多級機采茶青分選機的設(shè)計與試驗

薛亞軍，賀福強，李 赟，徐浩然

（ 貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽550025）

0 引言

中國是世界產(chǎn)茶和出口茶大國，茶葉品種繁多，例如綠茶、黑茶、紅茶、普洱茶、白茶和黃茶等，制作工序也較為多元化[1]。不同的茶葉制作工序差異較大，但總體來說制作工序可以歸納為采摘、分選、烘干、揉制、分裝和冷儲等。其制作工序中的分選對象是制作各類茶葉的唯一原料—茶青，即從茶樹上采下的鮮葉嫩梢[2]。不同茶葉的初加工對茶青的要求各不相同，例如許多名優(yōu)綠茶要求的是1 芽1 葉，而大多數(shù)高檔綠茶和紅茶則要求1 芽1～2 葉或3 葉，也有一些茶葉是用茶青條進行加工而成。由于現(xiàn)在茶葉的采摘依靠機械進行，雖然工效高，但機采茶青往往存在長短不齊、老嫩不均、勻凈度低、莖梗含量高等問題，以此為原料的工藝技術(shù)也未標(biāo)準(zhǔn)化，制成的成品茶品質(zhì)較低，故需要通過分選設(shè)備將茶青中不便制作成茶葉的大枝茶青清理出去，并將茶葉按品質(zhì)分級，使得產(chǎn)品條索整齊，形色美觀[3-5]。 茶青分選是茶葉加工中的主要步驟之一，不僅會直接影響到茶葉的等級、產(chǎn)品質(zhì)量，而且還會對后續(xù)的工序產(chǎn)生影響[6]。

以往生產(chǎn)中常用的是階梯式揀梗機和靜電揀梗機，由于機械性能等原因，其使用效果均不甚理想，因此主要還是依靠人工進行分揀，而人工分揀不僅效率低下，而且分揀過程中會或多或少會造成茶青品色損壞，從而導(dǎo)致茶葉加工質(zhì)量下降[7-9]?；谶@些原因，設(shè)計了一種多級針式提升茶青分選機（下文簡稱多級分選機），有效解決了采取分選耗時耗力的問題，極大提高茶青分級效率，即解放人力，又很好保持了茶葉品色鮮香，確保精制茶葉的質(zhì)量[10]。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

在我國現(xiàn)有的機采茶青分選機械主要有2 種類型，一類是基于物理特征的鮮葉分級技術(shù)利用葉、梗幾何形狀不同進行分離和分級[11-12]；另一類是根據(jù)葉、梗色差利用計算機圖像識別技術(shù)進行分離、分級[13-15]。本機的設(shè)計思路是通過不同級別的茶青尺寸不同的物理性質(zhì)進行設(shè)計的，采用了輥式分級，設(shè)計了四級分選裝置，通過分級滾筒之間間距的不同對機采茶青進行分選。 該機主要由動力部分（減速電機）、傳動部分（上料皮帶、精選輸送帶、導(dǎo)向板、初選分選滾筒總成、反撥裝置、精選回料倉、針選皮帶、擋板）、精選總成（二、三等茶青分選滾筒總成、一等茶青輸送帶、出口導(dǎo)向槽、擋板）、操作箱、電控柜和機架等部分組成，其整機結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2 工作原理

工作時，首先將機采茶青裝入裝料槽，然后啟動減速電機，減速電機驅(qū)動傳送帶，從而將裝料槽中的機采茶青原料輸送至茶青初選滾筒總成輸送面，初選滾筒總成中滾筒組合間隙為固定值60 mm，其功能是分離大枝茶青（茶青尺寸大于60，mm），輸送可選茶青通過初選分選滾筒總成時，因自身尺寸小于間隙和機身小幅振動，可選茶青通過滾筒間隙，落入精選皮帶輸送帶，輸送至針選皮帶總成，通過針選皮帶的提升作用，將可用茶青提升至茶青精選滾筒總成輸送面，根據(jù)可用茶青各個等級的尺寸不同，精選茶青分級裝置一共分為四層，其中前三層為分選滾筒總成，為了提高分選效果與水平面呈15°安裝， 最下層為輸送帶也是呈15° 安裝， 由于機采茶青中三等茶青占比較大，故在分選滾筒總成中設(shè)計了兩層分選滾筒總成進行分選，其滾筒間隙為40 mm，所以尺寸小于40 mm 的茶青不能被分離，只能落入二等茶青分選裝置，其滾筒間隙為15 mm。 這樣，經(jīng)過兩級分選裝置實現(xiàn)茶青的一、二、三等級的分離。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

2.1 茶青初選上料皮帶

該裝置主要由裝料槽、輸送帶、反撥裝置和導(dǎo)向板組成，其結(jié)構(gòu)如圖2。其主要功能是保證茶青順利輸送至茶青初選分級裝置。輸送速度由減速電機控制，單位時間內(nèi)的輸送量計算如下。

稱取一定時間內(nèi)的茶青輸送量，并按下式計算：

式中E—生產(chǎn)率，kg/min；Wi—茶青輸送量，kg；T—工作時間，min。

茶青的輸送效率與輸送帶安裝的傾斜角度密切相關(guān)。角度過大茶青輸送效果會變差而導(dǎo)致茶青提升量降低，且茶青在自重的影響下將無法承載在輸送帶中的隔板上；而角度過小會導(dǎo)致茶青堆積。根據(jù)分析，當(dāng)滿足茶青的動堆積角度小于輸送帶的傾斜角度時，才能保證輸送帶的輸送效率高。且在滿足輸送率的同時，還要考慮到安裝是否便利性及茶青是否能穩(wěn)定地置于隔板上，因此輸送帶傾角為45°，為防止茶青堆積還設(shè)計了反撥裝置。

2.2 茶青初選裝置設(shè)計

表1 茶青等級要求

根據(jù)機采茶青中不同等級的茶青的尺寸不同，等級規(guī)格如下：一等茶青15＜mm，二等茶青15 mm～40 mm，三等茶青40 mm～60 mm，大枝茶青＞60mm。 茶青規(guī)格和等級要求見表1。

茶青分選機初選裝置主要由分選滾筒總成、摩擦皮帶、主驅(qū)動組件等構(gòu)成，如圖3。 傳輸動力由主驅(qū)動組件中的減速電機提供，分選滾筒總成在摩擦皮帶的作用下同時具有橫向輸送的作用，在對大枝茶青進行分級的時候，為防止茶青受到損壞，滾筒表面設(shè)有橡膠防護層。

初選裝置其分選滾筒間隙設(shè)置為固定值60 mm，尺寸大于60 mm 的大枝茶青通過分選滾筒總成的橫向輸送至大枝茶青出口導(dǎo)向槽，而尺寸小于60 mm 的可選茶青則從滾筒間隙落下至下方的輸送帶輸送至針選皮帶總成進行提升。

2.3 針選提升皮帶的設(shè)計

該裝置主要由主、從滾筒、輸送帶、?1 的氣釘?shù)冉M成，如圖4。氣釘?shù)脑O(shè)計安裝對于可用茶青提升裝置的提升率起著決定作用。 可用茶青從輸送帶輸送過來進入針選皮帶，雖然受到了氣釘?shù)闹巫饔?，但在自身重力的影響下，茶青仍存在向下滑落的趨勢，不合理的氣釘尺寸，可能在提升過程中造成可選茶青堆積或難以提升掉落至精選回料倉等問題。由于茶青經(jīng)過初選裝置中的反撥裝置的作用，其茶青堆積高度小于25 mm，且茶青的質(zhì)量很輕因此，故只需合理分析可選茶青的尺寸，找到合理的氣釘尺寸即可。根據(jù)可選茶青的尺寸范圍，氣釘?shù)母叨仍O(shè)定為50 mm，安裝間隔設(shè)定為100 mm。

2.3.1 輸送帶帶速

可選茶青的重量、輸送量以及受力狀況共同決定了輸送帶的帶速大小。為了滿足可選茶青在所設(shè)帶速下能平穩(wěn)地從精選輸送帶進入針選皮帶上的氣釘間隔中，且不會發(fā)生針選皮帶空載的現(xiàn)象，也不會因輸送帶速過快大量茶青堆積而掉落至精選回料倉中。預(yù)設(shè)輸送帶的最佳帶速為0.21 m/s。

2.3.2 輸送帶傾斜角度

氣釘尺寸及輸送傾斜角度在提升輸送可用茶青的過程中對提升效率起著至關(guān)重要的影響。過大的傾斜角度下，氣釘支撐不住可選茶青從而落入精選回料倉，降低其提升輸送效率；過小的傾斜角度會導(dǎo)致出現(xiàn)茶青堆積現(xiàn)象。在考慮安裝操作性及可選茶青能穩(wěn)定地置于氣釘上的前提下，為滿足更好的提升效果，初步設(shè)定安裝角度為75°。

2.4 精選裝置設(shè)計

茶青分級裝置如圖5，由導(dǎo)向板、反撥裝置、一等茶青輸送帶、二和三等茶青分選滾筒總成及相應(yīng)等級的出口導(dǎo)向槽組成。為了提升分選效率，精選裝置呈15°傾斜安裝，該裝置的作用是通過不同的滾筒間隙及機身輕微的振動分選出不同等級的茶青。

2.4.1 分級滾筒間隙的確定

分選滾筒是決定分選效果的主要部件之一。不同尺寸的茶青的加工用途確定了本文設(shè)計的茶青精選裝置的級別范圍，最上兩層分選滾筒間隙分選出的茶青用來加工三等茶,因此滾筒間隙設(shè)為40 mm；第3 層分選二等茶青用來加工二等茶，故滾筒間隙設(shè)定為15 mm；而第4 層茶青輸送帶則是輸送尺寸小于15 mm 的一等茶青來制成一等茶。

2.4.2 分級滾筒直徑的確定

如圖6，對可用茶青在分選滾筒總成的滾筒間的受力進行分析。 將茶青近似與圓柱棒，N1、N2和F1、F2是茶青在兩個滾筒間受到的支持力和摩擦力，自身重力mg。兩個滾筒對茶青的作用點用O1、O2表示，N1與Y 軸方向的夾角為β，N2與重力mg 之間的夾角為θ1，水平方向與Y 軸的夾角為θ2，摩擦力F1給茶青提供的力矩為Mf1，mg沿水平方向給茶青提供的力矩為Mf2，當(dāng)滿足茶青在此作用點對O1點的合力矩大于零，則茶青能夠隨分級滾筒向前運動，作用于茶青上的所有力對接觸點的合力矩為：

式中f—摩擦因數(shù)；d—茶青幾何中心到滾筒2 作用點距離（mm）。

同時應(yīng)該滿足沿著接觸點O1切線方向上的合力大于零，化簡得：

所以，當(dāng)滿足式（2）、（3）時，隨分級滾筒轉(zhuǎn)動茶青能夠向前輸送，但是茶青并不是規(guī)則圓柱體，當(dāng)茶青的輸送量較大，只有當(dāng)在該作用點上重力沿滾筒上的分力所提供的力矩在任意時刻，都滿足小于摩擦力給茶青所提供的力矩時，茶青才能避免堵塞在滾筒間隙中得不到分級即：

將公式（2）、（5）帶入（4）中得滾筒所需半徑R，即：

通過上述理論分析得出滾筒半徑的最小值50 mm。

2.4.3 分選滾筒的轉(zhuǎn)速的確定

茶青從針選提升皮帶由自身重力作用，掉落至第一層的分選滾筒上，隨著滾筒轉(zhuǎn)動通過滾筒間隙向前運動，如果滾筒轉(zhuǎn)速過快，會導(dǎo)致茶青受損；轉(zhuǎn)速過慢，會導(dǎo)致茶青堆積無法分級，因此要合理設(shè)計滾筒轉(zhuǎn)動的速度范圍，來滿足茶青向前輸送分選的。茶青在滾筒間受力方程為：

式中γ —茶青和水平方向的夾角（°）；f1—茶青受到滾筒1 的摩擦力；f2—茶青受到滾筒1 的摩擦力

茶青所受力矩平衡方程為：

式中J—茶青轉(zhuǎn)動慣量（kg/m2）；θ—角位移（rad）

由式（7）、（8）得：

式中l(wèi)—茶青的長度（mm）；R—滾筒直徑（mm）

茶青隨滾筒轉(zhuǎn)動的線速度為：

式中ω—茶青運動的線速度（rad/s）

對式（10）兩邊求導(dǎo)得：

式中a1—茶青運動的加速度（m/s2）；α—茶青的角速度（rad/m2）

將式（11）代入式（9）得：

茶青隨滾筒前進的速度：

式中n—滾筒轉(zhuǎn)速；k—茶青與滾筒的摩擦因數(shù)；d—滾筒直徑（mm）

將式（10）、（12）代入式（13）中得到茶青隨著滾筒運動速度公式：

根據(jù)式（14），結(jié)合整機結(jié)構(gòu)尺寸以及針選皮帶的輸送速度，茶青從針選皮帶落入分級滾筒上的線速度為0.21 m/s，k約為0.6，結(jié)合輥子半徑50 mm，確定輥子轉(zhuǎn)速范圍60～90 r/min。

3 試驗分析

3.1 試驗設(shè)計

根據(jù)所設(shè)計的分級機的工作原理，該機是通過分選滾筒的轉(zhuǎn)速和針選皮帶提升效果等多因素共同完成分級作業(yè)，為了驗證分選機的工作效率，探明影響其分級效果的主次因素。以茶青的機械組成、分選滾筒的轉(zhuǎn)速、針式皮帶的安裝角度為試驗變量，以分選合格率、漏選率為評價標(biāo)準(zhǔn)，進行多因素正交試驗，獲得各指標(biāo)與各個因素間的量化關(guān)系，試驗因素水平如表2 所示。

表2 試驗因素與水平

3.2 分級效果評價指標(biāo)

3.2.1 合格率

合格率(Qualified ratio，Qr)是指在茶青分級過程中，相應(yīng)等級的茶青輸送至相應(yīng)出口導(dǎo)向槽的多少。計算公式如下：

式中Ms —輸送至相應(yīng)出口的相應(yīng)等級茶青重量，（kg /min）；Mt —出口處的茶青總重量（kg /min）。

3.2.2 漏選率

漏選率（Regression ratio，Rr）是指茶青由于針選皮帶安裝角度或者其他因素，未被提升至分級滾筒總成上而殘留在精選回料倉的多少。 漏選率計算公式如下：

式中Mf—茶青輸送量（kg/min）；Mz —各個出口的茶青總量（kg /min）。

3.3 茶青分選機分級效果

3.3.1 鮮葉機械組成劃分

由于分選機初選裝置和分級裝置設(shè)置有三種不同間隙的分選滾筒總成，茶青經(jīng)過分選滾筒總成可以得到四種不同等級的茶青原料，即一等茶青（小于15 mm）、二等茶青（15～40 mm）、三等茶青（40～60 mm）、大枝茶青（大于60 mm）。以機采茶青尺寸大小分級歸類，劃分茶青的機械組成，不同批次的機采茶青的機械組成劃分結(jié)果見表3。從表3 茶青的機械組成看，大枝茶青所占比例較小，一等和二等茶青所占的比例差異不大，三等茶青占有較高的比例，是其它等級茶青比例的2～3 倍。這表明，機采茶青的機械組成中，三等茶青所占比例較大，故要設(shè)置兩層分選滾筒進行分選。

表3 茶青原料機械組成劃分結(jié)果（%）

3.3.2 鮮葉原料分級

不同針選皮帶安裝角度、滾筒轉(zhuǎn)速，不同批次的茶青經(jīng)多級針式提升分選機分級結(jié)果如表4 所示。不同批次的茶青經(jīng)分選機分級，得到各等級分選合格率均大于50%。其中，一、 二等茶青的合格率較高，三等茶青的合格率相對較低。從針選皮帶安裝角度的變化看，滾筒轉(zhuǎn)速為75 r/min 時，各區(qū)段的合格率較高。選取第二批次的茶青，安裝角度為65 ，滾筒轉(zhuǎn)速為75 r/min 時，獲得各區(qū)段的合格率最高，分別約為85%、83%、74%和85%。

表4 分選機分級結(jié)果

3.4 正交試驗結(jié)果

以各批次茶青機械組成、滾筒轉(zhuǎn)速、針選皮帶安裝角度為分選機分級效果的試驗變量，以平均合格率及漏選率為評價標(biāo)準(zhǔn)， 得到正交實驗結(jié)果如表5。實驗結(jié)果顯示，不同批次茶青的機械組成、 滾筒轉(zhuǎn)速、安裝角度對分級機的平均合格率和漏選率的極差分別為1.3、2.3、12.3 和0.5、2.4、4.7，相應(yīng)的變幅分別為60%～81%和3.4.0%～14.35%。 這表明，各因素影響合格率和漏選率的主次順序為滾筒轉(zhuǎn)速＞安裝角度＞茶青機械組成，最優(yōu)組合為第二批次茶青原料機械組成、滾筒轉(zhuǎn)速為75 r/min、安裝角度65°。其中，安裝角度65°時，可在降低漏選率的同時提高分選機的分級合格率。對于本研究所設(shè)計的分選機而言，采用第二批次茶青為試驗原料，滾筒轉(zhuǎn)速為75 r /min 且安裝角度為65°時，平均合格率最高，漏選率最低，分別達(dá)81%和3.4%。

表5 正交試驗結(jié)果

4 結(jié)論

（1）利用該分選機進行分級作業(yè)。 設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速為75 r/min、針選皮帶安裝角度為65°，使用第二批次茶青進行分級，得到分級平均合格率為81%，漏選率為3.4%。試驗結(jié)果表明，應(yīng)用該機對機采茶青進行分級并工質(zhì)量優(yōu)良、外形均一的不同等級茶葉是可行的，且實現(xiàn)了茶葉生產(chǎn)連續(xù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化，解放了大量勞動力，極大程度上提升了茶葉的質(zhì)量及經(jīng)濟效益；

（2）分選滾筒總成的長度和針選皮帶安裝角度是決定分級效果好壞的必要因素。在一定范圍適量增加分選滾筒總成的長度，合理安裝針選皮帶，有助于減少茶青未被提升而被遺漏在精選回料倉中的現(xiàn)象產(chǎn)生，降低分級機的漏選率。 同時，在分選滾筒總成上配置的反撥裝置有效地保證了分級過程中茶青厚度均勻一致，防止了茶青提前或滯后現(xiàn)象的出現(xiàn)，為實現(xiàn)加工技術(shù)裝備的標(biāo)準(zhǔn)化提供了可能。