基于EDEM 的茶葉滾筒殺青機(jī)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)研究

李兵

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230036）

殺青是綠茶加工中不可缺少的關(guān)鍵工序[1]，鮮葉通過(guò)高溫殺青，破壞茶鮮葉中多酚氧化酶的活性，降低葉內(nèi)水分，為茶葉做形創(chuàng)造條件[2-4]。 在殺青合適時(shí)可使茶湯色綠、滋味濃爽，反之出現(xiàn)老嫩不均勻、色澤發(fā)黃等現(xiàn)象[5]。 20 世紀(jì)60 年代滾筒式殺青機(jī)的研制成功，深受廣大茶農(nóng)和茶葉生產(chǎn)企業(yè)的喜愛[6]。 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)仿真軟件的發(fā)展，EDEM 軟件仿真法廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)散粒體物料的研究[7-8]。 為了提高滾筒殺青機(jī)殺青效果，國(guó)內(nèi)眾多專家和學(xué)者展開了相關(guān)研究試驗(yàn)。 虞文俊等[9]運(yùn)用EDEM 和Fluent 軟件得到了紅外輻射殺青機(jī)與電加熱殺青機(jī)滾筒內(nèi)的流場(chǎng)溫度及茶葉顆粒溫度分布情況；袁海波等[10]對(duì)電磁內(nèi)熱滾筒殺青技術(shù)進(jìn)行研究，優(yōu)化了殺青工藝的參數(shù)，提高了綠茶殺青的品質(zhì)；李志杰等[11]基于離散元理論，運(yùn)用EDEM 軟件對(duì)滾筒殺青機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)的優(yōu)化，但基于EDEM 的滾筒殺青機(jī)關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少。 文章以電加熱式滾筒殺青機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)茶葉殺青過(guò)程進(jìn)行分析，通過(guò)EDEM 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，探究茶鮮葉在滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析殺青過(guò)程中滾筒的幾何參數(shù)及滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)殺青性能的影響，利用Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果的合理性，以優(yōu)化滾筒殺青機(jī)工作參數(shù)，提高成茶品質(zhì)。

1 滾筒殺青機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

6CST-60 型電加熱式滾筒殺青機(jī)主要由機(jī)架、主電機(jī)、進(jìn)料斗、皮帶輪減速裝置、摩擦輪、滾筒、電加熱裝置等組成，如圖1 所示。 工作原理如下： 位于滾筒外壁的電加熱裝置通電，通過(guò)PLC控制電加熱裝置，使?jié)L筒內(nèi)壁達(dá)到設(shè)定溫度，動(dòng)力經(jīng)皮帶輪減速裝置傳遞至摩擦輪，滾筒在摩擦輪的帶動(dòng)下隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，茶葉在滾筒內(nèi)部螺旋形導(dǎo)葉板的帶動(dòng)下產(chǎn)生翻滾、拋揚(yáng)和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，在滾筒內(nèi)壁熱傳導(dǎo)和內(nèi)部空氣熱輻射的作用下，葉表面和葉細(xì)胞內(nèi)的水分迅速汽化，短時(shí)間內(nèi)葉溫升至85 ℃以上，鮮葉中的多酚氧化酶失活，防止殺青葉變紅，形成綠茶的色、香、味品質(zhì)特征，從而達(dá)到殺青工藝的要求[12]。 殺青機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 滾筒殺青機(jī)3D 圖Fig. 1 3D diagram of cylinder fixation machine

表1 滾筒殺青機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of cylinder fixation machine

2 茶葉運(yùn)動(dòng)分析及仿真模型建立

2.1 茶葉運(yùn)動(dòng)分析

茶葉顆粒在滾筒中的運(yùn)動(dòng)可以分為隨滾筒內(nèi)壁的圓周運(yùn)動(dòng)、 沿滾筒內(nèi)壁的滑動(dòng)以及沿導(dǎo)葉板的軸向滑動(dòng)。 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較小時(shí)，茶葉顆粒被導(dǎo)葉板帶動(dòng)較小即起拋角較小，易造成茶葉堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致殺青不均勻，缺少拋揚(yáng)，易產(chǎn)生水悶氣，影響殺青質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中，殺青滾筒的轉(zhuǎn)速還影響著茶葉在滾筒內(nèi)的分布狀態(tài)及拋撒角度，殺青時(shí)茶葉應(yīng)覆蓋滾筒內(nèi)表面的60%~65%，起拋角 應(yīng)為45°~60°[13]。 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，茶葉顆粒從滾筒底部作圓周運(yùn)動(dòng)至B 點(diǎn)，在B 點(diǎn)作斜拋運(yùn)動(dòng)經(jīng)最高點(diǎn)C 點(diǎn)后落至D 點(diǎn)，其受力分析如圖2 所示。

圖2 茶葉顆粒受力分析圖Fig. 2 Stress analysis diagram of tea leaf particle

運(yùn)動(dòng)方程及受力分析如下：

圓周運(yùn)動(dòng)位移方程：

斜拋運(yùn)動(dòng)位移方程：

茶葉運(yùn)動(dòng)受力分析：

當(dāng)NB=0 時(shí)，茶葉顆粒在只受重力的作用下在滾筒內(nèi)部作斜拋運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速大于極限轉(zhuǎn)速時(shí)，即能夠使茶葉到達(dá)滾筒最高點(diǎn)的滾筒最低轉(zhuǎn)速。 茶葉將緊貼附于滾筒內(nèi)壁隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，不能落下，造成焦葉影響殺青質(zhì)量，所以滾筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)小于極限轉(zhuǎn)速，如圖3所示。

圖3 極限轉(zhuǎn)速下的茶葉顆粒受力分析圖Fig. 3 Stress analysis diagram of tea leaf particle at the limit speed

此時(shí)應(yīng)滿足如下條件：

可得：

式中：γ—茶葉顆粒在豎直平面內(nèi)距滾筒軸線的距離（m）；V—茶葉顆粒在該點(diǎn)的切向速度（m/s）；ω—滾筒角速度 （rad/s）；α—導(dǎo)葉板螺旋開角（°）；t—茶葉顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）；m—茶葉顆粒質(zhì)量（kg）；g—重力加速度 （m/s2），n—滾筒轉(zhuǎn)速（rpm）f—摩擦力（N）； NB—支持力（N）；FB—正壓力（N）；FZ—軸向力（N）；nlim—滾筒極限轉(zhuǎn)速（rpm）；μ—滾筒內(nèi)壁動(dòng)摩擦系數(shù)。

2.2 茶葉仿真顆粒的建立

茶葉的外形特征主要為瘦片形且鮮葉厚度、大小、梗節(jié)、長(zhǎng)度等各有差異[14]，選取長(zhǎng)寬高尺寸與平均值相近的茶葉建立仿真顆粒模型，考慮到計(jì)算機(jī)性能，采用單個(gè)球形顆粒（Single sphere）聚合體填充建立模型，如圖4 所示，根據(jù)茶葉物料物理特性，設(shè)置茶葉離散元仿真參數(shù)如表2[15-16]。

表2 茶葉離散元仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters of discrete element of tea particles

圖4 茶葉顆粒模型Fig. 4 Tea particle model

2.3 接觸力學(xué)模型及仿真參數(shù)設(shè)置

茶葉顆粒屬于散粒體物料，其接觸模型的建立直接影響仿真結(jié)果，顆粒離散元接觸模型是包含顆粒運(yùn)動(dòng)信息的一系列方程，顆粒碰撞時(shí)產(chǎn)生相互作用力，在顆粒接觸點(diǎn)處產(chǎn)生重疊量，以此反應(yīng)顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，EDEM 仿真主要解決的是顆粒間接觸力的計(jì)算迭代問(wèn)題[17]。 接觸力學(xué)模型有無(wú)滑動(dòng)的Hertz-Mindlin 接觸模型、 黏結(jié)接觸的Hertz-Mindlin 模型、線性黏附接觸模型、彈性接觸模型、運(yùn)動(dòng)表面接觸模型和摩擦帶電接觸模型[18]，茶葉表面無(wú)黏附作用，可選擇Hertz-Mindlin（no slip）[19-20]。 設(shè)置顆粒生成方式為動(dòng)態(tài)生成[21]，同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，設(shè)定顆粒總數(shù)為5000 粒，生成速率為每秒2500 個(gè)，確保仿真順利進(jìn)行。 設(shè)置仿真步數(shù)為Rayleigh 時(shí)間步長(zhǎng)的20%，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，3 s 后茶葉在殺青滾筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定，設(shè)置仿真總時(shí)間為6 s，網(wǎng)格尺寸為最小顆粒半徑2 倍[22]。 綜合考慮設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速分別為20、25、30 r/min，導(dǎo)葉板升角分別為15°、20°、25°，導(dǎo)葉板數(shù)量分別為4、5、6。將Solidwoks 建立的殺青滾筒3D 虛擬樣機(jī)導(dǎo)入EDEM 軟件進(jìn)行仿真，如圖5 所示。

圖5 茶葉顆粒仿真速度分布圖Fig. 5 Simulation speed distribution of tea particles

2.4 不同轉(zhuǎn)速下的茶鮮葉殺青運(yùn)動(dòng)分析

在EDEM 導(dǎo)出仿真結(jié)果，導(dǎo)出對(duì)象選擇Particle 中的Velocity，類型選擇Average 即導(dǎo)出的仿真數(shù)據(jù)為茶葉顆粒整體的平均速度； 導(dǎo)出對(duì)象選擇Particle 中的Compession Force，類型選擇Average 即導(dǎo)出的數(shù)據(jù)為茶葉顆粒之間的平均擠壓力。

仿真結(jié)果表明，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉顆粒在滾筒中的運(yùn)動(dòng)有著顯著影響。 0~3 s，茶葉顆粒從靜止?fàn)顟B(tài)被滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板緩慢帶起開始運(yùn)動(dòng)，平均速度逐漸增大，3 s 后茶葉顆粒平均速度趨于穩(wěn)定狀態(tài)（如圖6）。 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為20 r/min 時(shí)，茶葉顆粒的平均速度穩(wěn)定于0.6 m/s，此時(shí)茶葉顆粒的平均速度較小，起拋角較小，易在滾筒底部堆積，易產(chǎn)生 “殺不透” 及水悶氣；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，茶葉顆粒的平均速度穩(wěn)定于1.0 m/s，此時(shí)茶葉顆粒的平均速度較大，貼附于滾筒內(nèi)壁的茶葉顆粒較多，接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易產(chǎn)生焦葉；當(dāng)25 r/min時(shí)，茶葉顆粒的平均速度穩(wěn)定于0.7 m/s，此時(shí)茶葉顆粒的起拋角適宜且平均速度較大，茶葉顆粒在滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板帶動(dòng)下作拋揚(yáng)運(yùn)動(dòng)，拋揚(yáng)的茶葉顆粒數(shù)量較多，均勻混合的速率加快，殺青效果較好。 同樣地，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉顆粒間的平均擠壓力影響顯著（如圖7）。 隨著仿真的進(jìn)行，茶葉顆粒間平均擠壓力在3 s 后趨于穩(wěn)定，隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化。 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為20 r/min 時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力穩(wěn)定于0.02 N，茶葉顆粒間的相互摩擦、擠壓較小，滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板帶起的茶葉顆粒數(shù)量較少，無(wú)法均勻殺青，降低了殺青質(zhì)量；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為30 r/min 時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力穩(wěn)定于0.04 N，茶葉顆粒間的相互摩擦、 擠壓較大，在茶葉顆?？焖偈畷r(shí)，易造成碎茶，影響殺青質(zhì)量；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為25 r/min 時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力穩(wěn)定于0.025 N，此時(shí)的茶葉顆粒被滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板帶起，在滾筒內(nèi)作拋揚(yáng)運(yùn)動(dòng)，混合均勻，有利于提高茶葉殺青質(zhì)量。

圖6 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)平均速度影響曲線Fig. 6 Curve of drum speed influencing average speed

圖7 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)平均擠壓力影響曲線Fig. 7 Curve of drum speed influencing average compression force

2.5 不同導(dǎo)葉板數(shù)量下的茶鮮葉殺青運(yùn)動(dòng)分析

滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板對(duì)茶葉顆粒有帶起、 促使茶葉顆粒翻滾及拋揚(yáng)。 0~3 s，茶葉顆粒逐漸被滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板帶動(dòng)，茶葉顆粒的平均速度逐漸增大，3 s 后趨于穩(wěn)定（如圖8）。 當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量4 時(shí)，茶葉顆粒的平均速度穩(wěn)定于0.65 m/s，茶葉顆粒被滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板帶起的數(shù)量較小，易殺青不勻；當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量6 時(shí)，茶葉顆粒的平均速度穩(wěn)定于0.79 m/s，茶葉顆粒被帶起的數(shù)量較多，平均速度較大，殺青時(shí)間較短，易殺青不透；當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量5 時(shí)，茶葉顆粒平均速度穩(wěn)定于0.71 m/s，茶葉顆粒被滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板帶起的數(shù)量較多，具有適宜的平均速度，拋揚(yáng)運(yùn)動(dòng)適中，使得茶葉顆?；旌暇鶆?，有利于提高殺青質(zhì)量。 茶葉顆粒間的平均擠壓力隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化，0~3 s 茶葉顆粒逐漸被滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板帶起，導(dǎo)葉板數(shù)量越多，被帶起的茶葉顆粒的平均擠壓力越大，3 s 后趨于穩(wěn)定（如圖9）。 當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量4 時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力較小，穩(wěn)定于0.02 N，茶葉顆粒被導(dǎo)葉板帶起的數(shù)量較少，分散程度較差，受熱不均；當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量6 時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力較大，穩(wěn)定于0.025 N，茶葉分散程度較大，拋揚(yáng)運(yùn)動(dòng)較劇烈，使得茶葉顆粒在快速失水時(shí)易造成碎茶，影響殺青質(zhì)量；當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量5 時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力適中，穩(wěn)定于0.023 N，茶葉分散程度適中，受熱均勻，殺青質(zhì)量較好。

圖8 導(dǎo)葉板數(shù)量對(duì)平均速度影響曲線Fig. 8 Curve of influence of guide vane number on average velocity

圖9 導(dǎo)葉板數(shù)量平均擠壓力影響曲線Fig. 9 Curve of influence of guide vane number on average compression force

2.6 不同導(dǎo)葉板升角下的茶鮮葉殺青運(yùn)動(dòng)分析

理論分析及實(shí)際生產(chǎn)使用均表明，導(dǎo)葉板升角在殺青過(guò)程發(fā)揮重要作用，主要影響茶葉顆粒在滾筒內(nèi)的軸向移動(dòng)。 0~3 s 時(shí)，茶葉顆粒隨滾筒內(nèi)壁導(dǎo)葉板逐漸被帶起，平均速度逐漸增大，3 s后趨于穩(wěn)定（如圖10）。 當(dāng)導(dǎo)葉板升角15°時(shí)，茶葉顆粒的平均速度較小，穩(wěn)定于0.75 m/s，茶葉顆粒的軸向移動(dòng)速率較小，使得茶葉顆粒在滾筒內(nèi)停留的時(shí)間變長(zhǎng)，易導(dǎo)致殺青過(guò)度，產(chǎn)生焦片、紅片；當(dāng)導(dǎo)葉板升角25°時(shí)，茶葉顆粒的平均速度較大，穩(wěn)定于0.95 m/s，茶葉顆粒具有較大的軸向移動(dòng)速率，使得茶葉顆粒在滾筒內(nèi)停留的時(shí)間變短，易產(chǎn)生 “殺不透” 現(xiàn)象；當(dāng)導(dǎo)葉板升角20°時(shí)，茶葉顆粒的平均速度適中，穩(wěn)定于0.85 m/s，茶葉顆粒在滾筒內(nèi)能較好地隨導(dǎo)葉板完成拋揚(yáng)和軸向移動(dòng)，殺青時(shí)間適宜，保證了殺青質(zhì)量。 導(dǎo)葉板升角對(duì)茶葉顆粒間的平均擠壓力有著重要影響，0~3 s，茶葉顆粒隨滾筒導(dǎo)葉板逐漸被帶起，平均擠壓力逐漸增加，3 s 后趨于穩(wěn)定（如圖11）。 當(dāng)導(dǎo)葉板升角為15°時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力穩(wěn)定于0.75 N，平均擠壓力較小，導(dǎo)葉板對(duì)茶葉顆粒的擠壓、摩擦較小，茶葉顆粒的軸向移動(dòng)速率變慢，導(dǎo)致其在滾筒內(nèi)停留時(shí)間變長(zhǎng)，易殺青過(guò)度；當(dāng)導(dǎo)葉板升角為25°時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力穩(wěn)定于0.95 N，平均擠壓力較大，導(dǎo)葉板對(duì)茶葉顆粒的擠壓、碰撞顯著，茶葉顆粒的平均速度較大，在滾筒內(nèi)的軸向移動(dòng)速率較大，導(dǎo)致殺青時(shí)間較短；當(dāng)導(dǎo)葉板升角為20°時(shí)，茶葉顆粒間的平均擠壓力穩(wěn)定于0.9 N，平均擠壓力適中，導(dǎo)葉板對(duì)茶葉顆粒的擠壓、碰撞使得茶葉顆粒在適宜的時(shí)間內(nèi)完成殺青工序。

圖10 導(dǎo)葉板升角對(duì)平均速度影響曲線Fig. 10 Curve of influence of guide vane elevation on average velocity

圖11 導(dǎo)葉板升角對(duì)平均擠壓力影響曲線Fig. 11 Curve of influence of guide vane elevation on average compression force

3 三因素三水平正交試驗(yàn)及優(yōu)化處理

3.1 正交組合試驗(yàn)

在殺青溫度、投葉量、正常排濕等其他條件都相同的情況下，以滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板升角及導(dǎo)葉板數(shù)量為試驗(yàn)因素，以殺青葉適度率和劣變率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)3 因素3 水平的二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，因素編碼見表3，三因素試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 因素編碼表Table 3 Factor coding chart

表4 三因素試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Three-factor experimental results

3.2 回歸方差分析

由表5 可知，殺青葉適度率的回歸模型高度顯著（p<0.0001），失擬項(xiàng)不顯著（p=0.505>0.05），模型決定系數(shù)R2=0.9721，表示該模型對(duì)試驗(yàn)擬合程度較好，試驗(yàn)誤差較小，可以用此模型進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[23]。 由F 值可知各因素對(duì)殺青葉適度率的影響次序?yàn)椋篈2>A>B2>B>AB>C>BC>AC>C2；殺青葉劣變率的回歸模型高度顯著（p<0.0001），失擬項(xiàng)不顯著（p=0.9454>0.05），模型決定系數(shù)R2=0.981，表示該模型對(duì)試驗(yàn)擬合程度較好，試驗(yàn)誤差較小，可以用此模型進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。由F 值可知各因素對(duì)殺青葉劣變率的影響次序?yàn)椋篈>A2>AB>C2>BC>AC>B>C>B2。 殺青葉適度率Y1、殺青葉劣變率Y2與滾筒轉(zhuǎn)速A、導(dǎo)葉板升角B 以及導(dǎo)葉板數(shù)量C 之間的回歸方程：

表5 回歸方程方差分析Table 5 Analysis of variance of regression equation

3.3 響應(yīng)曲面分析優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

響應(yīng)曲面圖能直觀地反映各因素與殺青葉適度率、 殺青葉劣變率之間的關(guān)系，利用Design-Expert 8.0.6 軟件得到滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板數(shù)量和導(dǎo)葉板升角對(duì)殺青葉適度率及劣變率的響應(yīng)曲面圖分別如圖12、13 所示。

圖12 試驗(yàn)因素對(duì)殺青葉適度率的影響Fig. 12 Effect of experimental factors on moderate rate of fixation leaves

響應(yīng)曲面的等值曲線直觀地反映因素交互作用對(duì)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，圓形曲線表示兩因素交互作用影響不明顯，橢圓形曲線表示兩因素交互作用影響顯著[24]。 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，適度率隨著導(dǎo)葉板升角增大先增大后減?。?當(dāng)導(dǎo)葉板升角一定時(shí)，適度率隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大先增大后減小； 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)，適度率的變化區(qū)間較大，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)適度率指標(biāo)的影響更為顯著（如圖12-A）。 當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量一定時(shí)，適度率隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大先增大后減?。划?dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，適度率隨著導(dǎo)葉板數(shù)量增大而減?。划?dāng)滾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)，適度率的變化區(qū)間較大，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)適度率指標(biāo)的影響更為顯著（如圖12-B）。 當(dāng)導(dǎo)葉板升角一定時(shí)，適度率隨著導(dǎo)葉板數(shù)量增大而減小；當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量一定時(shí)，適度率隨著導(dǎo)葉板升角增大先增大后減小。 當(dāng)導(dǎo)葉板升角變化時(shí)，適度率的變化區(qū)間較大，導(dǎo)葉板升角對(duì)適度率指標(biāo)的影響更為顯著（如圖12-C）。 對(duì)適度率指標(biāo)影響顯著性的由大至小依次為滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板升角、導(dǎo)葉板數(shù)量。

當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，劣變率隨著導(dǎo)葉板升角增大而增大。 當(dāng)導(dǎo)葉板升角一定時(shí)，劣變率隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大先減小后增大；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)，劣變率指標(biāo)的變化區(qū)間較大，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)劣變率指標(biāo)的影響更為顯著（如圖13-A）。 當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量一定時(shí)，劣變率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，劣變率隨著導(dǎo)葉板數(shù)量增大先增大后減?。划?dāng)滾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)，劣變率指標(biāo)的變化區(qū)間較大，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)劣變率指標(biāo)的影響更為顯著（如圖13-B）。 當(dāng)導(dǎo)葉板數(shù)量一定時(shí)，劣變率隨著導(dǎo)葉板升角增大而增大； 當(dāng)導(dǎo)葉板升角一定時(shí)，劣變率隨著導(dǎo)葉板數(shù)量增大先增大后減?。划?dāng)導(dǎo)葉板升角變化時(shí)，劣變率的變化區(qū)間顯著，導(dǎo)葉板升角對(duì)劣變率指標(biāo)的影響更為顯著（如圖13-C）。 對(duì)劣變率指標(biāo)影響顯著性由大至小依次為：滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板升角、導(dǎo)葉板數(shù)量。

圖13 試驗(yàn)因素對(duì)殺青葉劣變率的影響Fig. 13 Effect of experimental factors on the deterioration rate of fixation leaves

為尋求各因素的最優(yōu)組合，以殺青葉適度率最大，劣變率最低為評(píng)價(jià)指標(biāo)。 對(duì)殺青性能指標(biāo)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與約束條件如下：

Design-Expert 軟件優(yōu)化結(jié)果表明： 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速26.86 r/min、導(dǎo)葉板數(shù)量5、導(dǎo)葉板升角16.07°時(shí)，殺青葉適度率為96.17%、劣變率為1.28%，為驗(yàn)證上述優(yōu)化結(jié)果的正確性，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)大楊店茶廠用6CST-60 型電加熱式滾筒殺青機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，以六安瓜片為試驗(yàn)樣品，殺青葉取實(shí)額定生產(chǎn)率，流量為110 kg/h，在正常排濕條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 根據(jù)JB/T 9812—2016（茶葉滾筒殺青機(jī)）進(jìn)行試驗(yàn)，采用多點(diǎn)隨機(jī)取樣法在每次出鍋的殺青葉中取樣500 g，將每次試驗(yàn)所取的茶樣進(jìn)行均勻混合，用對(duì)角線四分法取分析樣，進(jìn)行茶葉品質(zhì)檢驗(yàn)。 根據(jù)JB/T 9812—2007 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行適度率和劣變率測(cè)量，得到結(jié)果見表6。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Verification test results

4 結(jié)論

通過(guò)Solidworks 建立滾筒殺青機(jī)三維模型，基于離散元法建立茶鮮葉顆粒仿真模型，通過(guò)EDEM 軟件對(duì)殺青過(guò)程進(jìn)行數(shù)值化模擬，解決了茶葉加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)量化分析問(wèn)題，以殺青葉適度率及劣變率為目標(biāo)函數(shù)，滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板升角、導(dǎo)葉板數(shù)量為試驗(yàn)因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)了滾筒殺青機(jī)的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行了三因素三水平的二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。 利用Design-Expert 軟件優(yōu)化模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化求解，正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果基本一致。 因此運(yùn)用離散元法對(duì)茶葉滾筒殺青機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是可行的，并為茶葉滾筒殺青機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新方法。 文章僅選取了茶葉滾筒殺青機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)中的滾筒轉(zhuǎn)速、 導(dǎo)葉板升角以及導(dǎo)葉板數(shù)量對(duì)殺青質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)研究，今后的研究中為了更加精準(zhǔn)建模，可綜合考慮滾筒傾角、導(dǎo)葉板的形狀、導(dǎo)葉板寬度等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)以及茶鮮葉的物理特性參數(shù)對(duì)殺青質(zhì)量的影響。