基于EDEM的茶葉揉捻機(jī)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)研究

李兵，李為寧，柏宣丙，黃劍虹

基于EDEM的茶葉揉捻機(jī)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)研究

李兵1,2，李為寧1，柏宣丙1，黃劍虹3

1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036；3. 浙江上洋機(jī)械股份有限公司，浙江 衢州 324000

為解決目前茶葉在揉捻過(guò)程中揉捻質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，以6CR-40型茶葉揉捻機(jī)為研究對(duì)象，基于Solidworks對(duì)茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行三維建模，運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM對(duì)茶葉揉捻機(jī)的揉捻過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，探求各試驗(yàn)因素對(duì)茶葉揉捻機(jī)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，通過(guò)Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得揉捻質(zhì)量最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。結(jié)果表明，當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速為42?r·min-1、棱骨高度為10?mm、揉盤傾角為3.8°時(shí)，茶葉的成條率為88.55%、碎茶率為1.83%。茶葉揉捻機(jī)具有較好的揉捻質(zhì)量。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致。

茶葉揉捻機(jī)；EDEM；仿真分析；二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)；響應(yīng)面法

揉捻是茶葉加工重要工序之一，茶葉加工過(guò)程中，除了白茶、綠茶和黃茶中的少類茶無(wú)需揉捻外，一般均需揉捻。殺青后的茶葉經(jīng)過(guò)揉捻工序使得茶葉體積縮小，卷緊條索，增加了茶葉容重，并且由于適當(dāng)破壞葉組織，茶汁逐漸溢出于茶葉外表面，加速多酚類化合物的酶促氧化，促進(jìn)了茶葉色香味的形成[1]?，F(xiàn)代茶葉加工生產(chǎn)過(guò)程中揉捻環(huán)節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，主要依靠盤式茶葉揉捻機(jī)來(lái)完成，為提高茶葉揉捻機(jī)的工作性能，相關(guān)專家對(duì)茶葉揉捻機(jī)的揉捻性能進(jìn)行了大量研究。陳世輝[3]以茶葉揉捻機(jī)的外揉盤凹傾角為研究對(duì)象，通過(guò)有限元分析獲得揉捻特性較好時(shí)外揉盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)；岳鵬翔等[4]運(yùn)用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)茶葉揉捻機(jī)的棱骨安裝數(shù)量、棱骨安裝角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；周昊等[5]通過(guò)對(duì)棱骨的有限元?jiǎng)恿W(xué)分析，研究了不同棱骨結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)揉捻葉的影響；瞿廷怡等[6]通過(guò)對(duì)揉捻機(jī)支臂優(yōu)化設(shè)計(jì)以減輕其重量，運(yùn)用電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)加壓，實(shí)現(xiàn)揉捻自動(dòng)化。上述研究對(duì)揉捻機(jī)的參數(shù)優(yōu)化提供了新的方法，但并未能對(duì)揉捻過(guò)程中茶葉顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行量化分析。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，離散元法及其虛擬仿真在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域有著越來(lái)越多的應(yīng)用，為研究物料顆粒—機(jī)械零部件間相互作用的變化規(guī)律，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)提供了新的技術(shù)手段[7-10]。

本文以6CR-40型茶葉揉捻機(jī)為研究載體，通過(guò)Solidworks建立茶葉揉捻機(jī)三維模型，運(yùn)用EDEM對(duì)揉捻過(guò)程中茶葉運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行量化分析，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)茶葉揉捻質(zhì)量的影響規(guī)律，以成條率和碎茶率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)并借助Design-Expert繪制影響茶葉揉捻機(jī)性能的響應(yīng)曲面圖，旨在獲得茶葉揉捻機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合，為該型號(hào)揉捻機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 茶葉揉捻機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

茶葉揉捻機(jī)由電動(dòng)機(jī)、小皮帶輪、大皮帶輪、減速器、曲柄、立柱、加壓臂、加壓蓋、揉桶、揉盤、三角架、支撐機(jī)架、出茶門推桿、加壓手輪以及手柄等組成[11]。茶葉揉捻機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。揉盤是一個(gè)由四周向中心位置逐漸下凹的盤型結(jié)構(gòu)件，通常由不銹鋼板做成，并裝有若干不銹鋼弧形棱骨，用以增強(qiáng)茶葉揉捻的揉搓力。揉捻過(guò)程中壓力調(diào)整通過(guò)絲桿和螺母的運(yùn)動(dòng)控制加壓蓋的升降來(lái)實(shí)現(xiàn)，加壓蓋的上、下浮動(dòng)由彈簧控制。揉盤的中心位置是用于開啟和關(guān)閉茶葉出料的出茶門，出茶門采用擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)，由出茶門推桿、手柄等組成。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)出茶門隨之?dāng)[動(dòng)回轉(zhuǎn)，若將出茶門關(guān)閉，將出茶門推桿鎖住出茶門即可。茶葉揉捻機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

茶葉揉捻機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出，經(jīng)皮帶傳動(dòng)及齒輪箱轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)方向，驅(qū)動(dòng)主曲柄做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)揉桶在揉盤上做偏心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，茶葉在揉桶中受加壓蓋加壓，并在棱骨的搓揉作用下進(jìn)行揉捻作業(yè)。揉捻過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段，分別是空壓起條階段、加壓緊條階段以及松壓解團(tuán)階段。空壓階段是促使茶葉成條的基礎(chǔ)階段，空壓可以減少茶葉的滾動(dòng)摩擦阻力，便于片狀葉起條。加壓階段增大了茶葉顆粒間的內(nèi)摩擦力以及棱骨對(duì)茶團(tuán)的揉搓作用，促使茶葉細(xì)胞破壞，條索卷緊。松壓階段，加壓蓋逐漸上移致使葉層占有的空間增大，緊壓的茶團(tuán)被振松抖散。

表1 茶葉揉捻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

注：1-電動(dòng)機(jī)，2-小皮帶輪，3-減速器，4-大皮帶輪，5-曲柄，6-立柱，7-加壓臂，8-加壓蓋，9-揉桶，10-三腳架，11-揉盤，12-支撐機(jī)架，13-出茶門推桿，14-加壓手輪，15-手柄

2 茶葉揉捻運(yùn)動(dòng)規(guī)律

茶葉在揉捻過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況十分復(fù)雜，不僅有揉桶、揉盤等結(jié)構(gòu)部件對(duì)茶葉的翻滾運(yùn)動(dòng)，而且還有茶葉之間的相互運(yùn)動(dòng)，以及茶葉散落在揉盤上的自由運(yùn)動(dòng)。揉捻葉受到多種力的綜合作用而形成一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將揉桶內(nèi)所有茶葉看成一個(gè)整體，茶團(tuán)所受的作用力包括：揉桶側(cè)壁的推力、揉盤支持力、加壓蓋正壓力、茶葉自身重力以及茶葉顆粒間的內(nèi)摩擦力[12]。以單顆茶葉顆粒為例進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

1=2/····························· （1）

F=(+3) ························· （2）

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

式中，1—揉桶側(cè)壁推力，N；3—茶葉顆粒所受擠壓力，N；—茶葉顆粒單位面積所受擠壓力，N；4—加壓蓋壓力，N；—茶葉顆粒間內(nèi)摩擦力，N；—加壓蓋壓力與茶葉重力之和，N；—茶葉自身重力，N；—茶葉顆粒的質(zhì)量，kg；—揉桶半徑，m；—茶葉顆粒的線速度，m·s-1。

揉捻葉在揉桶內(nèi)不僅隨揉桶中心作圓周運(yùn)動(dòng)，而且又在翻轉(zhuǎn)作用力下向上前方運(yùn)動(dòng)，最后散落在揉盤上。每一時(shí)刻揉捻葉在揉桶內(nèi)的位置都不相同，故形成了茶葉揉捻運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可大致分為4個(gè)不同的作用區(qū)[13]?？拷啾P和棱骨的區(qū)域由于揉搓作用力較大，茶葉在揉桶推力作用下向前運(yùn)動(dòng)形成揉搓區(qū)。在揉搓區(qū)內(nèi)揉捻葉運(yùn)動(dòng)速度較快，從而將茶葉揉捻成條，體積逐漸縮?。辉谌嗤?、揉盤以及加壓蓋對(duì)茶葉作用力的交點(diǎn)周圍，由于茶葉受到的作用力最大，故形成強(qiáng)壓區(qū)。當(dāng)茶葉進(jìn)入強(qiáng)壓區(qū)時(shí)，茶葉被推向揉桶中心位置匯集，相互擠壓成團(tuán)狀，并在翻轉(zhuǎn)作用力下向上翻轉(zhuǎn)；由于揉桶上半部揉捻葉受到的摩擦阻力較小，故在慣性力和茶葉自身重力的作用下而向前下翻，形成下翻區(qū)；揉桶繼續(xù)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下翻區(qū)的揉捻葉散落在揉盤尚未進(jìn)行揉捻的區(qū)域，形成散落區(qū)。

3 仿真過(guò)程及分析

3.1 仿真模型建立

為了能夠更加清晰、直觀地模擬茶葉的揉捻過(guò)程，運(yùn)用三維建模軟件Solidworks對(duì)揉桶、揉盤等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件實(shí)體建模（圖3），并導(dǎo)入EDEM中進(jìn)行仿真分析。

茶葉顆粒在揉捻過(guò)程中形狀差異明顯，按照長(zhǎng)寬高的正態(tài)分布尺寸選取建模對(duì)象，故在EDEM中擬合出與茶葉顆粒外形輪廓相吻合的多球面組合體作為顆粒模型[14]，按照茶葉大小建立茶葉顆粒仿真模型，如圖4所示。根據(jù)茶葉物料物理特性，設(shè)置茶葉顆粒模型的物理屬性參數(shù)和接觸屬性參數(shù)[15-18]，如表2所示。

根據(jù)茶葉顆粒表面物理特性，選擇Hertz-Mindlin（no slip）模型作為仿真接觸模型。設(shè)置EDEM顆粒工廠以300個(gè)·s-1的速率生成茶葉顆粒模型，保證揉桶內(nèi)有充足茶葉顆粒進(jìn)行仿真模擬。

注：F1-揉桶側(cè)壁推力，F(xiàn)2—揉盤支持力，F(xiàn)4—加壓蓋壓力，F(xiàn)f—茶葉顆粒間內(nèi)摩擦力，G—茶葉自身重力

圖3 茶葉揉捻機(jī)仿真模型

圖4 茶葉顆粒模型

表2 茶葉顆粒參數(shù)

3.2 揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉揉捻質(zhì)量的影響

揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉顆粒在揉桶中的運(yùn)動(dòng)有著顯著影響。隨著揉桶轉(zhuǎn)速增大，揉捻葉的平均速度明顯增大（圖5-A）。揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉顆粒受力影響分為兩個(gè)階段：0~3.5?s是松散茶葉揉捻成茶團(tuán)的過(guò)程，此過(guò)程揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉顆粒受力影響不大；3.5?s后茶團(tuán)形成，揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)茶葉顆粒受力影響較大，當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速適當(dāng)時(shí)（45?r·min-1），茶葉顆粒受力較為均勻，有助于茶葉揉搓成條狀。揉桶轉(zhuǎn)速過(guò)低，機(jī)器對(duì)茶葉的擠壓、揉搓作用力過(guò)小，茶葉在揉桶中不能充分翻動(dòng)，導(dǎo)致所制茶葉條索粗松，茶葉顆粒受力不均勻，成條率低；揉桶轉(zhuǎn)速過(guò)高，茶葉顆粒間內(nèi)摩擦力過(guò)大，碎茶率相應(yīng)增大。當(dāng)產(chǎn)生較多數(shù)量的碎茶時(shí)內(nèi)摩擦力減小，成條率降低，同時(shí)造成機(jī)器較大振動(dòng)（圖5-B）。

3.3 棱骨高度對(duì)茶葉揉捻質(zhì)量的影響

理論分析及實(shí)際使用均表明，棱骨在茶葉揉捻成形過(guò)程當(dāng)中發(fā)揮著重要作用，棱骨結(jié)構(gòu)有利于揉捻過(guò)程中形成茶團(tuán)、促進(jìn)其向上翻轉(zhuǎn)并扭轉(zhuǎn)成條[19]。仿真結(jié)果表明：棱骨高度變化對(duì)茶葉顆粒的平均速度影響不大（圖6-A）；但棱骨高度變化對(duì)揉捻葉的作用力影響較大，棱骨高度減小，棱骨對(duì)茶葉的摩擦阻力以及茶葉向上翻轉(zhuǎn)的作用力減小，導(dǎo)致揉捻葉成條率降低。同時(shí)棱骨不能把茶葉導(dǎo)向揉捻強(qiáng)壓區(qū)，揉捻葉的跑茶率相應(yīng)增大；棱骨高度過(guò)高，棱骨對(duì)揉捻葉的摩擦阻力增大，位于揉盤底部的茶葉易揉碎，碎茶率增大，揉捻質(zhì)量下降（圖6-B）。

圖6 不同棱骨高度下茶葉顆粒的平均速度、作用力曲線

3.4 揉盤傾角對(duì)茶葉揉捻質(zhì)量的影響

揉盤對(duì)揉捻茶團(tuán)的支持力是偏向揉盤中心的，它是促使茶團(tuán)在揉盤翻滾的重要因素之一。如圖7-A所示，0~0.8?s，為松散茶葉加速時(shí)間，松散茶葉在揉桶轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下逐漸加速；0.8~3.0?s，為茶葉成團(tuán)過(guò)程，茶葉由于茶葉間互相摩擦，粘滯阻力及內(nèi)摩擦力逐漸加大，茶葉速度下降并逐步揉捻成團(tuán)；3.0~3.5?s，為茶團(tuán)加速過(guò)程，成團(tuán)的茶葉在揉桶的帶動(dòng)下速度逐漸增大到最大值。揉盤傾角對(duì)茶團(tuán)的形成影響較小，但隨著揉盤傾角變大，茶團(tuán)的最大速度也增大。如圖7-B所示，所受作用力在揉盤傾角為4°時(shí)明顯增大且達(dá)到最大值。揉盤傾角過(guò)大使得強(qiáng)壓區(qū)的揉搓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，揉桶側(cè)邊與揉盤中心位置的揉捻葉不容易發(fā)生易位，形成局部強(qiáng)壓區(qū)，從而導(dǎo)致揉捻葉碎茶率相應(yīng)增大；揉盤傾角過(guò)小使得揉捻葉不容易翻滾，茶葉不容易進(jìn)入強(qiáng)壓區(qū)揉搓成形，從而造成揉捻葉成條率降低，揉捻質(zhì)量較差。

4 正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了研究揉捻過(guò)程中影響茶葉揉捻質(zhì)量的主要因素，得到揉捻性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，在仿真模型建立及EDEM結(jié)果分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。影響茶葉揉捻機(jī)揉捻質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要因素有揉桶轉(zhuǎn)速、揉盤傾角、棱骨高度、棱骨數(shù)量等多種因素，岳鵬翔等[4]對(duì)棱骨數(shù)量?jī)?yōu)化結(jié)果為12，為了探求其他影響因素的優(yōu)化結(jié)果，選取揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨高度以及揉盤傾角作為試驗(yàn)因素，選擇成條率和碎茶率作為揉捻機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)3因素3水平的二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表3所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素編碼

4.2 試驗(yàn)原料和設(shè)備

試驗(yàn)原料采用6CST-60型電熱滾筒殺青機(jī)進(jìn)行殺青處理，然后將殺青葉混勻后，通過(guò)更換不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（棱骨高度、揉盤傾角）的揉盤進(jìn)行茶葉的揉捻試驗(yàn)（圖8）。加入適量殺青葉，揉捻時(shí)間為35?min，采用常規(guī)加壓方式[20]。揉捻過(guò)程結(jié)束后對(duì)揉捻葉取樣，測(cè)定所取樣品的成條率和碎茶率。為了使試驗(yàn)結(jié)果能正確反映茶葉揉捻機(jī)的揉捻性能，按照茶葉揉捻機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 9814—2007）將成條率和碎茶率指標(biāo)的計(jì)算方法規(guī)定如下：

成條率：取揉捻葉樣50?g，剔除老梗老葉、雜質(zhì)，分出該成條而未成條葉（包括扁條、扁片）、碎茶和成條葉3種，分別稱重，成條率計(jì)算公式如下：

式中，—成條率，%；W—成條質(zhì)量，g；∑—成條葉質(zhì)量、該成條而未成條葉質(zhì)量、碎茶質(zhì)量之和，g；—焦末碎片率，%。

碎茶率：取恒溫箱烘干揉捻葉樣200?g（含水率為7%~9%），分兩次取樣，每次取樣100?g，在轉(zhuǎn)速為200?r·min-1碎末茶測(cè)定計(jì)上用直徑為280?cm的16目樣篩篩動(dòng)5轉(zhuǎn)，稱篩下的碎茶質(zhì)量，碎茶率計(jì)算公式如下：

式中，—碎茶率，%；s—碎茶質(zhì)量，g；—焦末碎片率，%。

4.3 結(jié)果與分析

運(yùn)用Design-Expert 10.0對(duì)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并對(duì)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素進(jìn)行顯著性分析[21]，得到成條率1、碎茶率2與揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨高度以及揉盤傾角之間的回歸方程：

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，茶葉揉捻機(jī)成條率的回歸模型的<0.000?1，影響極顯著；失擬項(xiàng)=0.135?5（>0.05），影響不顯著，模型的決定系數(shù)2=0.991?0。茶葉揉捻機(jī)碎茶率的回歸模型<0.000?1，影響極顯著；失擬項(xiàng)=0.097?6（>0.05），影響不顯著，模型的決定系數(shù)2=0.981?2。即表明在一定范圍內(nèi)，回歸模型與實(shí)際情況擬合度較高，無(wú)失擬因素存在，故可用成條率和碎茶率的回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)茶葉揉捻質(zhì)量進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)[22]。

圖8 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下茶葉揉捻機(jī)揉捻試驗(yàn)

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表5 回歸方程方差分析

為了更加直觀的分析試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，運(yùn)用Design-Expert 10.0軟件得到不同試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的響應(yīng)曲面圖[23]。

根據(jù)回歸方程和響應(yīng)曲面可得，揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨高度以及揉盤傾角間存在交互作用，并且對(duì)成條率的影響較為顯著。當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速一定時(shí)，成條率隨著棱骨高度增大而增大；當(dāng)棱骨高度一定時(shí)，成條率隨著揉桶轉(zhuǎn)速增大先增大后減?。划?dāng)揉桶轉(zhuǎn)速變化時(shí)，成條率的變化區(qū)間較大，揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)成條率指標(biāo)的影響更為顯著（圖9-A）。當(dāng)揉盤傾角一定時(shí)，成條率隨著揉桶轉(zhuǎn)速增大先增大后減??；當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速一定時(shí)，成條率隨著揉盤傾角增大先增大后減??；當(dāng)揉盤轉(zhuǎn)速變化時(shí)，成條率的變化區(qū)間較大，揉盤轉(zhuǎn)速對(duì)成條率指標(biāo)的影響更為顯著（圖9-B）。當(dāng)棱骨高度一定時(shí)，成條率隨著揉盤傾角增大先增大后減??；當(dāng)揉盤傾角一定時(shí)，成條率隨著棱骨高度增大而增大。當(dāng)棱骨高度變化時(shí)，成條率的變化區(qū)間較大，棱骨高度對(duì)成條率指標(biāo)的影響更為顯著（圖9-C）。對(duì)成條率指標(biāo)影響顯著性的由大至小依次為：揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨高度、揉盤傾角。

圖9 各因素對(duì)成條率的響應(yīng)曲面

圖10 各因素對(duì)碎茶率的響應(yīng)曲面

當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速一定時(shí)，碎茶率隨著棱骨高度增大而增大。當(dāng)棱骨高度一定時(shí)，碎茶率隨著揉桶轉(zhuǎn)速增大而增大；當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速變化時(shí)，碎茶率指標(biāo)的變化區(qū)間較大，揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)碎茶率指標(biāo)的影響更為顯著（圖10-A）。當(dāng)揉盤傾角一定時(shí)，碎茶率隨著揉桶轉(zhuǎn)速的增大而增大；當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速一定時(shí)，碎茶率隨著揉盤傾角的增大而增大；當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速變化時(shí)，碎茶率指標(biāo)的變化區(qū)間較大，揉桶轉(zhuǎn)速對(duì)碎茶率指標(biāo)的影響更為顯著（圖10-B）。當(dāng)棱骨高度一定時(shí)，碎茶率隨著揉盤傾角增大而增大；當(dāng)揉盤傾角一定時(shí)，碎茶率隨著棱骨高度增大而增大；當(dāng)棱骨高度變化時(shí)，碎茶率的變化區(qū)間顯著，棱骨高度對(duì)碎茶率指標(biāo)的影響更為顯著（圖10-C）。對(duì)碎茶率指標(biāo)影響顯著性由大至小依次為：揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨高度、揉盤傾角。

為了獲得茶葉揉捻機(jī)性能的最優(yōu)參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件，建立茶葉揉捻機(jī)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)成條率和碎茶率的回歸方程進(jìn)行分析。運(yùn)用Design-Expert 10.0軟件中的參數(shù)優(yōu)化模塊對(duì)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型求解[24]，得到優(yōu)化結(jié)果：揉桶轉(zhuǎn)速為42?r·min-1，棱骨高度為10?mm，揉盤傾角為3.8°時(shí)，成條率指標(biāo)為88.55%，碎茶率指標(biāo)為1.83%，茶葉揉捻機(jī)的揉捻質(zhì)量最優(yōu)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的正確性，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶葉加工中心進(jìn)行茶葉揉捻機(jī)的驗(yàn)證試驗(yàn)。以6CR-40型茶葉揉捻機(jī)為驗(yàn)證試驗(yàn)樣機(jī)，選取揉桶轉(zhuǎn)速為42?r·min-1，棱骨高度為10?mm，揉盤傾角為3.8°的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，加入適量的殺青葉，揉捻時(shí)間20?min，采用常規(guī)加壓方式，得到茶葉揉捻機(jī)的成條率為88.32%，碎茶率為1.87%。參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

5 小結(jié)

通過(guò)Solidworks建立揉捻機(jī)三維模型，基于離散元法建立茶葉顆粒仿真模型，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)揉捻過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，解決了茶葉加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)量化分析問(wèn)題，以成條率和碎茶率為目標(biāo)函數(shù)，以揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨高度、揉盤傾角為試驗(yàn)因素，對(duì)茶葉揉捻機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及驗(yàn)證，利用Design-Expert軟件優(yōu)化模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化求解，正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果基本一致。因此運(yùn)用離散元法對(duì)茶葉揉捻機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化具有可行性，并且為茶葉揉捻機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新方法。本文僅選取茶葉揉捻機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)當(dāng)中的揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨高度以及揉盤傾角對(duì)揉捻質(zhì)量進(jìn)行分析研究，在今后的研究中為了更加精確建模，可綜合考慮棱骨寬度、棱骨截面形狀、棱骨螺旋角、棱骨數(shù)量等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)以及茶葉物理特性參數(shù)對(duì)茶葉揉捻質(zhì)量的影響。

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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

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0700504、2017YFD0400801）、安徽省教育廳自然重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2017A133）

李兵，男，副教授，博士，主要從事茶園及茶葉機(jī)械方面的研究，libing@ahau.edu.cn

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