基于DEM-RSM方法的多尺度鲜茶叶滚筒筛设计与实验分析

《Food Science & Nutrition》：Design and Experimental Analysis of a Multi-Scale Fresh Tea Leaf Rotary Drum Screen Based on the DEM-RSM Method

　　

用于鲜茶叶分级的传统滚筒筛存在持续的限制，包括筛孔堵塞、颗粒缠绕以及操作参数优化不佳，这阻碍了多等级鲜茶叶的高效精确分选。为了应对这些挑战，本研究提出了一种高性能滚筒筛设计，该设计通过耦合离散元方法（Discrete Element Method, DEM）和响应面法（Response Surface Methodology, RSM）框架进行优化，并通过系统实验验证。研究人员采用DEM模拟评估了两种筛孔布局：传统的顺序“小-中-大”布局和新型交替“小-中-小-中-大”布局。结果表明，所提出的布局有效缓解了颗粒缠绕并减少了堵塞，展现出更优的筛分性能。通过单因素实验确定了滚筒转速、倾角和喂料量的可行操作范围。随后，RSM实验量化了这些参数的交互效应，并建立了分离效率的回归模型。通过Design-Expert软件优化，确定了最佳操作条件：转速为13 r/min，倾角为5.5°，喂料量为300片鲜茶叶（0.132 kg）。在此条件下，平均分离效率达到70.49%。本文提出的DEM-RSM耦合方法为鲜茶叶分级设备的结构创新和参数优化提供了坚实的理论基础，推动了初制茶加工的标准化和效率提升。

**论文解读：基于DEM-RSM方法的多尺度鲜茶叶滚筒筛设计与实验分析**

**研究背景与问题**
茶叶是中国重要的经济作物和文化象征，其最终品质与加工各环节密切相关，其中鲜茶叶分选是初制茶生产中的关键单元操作（Ren et al. 2025; Gan et al. 2024）。多等级鲜茶叶——包括单叶、一芽一叶、一芽二叶和一芽多叶——具有不同的尺寸和成熟度特征，决定了后续加工路线以及最终产品的等级和经济价值（Zhang et al. 2025）。优质嫩单叶和一芽一叶用于高档绿茶和红茶，而较粗的一芽二叶和多叶原料主要用于茶饮料和提取物。因此，开发高效、准确的多等级鲜茶叶分选技术对于提升加工标准化水平和茶产业工业附加值至关重要（Hu et al. 2025; Liu et al. 2024）。

滚筒筛是当前工业实践中鲜茶叶分选的主导技术（Dai et al. 2023; Xue et al. 2020）。其性能取决于筛孔尺寸和排布，但现有设备面临显著技术瓶颈。首先，广泛采用的常规“小-中-大”孔径布局易导致颗粒缠绕和互锁，造成筛孔严重堵塞，降低筛分效率（Li et al. 2024; Wang et al. 2024; Gan et al. 2023）。其次，关键操作参数——包括滚筒转速、倾角和喂料量——通常依据经验确定，缺乏系统性的多因素优化，导致分选精度不足、运行稳定性差，无法满足多等级鲜茶叶的精细分选要求（Wang 2025; Song et al. 2020）。此外，鲜茶叶是柔性片状材料，物理特性高度敏感，在加工过程中易受损和变形，传统实验方法无法准确捕捉其在筛分过程中的动态运动行为（Huang 2025; Kuang et al. 2026），进一步阻碍了设备优化升级。

针对上述问题，本研究旨在设计一种新型滚筒筛，通过耦合离散元方法（DEM）和响应面法（RSM）克服常规设备的堵塞、缠绕和参数优化不佳等核心痛点。该工作为鲜茶叶分选设备的结构创新和参数优化提供理论支持和技术参考，推动初制茶加工技术向高效化、精细化发展。论文发表在《Food Science》。

**关键技术方法**
研究人员采用离散元方法（DEM）模拟鲜茶叶颗粒在滚筒筛中的运动，使用EDEM 2020软件，选择Hertz-Mindlin（No Slip）接触模型，并基于实测尺寸将多等级鲜茶叶建模为椭球颗粒（单叶：20×50 mm；一芽一叶：35×60 mm；一芽二叶：60×60 mm），通过质量校准实现几何与质量的双重匹配。同时，采用响应面法（RSM）基于Box-Behnken中心复合设计进行三因素三水平实验，建立分离效率的二次回归模型并优化参数。样本来源于2025年4月中国浙江省湖州市标准化茶园人工采摘的鲜茶叶（单叶、一芽一叶、一芽二叶），2小时内运抵实验室保持新鲜状态。

**研究结果**
**3.1 筛分模拟分析**
通过DEM模拟对比常规“小-中-大”布局与新型“小-中-小-中-大”布局在不同倾角（3°、5.5°、8°、10°）下的筛分过程。结果表明，新型布局通过“中-小”孔径近距离分流有效缓解了颗粒缠绕和堵塞，促进了轴向扩散，使单叶提前从相邻中孔筛出，一芽一叶有序从中孔排出，分选边界清晰，效率显著优于常规布局；且随倾角增大，优势更加明显。基于此，设计了角度可调式滚筒筛主体结构，包含进料系统、滚筒筛体、角度调节机构、筛面清理装置、传动系统等。

**3.2 鲜茶叶滚筒分选影响因素实验**
通过单因素实验确定参数可行范围：滚筒转速7~14 r/min时分离效率均高于61%，最优范围为7~14 r/min；倾角0°~10°中，5.5°时效率最高（61.23%），3°~8°为可行范围；喂料量低（150片）与中（350片）时效率接近（62.83%与61.23%），高喂料量（550片）显著下降至46.13%。

**3.3 响应面实验分析**
基于Box-Behnken设计进行17组实验，方差分析显示模型p<0.0001（高度显著），失拟项p=0.1057（不显著），R²=0.9970，预测R²=0.9627，变异系数CV=1.64%。回归模型为：Y=62.68?2.99A?3.85B+3.81C?1.10AB+1.73AC?1.55BC?6.18A²?9.85B²?11.28C²。主效应A、B、C均极显著，二次项A²、B²、C²极显著，交互项AB显著（p=0.0313），AC和BC极显著（p<0.01）。响应面图显示效率呈“山丘”形，各因素存在最优中间水平。

**3.4 各因素交互作用机制分析**
转速与倾角交互：倾角决定轴向速度和有效筛分时间，转速控制径向翻滚频率，两者需平衡中等水平才能最大化效率。转速与喂料量交互：喂料量影响料层厚度和缠绕概率，高喂料量时转速需适中以打破缠绕，低喂料量时转速影响减小。倾角与喂料量交互：高喂料量时倾角过小导致堆积堵塞，过大则缩短停留时间，中等倾角（5.5°）平衡驱动力和停留时间。

**3.5 参数优化与实验验证**
通过Design-Expert优化得最佳参数：转速13 r/min，倾角5.5°，喂料量300片鲜茶叶。三次重复实验平均分离效率达70.49%，鲜叶破损率2.17%，芽叶断裂率1.32%，均低于行业5%阈值。与商业滚筒筛（通常效率45%~55%）相比，绝对效率提升20.49个百分点（相对提升40.98%），堵塞问题显著缓解。

**3.6 研究局限性**
DEM模拟采用简化椭球颗粒，无法完全反映柔性变形和茎叶缠绕，但相对误差仅4.03%且在许可范围内。实验样本为单一品种、固定产地和采收期，参数通用性有限，但DEM-RSM耦合方法及因素交互规律可广泛推广。现有滚筒筛存在鲜茶叶粘附筛面的缺陷，限制了效率提升，但不影响优化结果的可靠性。

**讨论与结论**
研究结论部分翻译：
（1）创新性的交替孔径布局“小-中-小-中-大”通过孔径分流有效缓解了鲜茶叶颗粒缠绕和筛孔堵塞。在3°~10°的滚筒倾角范围内，该布局比常规顺序布局展现出显著更高的筛分效率和分级精度，且在大倾角下优势更突出。
（2）建立了以滚筒转速、倾角和喂料量为影响因素的分离效率二次回归模型。该模型高度显著、拟合精度高，能精确反映单因素及其交互对分离效率的非线性效应。倾角和喂料量的影响略大于转速。
（3）确定了最佳操作参数：转速13 r/min，倾角5.5°，喂料量300片茶叶，平均分离效率达70.49%。优化参数优于传统经验设置，实验稳定性优异，可为初制茶加工的标准化提供理论和技术支持。