路 浪，陸佳平，齊 裕

（江南大學 機械工程學院，江蘇無錫 214122）

0 引言

隨著科學的發(fā)展，自動化技術正在不斷應用在產品加工和生產之中，尤其在化工、醫(yī)療、食品等需求量較大的行業(yè)當中，不僅可以實現(xiàn)產品連續(xù)化生產，而且也可以降低勞動成本，提高生產效益［1］。猴魁茶是中國綠茶中的高檔茶品，傳統(tǒng)制作工藝極為考究，大致可分為茶葉采摘－殺青－理條－鋪放－壓扁整形－烘干［2］。

目前猴魁茶的制作尤其是在后續(xù)壓扁定形操作時依然采用人工或半自動化的方式進行。嚴重影響猴魁茶自動化、清潔化、統(tǒng)一化發(fā)展，嚴重制約該產業(yè)的生產效率［3］。因此，開發(fā)設計一種持續(xù)、高效的猴魁茶壓扁拍打機來提高工作效率，以推動產業(yè)發(fā)展、降低企業(yè)成本及滿足市場需求。

1 壓扁工藝方案

設計壓扁拍打機對猴魁茶進行壓扁定形的工藝流程如圖1所示。

圖1 茶葉壓扁制茶工藝流程Fig.1 Technological process of tea flattening

在整體工藝方案設計過程中需要滿足以下基本要求：（1）用網(wǎng)帶進行輸送，網(wǎng)帶與主動滾輪有足夠包角；（2）茶葉壓扁后葉片呈平伏挺直狀；（3）壓扁定形后，經過拍打茶葉不與網(wǎng)帶粘連。

目前現(xiàn)有的壓扁機，采用輸送帶進行輸送壓扁，茶葉壓扁溢出的茶汁將茶葉粘連在輸送帶上，造成茶葉堆積，無法正常進入后面工序［4］。有的利用毛刷或者刮刀試圖解決茶葉壓扁后粘連問題，但毛刷易掉毛，不能在食品加工生產中使用，刮刀易對茶葉造成破壞，所以茶葉壓扁定形機一直無法投入到實際制茶生產中，也嚴重影響猴魁茶制茶自動化生產線的開發(fā)設計［5］。

經過調研分析，本設計中提出壓扁采用夾網(wǎng)滾壓原理，如圖2所示。茶葉隔網(wǎng)壓扁，茶葉與網(wǎng)帶接觸面積減少，大大地改善茶葉壓扁后粘連網(wǎng)帶問題；其次增加多級壓扁輥輪和拍打機構，上下網(wǎng)帶間距由入口向內逐步減小，再由內向出口逐步增加，依次經過初步壓扁—一級拍打—壓扁定形—二級拍打—三級拍打，進一步避免茶葉與網(wǎng)帶粘連。最終基本可以實現(xiàn)茶葉經壓扁后與網(wǎng)帶不粘連，為后續(xù)烘干工序做好準備，為實現(xiàn)猴魁茶制茶連續(xù)自動化生產打下良好基礎。

圖2 茶葉壓扁工藝方案Fig.2 Technological scheme of tea flattening

2 壓扁機技術原理

猴魁茶葉壓扁拍打機主要由壓扁機構、絲網(wǎng)帶輸送機構、下承載組件和拍打機構組成，茶葉壓扁機整機結構建模如圖3所示。

圖3 茶葉壓扁機總體結構建模Fig.3 Modeling the overall structure of the tea flattening machine

整機運行原理：壓扁機構中的主動輥輪逆時針轉動，輸送機構中的主動輥輪順時針轉動，按縱向整理過的猴魁茶放置或落到輸送網(wǎng)帶左端后，主動輥輪在電動機驅動下，輸送網(wǎng)帶帶動茶葉向前勻速行進，當猴魁茶行進至壓扁入口，上下對壓網(wǎng)帶間距呈現(xiàn)由寬逐漸變窄再變寬，使得猴魁茶葉逐漸邊壓邊進入壓扁對壓網(wǎng)帶，猴魁茶葉先經過一級壓扁輥輪進行預壓，繼續(xù)行進至拍打機構進行一次拍打；茶葉行進進入二級壓扁輥輪完成最終壓扁定形，繼續(xù)行進至拍打區(qū)進行二次拍打，拍落由茶汁粘連在網(wǎng)帶上的猴魁茶葉；茶葉最后行進至出口處進行最后一次拍打操作，出口處上下對壓網(wǎng)帶間距更寬，能夠徹底拍落粘連在網(wǎng)帶上的茶葉；猴魁茶葉在輸送網(wǎng)帶帶動下，進入后續(xù)烘干工序。茶葉壓扁機原理如圖4所示。

圖4 茶葉壓扁機原理Fig.4 Schematic diagram of tea flattening machine

3 主要操作系統(tǒng)設計

3.1 壓扁裝置設計

壓扁裝置如圖5所示，主要由主動輥輪組件、動力組件、調節(jié)裝置、從動輥輪組件和壓扁組件組成。電機通過滾子鏈連接主動輥輪進行傳動，電機功率為200 W。為進一步確保滾輪帶動網(wǎng)帶平穩(wěn)輸送，設置一個可調節(jié)的壓輥，目的是增加主動輥輪與網(wǎng)帶之間的包角，主動輥輪選用摩擦力大的橡膠材質，保證滾輪與網(wǎng)帶連接傳動產生足夠的摩擦力［6］。茶葉由網(wǎng)帶輸送裝置傳送前進，網(wǎng)帶入口角度預設為45°［7］。壓扁過程分成兩級，第一級上下對壓輥輪完成初步壓扁，然后進入拍打區(qū)域拍打，接著再次進入一組上下對壓輥輪完成壓扁，最后進入拍打區(qū)域進行二次拍打。

圖5 壓扁機構原理圖Fig.5 Schematic diagram of flattening mechanism

其中壓扁機構中的一對壓輥由滾子鏈連接電機傳動，壓輥與網(wǎng)帶相切，保證壓輥線速度和方向與網(wǎng)帶相同。兩組上下對壓輥輪之間有壓輥隔開，目的是消除拍打裝置產生的沖擊對前后壓扁茶葉狀態(tài)的影響，保證茶葉穩(wěn)定可靠進行壓扁定形［8］。另外壓扁機構出口處還設一組拍打機構，確保茶葉不粘連在網(wǎng)帶上。

整個壓扁機構兩端設有調節(jié)手輪，目的是可以整體調節(jié)壓扁機構與輸送機構的間距，調控上下對壓輥輪對茶葉的壓力。壓輥對茶葉的壓力稱為線壓力，即表示上下壓輥接觸面單位長度上所受壓力的大小，一般用N/m表示。壓輥線壓力采用如下計算公式：

式中q——線壓力，N/m；

F——加壓下壓輥的總壓力，N；

F1——兩端附加壓力，N；

F2——上壓輥重，N；

b——壓輥寬度，m。

3.2 網(wǎng)帶輸送裝置設計

絲網(wǎng)輸送機構包括主動輥輪組件、動力組件、調節(jié)張緊組件、從動輥輪組件、輸送網(wǎng)帶，如圖6所示。電機通過滾子鏈連接主動輥輪進行傳動，電機功率為200 W，主動輥輪選用摩擦力大的橡膠材料，保證滾輪與絲網(wǎng)連接傳動產生足夠的摩擦力，為了進一步確保滾輪帶動絲網(wǎng)平穩(wěn)輸送，設置一個可調節(jié)的輥輪和一個固定的輥輪，進行輥輪橫向調整，目的是增加主動輥輪與網(wǎng)帶之間的包角，同時網(wǎng)帶因為自身的重力作用會下垂，輥輪也可以起到收緊網(wǎng)帶作用。茶葉由網(wǎng)帶輸送裝置傳送前進，速度大約20 mm/s，網(wǎng)帶速度可調節(jié)，變速范圍為0～10 m/min。壓扁過程分成兩級，第一級上下對壓輥輪完成初步壓扁，然后進入拍打區(qū)域拍打，接著再次進入一組上下對壓輥輪完成壓扁定形，最后進入拍打區(qū)域進行二次拍打。兩組上下對壓輥輪之間有壓輥隔開，目的是消除因為拍打裝置產生的沖擊對前后壓扁茶葉狀態(tài)的影響，保證茶葉穩(wěn)定可靠進行壓扁定形。輸送機構中一對壓扁輥輪可以手柄調節(jié)，調節(jié)上下對壓輥輪的間距，間接調節(jié)壓扁壓力，壓扁的壓力通過調試進行測試確定。

圖6 輸送機構原理圖Fig.6 Schematic diagram of conveying mechanism

采用絲網(wǎng)帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)皮帶進行輸送，可大大緩解茶葉壓扁后茶汁造成的粘連問題。絲網(wǎng)帶可選用塑料材質，經過試驗目數(shù)選24為宜，網(wǎng)帶可使用帶寬≤1 000 mm；最終實現(xiàn)轉速與網(wǎng)帶速度相匹配，且有彈力支撐。

壓扁機構與輸送機構均選用滾子鏈傳動方式進行傳動，因為鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準確的平均傳動比，且需要的張緊力小，作用在軸上的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失［9］。

對鏈傳動的參數(shù)進行計算選擇。

3.2.1 主動鏈輪轉速n1計算

小鏈輪齒數(shù)z1少，可減少外廓尺寸，但齒數(shù)過少，會增加運動的不均勻性和動載荷。一般z1≥17，結合實際產品，選擇齒數(shù)z1=17。金屬壓輥半徑r=100 mm，網(wǎng)帶的速度v為20 mm/s，網(wǎng)速與主動鏈輪轉速n1由關系可得：

傳動比的選定過大，鏈條在小鏈輪上的包角就會過小，參與嚙合的齒數(shù)減少，每個輪齒承受的載荷增大，加速輪齒的磨損，且易出現(xiàn)跳齒和脫鏈現(xiàn)象［10］。一般鏈傳動的傳動比i≤6，常取i=2～3.5，鏈條在小鏈輪上的包角不應小于120°。由實際情況，選定i=2，再由主動鏈輪轉速n1，從動鏈輪轉速n2與傳動比之間關系：i=n1/n2=z2/z1，求得從動鏈輪轉速n2=1 r/min；從動鏈輪齒數(shù)z2=34。

3.2.2 單排鏈額定功率計算Pc

選定的電機的傳動功率P=0.4 kW；由公式Pc=Pf1f2，可得修正功率Pc，再將鏈傳動所傳遞的功率修正為當量的單排鏈計算功率，計算公式：

式中KA——工況系數(shù)；

KZ——主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)；

KP——多排鏈系數(shù)，雙排鏈時KP=1.75；

P——傳遞的功率。

滿足Pca≤Pc。所以查單排滾子鏈額定功率曲線圖和滾子鏈規(guī)格參數(shù)表可知，鏈條節(jié)距L=19.05。

3.2.3 計算鏈節(jié)數(shù)和中心距

初選中心距a0=（30～50）P，按下式計算鏈節(jié)數(shù)：

為了避免使用過渡鏈節(jié)，應將計算出的鏈節(jié)數(shù)LP0圓整為偶數(shù)LP。

鏈傳動的最大中心距：

式中f1——為中心距計算系數(shù)，可查表。

計算鏈速v，查表確定潤滑方式：

潤滑方式為采用定期人工潤滑。

計算鏈傳動作用在軸上的壓軸力Fp：

3.3 拍打裝置設計

拍打機構包括拍打組件、支撐軸承、動力組件、調節(jié)阻擋裝置，如圖7所示。

圖7 拍打裝置Fig.7 Flapping device

拍打組件包括轉動拍輥、彈簧片、拍打主軸、內側同步輪、外側同步輪，其中轉動拍輥的母線固連在彈簧片的一側，彈簧片的另一側固聯(lián)在拍打軸的母線上，拍打機構傳動方式為鏈傳動，電機功率選用200 W，減速比為20:1；拍打機構拍打速度n=30～60 r/min，根據(jù)實際進行校核調控；轉動拍輥為尼龍材質，與彈簧片連接為固定長孔結構，可調節(jié)拍打區(qū)域半徑；拍打主軸位置要確保拍輥拍到網(wǎng)即可；電機和拍打機構鏈傳動，拍輥拍打網(wǎng)帶切入量≤4 mm，使得彈簧片發(fā)生形變，可通過彈簧片上固定長孔實現(xiàn)調節(jié)［11］；最終拍打機構實現(xiàn)與網(wǎng)帶的行進關系：網(wǎng)帶每走20～40 mm拍打一次（單向）；彈簧片彈力計算公式：

式中b——彈片寬度，mm；

H——板厚，mm；

E——彈性系數(shù)，kg/mm3；

δ ——變形量，mm；

L——彈片力臂長度，mm。

3.4 壓扁機試驗驗證

壓扁拍打機采用夾網(wǎng)滾壓原理，絲網(wǎng)材質選PU塑料，絲網(wǎng)目數(shù)由試驗來確定，試驗設計如下：

試驗前需要測出茶葉含水量，根據(jù)GB/T 8304-2002《茶 水分測定》要求，采用120 ℃烘干法，稱取5 g試樣，置120 ℃烘箱內，以2 min內回升到120 ℃開始計時，加熱1 h，在干燥器內冷卻至室溫，稱量（準確至0.001 g），3個重復樣，取平均值。測出茶葉含水量為68%～69%［12］。

試驗準備：取5 g猴魁茶葉試樣（殺青后），選擇2種不同目數(shù)的絲網(wǎng)（塑料材質），金屬壓輥一對，金屬鐵棒一對，烘箱；

試驗步驟：絲網(wǎng)放置平整于試驗臺面上，將捏尖后的3根茶葉整齊放置在絲網(wǎng)上，再覆蓋一層相同絲網(wǎng)，上下絲網(wǎng)四周壓緊固定不滑移，金屬壓輥進行第一次對壓滾壓，金屬鐵棒一次上下拍打，金屬壓輥二次滾壓定形，金屬鐵棒進行多次拍打，起開絲網(wǎng)查看茶葉壓扁狀態(tài)和粘連情況；再將壓扁定形后茶葉放入烘箱，嚴格依照傳統(tǒng)猴魁茶制茶烘干工序進行烘干試驗，即烘干分為頭烘、老烘和打足。頭烘溫度要高，100 ℃左右，每隔2 min左右翻一面，再烘9～12 min，頭烘后攤涼，使茶葉冷卻回軟；再進行老烘，溫度70 ℃左右，每隔3～4 min翻面，歷時約30 min左右，下烘攤涼；最后再進行打足火，溫度80 ℃～90 ℃，介于頭烘與老烘溫度之間，每隔4～5 min翻烘一次，歷時約20 min，至茶葉足干時即可起烘［13］。重復進行以上試驗步驟。

壓扁拍打后茶葉狀態(tài)見圖8。

圖8 茶葉壓扁拍打后狀態(tài)Fig.8 The state of tea after flattening and flapping

壓扁拍打烘干后茶葉狀態(tài)見圖9。

圖9 茶葉壓扁烘干后狀態(tài)Fig.9 State of tea after flattening and drying

試驗結果分析：對比圖8和圖9，可知2種不同規(guī)格的絲網(wǎng)，進行多級拍打壓扁后均很好地解決了茶葉受茶汁影響粘連輸送帶的問題，并且茶汁也易于清理。再考慮到傳送動力以及穩(wěn)定性和使用壽命問題，由經驗可知選擇目數(shù)更多的24目絲網(wǎng)，輸送狀態(tài)更加穩(wěn)定，絲網(wǎng)使用壽命也更長。

4 結語

針對目前猴魁茶制茶生產中壓扁定形工序完成后茶葉粘連不易脫落、茶汁不易清理等問題。在立足于傳統(tǒng)制茶工藝基礎上研究與設計了一種新型猴魁茶葉壓扁機，通過模仿傳統(tǒng)手工隔網(wǎng)壓扁工藝，提出相應的壓扁技術方案以及夾網(wǎng)滾壓的壓扁技術原理；對技術方案所涉及關鍵技術裝置及其執(zhí)行機構進行原理分析與參數(shù)設計，提高整臺壓扁機的穩(wěn)定性和可靠性；采用隔網(wǎng)帶多級壓扁和拍打技術方式，基本解決了茶葉壓扁后粘連問題，茶汁清潔問題也得到很大改善。整機布局合理，結構緊湊，可有效節(jié)約成本，提高生產效率，為猴魁茶制茶自動化生產線的建立打下堅實基礎。