自動(dòng)化茶葉炒干機(jī)的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

趙 晨，曹成茂*，葛 俊，劉世雄，吳正敏，孫 燕

自動(dòng)化茶葉炒干機(jī)的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

趙 晨1, 2，曹成茂1, 2*，葛 俊1, 2，劉世雄1, 2，吳正敏3, 4，孫 燕1,2

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036；3. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036；4. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，合肥 230036)

針對(duì)目前茶機(jī)炒茶不均勻、炒干后茶葉碎茶率較高、品質(zhì)不佳等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化茶葉炒干機(jī)。在闡述機(jī)器工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論計(jì)算確定炒干裝置關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)樣機(jī)進(jìn)行制作。為進(jìn)一步探究自動(dòng)化茶葉炒干機(jī)工作時(shí)的最佳工作參數(shù)，以茶葉在炒干裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度、分離比、茶葉溫升速率為指標(biāo)，通過(guò)離散元仿真軟件EDEM分析翻草筋數(shù)量、各工作參數(shù)對(duì)于炒干機(jī)炒干效果的影響。利用Design-Expert軟件進(jìn)行回歸分析和響應(yīng)曲面分析，并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，確立炒干性能的最佳參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速為19 r·min-1，炒干溫度為184 ℃，炒干時(shí)間為80 min，此時(shí)平均含水率為5.47%，碎茶率為1.82%。該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足茶葉加工工藝要求，并為茶葉炒干機(jī)推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

茶葉；炒干機(jī)；EDEM；正交試驗(yàn); 含水率; 碎茶率

綠茶是我國(guó)的主產(chǎn)茶類(lèi)，全國(guó)有21個(gè)省、市、自治區(qū)生產(chǎn)綠茶[1]，安徽省作為江南茶區(qū)的主要省份之一，形成了以名優(yōu)茶為主、大宗茶為輔的格局[2-3]。事實(shí)上，相對(duì)于名優(yōu)綠茶，大宗綠茶的高產(chǎn)量使其在加工環(huán)節(jié)必須保證高效率，而傳統(tǒng)的人工加工會(huì)消耗大量人力物力，且質(zhì)量效率難以保證，所以茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)茶葉加工機(jī)械化、自動(dòng)化。

大宗綠茶在殺青、揉捻后需炒干加工，對(duì)進(jìn)一步提高茶葉品質(zhì)具有重要意義，主要表現(xiàn)為：降低茶葉水分，使茶葉保持外形、大小一致，質(zhì)量分類(lèi)統(tǒng)一[4]。在目前的茶葉炒干機(jī)械領(lǐng)域，大多數(shù)研究旨在探究各種茶葉本身的特性以及各種炒干方式對(duì)于加工工藝的影響[5-7]，鮮有涉及炒干機(jī)本身的炒干機(jī)構(gòu)對(duì)于工作性能的影響，各種工作參數(shù)參差不一，導(dǎo)致了研究結(jié)果的局限性；且現(xiàn)有的炒干機(jī)設(shè)計(jì)較為雷同，研發(fā)缺乏理論支撐，并未達(dá)到完全可持續(xù)化、自動(dòng)化。

為解決上述問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)化茶葉炒干機(jī)，根據(jù)理論計(jì)算確定炒干裝置關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出自動(dòng)化茶葉炒干機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再通過(guò)仿真及正交優(yōu)化試驗(yàn)，以茶葉的含水率、碎茶率和感官評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)為參考，得出轉(zhuǎn)速、溫度和炒干時(shí)間3個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)于炒干性能的影響，為類(lèi)似樣機(jī)的改進(jìn)升級(jí)提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 茶葉炒干機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本自動(dòng)化茶葉炒干機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由炒干系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架以及外殼護(hù)罩等部分構(gòu)成。炒干筒兩側(cè)通過(guò)4個(gè)固定在機(jī)架上的托輪所支撐，外部由護(hù)罩所保護(hù)，且護(hù)罩上方有煙囪用于排氣，炒干筒內(nèi)部設(shè)有3個(gè)翻草筋成120°均布在筒體內(nèi)，促進(jìn)茶葉在筒體內(nèi)勻稱(chēng)翻滾，即使喂入大量茶葉也能保證茶葉均勻炒干。在右側(cè)出料斗外部鋪設(shè)有法蘭盤(pán)封頭，防止茶葉濺出并起到透氣的作用。

1.機(jī)架；2.大皮帶輪；3.皮帶；4.小皮帶輪；5.電機(jī)；6.小鏈輪；7.鏈條；8.大鏈輪；9.入料斗；10.法蘭邊結(jié)構(gòu)；11.滾筒護(hù)罩；12.炒干筒；13.翻草筋；14.出口導(dǎo)葉板；15.煙囪；16.出料斗；17.出料護(hù)罩；18.托輪；19.落灰擋板；20.燃料入料口。

Figure 1 Structural section drawing of frying and drying machine

1.2 工作原理

炒干機(jī)啟動(dòng)后，電機(jī)正轉(zhuǎn)，以電機(jī)為動(dòng)力，經(jīng)過(guò)帶傳動(dòng)再經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)做旋轉(zhuǎn)；茶葉從入料斗進(jìn)入滾筒后，由于翻草筋的作用在筒體內(nèi)不斷翻拋。

與傳統(tǒng)的燃燒煤的加熱方式不同，本設(shè)計(jì)的茶葉炒干機(jī)采用生物質(zhì)顆粒為燃料的加熱設(shè)備，更為清潔環(huán)保。工作時(shí)生物質(zhì)燃燒機(jī)的送料管伸入炒干機(jī)燃料入料口內(nèi)部，并配有風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)，達(dá)到在炒干筒底部持續(xù)供熱的效果。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 炒干筒

炒干筒由入料口、法蘭邊結(jié)構(gòu)、滾筒、翻草筋、出口導(dǎo)葉板和出料口等組成，如圖2所示。根據(jù)實(shí)際炒茶需要，一次可炒制100 kg左右的大宗綠茶，考慮到工作時(shí)茶葉能在滾筒內(nèi)較均勻地鋪開(kāi)且熱風(fēng)能在滾筒內(nèi)完全覆蓋，初定炒干滾筒軸向長(zhǎng)度為1 600 mm，保證筒內(nèi)有足夠的空間使茶葉充分與空氣接觸避免茶葉悶黃，取炒干筒內(nèi)茶葉的體積占滾筒總?cè)莘e的15%[8]，此時(shí)滾筒半徑為

式中為茶葉總質(zhì)量（kg）；為滾筒軸向長(zhǎng)度（m）；計(jì)算得= 0.499 m，取= 0.5 m。

1.入料口；2.法蘭邊結(jié)構(gòu)；3.滾筒；4.出料口；5.出口法蘭邊結(jié)構(gòu)；6.扇葉；7翻草筋；8.出口導(dǎo)葉板。

圖2 炒干筒結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 2 Structure diagram of drying drum

實(shí)際生產(chǎn)中，炒干機(jī)工作時(shí)由于火焰居中分散，會(huì)導(dǎo)致滾筒不同區(qū)域溫度存在差異，導(dǎo)致茶葉在滾筒內(nèi)受熱不均勻，有些茶葉炒焦，有些茶葉沒(méi)有充分炒干，所以以半徑0.5 m為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)成圓臺(tái)入料口處半徑為0.5 m，出料口處半徑為0.6 m圓臺(tái)形滾筒會(huì)使更多的茶葉較為集中在溫度較高的區(qū)域，使炒干效率更高。

滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)于茶鮮葉的運(yùn)動(dòng)影響關(guān)系顯著，其取值與臨界轉(zhuǎn)速有一定關(guān)系，當(dāng)茶葉顆粒運(yùn)動(dòng)到滾筒最高點(diǎn)時(shí)，此時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速即臨界轉(zhuǎn) 速[9]，忽略摩擦力和空氣阻力的影響，此時(shí)茶葉僅受到重力和離心力，滾筒臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式

==（2）

由（2）（3）得

式中：—滾筒半徑（m）；—茶葉總質(zhì)量（kg）；—臨界轉(zhuǎn)速（r·min-1）；ω—角速度（rad·s-1）。

當(dāng)=0.5時(shí)，=42.29，取=42 r·min-1。

若滾筒轉(zhuǎn)速較低，在工作時(shí)茶葉在較低點(diǎn)處就會(huì)被拋出，無(wú)法形成料幕，茶葉在滾筒中不能夠充分翻炒，炒干效果差。一般情況下，滾筒轉(zhuǎn)速取其臨界值的30%～60%[10]。

圖3 翻草筋結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 3 Schematic diagram of straw turning reinforcement structure

2.2 翻草筋

翻草筋在炒干中具有重要作用，其結(jié)構(gòu)、形狀等因素對(duì)于茶葉在滾筒中的運(yùn)動(dòng)具有直接的影響，形狀為折彎形，共3個(gè)，在滾筒中均布，位置、截面形狀如圖3所示。主要作用有：

可以有效勻稱(chēng)翻滾，形成料幕，避免茶葉在滾筒中悶黃。

強(qiáng)化茶葉在滾筒中的翻轉(zhuǎn)、碰撞成形，在炒干失水的同時(shí)促進(jìn)緊縮成條。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

炒干機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)是其能連續(xù)作業(yè)的重要部分，為整機(jī)提供動(dòng)力。炒干機(jī)的傳統(tǒng)系統(tǒng)如圖4所示，滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)采用三級(jí)傳動(dòng)，由于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大、輸出軸距離滾筒驅(qū)動(dòng)軸較遠(yuǎn)[11]，所以第一、二級(jí)采用帶傳動(dòng)，第三級(jí)采用鏈傳動(dòng)。

炒干電機(jī)通過(guò)電機(jī)皮帶輪傳遞動(dòng)力到Ⅰ軸大帶輪，同時(shí)帶動(dòng)主軸上的小帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)；再通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)軸大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪固定在滾筒入料口外部，滾筒隨大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，炒干機(jī)工作。此外，本機(jī)托輪組的設(shè)計(jì)不僅可以支撐炒干筒，還起到了限制炒干筒軸向的移動(dòng)的作用，保證炒干過(guò)程中炒干裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.Ⅰ軸大帶輪；2. Ⅰ軸小齒輪；3.皮帶；4. Ⅱ軸大帶輪；5. Ⅱ軸小帶輪；6.炒干電機(jī)；7.鏈條；8. Ⅰ軸大齒輪。

Figure 4 Structure diagram of transmission system

3 EDEM仿真

由于樣機(jī)試驗(yàn)中難以監(jiān)測(cè)茶葉顆粒的速度、溫度變化、接觸情況，所以先利用EDEM仿真對(duì)炒干過(guò)程進(jìn)行仿真和分析，不僅可以節(jié)省大量茶葉物料，也能相對(duì)高效地推斷出自動(dòng)化炒干機(jī)的工作參數(shù)的大致范圍，以便后續(xù)開(kāi)展進(jìn)一步正交試驗(yàn)。

3.1 仿真參數(shù)的確定

采用EDEM2020軟件進(jìn)行茶葉在炒干筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仿真，利用EDEM中的基本元素-球來(lái)仿真茶葉。由于茶葉在炒干過(guò)程中形狀變化較大，故在EDEM中擬合出與茶葉外形相吻合的多球面模型作為茶葉顆粒模型[12-13]，如圖6所示。使用Hertz-mindlin with bonding模型[14]來(lái)模擬茶葉顆粒間的相互作用。

研究中設(shè)計(jì)的離散元參數(shù)主要分為材料參數(shù)和接觸參數(shù)，材料參數(shù)包括茶葉、筒壁的密度、泊松比和剪切模量等；接觸參數(shù)包括茶葉-茶葉、茶葉-筒壁的恢復(fù)系數(shù)和靜、動(dòng)摩擦系數(shù)。仿真所用參數(shù)如表1和表2所示。

表1 茶葉顆粒參數(shù)

表2 接觸參數(shù)

3.2 離散元模型的建立

茶葉模型和炒干筒模型。由于在實(shí)際茶葉加工工藝中，大宗茶顆粒大小相差較大，為簡(jiǎn)化運(yùn)算且與實(shí)際情況相符，將茶葉顆粒簡(jiǎn)化為圖5的3種不同體積模型。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 茶葉顆粒離散程度 根據(jù)Gupta提出的粒子混合質(zhì)量理論[15]，本研究以茶葉顆粒的接觸數(shù)來(lái)表征茶葉顆粒的混合程度，其中總接觸數(shù)包括茶葉顆粒與滾筒壁、茶葉顆粒之間、茶葉顆粒與翻草筋的接觸數(shù)，茶葉顆粒間的接觸數(shù)，其計(jì)算公式為：

=C/C（5）

式中：C為茶葉顆粒與茶葉顆粒的接觸數(shù)；C為茶葉顆粒接觸總數(shù)。

通過(guò)表征茶葉顆粒的離散程度，其值越小則表明茶葉顆粒間越稀疏，離散效果越佳，越有利于炒干的均勻性；反之不利于茶葉的炒干[16]。

Figure 5 Three kinds of tea particle models

圖6 炒干筒仿真模型

Figure 6 Simulation model of frying dryer

3.3.2 翻草筋數(shù)量對(duì)茶葉炒干品質(zhì)的影響 如圖7和圖8所示，當(dāng)翻草筋數(shù)量為2，茶葉速度、分離比波動(dòng)明顯，峰值高說(shuō)明拋出時(shí)速度過(guò)高，導(dǎo)致碎茶率升高；當(dāng)翻草筋數(shù)量為4，在炒干滾筒中間距較小，導(dǎo)致大宗綠茶被拋出時(shí)速度較低，無(wú)法與炒干滾筒內(nèi)底部茶葉形成足夠空間，無(wú)法形成良好的料幕，導(dǎo)致茶葉燜黃；翻草筋數(shù)量為3時(shí)，速度、分離比適中，說(shuō)明茶葉間充分接觸且在炒干筒中有一定的翻拋時(shí)間。綜上，確定翻草筋數(shù)量為3根。3.3.3 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉炒干品質(zhì)的影響 轉(zhuǎn)速對(duì)于茶葉在滾筒中的運(yùn)動(dòng)有顯著影響，茶葉顆粒的平均速度隨著炒干筒轉(zhuǎn)速的增大而增加，若轉(zhuǎn)速過(guò)大，導(dǎo)致茶葉在較高點(diǎn)拋出且茶葉間摩擦增大，碎茶率升高；若轉(zhuǎn)速較低，茶葉在炒干筒內(nèi)的翻炒不充分，導(dǎo)致部分茶葉燜黃部分茶葉炒干后含水率較高。

圖7 3種翻草筋數(shù)量茶葉顆粒平均速度

Figure 7 Average speed of tea particles for three kinds of gluten number

圖8 3種翻草筋數(shù)量茶葉顆粒分離比

Figure 8 Separation ratio of tea particles for three kinds of gluten number

圖9 3種轉(zhuǎn)速茶葉顆粒平均速度

Figure 9 Average speed of tea particles at three rotational speeds

仿真開(kāi)始時(shí)，隨著茶葉顆粒大量喂入滾筒內(nèi)，此時(shí)以茶葉顆粒間的接觸為主，分離比不斷升高；隨著茶葉顆粒不斷落入滾筒中，導(dǎo)致茶葉顆粒接觸總數(shù)增加，分離比逐漸減??；隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)，茶葉顆粒隨著筒壁旋轉(zhuǎn)而被帶到高處，在進(jìn)入拋撒階段前茶葉顆粒接觸總數(shù)達(dá)到最大，此時(shí)分離比到達(dá)低谷；隨后茶葉顆粒被拋出，部分茶葉被拋撒在空中形成料幕，在落向筒壁前茶葉顆粒接觸總數(shù)達(dá)到最小，此時(shí)分離比到達(dá)峰值。由圖10可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為22 r·min-1時(shí)，分離比的變化區(qū)間最大，轉(zhuǎn)速為18 r·min-1時(shí)分離比的變化區(qū)間較小。由圖9可知，滾筒轉(zhuǎn)速為22 r·min-1時(shí)速度波動(dòng)區(qū)間較大。綜上，初步確立炒干機(jī)轉(zhuǎn)速在18～22 r·min-1。

圖10 3種轉(zhuǎn)速茶葉顆粒分離比

Figure 10 Separation ratio of tea particles at three rotational speeds

圖11 3種溫度下茶葉顆粒平均溫度變化曲線

Figure 11 Average temperature curves of tea particles at three temperatures

圖12 茶葉顆粒速度、分離比隨時(shí)間變化情況

Figure 12 Variation of tea particle velocity and separation ratio with time

3.3.4 溫度對(duì)于茶葉炒干品質(zhì)的影響 茶葉在160、180和200 ℃3種溫度下的溫升速率（圖11）顯示，在180 ℃與200 ℃下茶葉溫升速率大致相同，而160 ℃溫升速率小于兩者。而在實(shí)際生產(chǎn)中需要進(jìn)行大批量綠茶的炒制，所以180 ℃相對(duì)更能節(jié)約燃料，且在保證炒干效果的前提下更不容易使茶葉炒焦。為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的結(jié)果同時(shí)確定最佳工作參數(shù)，以溫度為因素之一進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，初步確立炒干溫度在160～200 ℃。

3.3.5 炒干時(shí)間對(duì)于茶葉炒干品質(zhì)的影響 如圖12所示，以180 ℃、轉(zhuǎn)速20 r·min-1仿真為例，隨著時(shí)間的增加，茶葉顆粒速度、分離比不斷變化，最終在一個(gè)區(qū)間穩(wěn)定。由實(shí)際生產(chǎn)可知，炒干時(shí)間的變化會(huì)影響茶葉炒干后的含水率、碎茶率，但在仿真中無(wú)法反映，所以在樣機(jī)試驗(yàn)中探究炒干時(shí)間的最佳工作參數(shù)。根據(jù)當(dāng)?shù)爻床杞?jīng)驗(yàn)，初步確定炒干時(shí)間在70～90 min。

4 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

基于之前對(duì)炒干機(jī)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)分析和EDEM仿真分析的基礎(chǔ)上，確定不同因素的大致區(qū)間，再進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，在保證炒干后茶葉品質(zhì)的前提下確定炒干機(jī)最佳工作參數(shù)。選取宣城市涇縣宣州區(qū)長(zhǎng)青茶廠采摘的大宗綠茶為試驗(yàn)材料，所需茶葉及樣機(jī)如圖13所示。其試驗(yàn)因素如表3所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

Figure 13 Tea (a) and frying machine (b) for test

表3 試驗(yàn)因素及水平

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.2.1 含水率 根據(jù)茶水分測(cè)定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 8304-2013）[17]，采用120℃烘干法進(jìn)行測(cè)定。茶葉水分含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）表示，按式（6）計(jì)算：

式中：1—茶葉含水率；1—試樣和烘皿烘前的質(zhì)量（g）；2—試樣和烘皿烘后的質(zhì)量（g）；0—試樣的質(zhì)量（g）。

對(duì)長(zhǎng)青茶廠上午采的茶取一批樣品進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，測(cè)得炒干前的茶葉含水率約為48.67%，炒干試驗(yàn)葉炒干前含水率都默認(rèn)為此數(shù)值。

4.2.2 碎茶率 根據(jù)國(guó)家綠茶產(chǎn)品粉末和碎茶含量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 8311—2013）[18]中粗形茶測(cè)定方法：稱(chēng)取充分混勻的試樣100 g（精確至0.1g），倒入規(guī)定的碎茶篩和粉末篩的檢驗(yàn)套篩內(nèi)，蓋上篩蓋，按下啟動(dòng)按鈕，篩動(dòng)100 r·min-1。將粉末篩的篩下物稱(chēng)量（精確至0.1 g），即為粉末含量。再將粉末篩下物稱(chēng)量（準(zhǔn)確至0.1 g），即為碎茶含量。

茶葉碎茶含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）表示，按式（7）計(jì)算：

式中：2—茶葉碎茶率；1—篩下碎茶含量（g）；—試樣質(zhì)量（g）。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1=4.900+0.044—0.600+0.27—0.16—

0.31—0.065+0.0652—0.262+0.232（8）

2=2.026—0.114+0.5890.188+0.215+

0.233+0.0620.1032+0.4572—0.1762（9）

式中：1為含水率；2為碎茶率；為滾筒轉(zhuǎn)速；為炒干溫度，為炒干時(shí)間。

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)Design-Expert 8.0 軟件對(duì)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素進(jìn)行顯著性分析[19]，得到含水率與碎茶率二次多項(xiàng)式回歸模型（8）（9）。

由回歸模型的方差分析結(jié)果（表5和表6）可知，含水率回歸模型的值為0.002 3，小于0.01，表明該回歸模型高度顯著；碎茶率回歸模型的值為0.004 8，小于0.01，表明該回歸模型高度顯著；試驗(yàn)因素對(duì)于含水率的影響從大到小依次為：炒干溫度、炒干時(shí)間和滾筒轉(zhuǎn)速；試驗(yàn)因素對(duì)于碎茶率的影響從大到小依次為：炒干溫度、炒干時(shí)間和滾筒轉(zhuǎn)速。模型失擬項(xiàng)均大于0.05，表明模型失擬性均不顯著；模型的決定系數(shù)-Squared與校正決定系數(shù)Adj-Squared 均接近1，說(shuō)明2回歸模型與實(shí)際情況擬合度較高，有較高的可靠性，所以用含水率和碎茶率的回歸方程替代試驗(yàn)對(duì)茶葉炒干進(jìn)行分析[20]。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

表5 含水率二次多項(xiàng)式模型的方差分析

注:*、**分別為0.05及0.01水平上的顯著性差異。下同。

表6 碎茶率多項(xiàng)式模型的方差分析

為了更清晰直觀地述各試驗(yàn)因素及其交互作用對(duì)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響效應(yīng)，依據(jù)所建的回歸模型，利用Design-Expert軟件建立各因素交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖，如圖14所示。

滾筒轉(zhuǎn)速、炒干溫度對(duì)于茶葉含水率的影響如圖14（a）所示，在炒干溫度由190 ℃降至170 ℃的過(guò)程中，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，含水率呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì)，但由于轉(zhuǎn)速差異較小，所以滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)含水率影響較小。圖14（b）中，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，隨著炒干時(shí)間的降低，含水率逐漸上升，這是由于當(dāng)炒干時(shí)間增加會(huì)導(dǎo)致茶葉在滾筒內(nèi)的炒干不充分，在面對(duì)大批量茶葉炒制時(shí)，會(huì)有部分茶葉沒(méi)有完全炒干。通過(guò)14（a）、（b）和（c）對(duì)比可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增加、炒干時(shí)間增加時(shí)，此時(shí)含水率下降但變化區(qū)間不大，可推斷出交互作用AC對(duì)于含水率影響不顯著；炒干時(shí)間增加且炒干溫度增加時(shí)，含水率上升趨勢(shì)明顯，說(shuō)明交互作用BC對(duì)于含水率影響顯著，與方差分析結(jié)果一致。

滾筒轉(zhuǎn)速、炒干溫度對(duì)于碎茶率的影響如圖14（d）所示，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速不變時(shí)，炒干溫度的升降對(duì)于碎茶率影響明顯，而炒干溫度不變時(shí)，碎茶率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加變化不明顯，說(shuō)明滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)于碎茶率的影響不顯著。由圖14（e）所示，碎茶率隨炒干時(shí)間的變化區(qū)間略大于滾筒轉(zhuǎn)速，說(shuō)明炒干時(shí)間對(duì)碎茶率的影響高于滾筒轉(zhuǎn)速，與方差分析一致。由圖14（f）可知，炒干溫度的變化區(qū)間更明顯，說(shuō)明溫度對(duì)碎茶率的影響大于炒干時(shí)間，且交互作用BC對(duì)碎茶率影響顯著。

圖14 交互作用對(duì)含水率(R1)與碎茶率(R2)影響

Figure 14 Effect of interaction on moisture content (1) and broken tea content (2)

4.4 工作參數(shù)優(yōu)化與對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)茶葉含水率與碎茶率的回歸模型，為求各個(gè)工作參數(shù)的最佳組合，對(duì)所建立的1含水率、2碎茶率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的全因子二次回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解[21]，確定其約束范圍為：

4%≤1≤7%；1%≤2≤3%；

18≤≤22；160≤≤200；

70≤≤90。

運(yùn)用 Design Expert 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行優(yōu)化求解回歸模型，圓整后得到各工作參數(shù)的最佳參數(shù)為：滾筒轉(zhuǎn)速為19 r·min-1，炒干溫度為184 ℃，炒干時(shí)間為80 min，此時(shí)含水率為5.52%，碎茶率為1.79%。

為驗(yàn)證仿真參數(shù)的可靠性與正確性，采用最佳工作參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以滾筒轉(zhuǎn)速為19 r·min-1，炒干溫度為184 ℃，炒干時(shí)間為80 min的樣機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，工作時(shí)間，炒干時(shí)溫度均與正常炒干時(shí)相同，試驗(yàn)結(jié)果（表7）顯示仿真值與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

單因素仿真優(yōu)化試驗(yàn)以滾筒轉(zhuǎn)速、炒干溫度和炒干時(shí)間為試驗(yàn)因素，對(duì)炒干機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行初步確立，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行樣機(jī)正交試驗(yàn)，多因素優(yōu)化試驗(yàn)表明，3種可控工作參數(shù)對(duì)含水率的影響貢獻(xiàn)率依次為：炒干溫度、炒干時(shí)間、滾筒轉(zhuǎn)速。多因素優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)碎茶率的影響貢獻(xiàn)率依次為：炒干溫度、炒干時(shí)間、滾筒轉(zhuǎn)速。再對(duì)回歸模型優(yōu)化求解得到最優(yōu)參數(shù)組合為：滾筒轉(zhuǎn)速為19 r·min-1，炒干溫度為184 ℃，炒干時(shí)間為80 min。

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)Design-Expert優(yōu)化求解所得參數(shù)進(jìn)行試制的樣機(jī)能滿(mǎn)足大批量大宗綠茶炒干要求，其平均含水率為5. 47%，平均碎茶率為1.82%，與理論分析基本一致。

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Design and performance test of automatic tea fryer

ZHAO Chen1,2，CAO Chengmao1,2，GE Jun1,2，LIU Shixiong1,2，WU Zhengmin3, 4，SUN Yan1, 2

(1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036; 2. Anhui Intelligent Agricultural Machinery Equipment Engineering Laboratory, Hefei 210036; 3. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Resource Utilization, Anhui Agricultural University, Hefei 230036; 4. School of Tea and Food Science and Technology, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

Aiming at the problems of uneven tea frying, high tea crushing rate and poor quality of tea after frying, an automatic tea frying machine was designed. According to the theoretical calculation, the structural parameters of the key components of the drying device were determined, and prototype production was carried out on this basis. In order to further explore the optimal working parameters of the automatic tea frying machine, taking the number of turning bars, the movement speed, separation ratio and tea temperature rise rate of tea in the frying device as indicators, the influence of various working parameters on the frying effect of the frying machine was analyzed by the discrete element simulation software EDEM. Regression analysis and response surface analysis were carried out by using design expert software, and validation tests were carried out. The best parameter combination of frying performance was established as follows: drum speed was 19 r·min-1, frying temperature was 184 ℃, frying time was 80 min, average moisture content was 5.47% and broken tea rate was 1.82%. The design meets the requirements of tea processing technology, and provides a technical reference for the popularization and application of tea frying machine.

tea; frying machine; EDEM; orthogonal test; moisture content; broken rate of tea

S226.9

A

1672-352X (2022)05-0823-09

10.13610/j.cnki.1672-352x.20221111.024

2022-11-14 11:11:24

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20221111.1118.048.html

2021-12-30

安徽省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（18030701195），安徽省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳安徽省茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資金項(xiàng)目（21805070）和安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2020A0133）共同資助。

趙 晨，碩士研究生。E-mail：313678835@qq.com

曹成茂，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：caochengmao@sina.com