大宗茶鮮葉原料分級機的研制與實驗

任廣鑫，范起業(yè)，何 鑫，2，何雪軍，李文萃，2，王 進，唐小林，*

(1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州310016;2.浙江大學茶葉系，浙江杭州310058;3.浙江大學CAD＆CG國家重點實驗室，浙江杭州310027)

近年來，我國茶區(qū)勞動力日漸緊缺，采茶成本普遍上漲［1］，大量優(yōu)質(zhì)大宗茶不能被有效利用。據(jù)統(tǒng)計，我國茶區(qū)勞動力成本約占總生產(chǎn)成本的80%～90%，鮮葉采摘成本約占勞動力成本的70%［2］。隨著茶鮮葉機械化采摘技術的發(fā)展、成熟與裝備的推廣［3-6］，機采鮮葉已成為提高大宗茶利用率的必然趨勢。然而，采茶機的大量使用也產(chǎn)生了一些負面的問題，如機采葉長短不一，老嫩不同，是導致大宗茶品質(zhì)下降的主要原因之一。因此，迫切需要一種優(yōu)選優(yōu)質(zhì)茶鮮葉，保證茶葉加工品質(zhì)的大宗茶鮮葉分級設備。目前，在茶鮮葉質(zhì)量分級方面，主要有名優(yōu)茶鮮葉分級機的研制以及茶鮮葉質(zhì)量近紅外評價技術的引進。王勝鵬等［7］通過偏最小二乘(PLS)方法，建立了茶鮮葉的近紅外光譜(NIRS)與其含水量、粗纖維總量和全氮量之間的相關性模型。提出了基于鮮葉含水量、粗纖維總量和全氮量的茶鮮葉原料的質(zhì)量系數(shù)方程，得出了鮮葉的質(zhì)量系數(shù)。并證明了鮮葉質(zhì)量系數(shù)越大，其質(zhì)量等級越高。Zhang等［8］將近紅外光譜技術與PLS法相結(jié)合用于幼嫩芽葉組成性質(zhì)的評價和質(zhì)量等級的評估，獲得了較好的結(jié)果。駱耀平等人［9］研制出名優(yōu)茶鮮葉原料分級機MCF-Ⅰ、改良型MCF-Ⅰ和MCF-Ⅱ，并進行了分級效果的對比實驗。同時，在國內(nèi)各大茶葉機械廠已生產(chǎn)有不同型號的鮮葉原料分級機具，如6CXF-70型茶葉分級機(浙江春江茶葉機械有限公司)等，已在茶葉生產(chǎn)中得到應用。但對大宗茶分級的研究至今仍鮮有文獻報道。本文自主研制的拋擲式大宗茶鮮葉分級機是一個曲柄搖桿機構(gòu)，首先由電機通過皮帶驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸通過連桿將運動傳遞到搖桿，搖桿最終帶動分級槽體作往復運動。通過改變槽體上的篩網(wǎng)孔徑大小，即可進行分級作業(yè)。采用正交實驗方法分析鮮葉的分級效果，為茶鮮葉分級機在大宗茶生產(chǎn)中的實際應用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

單人采茶機采回的茶鮮葉原料 采自浙江省金華市九峰山周邊區(qū)域的鷲坑種，實驗茶園為夏季輕修剪后的有機茶區(qū)，茶園枝葉長勢良好，未見明顯病、蟲害，地點選擇金華市采云間茶業(yè)有限公司九峰茶葉出口基地。

SV100型雙人川崎采茶機 浙江川崎茶葉機械有限公司;FA1104A型電子天平 上海國灝化學儀器有限公司;PAN-GLOBE型多功能計時器 深圳萬興鴻電子有限公司;6CZF-300型拋擲式大宗茶鮮葉原料分級機 中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院與浙江上洋機械有限公司聯(lián)合研制。

1.2 整機結(jié)構(gòu)設計

1.2.1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理 本文研制的拋擲式大宗茶鮮葉分級機的整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由動力部分(三相異步電機)、傳動部分(皮帶輪、曲軸、連桿、搖桿)、分級槽體(振動槽、篩網(wǎng))和機架部分(擋板、連接塊、連接機架)等四部分組成，整機外部尺寸及功率等參數(shù)設置見表1。

表1 設計參數(shù)表Table 1 Design parameters

圖1 大宗茶鮮葉分級機總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the grading machine for ordinary tea leaf material

該機工作時，電機旋轉(zhuǎn)帶動曲軸搖桿機構(gòu)，使搖桿作往復擺動，槽體與各搖桿鉸接構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)，促使槽體往復平動。槽體中的茶鮮葉，受槽體斜向拋力作用，不斷向前運動，當孔徑大于茶鮮葉的尺寸時，茶鮮葉便會從孔中落下，傳送至下一工序的接茶口。

1.2.2 篩網(wǎng)的設計 根據(jù)機采鮮葉原料采摘嫩度、大小差異較大的特點，自制了拋擲式分級機的網(wǎng)孔篩板，結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看出，篩板設置有五種不同孔徑的網(wǎng)孔。按照網(wǎng)孔大小順序，其長度和寬度分別設定為 3、4.5、6、7、8cm 和 1.5、2、3、4、4cm，以達到將單片葉、粗大的原料與優(yōu)質(zhì)鮮葉原料分級付制的目的。各個網(wǎng)孔篩板的長度為54cm，寬度為75cm，分級機篩板總長為270cm，保證了大小差異較大的鮮葉原料能夠較好地分離，獲得較好的分級結(jié)果。

圖2 分級機篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of screen of the grading machine

1.2.3 機器運行狀況 研制的拋擲式分級機在浙江省金華市湯溪鎮(zhèn)采云間茶業(yè)有限公司九峰工場進行了茶鮮葉原料的分級實驗。實驗過程中，機器運行良好，狀態(tài)穩(wěn)定，無故障發(fā)生。

1.3 實驗設計

為了綜合評價拋擲式鮮葉分級機的工作性能，探明影響其分級效果的主次因素。根據(jù)文獻報道［9-12］及拋擲式分級機的工作原理，該機是通過振動和投葉等多因素共同完成分級作業(yè)，以單因素作為控制分級效果難以實現(xiàn)，且不切合生產(chǎn)實際。因此，選擇鮮葉機械組成、投葉量、振動頻率為影響實驗指標的主要因素。采用3因素3水平正交實驗獲得各指標與各個因素間的量化關系，實驗因素水平如表2所示。

表2 實驗因素與水平表Table 2 Table of experimental factors and levels

1.4 分級效果評價指標

分凈率(Grading ratio，Gr)和掛網(wǎng)率(Netting ratio，Nr)是決定生產(chǎn)中茶鮮葉分級質(zhì)量的主要指標。因此，選擇分凈率Gr和掛網(wǎng)率Nr作為鮮葉原料分級機分級效果優(yōu)劣的評價指標。

1.4.1 分凈率 分凈率是指在鮮葉分級過程中，一定長度的枝葉落入分級機相應大小網(wǎng)孔的多少。計算公式如下:

式中，Ms為鮮葉落入相應大小網(wǎng)孔的重量，單位:kg/min;Mt為落入篩網(wǎng)的鮮葉總重量，單位:kg/min。

1.4.2 掛網(wǎng)率 掛網(wǎng)葉是指在鮮葉分級過程中，由于枝葉展葉角度較大，掛于篩網(wǎng)而不能正常落入網(wǎng)孔內(nèi)的鮮葉。掛網(wǎng)率計算公式如下:

式中，Mf為分級過程中的投葉量，單位:kg/min;Mz為落入各個篩網(wǎng)下的鮮葉總量，單位:kg/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 大宗茶鮮葉分級機分級效果

表3 茶鮮葉原料機械組成劃分結(jié)果Table 3 Divisions of fresh leaf material mechanical composition

表4 分級機的分級結(jié)果Table 4 Classification results of the grading machine

2.1.1 鮮葉機械組成劃分 為評估大宗茶鮮葉原料分級機的分級效果，根據(jù)機具結(jié)構(gòu)設置有五個不同孔徑的網(wǎng)孔，鮮葉由投葉口經(jīng)振動分篩可以得到六段不同大小的鮮葉原料，即一區(qū)段(小于3cm)、二區(qū)段(3～4.5cm)、三區(qū)段(4.5～6cm)、四區(qū)段(6～7cm)、五區(qū)段(7～8cm)、六區(qū)段(大于8cm)。采用五分法取樣，以機采鮮葉原料大小分級歸類，劃分原料機械組成，不同批次進廠的機采鮮葉原料機械組成劃分結(jié)果見表3。從表3茶鮮葉組成看，一至五區(qū)段的鮮葉所占的比例差異不大，六區(qū)段的鮮葉占有較高的比例，是其它區(qū)段鮮葉比例的2～3倍。這表明，大宗茶鮮葉原料機械組成中，粗大的茶鮮葉原料所占比例較大［7］。

2.1.2 鮮葉原料分級 不同投葉量、振動頻率下，不同批次的鮮葉原料經(jīng)大宗茶鮮葉分級機分級結(jié)果見表4。表4結(jié)果顯示，各個批次的鮮葉原料經(jīng)分級機分級，得到各區(qū)段的分凈率均大于50%。其中，一、二、六區(qū)段的分凈率較高，三、四、五區(qū)段的分凈率相對較低。從振動頻率的變化看，振動頻率為50Hz時，各區(qū)段的分凈率較高。選取第二批次的鮮葉，振動頻率為50Hz，投葉量為5kg/min時，獲得各區(qū)段的分凈率最高，分別約為84.44%、82.49%、74.48%、72.85%、74.57%、85.42%?！胺旨壐吨啤笔遣枞~加工的基本原則［13］，加工技術的選擇和參數(shù)的設置基于對原料等級的科學評價。通過拋擲式鮮葉分級機分篩，優(yōu)選出不同質(zhì)量的鮮葉原料，在此基礎上加工出外形均一，品質(zhì)上乘的優(yōu)質(zhì)茶是完全可行的，這也是建立連續(xù)化、自動化生產(chǎn)線的必要環(huán)節(jié)。

2.2 正交實驗結(jié)果

以各批次鮮葉機械組成、投葉量、振動頻率為分級機分級效果的影響因素，得到正交實驗結(jié)果見表5。表5正交實驗結(jié)果顯示，各批次鮮葉機械組成、投葉量、振動頻率對分級機的平均分凈率和掛網(wǎng)率的極差分別為 0.4、7.0、12.1 和 0.5、3.6、5.5，相應的變幅分別為59.59%～79.04%和3.60%～14.96%。這表明，各因素影響分凈率和掛網(wǎng)率的主次順序為振動頻率＞投葉量＞鮮葉機械組成，最優(yōu)組合為第二批次鮮葉機械組成、投葉量5kg/min、振動頻率50Hz。其中，振動頻率為50Hz時，可在降低掛網(wǎng)率的同時縮短分級機進出料時間，進而有效地提高分級機的分級效率。對于本研究所設計的分級機而言，采用第二批次鮮葉為實驗原料，投葉量為5kg/min且振動頻率為50Hz時，平均分凈率最高，掛葉率最低，分別可達到79.04%和3.60%。

表5 正交實驗結(jié)果Table 5 Results of orthogonal experiment

3 結(jié)論與討論

3.1 利用一種新型大宗茶鮮葉原料分級機，通過拋擲的方式進行分級作業(yè)。設置投葉量為5kg/min、振動頻率為50Hz，使用第二批次鮮葉原料分級，得到平均分凈率為79.04%，掛網(wǎng)率為3.60%。實驗結(jié)果表明，應用拋擲式大宗茶鮮葉原料分級機對機采大宗茶鮮葉進行分級是可行的。為改善大宗茶品質(zhì)，實現(xiàn)標準化加工提供了可行性。

3.2 分級槽體長短和網(wǎng)孔大小的配置是影響分級質(zhì)量優(yōu)劣的必要因素。適度增加分級槽體長度，合理配置網(wǎng)孔孔徑大小，有助于減少各區(qū)段鮮葉重疊交叉現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低分級機的誤分率。同時，為保證分級過程中鮮葉厚度均勻一致，防止展葉狀態(tài)小的原料提前或滯后出現(xiàn)，可在投葉口配置勻葉器，為實現(xiàn)加工技術裝備的標準化提供了可能。

3.3 機采大宗茶鮮葉經(jīng)分級機分級，可有序地篩分斷碎、粗老芽葉與中間段質(zhì)量較好的優(yōu)質(zhì)原料。選用優(yōu)質(zhì)原料制得的優(yōu)質(zhì)大宗茶，可有效地提高大宗茶質(zhì)量和增加其經(jīng)濟效益。同時，使傳統(tǒng)觀念對大宗茶原料粗老、品質(zhì)低劣、效益貧乏的看法得到改觀，有利于帶動我國茶葉消費的轉(zhuǎn)型和茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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