自动化茶叶炒干机的设计与性能试验

赵 晨，曹成茂*，葛 俊，刘世雄，吴正敏，孙 燕

自动化茶叶炒干机的设计与性能试验

赵 晨1, 2，曹成茂1, 2*，葛 俊1, 2，刘世雄1, 2，吴正敏3, 4，孙 燕1,2

(1. 安徽农业大学工学院，合肥 230036；2. 安徽省智能农机装备实验室，合肥 230036；3. 安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室，合肥 230036；4. 安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036)

针对目前茶机炒茶不均匀、炒干后茶叶碎茶率较高、品质不佳等问题，设计了一种自动化茶叶炒干机。在阐述机器工作原理的基础上，根据理论计算确定炒干装置关键部件的结构参数，在此基础上对样机进行制作。为进一步探究自动化茶叶炒干机工作时的最佳工作参数，以茶叶在炒干装置内运动速度、分离比、茶叶温升速率为指标，通过离散元仿真软件EDEM分析翻草筋数量、各工作参数对于炒干机炒干效果的影响。利用Design-Expert软件进行回归分析和响应曲面分析，并进行验证实验，确立炒干性能的最佳参数组合为：滚筒转速为19 r·min-1，炒干温度为184 ℃，炒干时间为80 min，此时平均含水率为5.47%，碎茶率为1.82%。该设计满足茶叶加工工艺要求，并为茶叶炒干机推广应用提供技术参考。

茶叶；炒干机；EDEM；正交试验; 含水率; 碎茶率

绿茶是我国的主产茶类，全国有21个省、市、自治区生产绿茶[1]，安徽省作为江南茶区的主要省份之一，形成了以名优茶为主、大宗茶为辅的格局[2-3]。事实上，相对于名优绿茶，大宗绿茶的高产量使其在加工环节必须保证高效率，而传统的人工加工会消耗大量人力物力，且质量效率难以保证，所以茶产业的发展离不开茶叶加工机械化、自动化。

大宗绿茶在杀青、揉捻后需炒干加工，对进一步提高茶叶品质具有重要意义，主要表现为：降低茶叶水分，使茶叶保持外形、大小一致，质量分类统一[4]。在目前的茶叶炒干机械领域，大多数研究旨在探究各种茶叶本身的特性以及各种炒干方式对于加工工艺的影响[5-7]，鲜有涉及炒干机本身的炒干机构对于工作性能的影响，各种工作参数参差不一，导致了研究结果的局限性；且现有的炒干机设计较为雷同，研发缺乏理论支撑，并未达到完全可持续化、自动化。

为解决上述问题，本研究设计出一种自动化茶叶炒干机，根据理论计算确定炒干装置关键部件的结构参数，得出自动化茶叶炒干机的结构参数，再通过仿真及正交优化试验，以茶叶的含水率、碎茶率和感官评审标准为参考，得出转速、温度和炒干时间3个运行参数对于炒干性能的影响，为类似样机的改进升级提供了理论和试验基础。

1 茶叶炒干机整机结构和工作原理

1.1 整机结构

本自动化茶叶炒干机整机结构如图1所示，由炒干系统、驱动系统、机架以及外壳护罩等部分构成。炒干筒两侧通过4个固定在机架上的托轮所支撑，外部由护罩所保护，且护罩上方有烟囱用于排气，炒干筒内部设有3个翻草筋成120°均布在筒体内，促进茶叶在筒体内匀称翻滚，即使喂入大量茶叶也能保证茶叶均匀炒干。在右侧出料斗外部铺设有法兰盘封头，防止茶叶溅出并起到透气的作用。

1.机架；2.大皮带轮；3.皮带；4.小皮带轮；5.电机；6.小链轮；7.链条；8.大链轮；9.入料斗；10.法兰边结构；11.滚筒护罩；12.炒干筒；13.翻草筋；14.出口导叶板；15.烟囱；16.出料斗；17.出料护罩；18.托轮；19.落灰挡板；20.燃料入料口。

Figure 1 Structural section drawing of frying and drying machine

1.2 工作原理

炒干机启动后，电机正转，以电机为动力，经过带传动再经链传动带动做旋转；茶叶从入料斗进入滚筒后，由于翻草筋的作用在筒体内不断翻抛。

与传统的燃烧煤的加热方式不同，本设计的茶叶炒干机采用生物质颗粒为燃料的加热设备，更为清洁环保。工作时生物质燃烧机的送料管伸入炒干机燃料入料口内部，并配有风机鼓风，达到在炒干筒底部持续供热的效果。

2 关键部件设计

2.1 炒干筒

炒干筒由入料口、法兰边结构、滚筒、翻草筋、出口导叶板和出料口等组成，如图2所示。根据实际炒茶需要，一次可炒制100 kg左右的大宗绿茶，考虑到工作时茶叶能在滚筒内较均匀地铺开且热风能在滚筒内完全覆盖，初定炒干滚筒轴向长度为1 600 mm，保证筒内有足够的空间使茶叶充分与空气接触避免茶叶闷黄，取炒干筒内茶叶的体积占滚筒总容积的15%[8]，此时滚筒半径为

式中为茶叶总质量（kg）；为滚筒轴向长度（m）；计算得= 0.499 m，取= 0.5 m。

1.入料口；2.法兰边结构；3.滚筒；4.出料口；5.出口法兰边结构；6.扇叶；7翻草筋；8.出口导叶板。

图2 炒干筒结构示意图

Figure 2 Structure diagram of drying drum

实际生产中，炒干机工作时由于火焰居中分散，会导致滚筒不同区域温度存在差异，导致茶叶在滚筒内受热不均匀，有些茶叶炒焦，有些茶叶没有充分炒干，所以以半径0.5 m为基准设计成圆台入料口处半径为0.5 m，出料口处半径为0.6 m圆台形滚筒会使更多的茶叶较为集中在温度较高的区域，使炒干效率更高。

滚筒转速对于茶鲜叶的运动影响关系显著，其取值与临界转速有一定关系，当茶叶颗粒运动到滚筒最高点时，此时滚筒转速为最大转速即临界转 速[9]，忽略摩擦力和空气阻力的影响，此时茶叶仅受到重力和离心力，滚筒临界转速计算公式

==（2）

由（2）（3）得

式中：—滚筒半径（m）；—茶叶总质量（kg）；—临界转速（r·min-1）；ω—角速度（rad·s-1）。

当=0.5时，=42.29，取=42 r·min-1。

若滚筒转速较低，在工作时茶叶在较低点处就会被抛出，无法形成料幕，茶叶在滚筒中不能够充分翻炒，炒干效果差。一般情况下，滚筒转速取其临界值的30%～60%[10]。

图3 翻草筋结构示意图

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，其结构、形状等因素对于茶叶在滚筒中的运动具有直接的影响，形状为折弯形，共3个，在滚筒中均布，位置、截面形状如图3所示。主要作用有：

可以有效匀称翻滚，形成料幕，避免茶叶在滚筒中闷黄。

强化茶叶在滚筒中的翻转、碰撞成形，在炒干失水的同时促进紧缩成条。

2.3 传动系统

炒干机的传动系统是其能连续作业的重要部分，为整机提供动力。炒干机的传统系统如图4所示，滚筒的转动采用三级传动，由于电动机输出转速较大、输出轴距离滚筒驱动轴较远[11]，所以第一、二级采用带传动，第三级采用链传动。

炒干电机通过电机皮带轮传递动力到Ⅰ轴大带轮，同时带动主轴上的小带轮转动；再通过带传动带动从动轴大带轮转动，进而带动小齿轮转动，再通过链传动带动大齿轮转动，大齿轮固定在滚筒入料口外部，滚筒随大齿轮转动，炒干机工作。此外，本机托轮组的设计不仅可以支撑炒干筒，还起到了限制炒干筒轴向的移动的作用，保证炒干过程中炒干装置的稳定运行。

1.Ⅰ轴大带轮；2. Ⅰ轴小齿轮；3.皮带；4. Ⅱ轴大带轮；5. Ⅱ轴小带轮；6.炒干电机；7.链条；8. Ⅰ轴大齿轮。

Figure 4 Structure diagram of transmission system

3 EDEM仿真

由于样机试验中难以监测茶叶颗粒的速度、温度变化、接触情况，所以先利用EDEM仿真对炒干过程进行仿真和分析，不仅可以节省大量茶叶物料，也能相对高效地推断出自动化炒干机的工作参数的大致范围，以便后续开展进一步正交试验。

3.1 仿真参数的确定

采用EDEM2020软件进行茶叶在炒干筒内的运动仿真，利用EDEM中的基本元素-球来仿真茶叶。由于茶叶在炒干过程中形状变化较大，故在EDEM中拟合出与茶叶外形相吻合的多球面模型作为茶叶颗粒模型[12-13]，如图6所示。使用Hertz-mindlin with bonding模型[14]来模拟茶叶颗粒间的相互作用。

研究中设计的离散元参数主要分为材料参数和接触参数，材料参数包括茶叶、筒壁的密度、泊松比和剪切模量等；接触参数包括茶叶-茶叶、茶叶-筒壁的恢复系数和静、动摩擦系数。仿真所用参数如表1和表2所示。

表1 茶叶颗粒参数

表2 接触参数

3.2 离散元模型的建立

茶叶模型和炒干筒模型。由于在实际茶叶加工工艺中，大宗茶颗粒大小相差较大，为简化运算且与实际情况相符，将茶叶颗粒简化为图5的3种不同体积模型。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 茶叶颗粒离散程度 根据Gupta提出的粒子混合质量理论[15]，本研究以茶叶颗粒的接触数来表征茶叶颗粒的混合程度，其中总接触数包括茶叶颗粒与滚筒壁、茶叶颗粒之间、茶叶颗粒与翻草筋的接触数，茶叶颗粒间的接触数，其计算公式为：

=C/C（5）

式中：C为茶叶颗粒与茶叶颗粒的接触数；C为茶叶颗粒接触总数。

通过表征茶叶颗粒的离散程度，其值越小则表明茶叶颗粒间越稀疏，离散效果越佳，越有利于炒干的均匀性；反之不利于茶叶的炒干[16]。

Figure 5 Three kinds of tea particle models

图6 炒干筒仿真模型

Figure 6 Simulation model of frying dryer

3.3.2 翻草筋数量对茶叶炒干品质的影响 如图7和图8所示，当翻草筋数量为2，茶叶速度、分离比波动明显，峰值高说明抛出时速度过高，导致碎茶率升高；当翻草筋数量为4，在炒干滚筒中间距较小，导致大宗绿茶被抛出时速度较低，无法与炒干滚筒内底部茶叶形成足够空间，无法形成良好的料幕，导致茶叶焖黄；翻草筋数量为3时，速度、分离比适中，说明茶叶间充分接触且在炒干筒中有一定的翻抛时间。综上，确定翻草筋数量为3根。3.3.3 滚筒转速对茶叶炒干品质的影响 转速对于茶叶在滚筒中的运动有显著影响，茶叶颗粒的平均速度随着炒干筒转速的增大而增加，若转速过大，导致茶叶在较高点抛出且茶叶间摩擦增大，碎茶率升高；若转速较低，茶叶在炒干筒内的翻炒不充分，导致部分茶叶焖黄部分茶叶炒干后含水率较高。

图7 3种翻草筋数量茶叶颗粒平均速度

Figure 7 Average speed of tea particles for three kinds of gluten number

图8 3种翻草筋数量茶叶颗粒分离比

Figure 8 Separation ratio of tea particles for three kinds of gluten number

图9 3种转速茶叶颗粒平均速度

Figure 9 Average speed of tea particles at three rotational speeds

仿真开始时，随着茶叶颗粒大量喂入滚筒内，此时以茶叶颗粒间的接触为主，分离比不断升高；随着茶叶颗粒不断落入滚筒中，导致茶叶颗粒接触总数增加，分离比逐渐减小；随着滚筒的旋转，茶叶颗粒随着筒壁旋转而被带到高处，在进入抛撒阶段前茶叶颗粒接触总数达到最大，此时分离比到达低谷；随后茶叶颗粒被抛出，部分茶叶被抛撒在空中形成料幕，在落向筒壁前茶叶颗粒接触总数达到最小，此时分离比到达峰值。由图10可知，当滚筒转速为22 r·min-1时，分离比的变化区间最大，转速为18 r·min-1时分离比的变化区间较小。由图9可知，滚筒转速为22 r·min-1时速度波动区间较大。综上，初步确立炒干机转速在18～22 r·min-1。

图10 3种转速茶叶颗粒分离比

Figure 10 Separation ratio of tea particles at three rotational speeds

图11 3种温度下茶叶颗粒平均温度变化曲线

Figure 11 Average temperature curves of tea particles at three temperatures

图12 茶叶颗粒速度、分离比随时间变化情况

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

3.3.4 温度对于茶叶炒干品质的影响 茶叶在160、180和200 ℃3种温度下的温升速率（图11）显示，在180 ℃与200 ℃下茶叶温升速率大致相同，而160 ℃温升速率小于两者。而在实际生产中需要进行大批量绿茶的炒制，所以180 ℃相对更能节约燃料，且在保证炒干效果的前提下更不容易使茶叶炒焦。为进一步验证仿真试验的结果同时确定最佳工作参数，以温度为因素之一进行样机试验，初步确立炒干温度在160～200 ℃。

3.3.5 炒干时间对于茶叶炒干品质的影响 如图12所示，以180 ℃、转速20 r·min-1仿真为例，随着时间的增加，茶叶颗粒速度、分离比不断变化，最终在一个区间稳定。由实际生产可知，炒干时间的变化会影响茶叶炒干后的含水率、碎茶率，但在仿真中无法反映，所以在样机试验中探究炒干时间的最佳工作参数。根据当地炒茶经验，初步确定炒干时间在70～90 min。

4 正交试验与结果分析

4.1 试验内容

基于之前对炒干机关键部位的结构分析和EDEM仿真分析的基础上，确定不同因素的大致区间，再进行三因素三水平正交试验，在保证炒干后茶叶品质的前提下确定炒干机最佳工作参数。选取宣城市泾县宣州区长青茶厂采摘的大宗绿茶为试验材料，所需茶叶及样机如图13所示。其试验因素如表3所示。每组试验重复3次，取平均值。

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

表3 试验因素及水平

4.2 评价指标

4.2.1 含水率 根据茶水分测定国家标准（GB/T 8304-2013）[17]，采用120℃烘干法进行测定。茶叶水分含量以质量分数（%）表示，按式（6）计算：

式中：1—茶叶含水率；1—试样和烘皿烘前的质量（g）；2—试样和烘皿烘后的质量（g）；0—试样的质量（g）。

对长青茶厂上午采的茶取一批样品进行测验，测得炒干前的茶叶含水率约为48.67%，炒干试验叶炒干前含水率都默认为此数值。

4.2.2 碎茶率 根据国家绿茶产品粉末和碎茶含量标准（GB/T 8311—2013）[18]中粗形茶测定方法：称取充分混匀的试样100 g（精确至0.1g），倒入规定的碎茶筛和粉末筛的检验套筛内，盖上筛盖，按下启动按钮，筛动100 r·min-1。将粉末筛的筛下物称量（精确至0.1 g），即为粉末含量。再将粉末筛下物称量（准确至0.1 g），即为碎茶含量。

茶叶碎茶含量以质量分数（%）表示，按式（7）计算：

式中：2—茶叶碎茶率；1—筛下碎茶含量（g）；—试样质量（g）。试验结果见表4。

4.3 试验结果分析

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为含水率；2为碎茶率；为滚筒转速；为炒干温度，为炒干时间。

根据表5的数据样本，通过Design-Expert 8.0 软件对影响评价指标的因素进行显著性分析[19]，得到含水率与碎茶率二次多项式回归模型（8）（9）。

由回归模型的方差分析结果（表5和表6）可知，含水率回归模型的值为0.002 3，小于0.01，表明该回归模型高度显著；碎茶率回归模型的值为0.004 8，小于0.01，表明该回归模型高度显著；试验因素对于含水率的影响从大到小依次为：炒干温度、炒干时间和滚筒转速；试验因素对于碎茶率的影响从大到小依次为：炒干温度、炒干时间和滚筒转速。模型失拟项均大于0.05，表明模型失拟性均不显著；模型的决定系数-Squared与校正决定系数Adj-Squared 均接近1，说明2回归模型与实际情况拟合度较高，有较高的可靠性，所以用含水率和碎茶率的回归方程替代试验对茶叶炒干进行分析[20]。

表4 试验结果

表5 含水率二次多项式模型的方差分析

注:*、**分别为0.05及0.01水平上的显著性差异。下同。

表6 碎茶率多项式模型的方差分析

为了更清晰直观地述各试验因素及其交互作用对试验评价指标的影响效应，依据所建的回归模型，利用Design-Expert软件建立各因素交互效应3D响应曲面图，如图14所示。

滚筒转速、炒干温度对于茶叶含水率的影响如图14（a）所示，在炒干温度由190 ℃降至170 ℃的过程中，随着滚筒转速的增加，含水率呈现总体下降的趋势，但由于转速差异较小，所以滚筒转速对含水率影响较小。图14（b）中，当滚筒转速较低时，随着炒干时间的降低，含水率逐渐上升，这是由于当炒干时间增加会导致茶叶在滚筒内的炒干不充分，在面对大批量茶叶炒制时，会有部分茶叶没有完全炒干。通过14（a）、（b）和（c）对比可知，当滚筒转速增加、炒干时间增加时，此时含水率下降但变化区间不大，可推断出交互作用AC对于含水率影响不显著；炒干时间增加且炒干温度增加时，含水率上升趋势明显，说明交互作用BC对于含水率影响显著，与方差分析结果一致。

滚筒转速、炒干温度对于碎茶率的影响如图14（d）所示，当滚筒转速不变时，炒干温度的升降对于碎茶率影响明显，而炒干温度不变时，碎茶率随着滚筒转速的增加变化不明显，说明滚筒转速对于碎茶率的影响不显著。由图14（e）所示，碎茶率随炒干时间的变化区间略大于滚筒转速，说明炒干时间对碎茶率的影响高于滚筒转速，与方差分析一致。由图14（f）可知，炒干温度的变化区间更明显，说明温度对碎茶率的影响大于炒干时间，且交互作用BC对碎茶率影响显著。

图14 交互作用对含水率(R1)与碎茶率(R2)影响

Figure 14 Effect of interaction on moisture content (1) and broken tea content (2)

4.4 工作参数优化与对比试验

针对茶叶含水率与碎茶率的回归模型，为求各个工作参数的最佳组合，对所建立的1含水率、2碎茶率两个评价指标的全因子二次回归方程进行优化求解[21]，确定其约束范围为：

4%≤1≤7%；1%≤2≤3%；

18≤≤22；160≤≤200；

70≤≤90。

运用 Design Expert 数据分析软件进行优化求解回归模型，圆整后得到各工作参数的最佳参数为：滚筒转速为19 r·min-1，炒干温度为184 ℃，炒干时间为80 min，此时含水率为5.52%，碎茶率为1.79%。

为验证仿真参数的可靠性与正确性，采用最佳工作参数进行3次重复验证实验，以滚筒转速为19 r·min-1，炒干温度为184 ℃，炒干时间为80 min的样机作为试验样机，工作时间，炒干时温度均与正常炒干时相同，试验结果（表7）显示仿真值与试验结果基本一致。

表7 验证实验

5 结论

单因素仿真优化试验以滚筒转速、炒干温度和炒干时间为试验因素，对炒干机工作参数进行初步确立，在此基础上进行样机正交试验，多因素优化试验表明，3种可控工作参数对含水率的影响贡献率依次为：炒干温度、炒干时间、滚筒转速。多因素优化试验对碎茶率的影响贡献率依次为：炒干温度、炒干时间、滚筒转速。再对回归模型优化求解得到最优参数组合为：滚筒转速为19 r·min-1，炒干温度为184 ℃，炒干时间为80 min。

样机试验结果表明：通过Design-Expert优化求解所得参数进行试制的样机能满足大批量大宗绿茶炒干要求，其平均含水率为5. 47%，平均碎茶率为1.82%，与理论分析基本一致。

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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

安徽省重大科技专项（18030701195），安徽省农业农村厅安徽省茶叶产业技术体系资金项目（21805070）和安徽省教育厅重点项目（KJ2020A0133）共同资助。

赵 晨，硕士研究生。E-mail：313678835@qq.com

曹成茂，教授，博士生导师。E-mail：caochengmao@sina.com