針形名茶理?xiàng)l機(jī)的防焦優(yōu)化設(shè)計(jì)＊

游青山 ， 曾 卓 ， 張 瑩

（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；2.工業(yè)機(jī)器人與礦山智能裝備系統(tǒng)應(yīng)用重慶市高校工程中心，重慶 402260；3.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，重慶 402160；4.重慶云嶺茶業(yè)科技有限責(zé)任公司，重慶 402160）

0 引言

針形名茶的制備分為殺青、揉捻、做形、干燥等工序。理?xiàng)l工藝主要是針形綠茶做形，即已經(jīng)通過兩次揉捻的茶葉在一定的溫度環(huán)境中通過均勻受熱，抖散開來，使每顆茶葉獨(dú)立不抱團(tuán)；繼續(xù)持續(xù)加熱，邊抖散邊翻炒并達(dá)到揉搓成條的效果。成型的基礎(chǔ)是理?xiàng)l，做形的最終結(jié)果是茶葉外形緊直，形似松針。隨著工藝設(shè)備的自動(dòng)化、智能化，現(xiàn)代茶葉的做形都由專業(yè)的理?xiàng)l機(jī)完成。

多槽形鍋式理?xiàng)l機(jī)是廣泛使用的一種理?xiàng)l機(jī)機(jī)型，由電動(dòng)機(jī)、調(diào)速裝置、加熱裝置、溫度調(diào)節(jié)與控制裝置、槽鍋及鍋臺(tái)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)架等部件構(gòu)成[1]。做形時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)曲線槽鍋的鍋臺(tái)做平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，茶葉在鍋內(nèi)加熱的同時(shí)沿著鍋內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，被摩擦、擠壓和滾動(dòng)成條狀，茶葉在鍋內(nèi)受重力、擠壓力、熱力等作用，進(jìn)一步散失水分，逐漸干燥理直、初步定形。多槽形鍋式理?xiàng)l機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多槽形鍋式理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 設(shè)計(jì)背景

傳統(tǒng)多槽形鍋式理?xiàng)l機(jī)存在以下問題：

1）受熱不均。理?xiàng)l加熱裝置分布不太合理，造成鍋槽內(nèi)的溫度分布不均勻，進(jìn)一步造成茶葉品質(zhì)的不均勻，中間部分的溫度高，四周或某個(gè)角落的溫度很低，不利于統(tǒng)一和提高茶葉品質(zhì)[2]。

2）茶葉焦邊及粘鍋。在理?xiàng)l機(jī)運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生很多茶葉灰塵和噪音污染，茶葉攤鋪及受熱不均導(dǎo)致的茶葉焦邊及粘鍋；人工手動(dòng)頻繁接觸茶葉導(dǎo)致細(xì)菌滋生風(fēng)險(xiǎn)。

3）上料不便缺陷。理?xiàng)l機(jī)運(yùn)行中人工上料并人工清除粘鍋葉芽等勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度高、安全隱患大等，會(huì)對(duì)從業(yè)者的人身健康形成危害。

鑒于此，在基于已有多槽形鍋式理?xiàng)l機(jī)的基礎(chǔ)上，本課題小組設(shè)計(jì)了一款優(yōu)化的針形名茶防焦理?xiàng)l機(jī)[3-6]。改進(jìn)型理?xiàng)l機(jī)主要解決茶葉攤鋪不均、上料后葉芽粘鍋、茶葉焦邊等影響茶葉成型品質(zhì)，以及工人勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度高等問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針形名茶防焦理?xiàng)l機(jī)基于已有傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了理?xiàng)l鍋、增加了往復(fù)式翻炒裝置等。往復(fù)式翻炒機(jī)構(gòu)設(shè)置于兩個(gè)固定安裝臺(tái)之上，并可跟隨理?xiàng)l鍋?zhàn)笥彝鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，以及通過移動(dòng)機(jī)架組件前后運(yùn)動(dòng)將茶葉進(jìn)行來回往復(fù)的翻炒，避免人工操作時(shí)出現(xiàn)的茶葉翻炒不均，進(jìn)而引起茶葉個(gè)體焦邊率高的問題，使得整體受熱更加均勻，提升產(chǎn)品質(zhì)量。針形名茶防焦理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)整體示意圖如圖2所示。

2.1 往復(fù)式翻炒裝置

往復(fù)式翻炒裝置包括翻炒移動(dòng)模塊、擺動(dòng)跟隨模塊、翻炒機(jī)構(gòu)模塊等。其中，翻炒移動(dòng)模塊帶動(dòng)翻炒機(jī)構(gòu)模塊在理?xiàng)l鍋內(nèi)前后擺動(dòng)，擺動(dòng)跟隨模塊帶動(dòng)翻炒機(jī)構(gòu)模塊跟隨理?xiàng)l鍋進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.1.1 翻炒移動(dòng)模塊

翻炒移動(dòng)裝置帶動(dòng)翻炒機(jī)構(gòu)在理?xiàng)l鍋內(nèi)進(jìn)行前后移動(dòng)，模擬人工在理?xiàng)l鍋內(nèi)進(jìn)行翻炒茶葉的動(dòng)作。該裝置主要包括安裝機(jī)座、翻炒移動(dòng)伺服電機(jī)、移動(dòng)滑座、安裝橫梁等。

圖2 針形名茶防焦理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)整體示意圖

安裝機(jī)座上設(shè)置有伺服電機(jī)，安裝機(jī)座內(nèi)部設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)移動(dòng)滑座往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滾柱絲杠副，采用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾柱絲杠副的機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)安裝橫梁整體在安裝機(jī)座上作前后運(yùn)動(dòng)。使得整體機(jī)構(gòu)運(yùn)行更加平穩(wěn)，安裝機(jī)座上設(shè)置有燕尾槽滑臺(tái)，移動(dòng)滑座設(shè)置有與燕尾槽滑臺(tái)配合使用的燕尾槽，移動(dòng)滑座上還設(shè)置有與滾柱絲杠副配合安裝的安裝支耳。翻炒移動(dòng)裝置的移動(dòng)滑座結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 移動(dòng)滑座結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 擺動(dòng)跟隨模塊

理?xiàng)l機(jī)械運(yùn)行過程中，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)理?xiàng)l鍋一直進(jìn)行左右擺動(dòng)理?xiàng)l。在左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，加速度、速度的方向時(shí)刻都在改變，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清掃裝置始終與理?xiàng)l鍋保持可靠及緊密接觸，以及可能延長(zhǎng)自動(dòng)清掃裝置的使用壽命，設(shè)計(jì)整個(gè)清掃裝置能跟隨理?xiàng)l鍋同步運(yùn)動(dòng)。改良的理?xiàng)l鍋兩端焊接有兩個(gè)U形剛體座，當(dāng)理?xiàng)l鍋?zhàn)笥彝鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，剛體座撥動(dòng)安裝橫梁7的支架限位滑塊6，以此帶動(dòng)固定在支架限位滑塊6上的轉(zhuǎn)動(dòng)推板5及翻炒刮板12跟隨理?xiàng)l鍋同步運(yùn)動(dòng)。

2.1.3 翻炒機(jī)構(gòu)模塊

翻炒機(jī)構(gòu)模塊包括安裝橫梁上的支架限位滑塊、支架鉸接的液壓缸、翻炒刮板、轉(zhuǎn)動(dòng)推板以及支架上的定滑輪等。轉(zhuǎn)動(dòng)推板一端與液壓缸鉸接設(shè)置，另一端繞定滑輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)推板與定滑輪之間設(shè)置彈簧或者安裝套筒，用于確保轉(zhuǎn)動(dòng)推板與定滑輪之間時(shí)刻處于接觸的狀態(tài)，液壓缸的液壓桿伸出時(shí)推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)推板向前運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)推板端部繞著定滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)推板則與其運(yùn)動(dòng)的方向形成一定的夾角，進(jìn)而整個(gè)機(jī)構(gòu)向前推動(dòng)；當(dāng)機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓桿縮回，轉(zhuǎn)動(dòng)推板隨著改變方向，轉(zhuǎn)動(dòng)推板與其運(yùn)動(dòng)的方向形成一定的夾角，夾角的大小可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了適應(yīng)理?xiàng)l鍋內(nèi)多組圓弧形長(zhǎng)溝槽結(jié)構(gòu)，翻炒刮板下端安裝多組茶葉翻炒片，茶葉翻炒片為與弧形溝槽適形配合的圓弧形結(jié)構(gòu)，茶葉翻炒片與弧形溝槽一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。同時(shí)，茶葉翻炒片采用棕毛加工制成，每片茶葉翻炒片均由多條棕毛間隔布置而成，棕毛加工制成的翻炒片能夠更好將茶葉進(jìn)行來回的翻炒，間隔布置的方式避免其茶葉產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，進(jìn)而確保其翻炒質(zhì)量。避免其茶葉數(shù)量過多而相互之間產(chǎn)生影響，使茶葉進(jìn)行翻炒時(shí)能夠更加均勻有序進(jìn)行，從而使理?xiàng)l鍋內(nèi)各個(gè)位置的茶葉都得到均勻翻炒效果。茶葉翻炒片結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 茶葉翻炒片結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制軟件

針形名茶防焦理?xiàng)l機(jī)是在已經(jīng)進(jìn)行改良的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之上，加入嵌入式控制系統(tǒng)，使得理?xiàng)l機(jī)更加智能化，其主流程和往復(fù)式翻炒機(jī)構(gòu)工作流程如圖5、圖6所示。

3 試驗(yàn)

茶葉做形不僅與理?xiàng)l設(shè)備有關(guān)，而且同茶葉投入量、理?xiàng)l時(shí)間、理?xiàng)l溫度、茶葉含水量和理?xiàng)l方法等離不開。選用茶山竹海3月中旬的早白尖-5號(hào)作為樣品，依據(jù)理?xiàng)l因素優(yōu)化試驗(yàn)方法如表1所示。

圖5 理?xiàng)l機(jī)主流程

圖6 往復(fù)式翻炒機(jī)構(gòu)工作流程

表1 優(yōu)化理?xiàng)l試驗(yàn)

按照表1的試驗(yàn)方法，選用原有理?xiàng)l機(jī)以及改進(jìn)型理?xiàng)l機(jī)，進(jìn)行理?xiàng)l效果優(yōu)化試驗(yàn)。經(jīng)過8次理?xiàng)l對(duì)比試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比如圖7所示。通過圖7可知，在茶葉樣品的理?xiàng)l過程中效果如下：

1）原有型理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l的個(gè)體焦邊率在2.0%～3.5%之間；優(yōu)化型理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l的個(gè)體焦邊率在0.5%以下；

2）原有型理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l的個(gè)體斷碎率在3.2%～4.6%之間；優(yōu)化型理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l的個(gè)體斷碎率在0.6%以下；

3）原有型理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l時(shí)，工人需要對(duì)理?xiàng)l的茶葉手動(dòng)翻炒，理?xiàng)l過程中人工參與度30%左右；優(yōu)化型理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l時(shí)自動(dòng)翻炒茶葉，工人工作時(shí)只需要適當(dāng)監(jiān)視管理，人工參與度在5%左右，從而降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了操作安全系數(shù)。

4 結(jié)論

本針形名茶防焦理?xiàng)l機(jī)基于已有傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了理?xiàng)l鍋，增加了往復(fù)式翻炒裝置等。通過往復(fù)式翻炒裝置的移動(dòng)機(jī)架組件將茶葉進(jìn)行來回往復(fù)的翻炒，避免人工操作時(shí)出現(xiàn)的茶葉翻炒不均進(jìn)而引起茶葉個(gè)體焦邊率高的問題，均能有效減少斷碎率；減少工人的人工參與度，從而降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了操作安全系數(shù)；同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，利于推廣。

圖7 實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比