非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置研制與工藝參數(shù)研究

摘要：針對目前烏龍茶搖青設(shè)備在搖青時因鮮葉間摩擦不充分所導(dǎo)致的茶葉搖青品質(zhì)不均、效果差等問題，設(shè)計了一組非圓齒輪行星輪系的烏龍茶搖青機(jī)構(gòu)，建立了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析模型并得到其最佳機(jī)構(gòu)參數(shù)，利用MATLAB 軟件設(shè)計并獲得非圓齒輪的節(jié)曲線及齒廓參數(shù)（m=2，α=20°，z=51），完成了裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和樣機(jī)研制。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并開展了烏龍茶搖青的3 因素4 水平正交試驗(yàn)，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化成單一指標(biāo)以獲取可評判搖青效果的綜合評分，通過正交檢驗(yàn)分析確定了最優(yōu)工藝參數(shù)，在該工藝參數(shù)的組合下，烏龍茶鮮葉的有效搖青率為87.52%，失水率為30.19%，綜合評分為傳統(tǒng)手工搖青的97.02%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該非圓齒輪行星輪系的烏龍茶搖青裝置和相關(guān)工藝能夠滿足不同老嫩程度、不同數(shù)量的烏龍茶搖青需求，使被加工后的烏龍茶達(dá)到更貼近手工搖青的效果，并能通過增加機(jī)器臺數(shù)，從而滿足農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)的需求。

關(guān)鍵詞：烏龍茶；搖青；非圓齒輪；工藝參數(shù)

中圖分類號：S571.1；TS272.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-369X（2023）06-844-13

烏龍茶屬青茶類，為半發(fā)酵茶，以“色翠，香氣濃郁持久”的特點(diǎn)深受消費(fèi)者的喜愛[1]。烏龍茶的傳統(tǒng)工藝為采摘、萎凋、搖青、殺青、揉捻、烘焙。其中搖青是烏龍茶加工工藝中重要的一步，直接影響茶葉的品質(zhì)[2]。搖青使茶青嫩梗中的可溶性內(nèi)含物隨著水分?jǐn)U散至葉片中，并破壞葉細(xì)胞的緊密結(jié)構(gòu)，使酶和可溶性內(nèi)含物結(jié)合，促進(jìn)茶青內(nèi)含物轉(zhuǎn)化，形成茶的香味物質(zhì)。

當(dāng)前烏龍茶的搖青方式主要有手工搖青和機(jī)械搖青。手工搖青是通過人工搖晃圓篩，使茶青在篩盤內(nèi)發(fā)生碰撞和摩擦，產(chǎn)生空間三維相對運(yùn)動，葉片碰撞和摩擦充分、強(qiáng)度適中，可獲得品質(zhì)較高的茶葉，但該過程需要人力，耗時較長，生產(chǎn)效率較低，由于目前農(nóng)村勞動力的流失及人易疲勞等因素的影響，該方式僅適用于小批量烏龍茶的生產(chǎn)，難以滿足大批量生產(chǎn)的需要。目前市場化的機(jī)械搖青設(shè)備主要以滾筒式搖青機(jī)和仿手篩式搖青機(jī)為主。滾筒式搖青機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)大批量茶葉的搖青加工[3]，但該搖青過程茶青是平面二維運(yùn)動，葉片間的碰撞、摩擦不夠充分，質(zhì)量不如人工搖青；仿手篩式茶葉搖青機(jī)通過篩盤帶動茶青做錐面運(yùn)動，模擬了手工搖青運(yùn)動軌跡[4]，但錐面上茶青上下位置變化較小、葉片相互摩擦不夠充分，搖青效果還有待提高。此外，近幾年市場上還出現(xiàn)了其他類型的機(jī)械搖青機(jī)，如基于振動搖青的做青設(shè)備[5]，該設(shè)備利用電動機(jī)帶動振青框運(yùn)動，使茶青在框內(nèi)上下運(yùn)動，發(fā)生碰撞從而起到搖青的作用，也是一種近似于平面二維運(yùn)動，且當(dāng)茶青量較大時，葉片間的運(yùn)動空間受限，摩擦不夠充分，而當(dāng)茶青量較少時，葉片間摩擦力不夠，也易產(chǎn)生葉片摩擦不充分的現(xiàn)象。球罐型的茶葉搖青機(jī)，茶青置于球罐內(nèi)，電機(jī)帶動球型滾筒實(shí)現(xiàn)x 軸和y 軸方向上的旋轉(zhuǎn)，使得茶青能夠進(jìn)行三維相對運(yùn)動[6]，但當(dāng)茶青旋轉(zhuǎn)至最高處掉落時，葉片間的碰撞力較大，易引起葉片的損壞，從而影響搖青質(zhì)量。

為解決上述問題，提出了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青機(jī)構(gòu)，設(shè)計了一套能夠?qū)崿F(xiàn)變傳動比的非圓齒輪行星輪系機(jī)構(gòu)，模擬人工搖青，使茶青實(shí)現(xiàn)空間三維相對運(yùn)動，且采用可調(diào)篩盤裝置，解決搖青工藝中茶青的不同老嫩程度、不同數(shù)量，以及不同搖青強(qiáng)度、幅度的問題，研制了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青機(jī)的樣機(jī)；并通過該樣機(jī)對機(jī)械搖青工藝進(jìn)行研究分析，設(shè)計了搖青工藝的正交試驗(yàn)，從而得到最優(yōu)的參數(shù)組合，爭取農(nóng)藝農(nóng)機(jī)的更好融合。

1 搖青試驗(yàn)臺設(shè)計與試制

1.1 總體方案設(shè)計

為滿足不同老嫩程度、不同數(shù)量茶青的烏龍茶搖青需求，使被加工后的烏龍茶更貼近手工搖青的效果，對搖青機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。設(shè)計了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置，其方案簡圖如圖1 所示。動力從非圓齒輪行星輪系太陽輪主軸輸入并驅(qū)動行星架轉(zhuǎn)動，行星架帶動非圓行星輪公轉(zhuǎn)，太陽輪固定，非圓行星輪與太陽輪嚙合，非圓行星輪自轉(zhuǎn)，帶動與其同軸的支撐桿轉(zhuǎn)動。為模擬手工搖青三維非勻速運(yùn)動，在支撐桿頭部設(shè)計可調(diào)偏置篩盤，通過偏置篩盤不同切斜角實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度茶青上下方向非勻速運(yùn)動。非圓齒輪行星系中的行星架做勻速圓周公轉(zhuǎn)運(yùn)動，憑借非圓齒輪的變傳動比傳動特性，支撐桿做非勻速轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)茶青水平平面非勻速運(yùn)動，篩盤在兩運(yùn)動合成作用下實(shí)現(xiàn)仿手工搖青三維變速運(yùn)動。

為提高搖青效率和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動平衡性，如圖2 所示，整機(jī)采用3 套搖青機(jī)構(gòu)圓周布置。機(jī)架上固定有直流電機(jī)，通過同步帶將動力傳遞至太陽輪主軸及行星架。

1.2 建立搖青裝置運(yùn)動學(xué)模型

對圖1 所示的搖青機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動學(xué)模型，其運(yùn)動可分為兩部分：一是勻速圓周轉(zhuǎn)動經(jīng)非圓齒輪傳動形成非勻速圓周公轉(zhuǎn)運(yùn)動，二是非圓行星輪的非勻速自轉(zhuǎn)帶動支撐桿及其頂端的篩盤運(yùn)動。在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)求解時，可以根據(jù)輸出的運(yùn)動學(xué)特性對機(jī)構(gòu)進(jìn)行反求，即先建立篩盤的運(yùn)動模型求得滿足烏龍茶搖青運(yùn)動所需的非勻速傳動特性，再建立非圓齒輪傳動模型求解對應(yīng)的齒輪機(jī)構(gòu)。

1.2.1 搖籃運(yùn)動學(xué)模型

圖3 為簡化后的搖籃機(jī)構(gòu)示意圖，僅表達(dá)了機(jī)構(gòu)最主要的部分，以便于建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。搖青機(jī)構(gòu)中的非圓齒輪輪系將勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變成非勻速轉(zhuǎn)動，模型中等效為直接對支撐桿施加非勻速轉(zhuǎn)動。圖中OPK 為支撐桿，其中OP 段與Z 軸平行、長度為l1，PK 段與Z 軸的夾角為α、長度為l2。K 為篩盤的中心點(diǎn)，當(dāng)支撐桿OP 做非勻速行星運(yùn)動時，直線PK 的姿態(tài)不斷變化，形成篩盤的搖青運(yùn)動。

該模型省略了非圓齒輪組的部分。若機(jī)構(gòu)的動力源以恒定角速度勻速轉(zhuǎn)動，則經(jīng)過非圓齒輪傳動后，支撐桿做非勻速轉(zhuǎn)動。設(shè)支撐桿的角速度為ω，則支撐桿的轉(zhuǎn)角?與時間的關(guān)系為?=ωt。綜上，非圓齒輪產(chǎn)生的傳動效果可以直接用OPK 的轉(zhuǎn)角變化來代替。

由于K 點(diǎn)與從動非圓齒輪同軸，因此，點(diǎn)K 在做圓周運(yùn)動過程中的速度和加速度變化與非圓齒輪的轉(zhuǎn)速相關(guān)。由?=ωt，對式（2）進(jìn)行求導(dǎo)得到K 點(diǎn)速度為：

綜上，求得對搖青機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中篩盤中心點(diǎn)K 的坐標(biāo)及其角速度和角加速度的表達(dá)式，完成了運(yùn)動學(xué)分析。篩盤角加速度的變化將烏龍茶拋起，在滿足烏龍茶基本搖青運(yùn)動的同時促進(jìn)茶葉之間的相互碰撞，達(dá)到更好的搖青效果。

1.2.2 非圓齒輪傳動運(yùn)動學(xué)模型

搖青機(jī)構(gòu)采用減速電機(jī)作為動力，經(jīng)一對非圓齒輪傳動實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動向支撐桿的非勻速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而帶動篩盤內(nèi)的茶青運(yùn)動。為簡化設(shè)計，采用一階與一階的非圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)變傳動比傳動[7]。設(shè)非圓齒輪的長半軸為a，短半軸為b，為保證傳動平穩(wěn)性，兩齒輪的瞬心線作純滾動。

圖4 所示為非圓齒輪的數(shù)學(xué)模型。設(shè)主動非圓齒輪順時針轉(zhuǎn)動，則從動非圓齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)過角度θ1，從動輪轉(zhuǎn)過的角度為θ2。

1.3 搖青裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述理論分析，對非圓齒輪行星驅(qū)動的烏龍茶搖青裝置展開具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計并繪制其三維模型。根據(jù)預(yù)期樣機(jī)尺寸設(shè)定齒輪的長半軸尺寸a=150 mm，由1.2.2 章節(jié)非圓齒輪偏心率的計算結(jié)果可得其限定范圍為0.2≤e≤1，首先折中選取偏心率e=0.6 來開展一組非圓齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過MATLAB 軟件編寫相關(guān)計算的GUI 程序，可以得到對應(yīng)的傳動演示動畫和傳動比曲線，計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5 中可以看出非圓齒輪傳動的傳動比變化范圍為0.25～4.05，處于可接受范圍內(nèi)[8]。將計算得到的非圓齒輪節(jié)曲線數(shù)據(jù)完成齒廓的設(shè)計。按照標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計上述非圓齒輪，選取齒輪模數(shù)m=2，壓力角a=20°，刀具齒數(shù)為16，利用軟件設(shè)計所獲得的齒廓結(jié)果如圖6所示，非圓齒輪齒數(shù)為Z = 51。

繪制搖青機(jī)的三維模型，完成非圓齒輪行星輪系的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖7 所示，非圓太陽齒輪固定在行星架中心，3 個從動行星齒輪均布在其周圍，各行星輪中心與太陽輪轉(zhuǎn)動中心之間的夾角為120°。同時，針對不同采摘批次、不同老嫩程度茶青的搖青，需通過調(diào)整搖青篩盤的搖動幅度來實(shí)現(xiàn)不同的搖青力，調(diào)整葉片間的摩擦力，老葉重?fù)u，嫩葉輕搖，搖青幅度通過調(diào)整篩盤傾角來實(shí)現(xiàn)，可調(diào)搖青機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，快速調(diào)節(jié)并固定篩盤中心桿與行星輪上豎直方向支撐桿的傾角。非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

2 搖青工藝參數(shù)正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置與環(huán)境

2.1.1 試驗(yàn)裝置的搭建

在完成整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，搭建非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置試驗(yàn)臺。選用外圈直徑為32 cm、深度為15 cm 的半球形篩盤盛放茶青；篩盤與各非圓行星輪轉(zhuǎn)軸之間通過活動鉸鏈連接，該鉸鏈可實(shí)現(xiàn)竹篩傾角的調(diào)節(jié)；行星架軸和驅(qū)動電機(jī)之間采用同步帶傳遞動力，動力源選用25 W 交流減速電機(jī)，其轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為0～90 r·min-1。非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置試驗(yàn)臺如圖10 所示，該試驗(yàn)臺的空間尺寸約為120 cm×80 cm×100 cm。

2.1.2 試驗(yàn)流程設(shè)計

試驗(yàn)選用福建省安溪縣西坪鎮(zhèn)的春季鐵觀音茶鮮葉為原料，在谷雨后同一時間、同一茶園中以嫩梢形成駐芽、頂葉剛展呈小或中開面和一芽兩至三葉為標(biāo)準(zhǔn)采摘。以本采摘批次茶青為研究對象，以傳統(tǒng)手工搖青、機(jī)械搖青后的茶葉狀態(tài)為研究目標(biāo)，參照現(xiàn)有相關(guān)研究所獲取的機(jī)械搖青工藝參數(shù)，對本研究下的非圓齒輪行星輪系搖青裝置的工藝參數(shù)開展研究分析。

2.2 搖青時間選取

根據(jù)傳統(tǒng)的工藝要求，鐵觀音的搖青次數(shù)以4 次為最佳[9-10]，多次搖青和晾青相結(jié)合的搖青方式，能使茶青內(nèi)部物質(zhì)充分轉(zhuǎn)化，形成烏龍茶“綠葉紅鑲邊”的獨(dú)特葉底外觀[11]。為獲得較為理想的搖青效果，試驗(yàn)參照陳林等[12]的研究結(jié)果，采用4 搖3 晾的做青方式開展。設(shè)定第1 次搖青2 min，靜置晾青90 min；第2次搖青3 min，靜置晾青150 min；第3 次搖青8 min，靜置晾青150 min；第4 次搖青40 min。

2.3 試驗(yàn)因素與水平

選取非圓齒輪偏心率、篩盤傾角和太陽輪主軸轉(zhuǎn)速這3 個可能影響本裝置最終搖青效果的相關(guān)工藝參數(shù)作為試驗(yàn)因素，開展3 因素4 水平的正交試驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證本研究所研制的樣機(jī)在上述工藝參數(shù)組合下?lián)u青的作業(yè)有效性情況，在試驗(yàn)初始階段安排1 組通過搖青大師人工手動搖青所完成的茶葉樣本作為對照組，在該組試驗(yàn)過程中，除以經(jīng)驗(yàn)手動控制竹篩搖動的速度和幅度外，其余各項(xiàng)工藝流程及試驗(yàn)環(huán)境均與正交試驗(yàn)組相同。最終設(shè)計完成的正交試驗(yàn)試驗(yàn)因素和對應(yīng)水平如表1所示。

非圓齒輪偏心率的不同，將影響傳動過程中非圓齒輪的傳動比的變化程度，從而影響篩盤中茶青水平平面運(yùn)動中慣性力，進(jìn)而使葉片間的摩擦力發(fā)生變化。通過理論計算結(jié)果可得其限定范圍為0.2≤e≤1，通過仿真軟件計算，當(dāng)e=0.8 時非圓齒輪傳動的傳動比變化范圍為0.15～8.95，傳動比的變化較大，慣性力變化將較劇烈，故設(shè)其為上限。篩盤傾角，由于傾角大小的變化，在相同轉(zhuǎn)速情況下將影響茶青搖青過程中離心力和豎平面上的運(yùn)動強(qiáng)度，進(jìn)而影響搖青的摩擦力和葉片摩擦的均勻性，參考卞賢炳等[13]研究結(jié)果，篩盤傾角取30～45°進(jìn)行正交試驗(yàn)。太陽輪主軸的轉(zhuǎn)速直接影響到搖青茶青的運(yùn)動及葉片間的受力情況，本研究電機(jī)的調(diào)速范圍為0～90 r·min-1，初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用90 r·min-1 時，受樣機(jī)尺寸的影響，茶青易掉出篩盤，且在搖青過程中茶青損傷較嚴(yán)重，成品率較低，故試驗(yàn)時太陽輪主軸最高轉(zhuǎn)速采用80 r·min-1。

非圓齒輪偏心率（因素A）的4 組水平參數(shù)代表著所需4 組不同的節(jié)曲線的非圓齒輪，即中心太陽輪主軸在某一恒定轉(zhuǎn)速下可實(shí)現(xiàn)各行星輪主軸不同的速度變化規(guī)律；依據(jù)前述設(shè)計思路，所搭建樣機(jī)的太陽輪主軸中心線至各行星輪主軸中心線間的距離為定值，即非圓齒輪組在長半軸尺寸固定的情況下，可通過調(diào)整不同的偏心率來獲取不同的節(jié)曲線和傳動比參數(shù)。試驗(yàn)均采用一階對一階非圓齒輪傳動，利用MATLAB 設(shè)計軟件生成因素A 的4組水平下的節(jié)曲線參數(shù)，如圖11 所示，并通過齒廓生成和3D 打印技術(shù)分別完成各水平下的非圓齒輪組加工；表2 為非圓齒輪在4 組偏心率下的傳動比參數(shù)。篩盤傾角（因素B）的4 組水平通過控制活動鉸鏈轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)，為篩盤中線和行星輪主軸中心線之間夾角；太陽輪主軸轉(zhuǎn)速（因素C）的4 組水平通過調(diào)速器控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

2.4 搖青效果評價指標(biāo)及處理

2.4.1 評價指標(biāo)確定

搖青過程是茶青在篩盤內(nèi)壁的推動下不斷與篩盤內(nèi)壁，以及葉片間不斷發(fā)生互相碰撞、擠壓和摩擦，擦破葉緣細(xì)胞，并通過靜置發(fā)酵形成“綠葉紅鑲邊”外觀品質(zhì)與花果香氣。在烏龍茶制作過程中，針對搖青效果的好壞評價通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的制茶大師通過搖青后鮮葉的狀態(tài)、香氣、走水程度進(jìn)行評判；也可通過將做青后的茶葉制成成茶后，以成茶外形、茶湯湯色、滋味和香氣等進(jìn)行最終品鑒；也有通過對搖青后茶樣開展生化成分檢測來鑒定搖青成色[6]。參照文獻(xiàn)[13]，設(shè)計了一種搖青后茶葉物理特性綜合評價及對搖青后的茶葉進(jìn)行人工外觀等級評價相結(jié)合的方法對烏龍茶搖青效果開展綜合評價。

2.5 正交試驗(yàn)流程

非圓齒輪行星輪系搖青裝置工藝參數(shù)研究流程：（1）各試驗(yàn)組開始試驗(yàn)前，按照各組預(yù)設(shè)的各因素水平參數(shù)安裝非圓齒輪組、調(diào)整電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速和篩盤的傾角；（2）從冷藏箱中取出270 g 葉相完整、較為新鮮的茶鮮葉，首先在恒溫環(huán)境下靜置約30 min，平均分配至3 個篩盤中；（3）根據(jù)預(yù)設(shè)的做青時間，分別對鮮葉進(jìn)行機(jī)械搖青和晾青，在試驗(yàn)過程中對散落的鮮葉及時收集放回；（4）待搖青結(jié)束后，將3 個篩盤內(nèi)的所有茶葉和碎末收集稱重得到搖青后的茶葉及碎屑物的總質(zhì)量Ma；（5）依據(jù)A、B、C 的等級標(biāo)準(zhǔn)，請專家對各試驗(yàn)組搖青后的所有完整茶葉葉片開展評定，稱重并記錄3 種等級標(biāo)準(zhǔn)下的茶葉質(zhì)量。各試驗(yàn)組做青時間均嚴(yán)格把控，每組搖青結(jié)果的評價在搖青結(jié)束后一次性完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果直觀分析

按照正交表L16（43）依次進(jìn)行各組正交試驗(yàn)，統(tǒng)計并整理各組數(shù)據(jù)得到表3 所示結(jié)果。圖13 為第10 號試驗(yàn)中篩盤內(nèi)茶青在搖青前及搖青后的物理外觀變化。

由表3 可知，針對非圓齒輪偏心率（因素A）、篩盤傾角（因素B）和太陽輪主軸轉(zhuǎn)速（因素C）這3 個因素的不同水平組合，通過搖青試驗(yàn)可獲取不同結(jié)果的有效搖青率和失水率。此外，試驗(yàn)組9、10、13、14 的結(jié)果顯示，其機(jī)械搖青后茶青的有效搖青率和失水率均接近傳統(tǒng)手工搖青的對照組結(jié)果。表明非圓齒輪行星輪系搖青裝置在合適工藝參數(shù)下所加工的茶青能夠取得近似于手工搖青的效果。

3.2 極差分析與方差分析

為研究不同水平下各因素組合對茶葉搖青綜合效果的影響，對表3 的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展極差分析和多因素方差分析[18]，得到極差分析結(jié)果（表4）和方差分析結(jié)果（表5）。

各因素極差值的大小可以用來彰顯該因素對整體結(jié)果的影響程度，從表5 分析結(jié)果可知，對茶葉機(jī)械搖青綜合效果的影響因素由大到小依次為非圓齒輪偏心率（因素A）、篩盤傾角（因素B）和太陽輪主軸轉(zhuǎn)速（因素C）。通過多因素方差研究了因素A、因素B 和因素C 對于搖青效果綜合評分的影響關(guān)系，從表6 分析結(jié)果可得，因素A、因素B 和因素C均呈現(xiàn)出顯著性，其中因素A 的顯著水平更高，說明所設(shè)計的非圓齒輪偏心率對機(jī)械搖青的綜合效果的影響處于顯著水平；因素B 和因素C 均呈現(xiàn)出較顯著性，即篩盤傾角和太陽輪主軸轉(zhuǎn)速也會對機(jī)械搖青的綜合效果產(chǎn)生一定影響，影響程度小于所設(shè)計的非圓齒輪偏心率。

3.3 試驗(yàn)組的較優(yōu)工藝參數(shù)

根據(jù)3.2 章節(jié)的分析結(jié)果可知，在以本次采摘的春季鐵觀音鮮葉為試驗(yàn)對象的基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)定時間的4 搖3 晾做青方式，非圓齒輪行星輪系搖青裝置搖青綜合效果較優(yōu)的工藝參數(shù)為A3B2C4（試驗(yàn)編號10），由表1 可知以偏心率0.6 設(shè)計非圓齒輪行星輪組、以35°調(diào)節(jié)篩盤傾角、以80 r·min-1 的轉(zhuǎn)速設(shè)置太陽輪主軸轉(zhuǎn)速。在該工藝參數(shù)下進(jìn)行搖青試驗(yàn)后得到的3 種等級標(biāo)準(zhǔn)下的茶葉物理外觀如圖

14 所示。

結(jié)合試驗(yàn)情況具體分析試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)非圓齒輪以較小偏心率設(shè)計時，其最大瞬時傳動比和最小瞬時傳動比的比值imax/imin 較小，即行星輪主軸在周期性轉(zhuǎn)動中速度變化不明顯，茶葉所獲得的運(yùn)動慣性能量較低；而當(dāng)非圓齒輪以較大偏心率設(shè)計時，其最大瞬時傳動比和最小瞬時傳動比的比值imax/imin 較大，行星輪主軸在周期性轉(zhuǎn)動中速度變化過于明顯，導(dǎo)致在一個運(yùn)動周期內(nèi)處于較高傳動比下的茶葉運(yùn)動速度較大，而處于較低傳動比下的茶葉運(yùn)動速度相對較慢，加減速度變化帶來的急性沖擊容易導(dǎo)致篩盤中茶葉的堆積或散落，影響搖青的整體效果。提高太陽輪主軸轉(zhuǎn)速可進(jìn)一步提升茶葉在篩盤內(nèi)碰撞的能量水平，但轉(zhuǎn)速過高時，由于離心力的作用，篩盤內(nèi)的茶葉易掉出篩盤；在試驗(yàn)過程中，給予較小篩盤傾角時，篩內(nèi)鮮葉的跳動情況并不明顯，“走水”過程不充分；而當(dāng)篩盤位于合適傾角時，增大太陽輪主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步增大行星輪的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速，可以適當(dāng)改善篩盤內(nèi)茶葉的運(yùn)動情況，但過高轉(zhuǎn)速和過大傾角的組合容易導(dǎo)致竹篩內(nèi)鮮葉在慣性力的作用下掉落，從而影響搖青效果。

10 號試驗(yàn)組的有效搖青率以及失水率均接近對照組， 其綜合評分為對照組綜合評分的97.02%，高于其余試驗(yàn)組，表明該試驗(yàn)組的工藝參數(shù)組合在有效搖青率和失水率這2 個評價指標(biāo)中擁有較好的均衡性，是本研究中的較優(yōu)工藝參數(shù)組。

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高茶葉的搖青質(zhì)量，使搖青后的茶葉更加接近手工搖青的效果，提出一種非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置，進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計和搖青機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型的建立分析，并在此基礎(chǔ)上搭建了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青試驗(yàn)臺。對比傳統(tǒng)手工搖青和機(jī)械搖青后茶葉的物理特性，以現(xiàn)有機(jī)械搖青工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行以烏龍茶有效搖青率和失水率為評價指標(biāo)的多指標(biāo)正交試驗(yàn)，用綜合評分法將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化成單一指標(biāo)，通過極差分析法和方差分析法得到最佳的工藝參數(shù)為以偏心率0.6 設(shè)計非圓齒輪行星輪組、以35°調(diào)節(jié)篩盤傾角、以80 r·min-1 的轉(zhuǎn)速設(shè)置太陽輪主軸轉(zhuǎn)速。在最優(yōu)工藝參數(shù)下烏龍茶的有效搖青率為87.52%，失水率為30.19%，綜合評分達(dá)到以傳統(tǒng)手工搖青方式為對照組綜合評分的97.02%。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計的非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置和工藝參數(shù)能夠獲得更加接近手工搖青效果的茶葉，搖青效果良好，為后續(xù)不同季節(jié)和不同質(zhì)量要求的烏龍茶生產(chǎn)提供了支撐。

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