“六安瓜片”茶清洁化加工机械及其工艺研究

【摘要】：六安瓜片是中国十大名茶之一，但与龙井等不同的是六安瓜片属无梗无芽扁平型绿茶，长期以来，“六安瓜片”多沿用手工方式加工，劳动生产率低、产品质量不稳定，已成为“六安瓜片”产业发展的瓶颈，尽快研制出“六安瓜片”机械化清洁化加工设备及其生产工艺，对“六安瓜片”产业的可持续发展具有重要的现实意义。本论文对“六安瓜片”在制品的物理特性进行试验研究，以自动化装备与传统制茶工艺相结合的原则，对杀青、做形和烘焙等相关性工序的机器进行理论研究，并设计开发用于相应工序的新型专用装备，主要研究工作及结果如下： 1．测定“六安瓜片”在制品物料的物理特性 （1）鲜叶、杀青叶、揉捻叶、理条叶、毛火叶、小火叶、老火叶在制品的含水率依次为73.9%，59.4%，58.9%，28.3%，19.9%，10.1%,5.5%。 （2）鲜叶、杀青叶、揉捻叶、毛火叶、小火叶、老火叶在制品的容重依次为60.7kg/m3，86.3kg/m3，209.8kg/m3，133.6kg/m3，141.6kg/m3，189.9kg/m3。 （3）鲜叶、杀青叶、揉捻叶、毛火叶、小火叶、老火叶在制品的休止角依次为52.5o，50.7o，59.6o，57.2o，40.6o，35.8o。 （4）鲜叶、杀青叶、揉捻叶、毛火叶、小火叶、老火叶在制品与不锈钢的外摩擦角依次为37.6o，38.0o，43.6o，35.8o，30.2o，30.2o。 （5）鲜叶、杀青叶、揉捻、毛火叶、小火叶、老火叶在制品与不锈钢的动摩擦系数依次为0.77，0.78，0.95，0.72，0.58，0.57。 （6）鲜叶、杀青叶、毛火叶、小火叶、老火叶在制品继续比热依次为3.51kJ/kg·K，3.12kJ/kg·K，2.02kJ/kg·K，1.77kJ/kg·K，1.64kJ/kg·K,干物质比热为1.50kJ/kg·K。 2．优化设计“六安瓜片”杀青机 （1）以双主动摩擦轮对称驱动的方式，减少了摩擦轮的滑转率，提高传动效率。驱动电机由功率原来的0.75kW降为0.5kW，推导了滚筒式杀青机主动摩擦轮接触应力数学模型，并运用该模型对摩擦轮进行了强度校核。 （2）对用于六安瓜片杀青滚筒进行了优化设计，杀青滚筒的直径为500mm，极限转速59.8rpm。滚筒转速还会影响鲜叶在滚筒内的分布状态及抛落角度，试验表明：为适应不同采摘时期、鲜叶嫩度的杀青工艺，要求杀青时鲜叶应覆盖滚筒内表面的60-65%，鲜叶开始抛落点与水平方向夹角应为45-60°，以利于鲜叶迅速升温及较快排湿，提高杀青质量。所设计的杀青滚筒转速为20~40rpm无级调节，可以满足以上要求。 （3）改变传统式滚筒式杀青机主要热辐射或线接触式热传导方式传热,本机采用面接触式热传导方式进行传热，并加厚了保温层厚度，传热效率由原35%提高到57%。 3．研发“六安瓜片”做形机 （1）对六安瓜片做形机进行运动学及动力学分析，分别运用失量法、图解法、解析法并建立了曲柄、连杆、槽锅的位置、速度、加速度等精确数学模型，同时推导了基于Maclaurin公式的用于工程运用的近似数学模型，以简化运算，并运用Matlab绘制了相关曲线同时证明近似公式的可行性。 （2）在分析六安瓜片做形机进行运动学及动力学基础上，对连杆及槽锅的惯性力进行计算，其结论为：槽锅的最大惯性力Fqm为73.7Kgf，连杆的最大法向惯性力Fqnm为7.23Kgf，连杆的最大切向惯性力Fqtm为41.9Kgf，以上惯性力均随曲柄的转角的变化而变化，理条机的实际惯性力是以上交变的空间力系的失量和。并运用过量平衡法在连杆铰链点与曲柄回转中心反向延长线上，且距曲柄回转中心60mm处设置15kg配重时，水平与垂直方向振动分别由未加配重前的1.1mm与0.88mm减小为0.51mm与0.45mm。 （3）以最小传动角的最大值为目标函数，结合六安瓜片制茶工艺要求建立了以曲柄长度、连杆长度、偏心距、滑块行程、辅助角等为主要参数的约束方程，并运用蚁群算法对该优化设计数学模型进行求解。优化结果为：当曲柄长度a为59.1mm，连杆长度b为341.5mm，偏心距e为57.5mm，滑块行程H为120mm，辅助角β为8.26°，极位夹角θ为3.5°时，茶叶理条幅机的最小传动角γmin从原来的50°增大到70.1°，有效地改善了做形机的传动性能，使传动更加平稳，振动减轻，噪音降低；槽锅的卡滞现象消失，做形机的成条率也有增加6%。 4．研制“六安瓜片”烘焙机 （1）根据六安瓜片传统拉老火工艺要求，研制转盘式六安瓜片烘焙机，机器充分利用光机电一体化技术、变频技术及温度控制技术，具有烘焙温度、连续烘焙时间、两次烘焙间隔时间及转盘转速等参数可人工设定，以满足不同的制茶工艺要求。 （2）为了实现六安瓜片高温间歇烘焙的工艺要求，设计了基于光电开关、时间继电器及交流接触器的控制系统，与普通行程开关定位相比较，具有烘焙时间可调、定位可靠及抗干扰能力强的特点。 （3）红外辐射波长为2-16um的板状红外辐射器用于六安瓜片茶叶烘焙，有利于水、糖类、氨基酸、果胶质等物质对红外线的吸收，与微波烘干机相比，具有非选择性烘焙特点，有利于茶叶烘焙过程中各种有益香气的析出，提高焙香效果。 （4）基于模糊PID控制原理设计的温度控制器具有较好的动态及静态性能，温度控制精度高、超调小、鲁棒性好等特点，当用于六安瓜片叶温设置为80°C时，能得到较好的烘焙品质,碎茶率由人工烘焙的15%降低到5%。 5．设计“六安瓜片”清洁化加工工艺 （1）在六安瓜片传统制茶工艺的基础上，结合所研制的关键装备，设计了六安瓜片清洁化加工工艺，质量检测表明：各项理化指标达到相关国家标准要求。 （2）感观审评表明：同一批次的机械茶与手工茶相比，机械茶的匀整度、均一性前者较好，机械茶滋味比手工茶鲜醇，但手工茶的香气、爽度要好于机械茶。 【关键词】：六安瓜片茶 物理特性 杀青机 做形机 烘焙机
【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TS272.4
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-9
• 图目录9-11
• 表目录11-12
• 目录12-16
• 第1章 绪论16-24
• 1.1 研究背影、目的和意义16-18
• 1.2 国内外研究现状18-21
• 1.2.1 杀青技术及装备的研究18
• 1.2.2 做形技术及装备的研究18-20
• 1.2.3 烘焙技术及装备的研究20-21
• 1.3 研究内容和方法21-23
• 1.3.1 主要内容21-22
• 1.3.2 研究方法22-23
• 1.4 本章小结23-24
• 第2章 六安瓜片在制品的物理特性研究24-36
• 2.1 六安瓜片在制品含水率24-25
• 2.2 六安瓜片在制品容重25
• 2.3 六安瓜片在制品内摩擦角25-27
• 2.4 六安瓜片在制品外摩擦角27-29
• 2.5 六安瓜片在制品动摩擦系数29-31
• 2.6 六安瓜片在制品比热测定31-34
• 2.7 本章小结34-36
• 第3章 六安瓜片杀青机的研究36-55
• 3.1 滚筒式杀青机总体方案37-39
• 3.2 杀青机传动设计39-47
• 3.2.1 摩擦轮安装角39-40
• 3.2.2 杀青滚筒驱动电机功率40-41
• 3.2.3 摩擦轮强度校核41-42
• 3.2.4 链传动设计42-44
• 3.2.5 带传动设计44-47
• 3.3 杀青滚筒设计47-52
• 3.3.1 滚筒直径、长度及导叶板参数47-50
• 3.3.2 杀青滚筒极限转速50-51
• 3.3.3 电热管功率51-52
• 3.4 样机对比试验52-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第4章 六安瓜片做形机的研究55-94
• 4.1 做形机的总体方案设计55-57
• 4.2 带传动设计57-62
• 4.2.1 第一级带传动设计57-60
• 4.2.2 第二级带传动设计60-62
• 4.3 做形机运动学研究62-73
• 4.3.1 曲柄滑块机构在做形机中的应用62-65
• 4.3.2 做形机运动学的矢量法分析65-67
• 4.3.3 做形机运动学的图解法分析67-69
• 4.3.4 做形机运动学的解析法分析69-73
• 4.4 做形机的动力学研究73-84
• 4.4.1 槽锅的位移与行程73-76
• 4.4.2 槽锅的加速度及惯性力76-79
• 4.4.3 连杆角速度及法向惯性力79-81
• 4.4.4 连杆角加速度及切向惯性力81-84
• 4.5 做形机惯性力的平衡84-87
• 4.6 做形机传动机构优化设计87-93
• 4.6.1 蚁群算法原理87-89
• 4.6.2 做形机优化设计数学模型89-92
• 4.6.3 仿真计算及验证实验92-93
• 4.7 本章小结93-94
• 第5章 六安瓜片烘焙机的研究94-122
• 5.1 转盘式烘焙机总体方案95-98
• 5.2 远红外辐射板电功率的确定98-99
• 5.3 烘焙机传动设计99-105
• 5.3.1 驱动电机功率计算99
• 5.3.2 齿轮传动设计99-102
• 5.3.3 主轴设计及强度校核102-105
• 5.4 间歇运动自动控制系统设计105-114
• 5.4.1 红外线光控发射电路设计106-110
• 5.4.2 红外线光控接收电路设计110-113
• 5.4.3 电机主控电路设计113-114
• 5.5 远红外辐射烘焙单元设计114-120
• 5.5.1 烘焙单元结构设计114-115
• 5.5.2 模糊 PID 茶叶烘焙温度控制器设计115-120
• 5.6 烘焙试验及茶叶审评120-121
• 5.7 本章小结121-122
• 第6章 六安瓜片机制茶品质检测及经济效益分析122-128
• 6.1 六安瓜片生产线及工艺流程122-123
• 6.2 六安瓜片机制茶质量检测123-124
• 6.3 六安瓜片机制茶与手工茶感官审评124-126
• 6.4 六安瓜片机制茶与手工茶关键工序加工成本对比126-127
• 6.5 本章小结127-128
• 第7章 研究工作总结与展望128-131
• 7.1 全文总结128-130
• 7.2 研究展望130-131
• 参考文献131-138
• 致谢138-139
• 个人简介139-140
• 攻读博士学位期间取得的相关成果140-141
• 一、发表论文140
• 二、授权专利、软件著作权140-141
• 三、主持和参加课题及成果141

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