非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置研制與工藝參數研究

摘要：針對目前烏龍茶搖青設備在搖青時因鮮葉間摩擦不充分所導致的茶葉搖青品質不均、效果差等問題，設計了一組非圓齒輪行星輪系的烏龍茶搖青機構，建立了該機構的運動學分析模型并得到其最佳機構參數，利用MATLAB 軟件設計并獲得非圓齒輪的節曲線及齒廓參數（m=2，α=20°，z=51），完成了裝置的結構設計和樣機研制。在此基礎上，設計并開展了烏龍茶搖青的3 因素4 水平正交試驗，將多指標轉化成單一指標以獲取可評判搖青效果的綜合評分，通過正交檢驗分析確定了最優工藝參數，在該工藝參數的組合下，烏龍茶鮮葉的有效搖青率為87.52%，失水率為30.19%，綜合評分為傳統手工搖青的97.02%。試驗結果表明，該非圓齒輪行星輪系的烏龍茶搖青裝置和相關工藝能夠滿足不同老嫩程度、不同數量的烏龍茶搖青需求，使被加工后的烏龍茶達到更貼近手工搖青的效果，并能通過增加機器臺數，從而滿足農業大生產的需求。

關鍵詞：烏龍茶；搖青；非圓齒輪；工藝參數

中圖分類號：S571.1；TS272.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-369X（2023）06-844-13

烏龍茶屬青茶類，為半發酵茶，以“色翠，香氣濃郁持久”的特點深受消費者的喜愛[1]。烏龍茶的傳統工藝為采摘、萎凋、搖青、殺青、揉捻、烘焙。其中搖青是烏龍茶加工工藝中重要的一步，直接影響茶葉的品質[2]。搖青使茶青嫩梗中的可溶性內含物隨著水分擴散至葉片中，并破壞葉細胞的緊密結構，使酶和可溶性內含物結合，促進茶青內含物轉化，形成茶的香味物質。

當前烏龍茶的搖青方式主要有手工搖青和機械搖青。手工搖青是通過人工搖晃圓篩，使茶青在篩盤內發生碰撞和摩擦，產生空間三維相對運動，葉片碰撞和摩擦充分、強度適中，可獲得品質較高的茶葉，但該過程需要人力，耗時較長，生產效率較低，由于目前農村勞動力的流失及人易疲勞等因素的影響，該方式僅適用于小批量烏龍茶的生產，難以滿足大批量生產的需要。目前市場化的機械搖青設備主要以滾筒式搖青機和仿手篩式搖青機為主。滾筒式搖青機能夠實現大批量茶葉的搖青加工[3]，但該搖青過程茶青是平面二維運動，葉片間的碰撞、摩擦不夠充分，質量不如人工搖青；仿手篩式茶葉搖青機通過篩盤帶動茶青做錐面運動，模擬了手工搖青運動軌跡[4]，但錐面上茶青上下位置變化較小、葉片相互摩擦不夠充分，搖青效果還有待提高。此外，近幾年市場上還出現了其他類型的機械搖青機，如基于振動搖青的做青設備[5]，該設備利用電動機帶動振青框運動，使茶青在框內上下運動，發生碰撞從而起到搖青的作用，也是一種近似于平面二維運動，且當茶青量較大時，葉片間的運動空間受限，摩擦不夠充分，而當茶青量較少時，葉片間摩擦力不夠，也易產生葉片摩擦不充分的現象。球罐型的茶葉搖青機，茶青置于球罐內，電機帶動球型滾筒實現x 軸和y 軸方向上的旋轉，使得茶青能夠進行三維相對運動[6]，但當茶青旋轉至最高處掉落時，葉片間的碰撞力較大，易引起葉片的損壞，從而影響搖青質量。

為解決上述問題，提出了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青機構，設計了一套能夠實現變傳動比的非圓齒輪行星輪系機構，模擬人工搖青，使茶青實現空間三維相對運動，且采用可調篩盤裝置，解決搖青工藝中茶青的不同老嫩程度、不同數量，以及不同搖青強度、幅度的問題，研制了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青機的樣機；并通過該樣機對機械搖青工藝進行研究分析，設計了搖青工藝的正交試驗，從而得到最優的參數組合，爭取農藝農機的更好融合。

1 搖青試驗臺設計與試制

1.1 總體方案設計

為滿足不同老嫩程度、不同數量茶青的烏龍茶搖青需求，使被加工后的烏龍茶更貼近手工搖青的效果，對搖青機的關鍵機構進行創新設計。設計了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置，其方案簡圖如圖1 所示。動力從非圓齒輪行星輪系太陽輪主軸輸入并驅動行星架轉動，行星架帶動非圓行星輪公轉，太陽輪固定，非圓行星輪與太陽輪嚙合，非圓行星輪自轉，帶動與其同軸的支撐桿轉動。為模擬手工搖青三維非勻速運動，在支撐桿頭部設計可調偏置篩盤，通過偏置篩盤不同切斜角實現不同強度茶青上下方向非勻速運動。非圓齒輪行星系中的行星架做勻速圓周公轉運動，憑借非圓齒輪的變傳動比傳動特性，支撐桿做非勻速轉動，實現茶青水平平面非勻速運動，篩盤在兩運動合成作用下實現仿手工搖青三維變速運動。

為提高搖青效率和機構的運動平衡性，如圖2 所示，整機采用3 套搖青機構圓周布置。機架上固定有直流電機，通過同步帶將動力傳遞至太陽輪主軸及行星架。

1.2 建立搖青裝置運動學模型

對圖1 所示的搖青機構建立運動學模型，其運動可分為兩部分：一是勻速圓周轉動經非圓齒輪傳動形成非勻速圓周公轉運動，二是非圓行星輪的非勻速自轉帶動支撐桿及其頂端的篩盤運動。在進行運動學求解時，可以根據輸出的運動學特性對機構進行反求，即先建立篩盤的運動模型求得滿足烏龍茶搖青運動所需的非勻速傳動特性，再建立非圓齒輪傳動模型求解對應的齒輪機構。

1.2.1 搖籃運動學模型

圖3 為簡化后的搖籃機構示意圖，僅表達了機構最主要的部分，以便于建立數學模型進行運動學分析。搖青機構中的非圓齒輪輪系將勻速轉動轉變成非勻速轉動，模型中等效為直接對支撐桿施加非勻速轉動。圖中OPK 為支撐桿，其中OP 段與Z 軸平行、長度為l1，PK 段與Z 軸的夾角為α、長度為l2。K 為篩盤的中心點，當支撐桿OP 做非勻速行星運動時，直線PK 的姿態不斷變化，形成篩盤的搖青運動。

該模型省略了非圓齒輪組的部分。若機構的動力源以恒定角速度勻速轉動，則經過非圓齒輪傳動后，支撐桿做非勻速轉動。設支撐桿的角速度為ω，則支撐桿的轉角?與時間的關系為?=ωt。綜上，非圓齒輪產生的傳動效果可以直接用OPK 的轉角變化來代替。

由于K 點與從動非圓齒輪同軸，因此，點K 在做圓周運動過程中的速度和加速度變化與非圓齒輪的轉速相關。由?=ωt，對式（2）進行求導得到K 點速度為：

綜上，求得對搖青機構運動過程中篩盤中心點K 的坐標及其角速度和角加速度的表達式，完成了運動學分析。篩盤角加速度的變化將烏龍茶拋起，在滿足烏龍茶基本搖青運動的同時促進茶葉之間的相互碰撞，達到更好的搖青效果。

1.2.2 非圓齒輪傳動運動學模型

搖青機構采用減速電機作為動力，經一對非圓齒輪傳動實現勻速運動向支撐桿的非勻速轉動的轉變，進而帶動篩盤內的茶青運動。為簡化設計，采用一階與一階的非圓齒輪傳動機構，能實現變傳動比傳動[7]。設非圓齒輪的長半軸為a，短半軸為b，為保證傳動平穩性，兩齒輪的瞬心線作純滾動。

圖4 所示為非圓齒輪的數學模型。設主動非圓齒輪順時針轉動，則從動非圓齒輪逆時針轉動，當主動輪轉過角度θ1，從動輪轉過的角度為θ2。

1.3 搖青裝置結構設計

基于上述理論分析，對非圓齒輪行星驅動的烏龍茶搖青裝置展開具體的結構設計并繪制其三維模型。根據預期樣機尺寸設定齒輪的長半軸尺寸a=150 mm，由1.2.2 章節非圓齒輪偏心率的計算結果可得其限定范圍為0.2≤e≤1，首先折中選取偏心率e=0.6 來開展一組非圓齒輪的結構設計，通過MATLAB 軟件編寫相關計算的GUI 程序，可以得到對應的傳動演示動畫和傳動比曲線，計算結果如圖5所示。

從圖5 中可以看出非圓齒輪傳動的傳動比變化范圍為0.25～4.05，處于可接受范圍內[8]。將計算得到的非圓齒輪節曲線數據完成齒廓的設計。按照標準齒輪設計上述非圓齒輪，選取齒輪模數m=2，壓力角a=20°，刀具齒數為16，利用軟件設計所獲得的齒廓結果如圖6所示，非圓齒輪齒數為Z = 51。

繪制搖青機的三維模型，完成非圓齒輪行星輪系的結構設計，如圖7 所示，非圓太陽齒輪固定在行星架中心，3 個從動行星齒輪均布在其周圍，各行星輪中心與太陽輪轉動中心之間的夾角為120°。同時，針對不同采摘批次、不同老嫩程度茶青的搖青，需通過調整搖青篩盤的搖動幅度來實現不同的搖青力，調整葉片間的摩擦力，老葉重搖，嫩葉輕搖，搖青幅度通過調整篩盤傾角來實現，可調搖青機構結構如圖8 所示，快速調節并固定篩盤中心桿與行星輪上豎直方向支撐桿的傾角。非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置的整體結構如圖9 所示。

2 搖青工藝參數正交試驗

2.1 試驗裝置與環境

2.1.1 試驗裝置的搭建

在完成整機結構設計的基礎上，搭建非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置試驗臺。選用外圈直徑為32 cm、深度為15 cm 的半球形篩盤盛放茶青；篩盤與各非圓行星輪轉軸之間通過活動鉸鏈連接，該鉸鏈可實現竹篩傾角的調節；行星架軸和驅動電機之間采用同步帶傳遞動力，動力源選用25 W 交流減速電機，其轉速可調范圍為0～90 r·min-1。非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置試驗臺如圖10 所示，該試驗臺的空間尺寸約為120 cm×80 cm×100 cm。

2.1.2 試驗流程設計

試驗選用福建省安溪縣西坪鎮的春季鐵觀音茶鮮葉為原料，在谷雨后同一時間、同一茶園中以嫩梢形成駐芽、頂葉剛展呈小或中開面和一芽兩至三葉為標準采摘。以本采摘批次茶青為研究對象，以傳統手工搖青、機械搖青后的茶葉狀態為研究目標，參照現有相關研究所獲取的機械搖青工藝參數，對本研究下的非圓齒輪行星輪系搖青裝置的工藝參數開展研究分析。

2.2 搖青時間選取

根據傳統的工藝要求，鐵觀音的搖青次數以4 次為最佳[9-10]，多次搖青和晾青相結合的搖青方式，能使茶青內部物質充分轉化，形成烏龍茶“綠葉紅鑲邊”的獨特葉底外觀[11]。為獲得較為理想的搖青效果，試驗參照陳林等[12]的研究結果，采用4 搖3 晾的做青方式開展。設定第1 次搖青2 min，靜置晾青90 min；第2次搖青3 min，靜置晾青150 min；第3 次搖青8 min，靜置晾青150 min；第4 次搖青40 min。

2.3 試驗因素與水平

選取非圓齒輪偏心率、篩盤傾角和太陽輪主軸轉速這3 個可能影響本裝置最終搖青效果的相關工藝參數作為試驗因素，開展3 因素4 水平的正交試驗。為進一步驗證本研究所研制的樣機在上述工藝參數組合下搖青的作業有效性情況，在試驗初始階段安排1 組通過搖青大師人工手動搖青所完成的茶葉樣本作為對照組，在該組試驗過程中，除以經驗手動控制竹篩搖動的速度和幅度外，其余各項工藝流程及試驗環境均與正交試驗組相同。最終設計完成的正交試驗試驗因素和對應水平如表1所示。

非圓齒輪偏心率的不同，將影響傳動過程中非圓齒輪的傳動比的變化程度，從而影響篩盤中茶青水平平面運動中慣性力，進而使葉片間的摩擦力發生變化。通過理論計算結果可得其限定范圍為0.2≤e≤1，通過仿真軟件計算，當e=0.8 時非圓齒輪傳動的傳動比變化范圍為0.15～8.95，傳動比的變化較大，慣性力變化將較劇烈，故設其為上限。篩盤傾角，由于傾角大小的變化，在相同轉速情況下將影響茶青搖青過程中離心力和豎平面上的運動強度，進而影響搖青的摩擦力和葉片摩擦的均勻性，參考卞賢炳等[13]研究結果，篩盤傾角取30～45°進行正交試驗。太陽輪主軸的轉速直接影響到搖青茶青的運動及葉片間的受力情況，本研究電機的調速范圍為0～90 r·min-1，初步試驗發現，采用90 r·min-1 時，受樣機尺寸的影響，茶青易掉出篩盤，且在搖青過程中茶青損傷較嚴重，成品率較低，故試驗時太陽輪主軸最高轉速采用80 r·min-1。

非圓齒輪偏心率（因素A）的4 組水平參數代表著所需4 組不同的節曲線的非圓齒輪，即中心太陽輪主軸在某一恒定轉速下可實現各行星輪主軸不同的速度變化規律；依據前述設計思路，所搭建樣機的太陽輪主軸中心線至各行星輪主軸中心線間的距離為定值，即非圓齒輪組在長半軸尺寸固定的情況下，可通過調整不同的偏心率來獲取不同的節曲線和傳動比參數。試驗均采用一階對一階非圓齒輪傳動，利用MATLAB 設計軟件生成因素A 的4組水平下的節曲線參數，如圖11 所示，并通過齒廓生成和3D 打印技術分別完成各水平下的非圓齒輪組加工；表2 為非圓齒輪在4 組偏心率下的傳動比參數。篩盤傾角（因素B）的4 組水平通過控制活動鉸鏈轉角實現，為篩盤中線和行星輪主軸中心線之間夾角；太陽輪主軸轉速（因素C）的4 組水平通過調速器控制驅動電機轉速實現。

2.4 搖青效果評價指標及處理

2.4.1 評價指標確定

搖青過程是茶青在篩盤內壁的推動下不斷與篩盤內壁，以及葉片間不斷發生互相碰撞、擠壓和摩擦，擦破葉緣細胞，并通過靜置發酵形成“綠葉紅鑲邊”外觀品質與花果香氣。在烏龍茶制作過程中，針對搖青效果的好壞評價通常由經驗豐富的制茶大師通過搖青后鮮葉的狀態、香氣、走水程度進行評判；也可通過將做青后的茶葉制成成茶后，以成茶外形、茶湯湯色、滋味和香氣等進行最終品鑒；也有通過對搖青后茶樣開展生化成分檢測來鑒定搖青成色[6]。參照文獻[13]，設計了一種搖青后茶葉物理特性綜合評價及對搖青后的茶葉進行人工外觀等級評價相結合的方法對烏龍茶搖青效果開展綜合評價。

2.5 正交試驗流程

非圓齒輪行星輪系搖青裝置工藝參數研究流程：（1）各試驗組開始試驗前，按照各組預設的各因素水平參數安裝非圓齒輪組、調整電機輸入轉速和篩盤的傾角；（2）從冷藏箱中取出270 g 葉相完整、較為新鮮的茶鮮葉，首先在恒溫環境下靜置約30 min，平均分配至3 個篩盤中；（3）根據預設的做青時間，分別對鮮葉進行機械搖青和晾青，在試驗過程中對散落的鮮葉及時收集放回；（4）待搖青結束后，將3 個篩盤內的所有茶葉和碎末收集稱重得到搖青后的茶葉及碎屑物的總質量Ma；（5）依據A、B、C 的等級標準，請專家對各試驗組搖青后的所有完整茶葉葉片開展評定，稱重并記錄3 種等級標準下的茶葉質量。各試驗組做青時間均嚴格把控，每組搖青結果的評價在搖青結束后一次性完成。

3 結果與分析

3.1 試驗結果直觀分析

按照正交表L16（43）依次進行各組正交試驗，統計并整理各組數據得到表3 所示結果。圖13 為第10 號試驗中篩盤內茶青在搖青前及搖青后的物理外觀變化。

由表3 可知，針對非圓齒輪偏心率（因素A）、篩盤傾角（因素B）和太陽輪主軸轉速（因素C）這3 個因素的不同水平組合，通過搖青試驗可獲取不同結果的有效搖青率和失水率。此外，試驗組9、10、13、14 的結果顯示，其機械搖青后茶青的有效搖青率和失水率均接近傳統手工搖青的對照組結果。表明非圓齒輪行星輪系搖青裝置在合適工藝參數下所加工的茶青能夠取得近似于手工搖青的效果。

3.2 極差分析與方差分析

為研究不同水平下各因素組合對茶葉搖青綜合效果的影響，對表3 的正交試驗數據開展極差分析和多因素方差分析[18]，得到極差分析結果（表4）和方差分析結果（表5）。

各因素極差值的大小可以用來彰顯該因素對整體結果的影響程度，從表5 分析結果可知，對茶葉機械搖青綜合效果的影響因素由大到小依次為非圓齒輪偏心率（因素A）、篩盤傾角（因素B）和太陽輪主軸轉速（因素C）。通過多因素方差研究了因素A、因素B 和因素C 對于搖青效果綜合評分的影響關系，從表6 分析結果可得，因素A、因素B 和因素C均呈現出顯著性，其中因素A 的顯著水平更高，說明所設計的非圓齒輪偏心率對機械搖青的綜合效果的影響處于顯著水平；因素B 和因素C 均呈現出較顯著性，即篩盤傾角和太陽輪主軸轉速也會對機械搖青的綜合效果產生一定影響，影響程度小于所設計的非圓齒輪偏心率。

3.3 試驗組的較優工藝參數

根據3.2 章節的分析結果可知，在以本次采摘的春季鐵觀音鮮葉為試驗對象的基礎上，結合規定時間的4 搖3 晾做青方式，非圓齒輪行星輪系搖青裝置搖青綜合效果較優的工藝參數為A3B2C4（試驗編號10），由表1 可知以偏心率0.6 設計非圓齒輪行星輪組、以35°調節篩盤傾角、以80 r·min-1 的轉速設置太陽輪主軸轉速。在該工藝參數下進行搖青試驗后得到的3 種等級標準下的茶葉物理外觀如圖

14 所示。

結合試驗情況具體分析試驗結果，當非圓齒輪以較小偏心率設計時，其最大瞬時傳動比和最小瞬時傳動比的比值imax/imin 較小，即行星輪主軸在周期性轉動中速度變化不明顯，茶葉所獲得的運動慣性能量較低；而當非圓齒輪以較大偏心率設計時，其最大瞬時傳動比和最小瞬時傳動比的比值imax/imin 較大，行星輪主軸在周期性轉動中速度變化過于明顯，導致在一個運動周期內處于較高傳動比下的茶葉運動速度較大，而處于較低傳動比下的茶葉運動速度相對較慢，加減速度變化帶來的急性沖擊容易導致篩盤中茶葉的堆積或散落，影響搖青的整體效果。提高太陽輪主軸轉速可進一步提升茶葉在篩盤內碰撞的能量水平，但轉速過高時，由于離心力的作用，篩盤內的茶葉易掉出篩盤；在試驗過程中，給予較小篩盤傾角時，篩內鮮葉的跳動情況并不明顯，“走水”過程不充分；而當篩盤位于合適傾角時，增大太陽輪主軸轉速，進一步增大行星輪的基礎轉速，可以適當改善篩盤內茶葉的運動情況，但過高轉速和過大傾角的組合容易導致竹篩內鮮葉在慣性力的作用下掉落，從而影響搖青效果。

10 號試驗組的有效搖青率以及失水率均接近對照組， 其綜合評分為對照組綜合評分的97.02%，高于其余試驗組，表明該試驗組的工藝參數組合在有效搖青率和失水率這2 個評價指標中擁有較好的均衡性，是本研究中的較優工藝參數組。

4 結論

為了進一步提高茶葉的搖青質量，使搖青后的茶葉更加接近手工搖青的效果，提出一種非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置，進行了總體結構方案的設計和搖青機構運動學模型的建立分析，并在此基礎上搭建了非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青試驗臺。對比傳統手工搖青和機械搖青后茶葉的物理特性，以現有機械搖青工藝參數為基礎，進行以烏龍茶有效搖青率和失水率為評價指標的多指標正交試驗，用綜合評分法將多指標轉化成單一指標，通過極差分析法和方差分析法得到最佳的工藝參數為以偏心率0.6 設計非圓齒輪行星輪組、以35°調節篩盤傾角、以80 r·min-1 的轉速設置太陽輪主軸轉速。在最優工藝參數下烏龍茶的有效搖青率為87.52%，失水率為30.19%，綜合評分達到以傳統手工搖青方式為對照組綜合評分的97.02%。試驗結果表明，設計的非圓齒輪行星輪系烏龍茶搖青裝置和工藝參數能夠獲得更加接近手工搖青效果的茶葉，搖青效果良好，為后續不同季節和不同質量要求的烏龍茶生產提供了支撐。

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