基于EDEM的茶叶揉捻机参数优化及试验研究

李兵，李为宁，柏宣丙，黄剑虹

基于EDEM的茶叶揉捻机参数优化及试验研究

李兵1,2，李为宁1，柏宣丙1，黄剑虹3

1. 安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036；2. 安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室，安徽 合肥 230036；3. 浙江上洋机械股份有限公司，浙江 衢州 324000

为解决目前茶叶在揉捻过程中揉捻质量不稳定的问题，以6CR-40型茶叶揉捻机为研究对象，基于Solidworks对茶叶揉捻机进行三维建模，运用离散元仿真软件EDEM对茶叶揉捻机的揉捻过程进行数值模拟，探求各试验因素对茶叶揉捻机性能指标的影响规律。运用二次正交旋转试验，通过Design-Expert软件进行优化求解，获得揉捻质量最佳的结构参数组合。结果表明，当揉桶转速为42 r·min-1、棱骨高度为10 mm、揉盘倾角为3.8°时，茶叶的成条率为88.55%、碎茶率为1.83%。茶叶揉捻机具有较好的揉捻质量。验证试验结果与仿真优化结果基本一致。

茶叶揉捻机；EDEM；仿真分析；二次正交旋转试验；响应面法

揉捻是茶叶加工重要工序之一，茶叶加工过程中，除了白茶、绿茶和黄茶中的少类茶无需揉捻外，一般均需揉捻。杀青后的茶叶经过揉捻工序使得茶叶体积缩小，卷紧条索，增加了茶叶容重，并且由于适当破坏叶组织，茶汁逐渐溢出于茶叶外表面，加速多酚类化合物的酶促氧化，促进了茶叶色香味的形成[1]。现代茶叶加工生产过程中揉捻环节已经实现机械化，主要依靠盘式茶叶揉捻机来完成，为提高茶叶揉捻机的工作性能，相关专家对茶叶揉捻机的揉捻性能进行了大量研究。陈世辉[3]以茶叶揉捻机的外揉盘凹倾角为研究对象，通过有限元分析获得揉捻特性较好时外揉盘的结构参数；岳鹏翔等[4]运用机械优化设计方法，建立优化设计数学模型，对茶叶揉捻机的棱骨安装数量、棱骨安装角度等结构参数进行优化设计；周昊等[5]通过对棱骨的有限元动力学分析，研究了不同棱骨结构参数对揉捻叶的影响；瞿廷怡等[6]通过对揉捻机支臂优化设计以减轻其重量，运用电机进行自动加压，实现揉捻自动化。上述研究对揉捻机的参数优化提供了新的方法，但并未能对揉捻过程中茶叶颗粒的运动学参数进行量化分析。近年来，随着计算机技术不断发展，离散元法及其虚拟仿真在农业工程领域有着越来越多的应用，为研究物料颗粒—机械零部件间相互作用的变化规律，优化机械结构提供了新的技术手段[7-10]。

本文以6CR-40型茶叶揉捻机为研究载体，通过Solidworks建立茶叶揉捻机三维模型，运用EDEM对揉捻过程中茶叶运动学参数进行量化分析，得到不同结构参数对茶叶揉捻质量的影响规律，以成条率和碎茶率作为性能评价指标，进行二次正交旋转组合试验并借助Design-Expert绘制影响茶叶揉捻机性能的响应曲面图，旨在获得茶叶揉捻机的最优参数组合，为该型号揉捻机的优化设计提供参考依据。

1 茶叶揉捻机的基本结构与工作原理

茶叶揉捻机由电动机、小皮带轮、大皮带轮、减速器、曲柄、立柱、加压臂、加压盖、揉桶、揉盘、三角架、支撑机架、出茶门推杆、加压手轮以及手柄等组成[11]。茶叶揉捻机的相关结构设计参数如表1所示。揉盘是一个由四周向中心位置逐渐下凹的盘型结构件，通常由不锈钢板做成，并装有若干不锈钢弧形棱骨，用以增强茶叶揉捻的揉搓力。揉捻过程中压力调整通过丝杆和螺母的运动控制加压盖的升降来实现，加压盖的上、下浮动由弹簧控制。揉盘的中心位置是用于开启和关闭茶叶出料的出茶门，出茶门采用摆动式结构，由出茶门推杆、手柄等组成。当转动手柄时出茶门随之摆动回转，若将出茶门关闭，将出茶门推杆锁住出茶门即可。茶叶揉捻机整体结构图，如图1所示。

茶叶揉捻机工作时，电动机作为动力输出，经皮带传动及齿轮箱转换运动方向，驱动主曲柄做回转运动，带动揉桶在揉盘上做偏心回转运动，茶叶在揉桶中受加压盖加压，并在棱骨的搓揉作用下进行揉捻作业。揉捻过程大致可以分为3个阶段，分别是空压起条阶段、加压紧条阶段以及松压解团阶段。空压阶段是促使茶叶成条的基础阶段，空压可以减少茶叶的滚动摩擦阻力，便于片状叶起条。加压阶段增大了茶叶颗粒间的内摩擦力以及棱骨对茶团的揉搓作用，促使茶叶细胞破坏，条索卷紧。松压阶段，加压盖逐渐上移致使叶层占有的空间增大，紧压的茶团被振松抖散。

表1 茶叶揉捻机的结构设计参数

注：1-电动机，2-小皮带轮，3-减速器，4-大皮带轮，5-曲柄，6-立柱，7-加压臂，8-加压盖，9-揉桶，10-三脚架，11-揉盘，12-支撑机架，13-出茶门推杆，14-加压手轮，15-手柄

2 茶叶揉捻运动规律

茶叶在揉捻过程中的运动情况十分复杂，不仅有揉桶、揉盘等结构部件对茶叶的翻滚运动，而且还有茶叶之间的相互运动，以及茶叶散落在揉盘上的自由运动。揉捻叶受到多种力的综合作用而形成一定的运动规律，将揉桶内所有茶叶看成一个整体，茶团所受的作用力包括：揉桶侧壁的推力、揉盘支持力、加压盖正压力、茶叶自身重力以及茶叶颗粒间的内摩擦力[12]。以单颗茶叶颗粒为例进行受力分析，如图2所示。

1=2/····························· （1）

F=(+3) ························· （2）

=+4································（4）

式中，1—揉桶侧壁推力，N；3—茶叶颗粒所受挤压力，N；—茶叶颗粒单位面积所受挤压力，N；4—加压盖压力，N；—茶叶颗粒间内摩擦力，N；—加压盖压力与茶叶重力之和，N；—茶叶自身重力，N；—茶叶颗粒的质量，kg；—揉桶半径，m；—茶叶颗粒的线速度，m·s-1。

揉捻叶在揉桶内不仅随揉桶中心作圆周运动，而且又在翻转作用力下向上前方运动，最后散落在揉盘上。每一时刻揉捻叶在揉桶内的位置都不相同，故形成了茶叶揉捻运动规律，可大致分为4个不同的作用区[13]。靠近揉盘和棱骨的区域由于揉搓作用力较大，茶叶在揉桶推力作用下向前运动形成揉搓区。在揉搓区内揉捻叶运动速度较快，从而将茶叶揉捻成条，体积逐渐缩小；在揉桶、揉盘以及加压盖对茶叶作用力的交点周围，由于茶叶受到的作用力最大，故形成强压区。当茶叶进入强压区时，茶叶被推向揉桶中心位置汇集，相互挤压成团状，并在翻转作用力下向上翻转；由于揉桶上半部揉捻叶受到的摩擦阻力较小，故在惯性力和茶叶自身重力的作用下而向前下翻，形成下翻区；揉桶继续作回转运动，下翻区的揉捻叶散落在揉盘尚未进行揉捻的区域，形成散落区。

3 仿真过程及分析

3.1 仿真模型建立

为了能够更加清晰、直观地模拟茶叶的揉捻过程，运用三维建模软件Solidworks对揉桶、揉盘等关键结构部件实体建模（图3），并导入EDEM中进行仿真分析。

茶叶颗粒在揉捻过程中形状差异明显，按照长宽高的正态分布尺寸选取建模对象，故在EDEM中拟合出与茶叶颗粒外形轮廓相吻合的多球面组合体作为颗粒模型[14]，按照茶叶大小建立茶叶颗粒仿真模型，如图4所示。根据茶叶物料物理特性，设置茶叶颗粒模型的物理属性参数和接触属性参数[15-18]，如表2所示。

根据茶叶颗粒表面物理特性，选择Hertz-Mindlin（no slip）模型作为仿真接触模型。设置EDEM颗粒工厂以300个·s-1的速率生成茶叶颗粒模型，保证揉桶内有充足茶叶颗粒进行仿真模拟。

注：F1-揉桶侧壁推力，F2—揉盘支持力，F4—加压盖压力，Ff—茶叶颗粒间内摩擦力，G—茶叶自身重力

图3 茶叶揉捻机仿真模型

图4 茶叶颗粒模型

表2 茶叶颗粒参数

3.2 揉桶转速对茶叶揉捻质量的影响

揉桶转速对茶叶颗粒在揉桶中的运动有着显著影响。随着揉桶转速增大，揉捻叶的平均速度明显增大（图5-A）。揉桶转速对茶叶颗粒受力影响分为两个阶段：0~3.5 s是松散茶叶揉捻成茶团的过程，此过程揉桶转速对茶叶颗粒受力影响不大；3.5 s后茶团形成，揉桶转速对茶叶颗粒受力影响较大，当揉桶转速适当时（45 r·min-1），茶叶颗粒受力较为均匀，有助于茶叶揉搓成条状。揉桶转速过低，机器对茶叶的挤压、揉搓作用力过小，茶叶在揉桶中不能充分翻动，导致所制茶叶条索粗松，茶叶颗粒受力不均匀，成条率低；揉桶转速过高，茶叶颗粒间内摩擦力过大，碎茶率相应增大。当产生较多数量的碎茶时内摩擦力减小，成条率降低，同时造成机器较大振动（图5-B）。

3.3 棱骨高度对茶叶揉捻质量的影响

理论分析及实际使用均表明，棱骨在茶叶揉捻成形过程当中发挥着重要作用，棱骨结构有利于揉捻过程中形成茶团、促进其向上翻转并扭转成条[19]。仿真结果表明：棱骨高度变化对茶叶颗粒的平均速度影响不大（图6-A）；但棱骨高度变化对揉捻叶的作用力影响较大，棱骨高度减小，棱骨对茶叶的摩擦阻力以及茶叶向上翻转的作用力减小，导致揉捻叶成条率降低。同时棱骨不能把茶叶导向揉捻强压区，揉捻叶的跑茶率相应增大；棱骨高度过高，棱骨对揉捻叶的摩擦阻力增大，位于揉盘底部的茶叶易揉碎，碎茶率增大，揉捻质量下降（图6-B）。

图6 不同棱骨高度下茶叶颗粒的平均速度、作用力曲线

3.4 揉盘倾角对茶叶揉捻质量的影响

揉盘对揉捻茶团的支持力是偏向揉盘中心的，它是促使茶团在揉盘翻滚的重要因素之一。如图7-A所示，0~0.8 s，为松散茶叶加速时间，松散茶叶在揉桶转动带动下逐渐加速；0.8~3.0 s，为茶叶成团过程，茶叶由于茶叶间互相摩擦，粘滞阻力及内摩擦力逐渐加大，茶叶速度下降并逐步揉捻成团；3.0~3.5 s，为茶团加速过程，成团的茶叶在揉桶的带动下速度逐渐增大到最大值。揉盘倾角对茶团的形成影响较小，但随着揉盘倾角变大，茶团的最大速度也增大。如图7-B所示，所受作用力在揉盘倾角为4°时明显增大且达到最大值。揉盘倾角过大使得强压区的揉搓时间过长，揉桶侧边与揉盘中心位置的揉捻叶不容易发生易位，形成局部强压区，从而导致揉捻叶碎茶率相应增大；揉盘倾角过小使得揉捻叶不容易翻滚，茶叶不容易进入强压区揉搓成形，从而造成揉捻叶成条率降低，揉捻质量较差。

4 正交旋转试验与结果

4.1 试验因素与评价指标

为了研究揉捻过程中影响茶叶揉捻质量的主要因素，得到揉捻性能最优的结构参数组合，在仿真模型建立及EDEM结果分析基础上，进行二次正交旋转试验。影响茶叶揉捻机揉捻质量优劣的主要因素有揉桶转速、揉盘倾角、棱骨高度、棱骨数量等多种因素，岳鹏翔等[4]对棱骨数量优化结果为12，为了探求其他影响因素的优化结果，选取揉桶转速、棱骨高度以及揉盘倾角作为试验因素，选择成条率和碎茶率作为揉捻机的性能评价指标，设计3因素3水平的二次正交旋转试验，试验因素编码如表3所示，每组试验重复3次，取平均值，试验结果如表4所示。

表3 试验因素编码

4.2 试验原料和设备

试验原料采用6CST-60型电热滚筒杀青机进行杀青处理，然后将杀青叶混匀后，通过更换不同结构参数（棱骨高度、揉盘倾角）的揉盘进行茶叶的揉捻试验（图8）。加入适量杀青叶，揉捻时间为35 min，采用常规加压方式[20]。揉捻过程结束后对揉捻叶取样，测定所取样品的成条率和碎茶率。为了使试验结果能正确反映茶叶揉捻机的揉捻性能，按照茶叶揉捻机行业标准（JB/T 9814—2007）将成条率和碎茶率指标的计算方法规定如下：

成条率：取揉捻叶样50 g，剔除老梗老叶、杂质，分出该成条而未成条叶（包括扁条、扁片）、碎茶和成条叶3种，分别称重，成条率计算公式如下：

式中，—成条率，%；W—成条质量，g；∑—成条叶质量、该成条而未成条叶质量、碎茶质量之和，g；—焦末碎片率，%。

碎茶率：取恒温箱烘干揉捻叶样200 g（含水率为7%~9%），分两次取样，每次取样100 g，在转速为200 r·min-1碎末茶测定计上用直径为280 cm的16目样筛筛动5转，称筛下的碎茶质量，碎茶率计算公式如下：

式中，—碎茶率，%；s—碎茶质量，g；—焦末碎片率，%。

4.3 结果与分析

运用Design-Expert 10.0对表4中的试验数据进行回归分析，并对影响评价指标的因素进行显著性分析[21]，得到成条率1、碎茶率2与揉桶转速、棱骨高度以及揉盘倾角之间的回归方程：

1=–14.755 75＋3.143 93＋4.936 88＋2.654 62－0.008 875－0.007 5＋0.069 375－0.032 6952－0.225 52－0.389 82，

2=2.724－0.009 35－0.247 5－0.226 75＋0.000 25＋0.001＋0.027 5＋0.000 492－0.009 752＋0.006 52。

由表5可知，茶叶揉捻机成条率的回归模型的<0.000 1，影响极显著；失拟项=0.135 5（>0.05），影响不显著，模型的决定系数2=0.991 0。茶叶揉捻机碎茶率的回归模型<0.000 1，影响极显著；失拟项=0.097 6（>0.05），影响不显著，模型的决定系数2=0.981 2。即表明在一定范围内，回归模型与实际情况拟合度较高，无失拟因素存在，故可用成条率和碎茶率的回归方程代替试验真实点对茶叶揉捻质量进行分析与预测[22]。

图8 不同结构参数下茶叶揉捻机揉捻试验

表4 试验设计与结果

表5 回归方程方差分析

为了更加直观的分析试验因素与评价指标之间的关系，运用Design-Expert 10.0软件得到不同试验因素与评价指标的响应曲面图[23]。

根据回归方程和响应曲面可得，揉桶转速、棱骨高度以及揉盘倾角间存在交互作用，并且对成条率的影响较为显著。当揉桶转速一定时，成条率随着棱骨高度增大而增大；当棱骨高度一定时，成条率随着揉桶转速增大先增大后减小；当揉桶转速变化时，成条率的变化区间较大，揉桶转速对成条率指标的影响更为显著（图9-A）。当揉盘倾角一定时，成条率随着揉桶转速增大先增大后减小；当揉桶转速一定时，成条率随着揉盘倾角增大先增大后减小；当揉盘转速变化时，成条率的变化区间较大，揉盘转速对成条率指标的影响更为显著（图9-B）。当棱骨高度一定时，成条率随着揉盘倾角增大先增大后减小；当揉盘倾角一定时，成条率随着棱骨高度增大而增大。当棱骨高度变化时，成条率的变化区间较大，棱骨高度对成条率指标的影响更为显著（图9-C）。对成条率指标影响显著性的由大至小依次为：揉桶转速、棱骨高度、揉盘倾角。

图9 各因素对成条率的响应曲面

图10 各因素对碎茶率的响应曲面

当揉桶转速一定时，碎茶率随着棱骨高度增大而增大。当棱骨高度一定时，碎茶率随着揉桶转速增大而增大；当揉桶转速变化时，碎茶率指标的变化区间较大，揉桶转速对碎茶率指标的影响更为显著（图10-A）。当揉盘倾角一定时，碎茶率随着揉桶转速的增大而增大；当揉桶转速一定时，碎茶率随着揉盘倾角的增大而增大；当揉桶转速变化时，碎茶率指标的变化区间较大，揉桶转速对碎茶率指标的影响更为显著（图10-B）。当棱骨高度一定时，碎茶率随着揉盘倾角增大而增大；当揉盘倾角一定时，碎茶率随着棱骨高度增大而增大；当棱骨高度变化时，碎茶率的变化区间显著，棱骨高度对碎茶率指标的影响更为显著（图10-C）。对碎茶率指标影响显著性由大至小依次为：揉桶转速、棱骨高度、揉盘倾角。

为了获得茶叶揉捻机性能的最优参数组合，对试验进行优化设计。结合试验因素的边界条件，建立茶叶揉捻机的优化数学模型，对成条率和碎茶率的回归方程进行分析。运用Design-Expert 10.0软件中的参数优化模块对优化数学模型求解[24]，得到优化结果：揉桶转速为42 r·min-1，棱骨高度为10 mm，揉盘倾角为3.8°时，成条率指标为88.55%，碎茶率指标为1.83%，茶叶揉捻机的揉捻质量最优。

为了进一步验证参数优化结果的正确性，在安徽农业大学茶叶加工中心进行茶叶揉捻机的验证试验。以6CR-40型茶叶揉捻机为验证试验样机，选取揉桶转速为42 r·min-1，棱骨高度为10 mm，揉盘倾角为3.8°的试验样机进行验证试验，加入适量的杀青叶，揉捻时间20 min，采用常规加压方式，得到茶叶揉捻机的成条率为88.32%，碎茶率为1.87%。参数优化结果与验证试验结果基本一致。

5 小结

通过Solidworks建立揉捻机三维模型，基于离散元法建立茶叶颗粒仿真模型，运用EDEM软件对揉捻过程进行数值模拟，解决了茶叶加工过程中的运动学量化分析问题，以成条率和碎茶率为目标函数，以揉桶转速、棱骨高度、揉盘倾角为试验因素，对茶叶揉捻机相关参数进行优化设计。运用二次正交旋转组合试验进行数据处理及验证，利用Design-Expert软件优化模块对试验结果进行优化求解，正交旋转试验优化结果与验证试验结果基本一致。因此运用离散元法对茶叶揉捻机的结构参数进行优化具有可行性，并且为茶叶揉捻机的优化设计提供了一种新方法。本文仅选取茶叶揉捻机关键结构参数当中的揉桶转速、棱骨高度以及揉盘倾角对揉捻质量进行分析研究，在今后的研究中为了更加精确建模，可综合考虑棱骨宽度、棱骨截面形状、棱骨螺旋角、棱骨数量等其他结构参数以及茶叶物理特性参数对茶叶揉捻质量的影响。

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Parameter Optimization and Experimental Study of Tea Twisting Machine Based on EDEM

LI Bing1,2, LI Weining1, BAI Xuanbing1, HUANG Jianhong3

1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China;3. Zhejiang Sunyoung Machinery Co., Ltd, Quzhou 324000, China

To solve the problems caused by unstable quality in the process of tea twisting, the 6CR-40 tea twisting machine was taken as the research object in this study. The three-dimensional modeling of tea twisting machine was established based on Solidworks. The numerical simulation of the twisting process of tea twisting machine was carried out by the discrete element simulation software EDEM. The influences of various experimental factors on the performance indexes of tea twisting machine were obtained. The quadratic orthogonal rotation test was carried out and the Design-Expert was used to optimize the solution and obtain the best combination of structural parameters of twisting quality. The results showed that: when the twisting barrel rotational speed, the prismatic height, twisting plate inclination angles, forming rate of tea and breaking rate of tea were 42 r·min-1, 10 mm, 3.8°, 88.55% and 1.83% respectively, the tea twisting machine had a good quality of twisting. The results of verification test and simulation optimization were basically consistent.

tea twisting machine, EDEM, simulation analysis, quadratic orthogonal rotation test, response surface method

S571.1；TS272.7

A

1000-369X(2020)03-375-11

2019-10-22

2019-12-09

国家重点研发计划（2018YFD0700504、2017YFD0400801）、安徽省教育厅自然重点项目（KJ2017A133）

李兵，男，副教授，博士，主要从事茶园及茶叶机械方面的研究，libing@ahau.edu.cn

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