一種可實現(xiàn)柔性加壓的茶葉揉捻機的設計與試驗

梁舉凱

（湖北宜昌五峰土家族自治縣職業(yè)教育中心，湖北 宜昌 443413）

我國茶文化歷史悠久，茶葉加工技術(shù)成熟。但傳統(tǒng)的采摘和加工并不能實現(xiàn)全自動化，仍然需要人工完成。縱觀國內(nèi)外研究和發(fā)展，我國的茶葉機械研究和推廣相比于其他茶葉大國一直處于落后地位。然而，近幾十年來，隨著科學技術(shù)的進步和不斷地對外交流，我國在茶葉加工機理、技術(shù)以及應用方面取得了長足的進步，到上世紀70年代，我國的茶葉加工已經(jīng)基本實現(xiàn)了機械化[1]。但截至目前，茶葉機械仍存在自動化、智能化程度低的問題。如何提高揉捻工藝的自動化和智能化程度是制茶過程中亟待解決的重要問題[2]。傳統(tǒng)的揉捻機在揉捻茶葉的過程中，存在人工操作的不確定性大、施加壓力恒定等問題。人工對茶葉施加壓力和控制揉捻的時間沒有統(tǒng)一的標準，存在對茶葉揉捻的壓力偏大或者偏小，揉捻的時間過長過短等問題[3]。由此導致生產(chǎn)出來的茶葉形成的條索松扁或松緊不均勻，泡出來的茶湯渾濁，香氣和滋味不明顯。再者，人工在長時間操作揉捻機時，也存在一定的安全隱患和誤差。投葉量控制不均，致使揉捻時茶葉間揉擠壓力或大或小，細胞破損或完全或不完全，導致茶葉揉捻不均勻、細胞破碎不一致，造成條索松扁或松緊不均勻，茶湯滋味稍淡或帶悶黃味[4]。揉捻壓力的控制是制茶揉捻效果的決定性因素，因此，結(jié)合目前揉捻機現(xiàn)有的技術(shù)，筆者針對傳統(tǒng)茶葉揉捻機的加壓技術(shù)進行優(yōu)化，以滿足不同茶葉對揉捻工藝的不同需求，并提升茶葉揉捻效率與質(zhì)量。

1 揉捻機的結(jié)構(gòu)及加壓方式

1.1 傳統(tǒng)揉捻機

傳統(tǒng)的茶葉揉捻機的結(jié)構(gòu)，它由揉盤、機架、揉桶和加壓裝置等多個部件組成[5]。其中，揉桶是安裝在機架上的，用來存放需要揉捻的茶葉。當揉桶內(nèi)的茶葉數(shù)量達到一定程度時，曲臂會帶動揉桶移動到揉盤上。在揉桶上部的加壓蓋上安裝有加壓裝置，加壓裝置對加壓蓋施加向上或向下的力就能控制加壓蓋上下運動，進而能夠在揉捻的過程中對揉桶內(nèi)茶葉釋放或增加壓力。在加壓裝置中，滑柱通常是一根中空的鋼管，其中一端朝向加壓蓋，并設有一個垂直的槽口。絲桿位于滑柱的中心，底部連接著一個手輪。當手輪旋轉(zhuǎn)時，絲桿也會隨之旋轉(zhuǎn)，同時，加壓臂上的螺母也會上下移動，從而推動加壓蓋的上下運動。為了提高工作效率、減輕人力負擔，一些茶葉揉捻機會使用步進電機來取代傳統(tǒng)的手動旋轉(zhuǎn)絲桿[6]。為了限制加壓臂的運動上下限，也會在滑桿的頂部與底部分別安裝控制行程的行程開關(guān)[7]。揉捻機的常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)絲桿加壓式揉捻機結(jié)構(gòu)圖

1.2 柔性加壓技術(shù)揉捻機

針對傳統(tǒng)揉捻機行程加壓方式的工藝缺陷，采用氣動加壓替代傳統(tǒng)機械加壓方式，實現(xiàn)壓蓋行程可依據(jù)揉桶內(nèi)揉捻葉的實際承壓狀況而自動調(diào)整從而實現(xiàn)柔性加壓。利用氣壓高靈敏響應原理，通過數(shù)顯壓力開關(guān)監(jiān)測揉捻葉對壓蓋產(chǎn)生的作用力引起氣缸氣室內(nèi)的壓力變化，根據(jù)設定壓力實時控制換向閥實時切換氣路或泄壓，保證壓蓋在一定壓力范圍下產(chǎn)生上下浮動，使壓蓋始終貼緊茶葉表面，而又過于壓緊、壓死，從而保持揉捻葉實際承受壓力的穩(wěn)定性。柔性加壓技術(shù)茶葉揉捻機整機由氣缸、揉捻機機架、控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 柔性加壓技術(shù)茶葉揉捻機設計圖

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)使用操作說明

用戶在參數(shù)設置界面需要設定的變量是壓力、時間、揉桶轉(zhuǎn)速這三個常規(guī)變量[8]。隨著科技的進步，傳統(tǒng)的工控變量設置系統(tǒng)正逐漸被智能化技術(shù)所取代。這些智能化系統(tǒng)不僅提供了簡單的操作功能，還通過直觀的圖標和文字使用戶能夠快速、準確地調(diào)整變量。這種方式使得即使是對電腦操作不熟悉的用戶也能輕松掌握系統(tǒng)的使用。揉捻機控制面板如圖3所示。

圖3 揉捻機控制面板

通過PLC控制系統(tǒng)實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)各類茶葉的制造過程。首先，根據(jù)特大葉、大葉、中葉和小葉等特點，篩選出適宜的茶葉；接著，根據(jù)茶葉的特點設計相應的制作工藝，并進行揉捻實驗；最終，根據(jù)實際情況記錄每一款茶葉實現(xiàn)最佳的揉捻效果的技術(shù)參數(shù)。從而實現(xiàn)自動投放最佳投葉量、實施最優(yōu)壓力控制、最佳揉捻時間、最適宜揉桶轉(zhuǎn)速等，使茶葉達到最佳揉捻效果。智能揉捻參數(shù)設置方式如圖4所示。

2.2 柔性加壓技術(shù)控制流程

柔性加壓揉捻機主要由人機互動系統(tǒng)、計算機、速率控制系統(tǒng)、稱茶下料系統(tǒng)、氣動壓力控制系統(tǒng)和PLC監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成。PLC監(jiān)測系統(tǒng)與氣動壓力控制系統(tǒng)相結(jié)合，測力傳感器檢測揉捻壓力，通過三個磁環(huán)反應開關(guān)，根據(jù)茶葉數(shù)量調(diào)節(jié)壓蓋的位置，實現(xiàn)輕揉、中揉和重揉等不同壓力程度的功能；并通過變頻器來有效調(diào)整揉捻速率，有效提高了揉捻效率，使茶葉條索緊結(jié)勻稱，保證了茶葉的揉捻質(zhì)量的一致性。

PLC控制系統(tǒng)可以有效地將模擬信號轉(zhuǎn)換為電子信號，使得茶葉揉捏捻的操控更加精確。此外，PLC還能夠檢查和調(diào)整壓力，包括平穩(wěn)彈簧、步進電機和電阻應變式測量裝置等。通過使用PLC控制系統(tǒng)，我們可以通過測力傳感器監(jiān)控茶葉揉捏的壓力。將上述信息進行比較，并通過步進電機控制壓蓋來進一步控制揉捏的壓力。最后，電壓信號將被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在計算機上顯示。整個調(diào)試流程詳可以參考圖5。

圖5 智能控制過程示意圖

柔性加壓技術(shù)揉捻機揉捻過程如下：

a.進料后，揉捻桶蓋復位，設置揉捻參數(shù)，開始揉捻工序；

b.壓力控制系統(tǒng)工作，壓力控制系統(tǒng)對PLC控制系統(tǒng)進行第一次輕柔壓力參數(shù)輸入，第一次輕揉20min，壓力為0.00Mpa，通過測力傳感器檢測到揉捻壓力，并將反饋信號發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，由步進電機和壓蓋對揉捻壓力進行調(diào)節(jié)；

c.在進行首次輕柔操作后，壓力控制系統(tǒng)將通過PLC控制系統(tǒng)輸入第一次重揉的壓力參數(shù)，并持續(xù)進行10min的重揉。同時，將壓力設定為0.01MPa。隨著壓力的增加，測力傳感器將揉捻壓力的反饋信息傳遞給PLC。最終，通過步進電機和壓蓋實現(xiàn)對揉捻壓力的精確控制。

d.在第一次揉捻后，壓力控制系統(tǒng)將通過PLC控制系統(tǒng)輸入第二次輕柔的壓力參數(shù)，并在10min內(nèi)將壓力調(diào)整至0.02MPa，以達到最佳的揉捻效果。測力傳感器將反饋壓力信息給PLC，并由步進電機和壓蓋進行精確控制；

e.經(jīng)過第二次輕揉后，壓力控制系統(tǒng)對PLC控制系統(tǒng)的參數(shù)進行了第二次調(diào)整。第二次重揉的時間為15min，壓力設定為0.03MPa，并在中間放松3分鐘，以便通過測力傳感器實時監(jiān)測揉捻壓力，并由步進電機和壓蓋進行精確的調(diào)節(jié)；

f.第二次重揉后，壓力控制系統(tǒng)對PLC控制系統(tǒng)進行第三次輕柔壓力參數(shù)輸入，第三次輕揉15min，壓力為0.00Mpa，通過測力傳感器檢測出揉捻壓力反饋給PLC控制系統(tǒng)，由步進電機和壓蓋對揉捻壓力進行調(diào)節(jié)；

g.第三次輕揉后，查看茶葉是否達到要求，若未達到要求則進行更改揉捻時間，重復上述步驟，直到揉捻完畢后，揉捻后的茶葉含水率為58～62%，葉形成卷曲狀，細胞破碎率在45%～60%，茶葉粘附葉面，有茶汁溢出，成條率90%以上。

h.上述操作過程結(jié)束后，卸料口開啟，將茶葉倒出，流入下一工序或者預先設置好的裝料斗內(nèi)。

3 茶葉揉捻對比試驗

3.1 試驗準備

試驗在環(huán)境溫度為25℃±3℃，空氣濕度不超過85%RH的條件下進行。試驗原料應為三級或更高級別的鮮葉，并且其含水量應在58%～62%之間。為確保實驗結(jié)果的準確性，我們將采用多點（至少8點）隨機抽樣法或?qū)蔷€四分法進行樣品選取，并按照《GB 5009.3》的規(guī)定進行檢測。

3.2 試驗儀器及設備

儀器有電子天平、恒溫電烘箱和感官審評器具，設備有傳統(tǒng)茶葉揉捻機（如圖6所示）、本設計樣機—柔性加壓技術(shù)茶葉揉捻機（如圖7所示）。

圖6 傳統(tǒng)茶葉揉捻機

圖7 揉捻加壓技術(shù)茶葉揉捻機

3.3 試驗設計

采用紅茶工藝，同一批鮮葉經(jīng)萎凋后，采用傳統(tǒng)茶葉揉捻機揉捻及柔性加壓技術(shù)揉捻機揉捻后、經(jīng)發(fā)酵后進行烘干[10]。對照分析2種不同揉捻機在紅茶生產(chǎn)加工過程中的性能參數(shù)指標對比及毛茶感官品質(zhì)對比。

3.4 加壓參數(shù)數(shù)據(jù)對比

揉捻可以通過增加壓力來提高茶葉的形狀，使葉片沿著主脈曲折并且更容易形成緊密的條狀[11]。茶葉揉捻一般開始輕揉或者不施加壓力的揉捻，先利用摩擦力使葉片能順著主脈曲卷，然后慢慢適當?shù)耐ㄟ^揉蓋增加壓力，使茶條索緊結(jié)、擠壓出茶汁，最后減小壓力揉捻，利用摩擦力使揉捻成團的葉團松散，表面的茶汁能夠往回滲入，防止流失[12]。如果在茶葉一開始進入揉桶中就施加較重的壓力，往往會出現(xiàn)葉片上下分層，難以在揉桶內(nèi)自由翻轉(zhuǎn)，常常導致茶葉破損率偏高、茶汁過多流失，時間過長還會導致茶葉的碎茶率升高[13]。不同揉捻機加壓測試如圖8所示。

圖8 不同揉捻機加壓參數(shù)對比

3.5 揉捻機參數(shù)對比

通過柔性加壓技術(shù)揉捻機與傳統(tǒng)揉捻機試驗研究，對小時生產(chǎn)率、成條率、碎茶率、細胞破壞率、跑茶率等性能參數(shù)進行對比[14]。其中在小時生產(chǎn)率方面，兩臺揉捻機的生產(chǎn)效率差距不大。在成條率方面，柔性加壓技術(shù)揉捻機比傳統(tǒng)揉捻機的成形效率高，在碎茶率及細胞破壞率上，柔性加壓揉捻機的揉捻效果比傳統(tǒng)揉捻機效果較好，在跑茶率方面，柔性加壓技術(shù)揉捻及與傳統(tǒng)揉捻機相差不大。對比參數(shù)見表1所示。

表1 不同揉捻機性能參數(shù)

3.6 感官審評

根據(jù)GB/T23776和GB/T14487的標準，我們將每種茶樣分別取出5g，將茶水的比例調(diào)整為1:50，并在5分鐘內(nèi)進行沖泡。然后使用評價和分數(shù)的綜合考核，最終總分為100分，主要包括外觀、清香、風味、湯色和葉底等五個部分。通過加權(quán)的方式來確定最終的分數(shù)。以夏茶、秋季黃旦一芽二、三葉的鮮葉為原料，在萎凋葉萎凋程度、發(fā)酵與干燥條件及設備一致、按傳統(tǒng)揉捻機型與本設計機型按紅茶加工工藝成產(chǎn)品[15]，感官審評結(jié)果（見表2），使用本設計加工的夏茶和秋茶感官評審得分均高于傳統(tǒng)揉捻機。

表2 不同揉捻機對紅茶感官品質(zhì)的影響

4 結(jié)語

設計了一種由人機互動系統(tǒng)、計算機、速率控制系統(tǒng)、稱茶下料系統(tǒng)、氣動壓力控制系統(tǒng)和PLC監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成的可實現(xiàn)柔性加壓的茶葉揉捻機。通過茶葉揉捻試驗對比，相比較傳統(tǒng)的茶葉揉捻機茶葉破損率隨著投葉量的增加茶葉破損率隨之增加，最高可達34.4%，本文設計的柔性加壓茶葉揉捻機在不同的投葉量下可有效將茶葉破損率穩(wěn)定維持在10%左右；同時茶葉的成條率也從90.4%提升到96.2%，碎茶率從3.8%降低到1.6%；在感官評審上，經(jīng)過柔性加壓揉捻機加工夏秋兩季茶的得分均高于傳統(tǒng)茶葉揉捻機。

經(jīng)過深入的研究，我們已經(jīng)建立了一個完整的茶葉揉捻參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以便準確識別各個茶葉品種的揉捻方法。除此之外，我們還采用了一些先進技術(shù)，如氣動壓力驅(qū)動的壓蓋、磁環(huán)感應實現(xiàn)的多級調(diào)節(jié)等，同時還開發(fā)出了一套完備的揉捻工藝智能控制系統(tǒng)，這些都大大提升了揉捻機的智能化與自動化程度，為茶農(nóng)們提供了更優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)設施。隨著社會不斷發(fā)展，從傳統(tǒng)的手工制造到先進的全程無人制造，從傳統(tǒng)的手工制造到先進的數(shù)字制造，這一過程不僅極大地推動了茶葉的生產(chǎn)，也為茶葉的經(jīng)濟增長和茶農(nóng)的財務狀況帶來了巨大的好處。通過促進農(nóng)業(yè)發(fā)展，我們可以為農(nóng)民帶來更多的收入和福祉，同時促進農(nóng)業(yè)的繁榮和發(fā)展。