趙 晨，曹成茂*，葛 俊，劉世雄，吳正敏，孫 燕

自動化茶葉炒干機(jī)的設(shè)計與性能試驗

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)裝備實驗室，合肥 230036；3. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室，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)不佳等問題，設(shè)計了一種自動化茶葉炒干機(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)上對樣機(jī)進(jìn)行制作。為進(jìn)一步探究自動化茶葉炒干機(jī)工作時的最佳工作參數(shù)，以茶葉在炒干裝置內(nèi)運動速度、分離比、茶葉溫升速率為指標(biāo)，通過離散元仿真軟件EDEM分析翻草筋數(shù)量、各工作參數(shù)對于炒干機(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)行驗證實驗，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 ℃，炒干時間為80 min，此時平均含水率為5.47%，碎茶率為1.82%。該設(shè)計滿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; 含水率; 碎茶率

綠茶是我國的主產(chǎn)茶類，全國有21個省、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]。事實上，相對于名優(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)展離不開茶葉加工機(jī)械化、自動化。

大宗綠茶在殺青、揉捻后需炒干加工，對進(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、自動化。

為解決上述問題，本研究設(shè)計出一種自動化茶葉炒干機(jī)，根據(jù)理論計算確定炒干裝置關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出自動化茶葉炒干機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再通過仿真及正交優(yōu)化試驗，以茶葉的含水率、碎茶率和感官評審標(biāo)準(zhǔn)為參考，得出轉(zhuǎn)速、溫度和炒干時間3個運行參數(shù)對于炒干性能的影響，為類似樣機(jī)的改進(jìn)升級提供了理論和試驗基礎(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4個固定在機(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個翻草筋成120°均布在筒體內(nèi)，促進(jìn)茶葉在筒體內(nèi)勻稱翻滾，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)啟動后，電機(jī)正轉(zhuǎn)，以電機(jī)為動力，經(jīng)過帶傳動再經(jīng)鏈傳動帶動做旋轉(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

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，考慮到工作時茶葉能在滾筒內(nèi)較均勻地鋪開且熱風(fēng)能在滾筒內(nèi)完全覆蓋，初定炒干滾筒軸向長度為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]，此時滾筒半徑為

式中為茶葉總質(zhì)量（kg）；為滾筒軸向長度（m）；計算得= 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

實際生產(chǎn)中，炒干機(jī)工作時由于火焰居中分散，會導(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，有些茶葉沒有充分炒干，所以以半徑0.5 m為基準(zhǔn)設(shè)計成圓臺入料口處半徑為0.5 m，出料口處半徑為0.6 m圓臺形滾筒會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)速對于茶鮮葉的運動影響關(guān)系顯著，其取值與臨界轉(zhuǎn)速有一定關(guān)系，當(dāng)茶葉顆粒運動到滾筒最高點時，此時滾筒轉(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，此時茶葉僅受到重力和離心力，滾筒臨界轉(zhuǎn)速計算公式

==（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，=42.29，取=42 r·min-1。

若滾筒轉(zhuǎn)速較低，在工作時茶葉在較低點處就會被拋出，無法形成料幕，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)、形狀等因素對于茶葉在滾筒中的運動具有直接的影響，形狀為折彎形，共3個，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，在炒干失水的同時促進(jìn)緊縮成條。

2.3 傳動系統(tǒng)

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

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

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

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)的運動仿真，利用EDEM中的基本元素-球來仿真茶葉。由于茶葉在炒干過程中形狀變化較大，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]來模擬茶葉顆粒間的相互作用。

研究中設(shè)計的離散元參數(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。由于在實際茶葉加工工藝中，大宗茶顆粒大小相差較大，為簡化運算且與實際情況相符，將茶葉顆粒簡化為圖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、分離比波動明顯，峰值高說明拋出時速度過高，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速度較低，無法與炒干滾筒內(nèi)底部茶葉形成足夠空間，無法形成良好的料幕，導(dǎo)致茶葉燜黃；翻草筋數(shù)量為3時，速度、分離比適中，說明茶葉間充分接觸且在炒干筒中有一定的翻拋時間。綜上，確定翻草筋數(shù)量為3根。3.3.3 滾筒轉(zhuǎn)速對茶葉炒干品質(zhì)的影響 轉(zhuǎn)速對于茶葉在滾筒中的運動有顯著影響，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)速過大，導(dǎo)致茶葉在較高點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

仿真開始時，隨著茶葉顆粒大量喂入滾筒內(nèi)，此時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?。浑S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，分離比的變化區(qū)間最大，轉(zhuǎn)速為18 r·min-1時分離比的變化區(qū)間較小。由圖9可知，滾筒轉(zhuǎn)速為22 r·min-1時速度波動區(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、分離比隨時間變化情況

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

3.3.4 溫度對于茶葉炒干品質(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。而在實際生產(chǎn)中需要進(jìn)行大批量綠茶的炒制，所以180 ℃相對更能節(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)一步驗證仿真試驗的結(jié)果同時確定最佳工作參數(shù)，以溫度為因素之一進(jìn)行樣機(jī)試驗，初步確立炒干溫度在160～200 ℃。

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

4 正交試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗內(nèi)容

基于之前對炒干機(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，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)長青茶廠采摘的大宗綠茶為試驗材料，所需茶葉及樣機(jī)如圖13所示。其試驗因素如表3所示。每組試驗重復(fù)3次，取平均值。

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

表3 試驗因素及水平

4.2 評價指標(biāo)

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

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）。

對長青茶廠上午采的茶取一批樣品進(jìn)行測驗，測得炒干前的茶葉含水率約為48.67%，炒干試驗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]中粗形茶測定方法：稱取充分混勻的試樣100 g（精確至0.1g），倒入規(guī)定的碎茶篩和粉末篩的檢驗套篩內(nèi)，蓋上篩蓋，按下啟動按鈕，篩動100 r·min-1。將粉末篩的篩下物稱量（精確至0.1 g），即為粉末含量。再將粉末篩下物稱量（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）。試驗結(jié)果見表4。

4.3 試驗結(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，為炒干時間。

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)樣本，通過Design-Expert 8.0 軟件對影響評價指標(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；試驗因素對于含水率的影響從大到小依次為：炒干溫度、炒干時間和滾筒轉(zhuǎn)速；試驗因素對于碎茶率的影響從大到小依次為：炒干溫度、炒干時間和滾筒轉(zhuǎn)速。模型失擬項均大于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，說明2回歸模型與實際情況擬合度較高，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對茶葉炒干進(jìn)行分析[20]。

表4 試驗結(jié)果

表5 含水率二次多項式模型的方差分析

注:*、**分別為0.05及0.01水平上的顯著性差異。下同。

表6 碎茶率多項式模型的方差分析

為了更清晰直觀地述各試驗因素及其交互作用對試驗評價指標(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，但由于轉(zhuǎn)速差異較小，所以滾筒轉(zhuǎn)速對含水率影響較小。圖14（b）中，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時，隨著炒干時間的降低，含水率逐漸上升，這是由于當(dāng)炒干時間增加會導(dǎo)致茶葉在滾筒內(nèi)的炒干不充分，在面對大批量茶葉炒制時，會有部分茶葉沒有完全炒干。通過14（a）、（b）和（c）對比可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增加、炒干時間增加時，此時含水率下降但變化區(qū)間不大，可推斷出交互作用AC對于含水率影響不顯著；炒干時間增加且炒干溫度增加時，含水率上升趨勢明顯，說明交互作用BC對于含水率影響顯著，與方差分析結(jié)果一致。

滾筒轉(zhuǎn)速、炒干溫度對于碎茶率的影響如圖14（d）所示，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速不變時，炒干溫度的升降對于碎茶率影響明顯，而炒干溫度不變時，碎茶率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加變化不明顯，說明滾筒轉(zhuǎn)速對于碎茶率的影響不顯著。由圖14（e）所示，碎茶率隨炒干時間的變化區(qū)間略大于滾筒轉(zhuǎn)速，說明炒干時間對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，說明溫度對碎茶率的影響大于炒干時間，且交互作用BC對碎茶率影響顯著。

圖14 交互作用對含水率(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)化與對比試驗

針對茶葉含水率與碎茶率的回歸模型，為求各個工作參數(shù)的最佳組合，對所建立的1含水率、2碎茶率兩個評價指標(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 ℃，炒干時間為80 min，此時含水率為5.52%，碎茶率為1.79%。

為驗證仿真參數(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)驗證實驗，以滾筒轉(zhuǎn)速為19 r·min-1，炒干溫度為184 ℃，炒干時間為80 min的樣機(jī)作為試驗樣機(jī)，工作時間，炒干時溫度均與正常炒干時相同，試驗結(jié)果（表7）顯示仿真值與試驗結(jié)果基本一致。

表7 驗證實驗

5 結(jié)論

單因素仿真優(yōu)化試驗以滾筒轉(zhuǎn)速、炒干溫度和炒干時間為試驗因素，對炒干機(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，多因素優(yōu)化試驗表明，3種可控工作參數(shù)對含水率的影響貢獻(xiàn)率依次為：炒干溫度、炒干時間、滾筒轉(zhuǎn)速。多因素優(yōu)化試驗對碎茶率的影響貢獻(xiàn)率依次為：炒干溫度、炒干時間、滾筒轉(zhuǎn)速。再對回歸模型優(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 ℃，炒干時間為80 min。

樣機(jī)試驗結(jié)果表明：通過Design-Expert優(yōu)化求解所得參數(shù)進(jìn)行試制的樣機(jī)能滿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。

[1] 魏明香, 張穎彬, 唐德松, 等. 不同產(chǎn)區(qū)大宗綠茶感官品質(zhì)分析比較研究[J]. 茶葉科學(xué), 2014, 34(1): 55-62.

[2] 顧冬珍.如何提高大宗茶質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的思考[J].中國茶葉, 2004,26(4): 28-29.

[3] 周智修, 段文華, 吳海燕, 等. 我國名優(yōu)茶發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 茶葉科學(xué), 2013, 33(2): 171-178.

[4] 朱麗萍. 茶葉現(xiàn)代加工技術(shù)與裝備的應(yīng)用及推廣策略淺析[J]. 南方農(nóng)業(yè), 2020, 14(36): 197-198.

[5] 宋濤, 崔傳兵. 茶葉炒干機(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)性能指標(biāo)的研討[J]. 農(nóng)機(jī)質(zhì)量與監(jiān)督, 2014(1): 21.

[6] 李文萃, 高華峰, 范起業(yè), 等. 不同炒干條件下夏季日照綠茶的品質(zhì)變化及香氣成分比較[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2020, 36(11): 255-262.

[7] 朱珺語, 陳玉瓊, 余志, 等. 炒干時間對宜紅茶品質(zhì)的影響[J]. 福建茶葉, 2020, 42(4): 4-5.

[8] 查德翔, 吳德勝, 李輝, 等. 滾筒式堆肥物料篩分機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2021, 52(S1): 434-441, 456.

[9] 王文中. 滾筒式茶葉熱風(fēng)復(fù)干機(jī)的設(shè)計與試驗研究[D]. 泰安: 山東農(nóng)業(yè)大學(xué), 2020.

[10] 盛金良, 高君. 垃圾滾筒篩參數(shù)設(shè)計[J]. 建筑機(jī)械化, 2004, 25(3): 62-63.

[11] 胡永光, 李建鋼, 陸海燕, 等. 等直徑滾筒式茶鮮葉分級機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2015, 46(S1): 116-121.

[12] 頓國強(qiáng), 陳海濤, 馮夷寧, 等. 基于EDEM軟件的肥料調(diào)配裝置關(guān)鍵部件參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2016, 32(7): 36-42.

[13] 羅杰. 多孔熱風(fēng)管滾筒式茶葉殺青機(jī)技術(shù)研究[D]. 杭州: 浙江工業(yè)大學(xué), 2016.

[14] 李少華,王麗偉.回轉(zhuǎn)爐內(nèi)壁爐型結(jié)構(gòu)對顆?；旌闲Ч挠绊慬J].煤炭學(xué)報, 2013, 38(10):1878-1881.

[15] GRIMA A P, WYPYCH P W. Development and validation of calibration methods for discrete element modelling[J]. Granul Matter, 2011, 13(2): 127-132.

[16] 張開興, 王文中, 趙秀艷, 等. 滾筒式茶葉熱風(fēng)復(fù)干機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2020, 51(5): 377-386.

[17] 中華全國供銷合作總社. 茶水分測定: GB/T:8304- 2002[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[18] 中華全國供銷合作總社.茶粉末和碎茶含量測定: GB/T 8311-2013[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[19] 彭飛, 方芳, 王紅英, 等. 基于CFD-DEM的飼料調(diào)質(zhì)器物料運動模擬與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2018, 49(12): 355-363.

[20] 朱德泉, 李蘭蘭, 文世昌, 等. 滑片型孔輪式水稻精量排種器排種性能數(shù)值模擬與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2018, 34(21): 17-26.

[21] 張順, 夏俊芳, 周勇, 等. 氣力滾筒式水稻直播精量排種器排種性能分析與田間試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2017, 33(3): 14-23.

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

安徽省重大科技專項（18030701195），安徽省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳安徽省茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資金項目（21805070）和安徽省教育廳重點項目（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