齊 裕， 陸佳平， 路 浪

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

近年來(lái)，隨著生活水平的不斷提高，太平猴魁茶葉的市場(chǎng)需求也在不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的手工作業(yè)已不能滿足市場(chǎng)的需求，制茶行業(yè)開(kāi)始朝著自動(dòng)化、高速化以及衛(wèi)生化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，是社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，也是行業(yè)的最終發(fā)展模式[1]。

猴魁為我國(guó)十大名茶之一，葉片長(zhǎng)度大約在5～7 cm，猴魁茶的制作過(guò)程較為復(fù)雜，每一道工序都會(huì)影響成品茶葉的品質(zhì)。猴魁茶葉的傳統(tǒng)制作工序?yàn)椋翰烧?殺青-理?xiàng)l-捏尖-壓扁-烘干定形。由于加工工藝獨(dú)特，目前猴魁茶葉的制作多采用半自動(dòng)化生產(chǎn)方式，主要問(wèn)題體現(xiàn)在理?xiàng)l與捏尖工序之間的連接較困難，同時(shí)分料問(wèn)題也是掣肘建成自動(dòng)化生產(chǎn)線的關(guān)鍵點(diǎn)[2-4]。

1 分料技術(shù)方案

分料是將經(jīng)殺青理?xiàng)l的制葉自動(dòng)分離開(kāi)，制葉之間不相互重疊或粘靠，以便進(jìn)入后續(xù)排條工序。分條本質(zhì)上屬于從有序團(tuán)聚到有序分離的處理技術(shù)，其機(jī)械化技術(shù)的難度由茶葉物料本身特性所決定。一方面，理?xiàng)l后制葉之間的相互重疊粘靠會(huì)造成分料的實(shí)際困難，并存在許多未知的分離不確定性和分條效率影響，易造成產(chǎn)線上制葉“物流”的滯留阻塞；另一方面，理?xiàng)l后制葉初步形成的整形屬于非穩(wěn)定形，不當(dāng)?shù)臋C(jī)械化分料技術(shù)會(huì)存在過(guò)度破壞整形的風(fēng)險(xiǎn)。

為將物料從堆積狀態(tài)分離開(kāi)，采用平鋪差速原理進(jìn)行操作，即將其橫向鋪展開(kāi)來(lái)，使其單位面積上的量減少，然后再通過(guò)多級(jí)提速進(jìn)行制葉分離。根據(jù)茶葉特性和工藝的要求，選擇橫分和縱分交相穿插的分料系統(tǒng)[5-7]。橫分旨在將理?xiàng)l后的聚積狀態(tài)的茶葉橫向攤薄鋪展開(kāi)來(lái)，便于后續(xù)縱分的進(jìn)行；縱分通過(guò)各級(jí)傳送裝置的速度差值將互相搭接的茶葉分離為單根輸送。

由于茶葉從理?xiàng)l機(jī)輸出時(shí)的量較大，選擇先進(jìn)行提速縱分，將其縱向鋪開(kāi)，減少橫向截面的量；為方便其橫向鋪展，再經(jīng)過(guò)2次相間的橫分和縱分完成茶葉之間的分離，不同級(jí)輸送帶的速度為成倍遞增關(guān)系。工藝流程如圖1所示。

圖1 茶葉分料工藝流程Figure 1 Tea separation process

2 技術(shù)原理

分料模塊主要由1級(jí)縱分裝置、1級(jí)橫分裝置、2級(jí)縱分裝置、2級(jí)橫分裝置和3級(jí)縱分裝置等組成，分料原理圖如圖2所示。

1—理?xiàng)l機(jī)出料口；2—1級(jí)縱分裝置；3—1級(jí)橫分裝置；4—2級(jí)縱分裝置；5—2級(jí)橫分裝置；6—3級(jí)縱分裝置。圖2 茶葉分料原理Figure 2 Tea separation schematic

如圖2所示，茶葉由理?xiàng)l機(jī)出料口1輸送到1級(jí)縱分裝置2上，經(jīng)過(guò)第1次縱向提速實(shí)現(xiàn)初步的縱分，隨后到達(dá)1級(jí)橫分裝置3，該裝置具有橫向振蕩作用。橫分裝置3的工作臺(tái)面為16通道的弧形槽，通過(guò)橫向往復(fù)振蕩，茶葉可在其中自由翻滾；并通過(guò)茶葉和工作臺(tái)面的摩擦力，使茶葉分離和錯(cuò)位，實(shí)現(xiàn)茶葉的初步橫分。分離和錯(cuò)位的茶葉到達(dá)2級(jí)縱分裝置4時(shí)，由于其自身的重力和與皮帶之間的摩擦力會(huì)被輸送帶捕獲并帶走，先接觸輸送帶的會(huì)被優(yōu)先捕獲，從而實(shí)現(xiàn)茶葉的2次縱分。隨后茶葉被輸送到2級(jí)橫分裝置5，進(jìn)行2次橫分，將還未分離的茶葉進(jìn)行分離和錯(cuò)位并實(shí)現(xiàn)定向。2級(jí)橫分裝置與1級(jí)橫分裝置的區(qū)別主要在于工作平臺(tái)的槽形結(jié)構(gòu)不同。經(jīng)過(guò)2次橫分的茶葉通過(guò)3級(jí)縱分裝置6的第3次縱向提速，完成了整個(gè)的分料操作，此時(shí)茶葉呈單根定向排列輸送。

3 主要操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 縱分裝置設(shè)計(jì)

縱分裝置分為1級(jí)縱分裝置、2級(jí)縱分裝置和3級(jí)縱分裝置，各級(jí)縱分裝置的結(jié)構(gòu)相同，不同的是各級(jí)縱分裝置的速度?？v分裝置如圖3所示，主要由驅(qū)動(dòng)輥組件、電機(jī)、輸送帶、從動(dòng)輥組件和張緊輥組件組成。輸送帶選用PU材質(zhì)，滿足食品級(jí)要求。為了保證縱分裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，保證驅(qū)動(dòng)滾筒分離點(diǎn)的張力，設(shè)置2個(gè)張緊輥裝置，一個(gè)為固定張緊輥，另一個(gè)為調(diào)節(jié)張緊輥。

圖3 縱分裝置原理Figure 3 Schematic of longitudinal dividing device

由于茶葉的質(zhì)量較輕，且長(zhǎng)度只有5～7 cm，而常用的縱分裝置輸出端小輥直徑為60 mm，與橫分裝置會(huì)產(chǎn)生較大的落差，因此茶葉在從縱分裝置出料端輸送到橫分裝置時(shí)，茶葉會(huì)出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象；由此導(dǎo)致茶葉從有序變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)，影響下一步的橫向分離。因此選用輸出端呈刀口狀結(jié)構(gòu)的縱分裝置，小輥直徑為20 mm，如圖4所示。其刀口夾角α為50°，如圖4所示，橫分裝置的工作臺(tái)面緊貼縱分裝置的輸出端，保證茶葉平穩(wěn)地落入橫分裝置，便于下一級(jí)工序順利地進(jìn)行。

圖4 縱分裝置局部結(jié)構(gòu)Figure 4 Partial structure of longitudinal dividing device

縱分裝置長(zhǎng)1 200 mm，帶寬1 000 mm，1級(jí)縱分裝置的最大帶速為2.5 m/min，2級(jí)縱分裝置的最大帶速為5 m/min，逆時(shí)針?lè)较騼A斜5°放置；3級(jí)縱分裝置的最大帶速為15 m/min，水平放置。采用逐點(diǎn)張力法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)滾筒軸功率的計(jì)算[8-9]，從驅(qū)動(dòng)滾筒的分離點(diǎn)張力S1開(kāi)始，沿運(yùn)行方向逐點(diǎn)計(jì)算到驅(qū)動(dòng)滾筒相遇點(diǎn)的張力Sn，得到Sn與S12點(diǎn)張力之間的公式：

Sn=f(S1)。

(1)

為保證輸送帶不打滑，按歐拉公式得：

Sn≤S1×eμα。

(2)

式中：eμα為包角系數(shù)；μ為摩擦因數(shù)，與驅(qū)動(dòng)滾筒的表面材料和環(huán)境的濕度有關(guān)；α為膠帶繞驅(qū)動(dòng)滾筒包角。

式(2)2邊取等式并與式(1)聯(lián)立可求得2點(diǎn)張力值，S1和Sn2點(diǎn)張力差即為驅(qū)動(dòng)滾筒的圓周驅(qū)動(dòng)力F：

F=Sn-S1。

(3)

驅(qū)動(dòng)滾筒軸功率的逐點(diǎn)計(jì)算公式為

(4)

式中v為帶速。

電機(jī)功率為

(5)

式中：Kd為備用系數(shù)，一般取Kd=1.15～1.2；ηa為減速器與驅(qū)動(dòng)滾筒的總效率。

各級(jí)縱分裝置的結(jié)構(gòu)相同，最大速度相差不大，茶葉質(zhì)量較輕且體積較小，為方便設(shè)計(jì)，選擇相同功率的電機(jī)，通過(guò)計(jì)算，選擇電機(jī)功率為200 W。

3.2 橫分裝置設(shè)計(jì)

橫分裝置為往復(fù)振蕩裝置，振幅為40 mm。工作臺(tái)面為16通道弧形槽結(jié)構(gòu)，弧形槽為2邊呈弧形且底部為平面的結(jié)構(gòu)，茶葉在底部平面上借助摩擦力和重力實(shí)現(xiàn)其分離，2邊弧形設(shè)計(jì)減少茶葉與工作臺(tái)面的碰撞而導(dǎo)致的茶葉黏滯作用，幫助茶葉分離。各級(jí)橫分裝置的結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于工作臺(tái)面的弧形槽設(shè)計(jì)不同，2級(jí)橫分裝置的弧形槽相對(duì)較大。

采用如圖5所示的曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)橫分裝置的往復(fù)振蕩，其中A在傳動(dòng)滾軸上，傳動(dòng)滾軸與電機(jī)相連，O為傳動(dòng)滾軸軸心，AB為擺桿，CD為從動(dòng)桿，與工作臺(tái)面相連，EG和HI為2段導(dǎo)軌。其中OA=20 mm，AB=100 mm，CD=200 mm。工作時(shí)，傳動(dòng)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)擺桿AB的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從動(dòng)桿CD的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖5 橫分裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理Figure 5 Schematic of transverse dividing device actuator

4 分料相關(guān)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

影響分料分離率的參數(shù)，從結(jié)構(gòu)分析有2級(jí)橫分裝置的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度、橫分裝置工作臺(tái)的傾斜角度、橫分裝置工作臺(tái)面和物料之間的摩擦因數(shù)、 喂入量大小和理?xiàng)l機(jī)振幅及振動(dòng)頻率大小、各級(jí)縱分裝置速度之間的關(guān)系等。

參照對(duì)其他物料的試驗(yàn)研究，用于猴魁茶葉分料時(shí)，初定2級(jí)橫分裝置的振動(dòng)頻率、橫分裝置工作臺(tái)的傾斜角度和各級(jí)縱分裝置速度之間的關(guān)系[10]。

4.1 試驗(yàn)方案

4.1.1 1級(jí)橫分裝置

1級(jí)橫分裝置主要是將茶葉橫向攤薄，將堆積的茶葉初步分離開(kāi)來(lái)，減少茶葉單位面積上的量，并使其產(chǎn)生錯(cuò)位，從而利于縱向分離。為避免茶葉由于橫分裝置的速度過(guò)慢而使茶葉堆積，在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮茶葉的速度。橫分裝置的振蕩頻率和橫分裝置工作臺(tái)的傾斜角度是影響茶葉運(yùn)輸速度和分離率的主要影響因素，因此對(duì)2者進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)物料的物理特性和具體的試驗(yàn)環(huán)境，振蕩頻率取4，5，6，7和8 Hz；傾斜角度取10°，15°，20°，25°和30°；工作臺(tái)的總長(zhǎng)度為400 mm。

4.1.2 2級(jí)橫分裝置

2級(jí)橫分裝置主要是將茶葉分離開(kāi)來(lái)，并保證茶葉橫分后，茶葉的長(zhǎng)度方向與縱分裝置輸送方向一致。試驗(yàn)方法與1級(jí)橫分裝置相同，振蕩頻率取4，5,6,7和8 Hz；傾斜角度取20°，25°，30°，35°和40°；工作臺(tái)總長(zhǎng)500 mm。

4.1.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)1級(jí)橫分裝置和2級(jí)橫分裝置試驗(yàn)研究，確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，并選擇合適的參數(shù)進(jìn)行混合正交試驗(yàn)，影響縱分效果的主要因素為前后2級(jí)裝置的速度，因此將前后2級(jí)縱分裝置的倍數(shù)關(guān)系加入正交試驗(yàn)，綜合分析主要相關(guān)因素對(duì)分料效果的影響。

4.2 試驗(yàn)研究

4.2.1 1級(jí)橫分裝置工作臺(tái)傾斜角度和振動(dòng)頻率對(duì)橫分效果的影響

由圖6可知，茶葉的速度分別隨著振蕩頻率的增大和橫分裝置工作臺(tái)傾斜角度的增大而增大，增大幅度依次減小，振蕩頻率從4 Hz增大到5 Hz時(shí)，速度增幅達(dá)到最大值；茶葉的速度隨著工作臺(tái)傾斜角度的增大而增大，不過(guò)隨著振蕩頻率的增加，傾斜角度對(duì)速度的影響變小。由圖7可知，茶葉分離率隨著振蕩頻率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在5～7 Hz之間的效果最好；隨著工作臺(tái)的傾斜角度的增加，分離率整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，傾斜角度在15°～20°時(shí)分離率最高。

圖6 不同頻率和角度對(duì)通過(guò)時(shí)間的影響Figure 6 Effects of different frequencies and angles on transit time

圖7 不同頻率和角度對(duì)分離率的影響Figure 7 Influence of different frequencies and angles on separation rate

4.2.2 2級(jí)橫分裝置工作臺(tái)傾斜角度和振動(dòng)頻率對(duì)橫分效果的影響

由圖8可知，振蕩頻率從4 Hz增大到5 Hz時(shí)，速度增幅達(dá)到最大值；由圖9可知，茶葉分離率在5～7 Hz時(shí)的效果最好；隨著工作臺(tái)的傾斜角度的增加，分離率整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，傾斜角度在25°～35°時(shí)分離率最高。

圖8 不同頻率和角度對(duì)通過(guò)時(shí)間的影響Figure 8 Effects of different frequencies and angles on transit time

圖9 不同頻率和角度對(duì)分離率的影響Figure 9 Influence of different frequencies and angles on separation rate

4.2.3 主要因素正交試驗(yàn)研究

采用混合正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定最優(yōu)的分料參數(shù)及各個(gè)因素影響的重要程度。根據(jù)上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定試驗(yàn)因素水平，如表1所示；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal factor level table

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental design and results

2根茶葉完全分離且相鄰2根之間間距20 mm以上為成功分離，由表3中極差R的結(jié)果可以看出，在試驗(yàn)考察范圍內(nèi)的5個(gè)因素對(duì)于茶葉成功分離率的影響順序?yàn)椋?級(jí)橫分裝置傾斜角度>1級(jí)橫分裝置振蕩頻率>2級(jí)橫分裝置振蕩頻率>速度倍數(shù)>2級(jí)橫分裝置傾斜角度。雖然2級(jí)橫分裝置傾斜角度的極差最小，但是其對(duì)茶葉的分離時(shí)間影響較大，其也是一個(gè)很重要的影響因素。其中，K1，K2和K3分別表示各因素水平為1，2，3時(shí)的成功率之和。

表3 極差分析表Table 3 Range analysis table %

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由多因素正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出最優(yōu)的組合為J2M1X2Y3Z1，通過(guò)極差分析得出的最佳組合為J2M1X1Y2Z1，2個(gè)結(jié)果的不同之處為1級(jí)橫分裝置振蕩頻率X和2級(jí)橫分裝置傾斜角度Y。通過(guò)單因素試驗(yàn)可知1級(jí)橫分裝置振蕩傾斜角為15°時(shí)，1級(jí)橫分裝置振蕩頻率為6 Hz時(shí)茶葉的分離率最高，可以得出1級(jí)橫分裝置振蕩頻率的最優(yōu)參數(shù)為6 Hz。2級(jí)橫分裝置主要作用為輔助2次分離以及導(dǎo)向作用，并對(duì)通過(guò)的茶葉速度有較高的要求，通過(guò)單因素試驗(yàn)可以得出傾斜角度越大，茶葉的速度越快，并且2級(jí)橫分裝置傾斜角度的極差最小，其對(duì)茶葉的成功分離率影響不大，因此選用40°。

通過(guò)綜合分析可以得出影響茶葉成功分離率的主要因素的最優(yōu)組合為J2M1X2Y3Z1，即前后級(jí)縱分裝置速度倍數(shù)關(guān)系為3倍，1級(jí)橫分裝置傾斜角度為15°，1級(jí)橫分裝置振蕩頻率為6 Hz，2級(jí)橫分裝置傾斜角度為40°，2級(jí)橫分裝置振蕩頻率為5 Hz，茶葉的成功分離率為87.3%，滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)猴魁茶葉加工工藝和自動(dòng)化加工生產(chǎn)可行性的研究，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械自動(dòng)分料技術(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的樣機(jī)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究可以看出茶葉成功分料的關(guān)鍵在于橫分裝置，即通過(guò)該裝置將茶葉橫向攤薄是主要需解決的問(wèn)題。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以得出1級(jí)橫分裝置的工作平臺(tái)傾斜角度應(yīng)小一些，通過(guò)重力、摩擦力及往復(fù)振蕩力使茶葉分離；2級(jí)橫分裝置的傾斜角度應(yīng)大一些，保證茶葉的通過(guò)速度；各級(jí)橫分裝置的振蕩頻率都不應(yīng)太大。通過(guò)正交試驗(yàn)得出：分料裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為前后級(jí)縱分裝置速度倍數(shù)關(guān)系為3倍，1級(jí)橫分裝置傾斜角度為15°，1級(jí)橫分裝置振蕩頻率為6 Hz，2級(jí)橫分裝置傾斜角度為40°，2級(jí)橫分裝置振蕩頻率為5 Hz。整機(jī)布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，可有效節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率，為柔性長(zhǎng)徑比物料的分料提供參考和思路。