猴魁茶葉壓扁技術(shù)研究與裝置設(shè)計(jì)

路 浪，陸佳平，齊 裕

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

0 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)正在不斷應(yīng)用在產(chǎn)品加工和生產(chǎn)之中，尤其在化工、醫(yī)療、食品等需求量較大的行業(yè)當(dāng)中，不僅可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品連續(xù)化生產(chǎn)，而且也可以降低勞動(dòng)成本，提高生產(chǎn)效益［1］。猴魁茶是中國(guó)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?xiàng)l－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(shí)依然采用人工或半自動(dòng)化的方式進(jìn)行。嚴(yán)重影響猴魁茶自動(dòng)化、清潔化、統(tǒng)一化發(fā)展，嚴(yán)重制約該產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率［3］。因此，開發(fā)設(shè)計(jì)一種持續(xù)、高效的猴魁茶壓扁拍打機(jī)來提高工作效率，以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、降低企業(yè)成本及滿足市場(chǎng)需求。

1 壓扁工藝方案

設(shè)計(jì)壓扁拍打機(jī)對(duì)猴魁茶進(jìn)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(shè)計(jì)過程中需要滿足以下基本要求：（1）用網(wǎng)帶進(jìn)行輸送，網(wǎng)帶與主動(dòng)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(jīng)過拍打茶葉不與網(wǎng)帶粘連。

目前現(xiàn)有的壓扁機(jī)，采用輸送帶進(jìn)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(jìn)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(chǎn)中使用，刮刀易對(duì)茶葉造成破壞，所以茶葉壓扁定形機(jī)一直無法投入到實(shí)際制茶生產(chǎn)中，也嚴(yán)重影響猴魁茶制茶自動(dòng)化生產(chǎn)線的開發(fā)設(shè)計(jì)［5］。

經(jīng)過調(diào)研分析，本設(shè)計(jì)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(jí)壓扁輥輪和拍打機(jī)構(gòu)，上下網(wǎng)帶間距由入口向內(nèi)逐步減小，再由內(nèi)向出口逐步增加，依次經(jīng)過初步壓扁—一級(jí)拍打—壓扁定形—二級(jí)拍打—三級(jí)拍打，進(jìn)一步避免茶葉與網(wǎng)帶粘連。最終基本可以實(shí)現(xiàn)茶葉經(jīng)壓扁后與網(wǎng)帶不粘連，為后續(xù)烘干工序做好準(zhǔn)備，為實(shí)現(xiàn)猴魁茶制茶連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。

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

2 壓扁機(jī)技術(shù)原理

猴魁茶葉壓扁拍打機(jī)主要由壓扁機(jī)構(gòu)、絲網(wǎng)帶輸送機(jī)構(gòu)、下承載組件和拍打機(jī)構(gòu)組成，茶葉壓扁機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)建模如圖3所示。

圖3 茶葉壓扁機(jī)總體結(jié)構(gòu)建模Fig.3 Modeling the overall structure of the tea flattening machine

整機(jī)運(yùn)行原理：壓扁機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)輥輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)輥輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)輥輪在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，輸送網(wǎng)帶帶動(dòng)茶葉向前勻速行進(jìn)，當(dāng)猴魁茶行進(jìn)至壓扁入口，上下對(duì)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(jìn)入壓扁對(duì)壓網(wǎng)帶，猴魁茶葉先經(jīng)過一級(jí)壓扁輥輪進(jìn)行預(yù)壓，繼續(xù)行進(jìn)至拍打機(jī)構(gòu)進(jìn)行一次拍打；茶葉行進(jìn)進(jìn)入二級(jí)壓扁輥輪完成最終壓扁定形，繼續(xù)行進(jìn)至拍打區(qū)進(jìn)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(jìn)至出口處進(jìn)行最后一次拍打操作，出口處上下對(duì)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(dòng)下，進(jìn)入后續(xù)烘干工序。茶葉壓扁機(jī)原理如圖4所示。

圖4 茶葉壓扁機(jī)原理Fig.4 Schematic diagram of tea flattening machine

3 主要操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 壓扁裝置設(shè)計(jì)

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

圖5 壓扁機(jī)構(gòu)原理圖Fig.5 Schematic diagram of flattening mechanism

其中壓扁機(jī)構(gòu)中的一對(duì)壓輥由滾子鏈連接電機(jī)傳動(dòng)，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(duì)壓輥輪之間有壓輥隔開，目的是消除拍打裝置產(chǎn)生的沖擊對(duì)前后壓扁茶葉狀態(tài)的影響，保證茶葉穩(wěn)定可靠進(jìn)行壓扁定形［8］。另外壓扁機(jī)構(gòu)出口處還設(shè)一組拍打機(jī)構(gòu)，確保茶葉不粘連在網(wǎng)帶上。

整個(gè)壓扁機(jī)構(gòu)兩端設(shè)有調(diào)節(jié)手輪，目的是可以整體調(diào)節(jié)壓扁機(jī)構(gòu)與輸送機(jī)構(gòu)的間距，調(diào)控上下對(duì)壓輥輪對(duì)茶葉的壓力。壓輥對(duì)茶葉的壓力稱為線壓力，即表示上下壓輥接觸面單位長(zhǎng)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(jì)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(shè)計(jì)

絲網(wǎng)輸送機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輥輪組件、動(dòng)力組件、調(diào)節(jié)張緊組件、從動(dòng)輥輪組件、輸送網(wǎng)帶，如圖6所示。電機(jī)通過滾子鏈連接主動(dòng)輥輪進(jìn)行傳動(dòng)，電機(jī)功率為200 W，主動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生足夠的摩擦力，為了進(jìn)一步確保滾輪帶動(dòng)絲網(wǎng)平穩(wěn)輸送，設(shè)置一個(gè)可調(diào)節(jié)的輥輪和一個(gè)固定的輥輪，進(jìn)行輥輪橫向調(diào)整，目的是增加主動(dòng)輥輪與網(wǎng)帶之間的包角，同時(shí)網(wǎng)帶因?yàn)樽陨淼闹亓ψ饔脮?huì)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(jìn)，速度大約20 mm/s，網(wǎng)帶速度可調(diào)節(jié)，變速范圍為0～10 m/min。壓扁過程分成兩級(jí)，第一級(jí)上下對(duì)壓輥輪完成初步壓扁，然后進(jìn)入拍打區(qū)域拍打，接著再次進(jìn)入一組上下對(duì)壓輥輪完成壓扁定形，最后進(jìn)入拍打區(qū)域進(jìn)行二次拍打。兩組上下對(duì)壓輥輪之間有壓輥隔開，目的是消除因?yàn)榕拇蜓b置產(chǎn)生的沖擊對(duì)前后壓扁茶葉狀態(tài)的影響，保證茶葉穩(wěn)定可靠進(jìn)行壓扁定形。輸送機(jī)構(gòu)中一對(duì)壓扁輥輪可以手柄調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)上下對(duì)壓輥輪的間距，間接調(diào)節(jié)壓扁壓力，壓扁的壓力通過調(diào)試進(jìn)行測(cè)試確定。

圖6 輸送機(jī)構(gòu)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(jìn)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(zhì)，經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)繑?shù)選24為宜，網(wǎng)帶可使用帶寬≤1 000 mm；最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與網(wǎng)帶速度相匹配，且有彈力支撐。

壓扁機(jī)構(gòu)與輸送機(jī)構(gòu)均選用滾子鏈傳動(dòng)方式進(jìn)行傳動(dòng)，因?yàn)殒渹鲃?dòng)無彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)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(duì)鏈傳動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選擇。

3.2.1 主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n1計(jì)算

小鏈輪齒數(shù)z1少，可減少外廓尺寸，但齒數(shù)過少，會(huì)增加運(yùn)動(dòng)的不均勻性和動(dòng)載荷。一般z1≥17，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)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(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n1由關(guān)系可得：

傳動(dòng)比的選定過大，鏈條在小鏈輪上的包角就會(huì)過小，參與嚙合的齒數(shù)減少，每個(gè)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(dòng)的傳動(dòng)比i≤6，常取i=2～3.5，鏈條在小鏈輪上的包角不應(yīng)小于120°。由實(shí)際情況，選定i=2，再由主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n1，從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n2與傳動(dòng)比之間關(guān)系：i=n1/n2=z2/z1，求得從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n2=1 r/min；從動(dòng)鏈輪齒數(shù)z2=34。

3.2.2 單排鏈額定功率計(jì)算Pc

選定的電機(jī)的傳動(dòng)功率P=0.4 kW；由公式Pc=Pf1f2，可得修正功率Pc，再將鏈傳動(dòng)所傳遞的功率修正為當(dāng)量的單排鏈計(jì)算功率，計(jì)算公式：

式中KA——工況系數(shù)；

KZ——主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)；

KP——多排鏈系數(shù)，雙排鏈時(shí)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(jì)算鏈節(jié)數(shù)和中心距

初選中心距a0=（30～50）P，按下式計(jì)算鏈節(jié)數(shù)：

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

鏈傳動(dòng)的最大中心距：

式中f1——為中心距計(jì)算系數(shù)，可查表。

計(jì)算鏈速v，查表確定潤(rùn)滑方式：

潤(rùn)滑方式為采用定期人工潤(rùn)滑。

計(jì)算鏈傳動(dòng)作用在軸上的壓軸力Fp：

3.3 拍打裝置設(shè)計(jì)

拍打機(jī)構(gòu)包括拍打組件、支撐軸承、動(dòng)力組件、調(diào)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(zhuǎn)動(dòng)拍輥、彈簧片、拍打主軸、內(nèi)側(cè)同步輪、外側(cè)同步輪，其中轉(zhuǎn)動(dòng)拍輥的母線固連在彈簧片的一側(cè)，彈簧片的另一側(cè)固聯(lián)在拍打軸的母線上，拍打機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)，電機(jī)功率選用200 W，減速比為20:1；拍打機(jī)構(gòu)拍打速度n=30～60 r/min，根據(jù)實(shí)際進(jìn)行校核調(diào)控；轉(zhuǎn)動(dòng)拍輥為尼龍材質(zhì)，與彈簧片連接為固定長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)，可調(diào)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(jī)和拍打機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)，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(zhǎng)孔實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)［11］；最終拍打機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)帶的行進(jìn)關(guān)系：網(wǎng)帶每走20～40 mm拍打一次（單向）；彈簧片彈力計(jì)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(zhǎng)度，mm。

3.4 壓扁機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

壓扁拍打機(jī)采用夾網(wǎng)滾壓原理，絲網(wǎng)材質(zhì)選PU塑料，絲網(wǎng)目數(shù)由試驗(yàn)來確定，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

試驗(yàn)前需要測(cè)出茶葉含水量，根據(jù)GB/T 8304-2002《茶 水分測(cè)定》要求，采用120 ℃烘干法，稱取5 g試樣，置120 ℃烘箱內(nèi)，以2 min內(nèi)回升到120 ℃開始計(jì)時(shí)，加熱1 h，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱量（準(zhǔn)確至0.001 g），3個(gè)重復(fù)樣，取平均值。測(cè)出茶葉含水量為68%～69%［12］。

試驗(yàn)準(zhǔn)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(zhì)），金屬壓輥一對(duì)，金屬鐵棒一對(duì)，烘箱；

試驗(yàn)步驟：絲網(wǎng)放置平整于試驗(yàn)臺(tái)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(jìn)行第一次對(duì)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(jìn)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(yán)格依照傳統(tǒng)猴魁茶制茶烘干工序進(jìn)行烘干試驗(yàn)，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(jìn)行老烘，溫度70 ℃左右，每隔3～4 min翻面，歷時(shí)約30 min左右，下烘攤涼；最后再進(jìn)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(shí)約20 min，至茶葉足干時(shí)即可起烘［13］。重復(fù)進(jìn)行以上試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果分析：對(duì)比圖8和圖9，可知2種不同規(guī)格的絲網(wǎng)，進(jìn)行多級(jí)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(dòng)力以及穩(wěn)定性和使用壽命問題，由經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)。

4 結(jié)語

針對(duì)目前猴魁茶制茶生產(chǎn)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(chǔ)上研究與設(shè)計(jì)了一種新型猴魁茶葉壓扁機(jī)，通過模仿傳統(tǒng)手工隔網(wǎng)壓扁工藝，提出相應(yīng)的壓扁技術(shù)方案以及夾網(wǎng)滾壓的壓扁技術(shù)原理；對(duì)技術(shù)方案所涉及關(guān)鍵技術(shù)裝置及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行原理分析與參數(shù)設(shè)計(jì)，提高整臺(tái)壓扁機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性；采用隔網(wǎng)帶多級(jí)壓扁和拍打技術(shù)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(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，為猴魁茶制茶自動(dòng)化生產(chǎn)線的建立打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。