～12.0 cm2；滾筒分級機的整機傾角可調(diào)（0～8.5o），轉(zhuǎn)速可調(diào) （0～24 r/min），如圖1和圖2所示。通過工藝參數(shù)優(yōu)化試驗，鮮葉滾筒分級機平穩(wěn)運行。

1.2 方法

新型滾筒分級機參數(shù)優(yōu)化試驗：先后設(shè)計不同形狀和面積大小的篩孔，后續(xù)優(yōu)化了分級后集葉區(qū)域，并分別比較了不同形狀和面積大小的篩孔、不同傾角和不同轉(zhuǎn)速對鮮葉分級的影響，最后提出了滾筒分級機的參數(shù)。

其中W1為分級后各出口目標(biāo)芽葉的質(zhì)量，W為未分級鮮葉的總質(zhì)量，a為分級后該出口目標(biāo)芽葉的占比，b為目標(biāo)芽葉在未分級鮮葉中的占比。每個試驗3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel和SPSS 19.0處理，大寫字母和小寫字母分別表示Duncan，s新復(fù)極差（SSR）在P=0.01和0.05水平下的差異顯著性，字母不同表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同集葉區(qū)域內(nèi)鮮葉的機械組成比較

表1 不同分級區(qū)域內(nèi)鮮葉的組成比例 （%）Table 1 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area （%）

表2 不同分級區(qū)域內(nèi)鮮葉的組成 （%）Table 2 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area with different mesh shapes （%）

表3 不同分級區(qū)域內(nèi)鮮葉質(zhì)量的比例 （%）Table 3 Results of proportion of fresh tea leaves in different roller screening area with different mesh area （%）

表4 不同篩孔面積處理各集葉區(qū)的鮮葉組成 （%）Table 4 Results of proportion of fresh tea leaves in different leaf collecting area with different screening size （%）

滾筒分級機采用橢圓形的篩孔（4.5～10.0 cm2），設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速16 r/min，傾角6.5o時，比較滾筒分級機不同分級區(qū)域內(nèi)鮮葉的組成比例結(jié)果（表1），發(fā)現(xiàn)0～2000 mm分級區(qū)段內(nèi)，一芽一二葉占比為94.76%；2000～3000 mm區(qū)段內(nèi)，一芽二三葉占比為83.66%；尾部區(qū)段內(nèi)，一芽三四葉占比為100%，說明一芽一二葉、一芽二三葉和一芽三四葉分別分布在0～2000 mm、2000～3000 mm和尾部的集葉區(qū)域內(nèi)，所以將滾筒分級機的集葉區(qū)域分為上述三段，后續(xù)試驗的不同處理按照上述三個區(qū)域采集鮮葉。

2.2 不同形狀和面積的篩孔對鮮葉的分級效果

不同形狀和面積篩孔對鮮葉分級的影響結(jié)果（表2和表3）顯示：不同篩孔形狀的篩孔在同等面積 （4.5～10.0 cm2）和同等投葉量的情況下，六邊形篩孔目標(biāo)芽葉分級率為87.08%，分級效果相對較好；比較不同面積大小的六邊形篩孔對分級率的影響結(jié)果，發(fā)現(xiàn)4.5～10 cm2面積的六邊形篩孔的分級效果較好，推測在自然情況下4.5～10.0 cm2六邊形的篩孔更符合一芽一葉至一芽三葉的垂直剖面圖，分級效果更好。

表5 不同傾角處理各分級區(qū)域鮮葉的比例及分級率（%）Table 5 Effects of different roller obliquity treatments on proportion and screening rate of fresh tea leaves in different roller screening areas （%）

表6 不同轉(zhuǎn)速處理各分級區(qū)域鮮葉的比例及分級率（%）Table 6 Effects of different rotation rate treatments on proportion and screening rate of fresh tea leaves in different roller screening areas （%）

2.3 不同滾筒傾角和轉(zhuǎn)速對鮮葉的分級效果

分析不同傾角和不同轉(zhuǎn)速對鮮葉分級的影響結(jié)果（表5和表6），發(fā)現(xiàn)在同等投葉量的情況下，隨滾筒傾角和滾筒轉(zhuǎn)速的增加，分級率都呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，其中傾角5.5°和轉(zhuǎn)速16 r/min處理的分級率最高，分級效果相對較好，與胡永光等人研究結(jié)果相似[13]，推測是滾筒傾角和轉(zhuǎn)速決定了分級時間，傾角過低或者轉(zhuǎn)速過慢，可能會導(dǎo)致鮮葉在滾筒內(nèi)堆積，傾角過大或者轉(zhuǎn)速過快，可能會導(dǎo)致鮮葉未得到有效分級，從而降低了分級率。

表7 三種分級設(shè)備性能比較Table 7 Comparison of different classifiers and performance characteristics

2.4 不同鮮葉分級設(shè)備特性及分級效果

以同一批鮮葉為原料，比較了傳統(tǒng)分級機（6CLY-70型）、振動分級機（恩施振動分級機）和新型滾筒分級機的設(shè)備特性和分級效果，結(jié)果（表7）發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)分級機結(jié)構(gòu)簡單，其傳統(tǒng)竹篾容易損壞，產(chǎn)能較低。振動式分級機的原理是通過設(shè)備振動帶動鮮葉運動，操作簡單但機械噪聲較大，加重了茶葉加工生產(chǎn)中的勞動強度。新型滾筒分級機采用滾筒旋轉(zhuǎn)帶動鮮葉分級，操作簡便，穩(wěn)定性好。比較三種不同分級設(shè)備的綜合性能，發(fā)現(xiàn)新型滾筒分級機的噪音小 （35～40 db），產(chǎn)能較大 （＞120 kg/h），目標(biāo)芽葉的分級率較高。

3 討論與結(jié)論

在現(xiàn)有茶園栽培管理、機械化采摘設(shè)備條件下，短期內(nèi)機采鮮葉質(zhì)量難有大幅度提高，目前業(yè)內(nèi)研究主要集中在鮮葉分級設(shè)備及技術(shù)方面。為了進一步提高分級效果，本研究團隊研制了一款新型鮮葉分級機，并以手采鮮葉為原料，先后優(yōu)化了不同鮮葉分級的集葉區(qū)域，篩孔形狀、面積大小和滾筒傾角，比較了不同類型的鮮葉分級機的設(shè)備特性和分級效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：新型滾筒分級機采用六邊形篩孔，篩孔面積為4.5～10.0 cm2，參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速16 r/min，傾角5.5o，能較好地將一芽一葉、一芽二葉、一芽三葉和一芽四葉分開。相比其他研究所采用的篩孔形狀（圓形和長方形）[14]，本次試驗比較了三種篩孔形狀（六邊形、橢圓形和正方形），結(jié)果發(fā)現(xiàn)六邊形篩孔效果更優(yōu)，推測是受茶樹品種、采摘時間和鮮葉攤放失水等因素影響下，六邊形更符合本次試驗鮮葉的垂直剖面圖。為了進一步提高機采鮮葉加工技術(shù)水平，初精制工藝優(yōu)化將是本研究的下一步內(nèi)容。