多層輸送帶箱式茶葉悶黃機的研制

李伏桃，許 超

岳陽市農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)推廣站，湖南 岳陽 414000

悶黃是黃茶加工特有的工序，也是影響黃茶品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，對黃茶獨特的黃湯、黃葉及醇厚鮮爽滋味品質(zhì)的形成至關(guān)重要[2]。目前，茶葉悶黃以傳統(tǒng)悶黃方式為主，但品質(zhì)易受手工技藝的影響，同時存在人工成本高、溫度較難控制、批量生產(chǎn)受限等問題[3]。由于黃茶屬于小眾茶，一直以來有關(guān)悶黃工序機械化、自動化的研究較少[4-5]，茶機企業(yè)也沒有生產(chǎn)銷售專門的悶黃機械。隨著消費者對茶產(chǎn)品多元化的需求，近年來黃茶產(chǎn)銷量均有所提升[6]，特別是黃茶主產(chǎn)區(qū)看準(zhǔn)商機，大力發(fā)展黃茶生產(chǎn)，部分茶企利用紅茶發(fā)酵機、恒溫箱等設(shè)備進行悶黃加工，但悶黃效果不佳。岳陽市農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)推廣站從2017年開始岳陽黃茶悶黃機械化的研究，提出了茶葉悶黃“機械化、智能化”方案，2018年成功研制出我國第一臺茶葉悶黃專用設(shè)備——6CMJ-80D/120型茶葉悶黃機。在大量生產(chǎn)試驗的基礎(chǔ)上，2021年研發(fā)出多層輸送帶箱式茶葉悶黃機，創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)置多層輸送帶結(jié)構(gòu)悶黃室并優(yōu)化設(shè)計悶黃控制程序，旨在為黃茶悶黃機械化提供技術(shù)支撐。

1 機械設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

黃茶悶黃機設(shè)計主要是基于黃茶悶黃原理與工藝要求，通過給含有較高水分的茶葉加溫并自動控制悶黃的溫度、濕度、時間和翻堆次數(shù)，通過濕熱作用快速促進茶葉的化學(xué)變化，形成黃茶品質(zhì)特征[7-8]。根據(jù)黃茶悶黃原理與突出機械悶黃的特點，多層輸送帶箱式悶黃機設(shè)計由內(nèi)置多層輸送帶結(jié)構(gòu)的悶黃箱體、溫濕控制系統(tǒng)、機架底座、自動控制系統(tǒng)等四大部分組成。多層輸送帶結(jié)構(gòu)起攤?cè)~、承載、輸送茶葉的作用，茶葉從上層轉(zhuǎn)移至下層時即完成了一次翻堆。在茶葉從進茶口轉(zhuǎn)移至出茶口的過程中，溫濕控制系統(tǒng)供給溫度適宜的熱空氣快速提升茶葉溫度并達(dá)到恒溫悶黃，除濕功能及時帶走茶葉表面多余水分。多層輸送帶結(jié)構(gòu)的動力通過安裝在機架底座上的電動機提供，經(jīng)電機變頻調(diào)速、減速機、鏈輪傳動機將電動機的速度降到悶黃時輸送網(wǎng)帶所需的速度。由傳感器在線檢測+視頻監(jiān)控+編程控制+執(zhí)行機構(gòu)組成自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)茶葉悶黃在線控制。主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多層輸送帶箱式茶葉悶黃機結(jié)構(gòu)原理圖Figure 1 Structural principle diagram of multi-layer conveyor belt box type tea stuffy yellowing machine

1.2 主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.2.1 箱體設(shè)計

目前，相關(guān)研究機構(gòu)少有從事悶黃設(shè)備的研究，市場上也沒有茶葉悶黃設(shè)備在售。6CMJ-80D/120型茶葉悶黃機的悶黃箱室為一圓形長筒體，在圓形筒體軸心線上安裝翻堆和供熱氣兩用空心軸，然而，正是因為這種結(jié)構(gòu)，如要加大茶葉悶黃生產(chǎn)率，需加大筒體直徑或加長筒體長度，而這種方案主要是翻堆臂和軸增量受限不可滿足生產(chǎn)需求；另可多臺悶黃機并聯(lián)運行，但這個方案成本太高茶企不能接受。此外，這種結(jié)構(gòu)還有一個缺點就是翻堆臂對茶葉產(chǎn)生擠壓和揉搓，會造成一定的損傷。本試驗參照茶葉微波殺青干燥機的網(wǎng)帶輸送結(jié)構(gòu)和茶葉烘干機多層落茶結(jié)構(gòu)，設(shè)計出內(nèi)置多層輸送帶結(jié)構(gòu)的悶黃箱體作為悶黃室[9]。悶黃箱體由多層輸送帶結(jié)構(gòu)、機架箱體、箱體保溫層、送風(fēng)管、左右擋茶板等構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 悶黃箱體圖Figure 2 Diagram of stuffy yellowing box

多層輸送帶結(jié)構(gòu)的層數(shù)f，根據(jù)翻堆次數(shù)n確定，f=n+1。多層輸送帶結(jié)構(gòu)由f層結(jié)構(gòu)相同的單層輸送帶結(jié)構(gòu)組成，每個單層輸送帶結(jié)構(gòu)由單層輸送帶、刷茶輪、勻茶器及其電機減速機組成。

單層輸送帶由網(wǎng)布、主從動輸送鏈輪軸、軸承座、輸送鏈條和網(wǎng)布固定方管構(gòu)成。考慮到網(wǎng)布需承重、耐溫和環(huán)保等因素，選擇由單絲直徑φ1 mm、材質(zhì)為聚四氟乙烯絲制成的1 mm×1 mm網(wǎng)格布。考慮到生產(chǎn)效率高、網(wǎng)布承載重的情況，最終采用雙輸送鏈條+方管固定網(wǎng)布與鏈條下方再用托板的方案，最大限度減少網(wǎng)布張力和整個輸送帶結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單層輸送帶機構(gòu)圖Figure 3 Structure of ingle layer conveyor belt

勻茶器位于輸送網(wǎng)帶上方，用于均勻鋪放茶葉，由軸、軸承、勻茶輻構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中的勻茶輻用于多葉型茶，如用于芽型茶改為304材質(zhì)的板式為宜。選取翻轉(zhuǎn)電機功率0.37 kW，轉(zhuǎn)速 n 為 1450 r/min。根據(jù)工作時勻茶器轉(zhuǎn)速要求，選取翻轉(zhuǎn)減速機傳動比i，查表選擇配套減速機型號。

圖4 勻茶器圖Figure 4 Tea tile homogenizer

刷茶輪位于輸送帶下方，用于刷下沾附在輸送網(wǎng)帶上的茶葉，由軸、軸承、鏈輪、毛刷組成，用鏈條與輸送輪軸連接并提供動力。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 刷茶輪圖FFigure 5 Tea brushing wheel

機架箱體的架構(gòu)用普通A3方管焊成，機架兩側(cè)靠端的位置焊接厚度 6 ～ 10 mm A3 鋼板，用于固定輸送帶軸、刷茶輪軸、勻茶器軸及其動力電機等；設(shè)計箱面的結(jié)構(gòu)時，為便于維修檢查，兩側(cè)做成可開門式樣；箱體兩端透視門用10 ～ 12 mm的透明有機玻璃板制作，以方便觀察悶黃情況。

箱體保溫層采用單層鋁膜+保溫材料+粘膠結(jié)構(gòu)，貼合在箱面，主要起到隔熱保溫作用。保溫材料采用環(huán)保材料，耐溫120℃。

送風(fēng)管采用304鋼材質(zhì)，均勻分布在輸送帶下方，連成整體固定在機架上，主要用于輸送和均勻散布從溫濕度控制系統(tǒng)過來的氣體。

左右擋茶板采用304鋼材質(zhì)，位于輸送帶的上方，板下有軟質(zhì)硅膠板與輸送網(wǎng)帶接觸，用于防止茶葉從輸送帶兩側(cè)散落。

當(dāng)茶葉從進料口進入，茶葉以適當(dāng)厚度h均勻攤鋪在輸送網(wǎng)帶上；設(shè)計一定長度l和寬度w的輸送帶獲得適當(dāng)大小的堆茶面積s，滿足生產(chǎn)量m的要求；采用控制輸送帶速度v和總長度f l的方法來獲得所需的悶黃時間t；根據(jù)堆茶量、鏈條單面長度l、網(wǎng)帶速度v和網(wǎng)帶雙鏈條結(jié)構(gòu)，計算鏈條拉力和張力。查詢鏈條和鏈輪標(biāo)準(zhǔn)，確定鏈條型號和鏈輪直徑d。輸送網(wǎng)帶速度v據(jù)公式v=nl/t計算得到，鏈輪軸轉(zhuǎn)速n據(jù)公式n=v/πd計算得到。生產(chǎn)量（堆茶量）據(jù)m= flwhρ計算得到。悶黃箱體的尺寸由上述基本參數(shù)通過相關(guān)計算得到。

茶葉從上一層轉(zhuǎn)移到下一層時，在自重的作用及拔茶輪、刷茶輪轉(zhuǎn)動下轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)翻堆。在悶黃箱體最上層輸送帶始端設(shè)置進茶口、最下層輸送帶末端設(shè)置出茶口分別與輸送機連接，其他設(shè)備配套組裝成生產(chǎn)線。設(shè)計在茶葉進出口安裝封閉門，當(dāng)需要進出茶時，封閉門開啟方便進出茶，其余時段關(guān)閉，以保證相對密封的悶黃室。

1.2.2 溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計

溫濕度控制系統(tǒng)由悶黃箱體、加熱箱、加熱箱鼓風(fēng)機、除濕風(fēng)機、管道、內(nèi)外循環(huán)轉(zhuǎn)換器、送風(fēng)管等構(gòu)成一個相對封閉的系統(tǒng)，所以，設(shè)計和裝配時要求各部件連接緊密，無泄漏，系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)道暢通無阻礙；溫濕度控制系統(tǒng)所有部件除悶黃箱內(nèi)的送風(fēng)管外都需外加保溫防護，使用與箱體同質(zhì)材料。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 溫濕度控制系統(tǒng)圖Figure 6 Temperature and humidity control system

加熱箱內(nèi)置帶翅片散熱的1 kW電熱管，箱體采用304鋼材質(zhì)τ3 mm板制作，兩端設(shè)置進出風(fēng)口。

加熱箱的加熱功率p的確定：根據(jù)公式p=（悶黃原料升溫加熱功率p1+悶黃箱體散熱損耗功率p2+進出料口散熱損耗功率p3）/η熱進行計算；式中：η熱為電熱箱熱效率系數(shù)，取η熱為0.9。分別根據(jù)公式p=cmΔT/t進行計算得悶黃原料升溫加熱功率p1，式中：c為比熱容，水的比熱容為4.2×103J/kg℃，干茶比熱容約為1.6×103J/kg℃；m為質(zhì)量，茶葉干物質(zhì)量為0.45 ρvtwh，含水質(zhì)量為0.55 ρvtwh；ΔT為溫升，設(shè)悶黃時間t min，茶葉從起始溫度T1達(dá)到設(shè)定溫度T2，茶葉的平均溫升ΔT為（T2-T1）/2℃；根據(jù)公式p=0.5K1F1（T1-T2）計算得悶黃箱體散熱損耗功率p2，式中：K1保溫層傳熱系數(shù)，聚氨酯保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/mK；F1為保溫層表面積，根據(jù)公式p=HAΔT計算得進出料口散熱損耗功率p3，式中：H為換熱系數(shù)，取空氣自然對流H=20W/(m2K)；A進出料口與外界空氣氣體交換面積。

考慮到加熱箱的熱效率和除濕效果，選擇除濕風(fēng)機和加熱箱鼓風(fēng)機采用離心風(fēng)機，其功率和口徑的大小根據(jù)加熱功率查表確定，加熱箱電熱管為帶翅片散熱，功率為1 kW。

管道采用304鋼材質(zhì)、壁厚1.5 mm管材制作，口徑的大小與風(fēng)機配套。內(nèi)外循環(huán)轉(zhuǎn)換器采用304鋼材質(zhì)τ2 mm板材制作。送風(fēng)管采用304鋼材質(zhì)、壁厚1 mm管制作，不同層級的送風(fēng)口采用不同送風(fēng)孔徑，以保證悶黃腔體內(nèi)溫濕度均勻。

預(yù)熱升溫功率的校驗：根據(jù)悶黃工藝，悶黃前需對悶黃箱體進行預(yù)熱。根據(jù)熱力學(xué)計算公式p = HAΔT分別計算悶黃箱體內(nèi)的空氣、各傳動件和熱風(fēng)管和箱體從起始溫度升到設(shè)定值，所需升溫加熱功率之和小于加熱功率即滿足預(yù)熱要求。

除濕損耗功率的校驗：悶黃機進行除濕作業(yè)時，不僅是抽走悶黃室內(nèi)水分，還抽走了熱量。根據(jù)公式p=m空×C空×（T1-T2）/t計算除濕損耗功率小于加熱功率即滿足除濕要求。

溫濕度控制系統(tǒng)主要功能是產(chǎn)生熱空氣給茶葉加溫悶黃，多層輸送帶網(wǎng)帶攤茶方案能夠讓熱空氣更加均勻地與茶葉表面充分接觸，茶葉升溫更加均勻一致。當(dāng)茶葉送達(dá)悶黃箱體內(nèi)，與箱體內(nèi)熱空氣進行熱交換，茶葉溫度快速上升達(dá)到設(shè)定溫度值時加熱箱停止加熱；由于進料、出料、悶黃機機體的散熱損失等原因?qū)е聬烖S箱體內(nèi)溫度下降低于設(shè)定溫度值時，加熱箱加熱升溫。悶黃室內(nèi)的濕度主要利用茶葉本身含有較高水分，由于葉內(nèi)水分子溢出葉表的原因，至悶黃室內(nèi)濕度增加，達(dá)到設(shè)定濕度值前系統(tǒng)處于保溫保濕的內(nèi)循環(huán)運行模式，很好地模仿了傳統(tǒng)手工悶黃的環(huán)境；而當(dāng)濕度超過悶黃工藝要求最高值（或室壁“出汗”）時，悶黃機開啟除濕功能。如此往復(fù)，至悶黃完成。

1.2.3 機架底座設(shè)計

機架底座由機架、變頻調(diào)速電動機、動力傳動機構(gòu)組成。結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機架底座與傳動系統(tǒng)Figure 7 The frame base and transmission system

機架用方管焊成，起到支撐悶黃箱體和固定電動機、減速傳動機構(gòu)的作用。

設(shè)計以實際生產(chǎn)為原則，考慮到機器調(diào)試以及實際情況，需設(shè)定最短出料時間和最長悶黃時間兩個極限值，設(shè)計方案根據(jù)輸送網(wǎng)帶速度調(diào)整要求選擇電動機為三相4極變頻調(diào)速電動機，電動機轉(zhuǎn)速n為1450 r/min；動力傳動通過一級變頻減速、二級擺線針輪減速機減速及三級鏈輪減速共三級減速。查設(shè)計手冊，鏈傳動的傳動比≤6，據(jù)公式i=n總/n鏈計算擺線針輪減速機減速比，查表選取減速比。

由已知參數(shù)，根據(jù)扭矩計算公式，T=Fl/i鏈η鏈，計算出減速機輸出扭矩T。由已知參數(shù)，根據(jù)扭矩計算公式P=vT/9550，計算出電動機功率。根據(jù)計算結(jié)果，查表選擇擺線針輪減速機和電動機型號。

1.2.4 自動控系統(tǒng)設(shè)計

自動控系統(tǒng)由溫度傳感器、濕度傳感器、控制電氣+plc程序、液晶觸摸屏、攝像頭、顯示器、電纜、各功能用電器組成。溫濕度傳感器安裝在悶黃箱體適當(dāng)位置，以準(zhǔn)確測量茶葉所處的溫濕度環(huán)境。控制電氣+plc程序、液晶觸摸屏、顯示器安裝在控制柜內(nèi)，由電纜與各功能用電器連接。由傳感器感知進茶信息，通過傳感器測定溫濕度數(shù)據(jù)與人工設(shè)置溫度、濕度、悶黃時間等參數(shù)進行比較和攝像監(jiān)測實現(xiàn)在線控制。PLC程序的編制符合悶黃工藝和實際操控要求，選取溫度控制精度≤2℃，濕度控制精度≤8.0%RH。電氣控制原理圖如圖8所示。

圖8 電氣控制原理圖Figure 8 Schematic diagram of electrical control

1.3 總機功率 p 的計算

總機功率p等于各項計算功率之和。

2 設(shè)計案例和悶黃驗證

2.1 設(shè)計案例

依照上述多層輸送帶式箱式茶葉悶黃機結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計要求，設(shè)計出DXMHJ-443型多層輸送帶式箱式茶葉悶黃機，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其裝配圖如圖9所示。

表1 多層輸送帶箱式茶葉悶黃機主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 The main technical parameters of multi-layer conveyor belt box type tea stuffy yellowing machine

圖9 多層輸送帶箱式茶葉悶黃機裝配圖Figure 9 The assembly drawing of multi-layer conveyor belt box type tea stuffy yellowing machine

2.2 悶黃試驗驗證

按照黃茶悶黃加工工藝流程，采用初次悶黃與復(fù)悶黃結(jié)合的二次悶黃加工工藝，選用表2所示機具配套組成流水線生產(chǎn)。

表2 黃茶機械加工工藝與配套機具Table 2 Yellow tea machining process and supporting machines and tools

按機械悶黃工藝流程：悶黃參數(shù)設(shè)置（初悶參數(shù)設(shè)置、復(fù)悶參數(shù)設(shè)置）→悶黃室預(yù)熱→茶葉殺青或揉捻或初烘后進入悶黃機→自動悶黃→出茶，進行試驗。

選擇初悶時，茶葉殺青至含水率55% ～60%，悶黃溫度 50℃ ～ 60℃，相對濕度 80% ～90%，悶黃時間 0.5 ～ 3 h；復(fù)悶時，茶葉初烘至含水率 30% ～ 40%，悶黃溫度 40℃ ～ 50℃，相對濕度 70% ～ 80%，悶黃時間 2 ～ 6 h。具體根據(jù)茶葉老嫩程度、含水率、升溫和失水速率等情況確定。

試驗結(jié)果表明：茶葉悶黃均勻一致性達(dá)99%，損傷率≤1%，三黃特征明顯，滋味醇厚鮮爽，香氣明顯提升；與傳統(tǒng)手工比較，縮短了一半以上的悶黃時間，極大地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約了人工成本；通過在進出茶口加裝輸送機，與其他設(shè)備組裝成生產(chǎn)線，可實現(xiàn)了黃茶加工全程機械化。

3 結(jié)語

在使用悶黃機悶黃時，首先要根據(jù)茶葉老嫩程度、含水率、升溫和失水速率等具體情況，設(shè)定悶黃的溫度、濕度和悶黃時間；悶黃過程中，保持設(shè)定溫度和濕度自動悶黃并適時觀察茶葉黃變進程與香氣變化情況，必要時應(yīng)調(diào)整悶黃參數(shù)。

如果將悶黃機的進料口直接與殺青機（或烘干機）出口連接，原料直接進入悶黃室趁熱悶黃，這樣可大大提高了悶黃機熱效率，節(jié)約能源，同時茶葉的香氣得到很大提升。如果在熱風(fēng)管上加裝加濕器，悶黃機還可用于紅茶發(fā)酵，實現(xiàn)一機多用，最大程度地提升設(shè)備的利用率。可見，該機械設(shè)備具有極高的推廣價值。