連續(xù)式紅茶發(fā)酵機(jī)的設(shè)計(jì)

宋魯彬，賈厚振，齊自成，張琦峰，崔秀峰，李玉勝*

(1.山東省果樹研究所，山東泰安 271000；2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；3.山東省果茶技術(shù)推廣站)

發(fā)酵是紅茶加工中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，技術(shù)難度大。必要溫度是保證正常發(fā)酵的關(guān)鍵，目前最常用的保溫方法是堆積保溫。而堆積往往造成發(fā)酵堆內(nèi)部空氣流通不暢，堆內(nèi)外溫度、氧氣濃度等都不一致，如果不及時(shí)翻堆，則會(huì)造成內(nèi)堆發(fā)酵葉因缺少氧氣而發(fā)酵進(jìn)程受阻，影響紅茶品質(zhì)；但翻堆又會(huì)造成堆積溫度降低從而影響發(fā)酵，也增加了勞動(dòng)力投入。

目前國內(nèi)較為先進(jìn)的發(fā)酵方式是采用能夠保持較恒定溫濕度發(fā)酵箱或發(fā)酵房輔助發(fā)酵，同時(shí)采用輔助通氣的方式滿足發(fā)酵堆的耗氧需求。采用發(fā)酵設(shè)備輔助發(fā)酵時(shí)，也需要采用堆積的方法以減少溫度散失。一般的發(fā)酵設(shè)備中揉捻葉在發(fā)酵箱內(nèi)靜置不動(dòng)，通氣及控溫裝置在發(fā)酵堆外，因此，發(fā)酵堆內(nèi)外溫濕度以及氧氣供應(yīng)差異大，發(fā)酵堆溫濕度反饋及精度控制誤差較大；同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行能耗相對(duì)固定，可調(diào)節(jié)性較低，工作的連續(xù)性、方便性及自動(dòng)化程度較低，鮮葉進(jìn)出料及翻堆耗費(fèi)較多人工。

本文設(shè)計(jì)了一種連續(xù)式自動(dòng)化紅茶發(fā)酵機(jī)，其發(fā)酵室由相互獨(dú)立式子發(fā)酵室組合而成，每個(gè)子發(fā)酵室底設(shè)計(jì)成平面與豎立狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，通過子發(fā)酵室底形態(tài)的轉(zhuǎn)換，發(fā)酵葉可在子發(fā)酵室內(nèi)停留或下落，發(fā)酵葉在下落的過程中完成翻堆。同時(shí)，將溫濕度控制裝置放置到每個(gè)子發(fā)酵室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵機(jī)的翻板驅(qū)動(dòng)和溫濕度的自動(dòng)化控制。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的連續(xù)式紅茶發(fā)酵機(jī)分為機(jī)械和自動(dòng)化兩部分。機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)了該發(fā)酵機(jī)具備的基本功能，自動(dòng)化部分是在機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增添了傳感和數(shù)據(jù)處理控制功能。

連續(xù)式紅茶發(fā)酵機(jī)主要結(jié)構(gòu)有發(fā)酵室、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、濕熱空氣生成裝置及自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成。發(fā)酵室由多個(gè)子發(fā)酵室層垂直疊加組合而成，揉捻葉在發(fā)酵室中發(fā)酵；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、轉(zhuǎn)軸和翻板、翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于控制子發(fā)酵室底姿態(tài)；濕熱空氣生成裝置包括濕氣發(fā)生器、加溫裝置、鼓風(fēng)機(jī)，用于控制子發(fā)酵室內(nèi)溫濕度及空氣流通；自動(dòng)化控制系統(tǒng)用于按照預(yù)設(shè)的發(fā)酵程序操控發(fā)酵機(jī)完成相關(guān)作業(yè)。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,整機(jī)技術(shù)參考參數(shù)如表1所示。

表1 整機(jī)技術(shù)參考參數(shù)

圖1 連續(xù)式紅茶發(fā)酵機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

如圖2所示，多個(gè)子發(fā)酵室上下堆疊交叉放置。初始狀態(tài)下，各個(gè)子發(fā)酵室底的翻板平面排列，形成承托式姿態(tài)。在第一級(jí)子發(fā)酵室中加入揉捻好的待發(fā)酵葉進(jìn)行發(fā)酵，第一級(jí)子發(fā)酵室內(nèi)的發(fā)酵葉發(fā)酵到設(shè)定時(shí)間后，翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)該子發(fā)酵室底的翻板豎立排列，呈下茶式姿態(tài)，紅茶發(fā)酵葉在重力作用下落入第二級(jí)子發(fā)酵室中，完成翻堆并在第二級(jí)子發(fā)酵室中繼續(xù)發(fā)酵；第一級(jí)子發(fā)酵室在發(fā)酵葉落下后，底部恢復(fù)成承托式姿態(tài)，接受新的揉捻葉進(jìn)行發(fā)酵。第二級(jí)子發(fā)酵室完成該過程的發(fā)酵后，底部轉(zhuǎn)變?yōu)橄虏枋阶藨B(tài)，發(fā)酵葉繼續(xù)下滑入第三級(jí)子發(fā)酵室繼續(xù)發(fā)酵；第二級(jí)子發(fā)酵室底完成發(fā)酵葉下落后恢復(fù)成承托式姿態(tài)，繼續(xù)接受第一級(jí)子發(fā)酵室落下的發(fā)酵葉進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵葉在各子發(fā)酵室內(nèi)依次發(fā)酵，通過各子發(fā)酵室底的承托式姿態(tài)和下茶式姿態(tài)依次變化，最終通過最下端子發(fā)酵室底部滑落，完成整個(gè)發(fā)酵過程。由于各子發(fā)酵室為相互獨(dú)立的狀態(tài)，每個(gè)子發(fā)酵室的溫濕度通氣狀況等都可獨(dú)立設(shè)置，更符合紅茶發(fā)酵時(shí)不同時(shí)間段對(duì)溫濕度的需求。

圖2 工作原理圖

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)酵室

發(fā)酵室由多個(gè)自上而下堆疊設(shè)置的子發(fā)酵室構(gòu)成，子發(fā)酵室的四周密閉，上端開口，下端由翻板排列構(gòu)成發(fā)酵室底，內(nèi)部形成發(fā)酵腔。各個(gè)子發(fā)酵室的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，寬度均為B，則使L=B，以利于多個(gè)子發(fā)酵室上下堆疊時(shí)交叉放置。子發(fā)酵室交叉的放置方式，有利于發(fā)酵葉下落的同時(shí)，達(dá)到均勻翻堆的效果。兩相鄰子發(fā)酵室中的轉(zhuǎn)軸呈十字交叉設(shè)置，即如果上一個(gè)子發(fā)酵室中的轉(zhuǎn)軸沿左右方向橫向水平設(shè)置，那位于其下方的下一個(gè)子發(fā)酵室中的轉(zhuǎn)軸則是沿前后方向橫向水平設(shè)置。通過交叉設(shè)置，使得每一個(gè)發(fā)酵室中發(fā)酵的紅茶葉片在下落時(shí)通過縱橫交錯(cuò)的翻板可以撒的均勻，進(jìn)一步提高了紅茶發(fā)酵時(shí)的均勻度。

2.2 轉(zhuǎn)軸和翻板

發(fā)酵腔內(nèi)等間距間隔設(shè)置有若干轉(zhuǎn)軸，每個(gè)轉(zhuǎn)軸從一個(gè)相應(yīng)的翻板平面長(zhǎng)面中間穿過，構(gòu)成翻板長(zhǎng)面的中軸，轉(zhuǎn)軸兩端分別通過軸承水平轉(zhuǎn)動(dòng)安裝于子發(fā)酵室壁的旋轉(zhuǎn)接頭上，旋轉(zhuǎn)接頭連接濕氣進(jìn)氣管，位置位于子發(fā)酵室壁下部。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)軸和翻板結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)軸為中空管，軸管內(nèi)布置有絕緣的電加熱絲，電加熱絲連接于電源。翻板內(nèi)部密閉設(shè)置有氣室，氣室通過轉(zhuǎn)軸上的氣孔與轉(zhuǎn)軸中空孔相連，翻板上端面設(shè)置有若干與氣室相連通的出氣孔，出氣孔內(nèi)襯網(wǎng)柵，防止發(fā)酵葉掉入氣室。

2.3 翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝于子發(fā)酵室上的伸縮桿，安裝于轉(zhuǎn)軸頭端的齒輪，水平安裝于子發(fā)酵室上且與轉(zhuǎn)軸的軸線相垂直的導(dǎo)軌以及水平滑動(dòng)安裝于導(dǎo)軌上的齒條。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)子發(fā)酵室中的各個(gè)轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，使翻板由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)至豎直狀態(tài)。子發(fā)酵室上的翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)子發(fā)酵室中的各個(gè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至翻板處于水平狀態(tài)，此時(shí)子發(fā)酵室底為承托式姿態(tài)；翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)該子發(fā)酵室中的翻板轉(zhuǎn)動(dòng)至豎直狀態(tài)時(shí)，此時(shí)子發(fā)酵室底為下茶式姿態(tài)。

翻板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)齒輪與齒條相嚙合，伸縮桿的活塞桿頭端與齒條相連接，當(dāng)伸縮桿全部縮回時(shí)，翻板處于水平狀態(tài)，當(dāng)伸縮桿全部伸出時(shí)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至翻板處于豎直狀態(tài)。伸縮桿驅(qū)動(dòng)齒條橫向移動(dòng)，齒條沿著導(dǎo)軌橫向移動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)翻版從水平狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)至豎直狀態(tài)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

2.4 溫濕空氣生成裝置

溫濕氣生成裝置生成含有一定溫度濕度的空氣并將該溫濕空氣輸送至子發(fā)酵室中。溫濕空氣生成裝置包括加濕器、鼓風(fēng)機(jī)、通氣管道、電加熱絲。通氣管道包括進(jìn)氣管、旋轉(zhuǎn)接頭、轉(zhuǎn)軸中空孔、氣室、出氣孔。旋轉(zhuǎn)接頭的活動(dòng)端與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)軸相連，旋轉(zhuǎn)接頭的進(jìn)氣端與轉(zhuǎn)軸中空孔相連通。旋轉(zhuǎn)接頭可以滿足轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)將濕空氣輸送至轉(zhuǎn)軸內(nèi)部的內(nèi)孔中，加濕器產(chǎn)生濕氣后，鼓風(fēng)機(jī)將濕氣吹送入進(jìn)氣管，進(jìn)氣管的另一端與旋轉(zhuǎn)接頭連通，將濕氣送入轉(zhuǎn)軸中空孔并進(jìn)入氣室，通過出氣孔進(jìn)入發(fā)酵葉堆為發(fā)酵葉補(bǔ)充空氣和濕度。由于轉(zhuǎn)軸中空孔中設(shè)有電加熱絲，濕氣進(jìn)入轉(zhuǎn)軸中空孔時(shí)，根據(jù)設(shè)定被加熱為發(fā)酵需要的溫度，保證發(fā)酵葉堆的堆溫。由于每個(gè)子發(fā)酵室的加熱絲以及通氣管道的后半部分相互獨(dú)立，使得子發(fā)酵室中的溫度和濕度可單獨(dú)設(shè)置，保證了每個(gè)子發(fā)酵室的溫濕度及氧氣的可控性。

2.5 控制系統(tǒng)

連續(xù)式紅茶發(fā)酵器的自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括數(shù)碼輸入面板、中樞控制模塊、溫濕氧調(diào)控裝置、數(shù)據(jù)接口等。可通過數(shù)碼輸入面板預(yù)設(shè)發(fā)酵程序并輸入到中樞控制模塊，包括子發(fā)酵室溫濕度及氧氣濃度，子發(fā)酵室的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，溫濕氧調(diào)控裝置和子發(fā)酵室動(dòng)作觸發(fā)條件。中樞控制模塊包括信號(hào)接收器，中央數(shù)據(jù)處理器，信號(hào)發(fā)送器。溫濕度傳感器放置在子發(fā)酵室的發(fā)酵腔內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 連續(xù)式紅茶發(fā)酵器自動(dòng)化控制系統(tǒng)圖

中樞控制模塊控制子發(fā)酵室的通氣翻板順序聯(lián)動(dòng)，子發(fā)酵室內(nèi)部安裝環(huán)境探頭，環(huán)境探頭連接數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線可插到環(huán)境分配控制器的數(shù)據(jù)接口；子發(fā)酵室安裝傳動(dòng)裝置，中樞控制模塊控制傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)裝置數(shù)據(jù)線可插到環(huán)境分配控制器的數(shù)據(jù)接口。中樞控制模塊控制溫濕氧調(diào)控裝置運(yùn)動(dòng)；溫濕氧調(diào)控裝置包括溫濕空氣發(fā)生器，溫濕空氣分配器，通氣管接頭；溫濕氧調(diào)控裝置的通氣管接頭可插拔通氣管道，通過通氣管道連接子發(fā)酵室及濕熱空氣生成裝置。

中央數(shù)據(jù)處理器處理預(yù)設(shè)的發(fā)酵程序數(shù)據(jù)，接受溫濕氧調(diào)控裝置的狀態(tài)信息，接受子發(fā)酵室的狀態(tài)信息以及環(huán)境探頭探測(cè)到的溫度、濕度、氧氣量以及發(fā)酵程度等數(shù)據(jù)信息，將運(yùn)行命令發(fā)送到溫濕氧調(diào)控裝置，以及子發(fā)酵室，根據(jù)預(yù)設(shè)的發(fā)酵程序啟動(dòng)溫濕氧調(diào)控裝置及子發(fā)酵室運(yùn)行。

3 設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

本發(fā)酵設(shè)備根據(jù)紅茶發(fā)酵過程對(duì)溫濕氧利用的基本原理，設(shè)計(jì)多層獨(dú)立的子發(fā)酵室及子發(fā)酵室的溫濕氧控制方式，從而在設(shè)備上達(dá)到紅茶發(fā)酵工藝優(yōu)化的要求；從節(jié)省勞動(dòng)力及均勻翻堆需求，設(shè)計(jì)子發(fā)酵室底為翻板結(jié)構(gòu)及子發(fā)酵室交叉堆疊的放置方式。本紅茶發(fā)酵設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①設(shè)備的空間及能量利用率得到提高。發(fā)酵室由多個(gè)子發(fā)酵室構(gòu)成，子發(fā)酵室具有獨(dú)立性，可根據(jù)發(fā)酵葉的量選擇子發(fā)酵室組合使用的數(shù)量，節(jié)省資源，靈活的調(diào)節(jié)生產(chǎn)。

②更符合紅茶發(fā)酵工藝要求。紅茶發(fā)酵的階段過程不同，對(duì)溫濕氧的需求也會(huì)不同，根據(jù)紅茶發(fā)酵時(shí)發(fā)酵葉物質(zhì)變化階段及進(jìn)一步變化的方向需求，調(diào)節(jié)溫濕氧供應(yīng)，更有利于紅茶品質(zhì)形成。本設(shè)備獨(dú)立的子發(fā)酵室可單獨(dú)設(shè)定溫濕度及空氣供應(yīng)的量，必要時(shí)，可通氧氣或氮?dú)庖哉{(diào)節(jié)發(fā)酵過程，保證發(fā)酵葉在發(fā)酵進(jìn)程中處于適合該發(fā)酵時(shí)期的溫濕度及氧氣供應(yīng)，有利于紅茶發(fā)酵。

③節(jié)省人力，提高生產(chǎn)效率。子發(fā)酵室底層設(shè)計(jì)為多組翻板式結(jié)構(gòu)，發(fā)酵葉在上一子發(fā)酵室內(nèi)發(fā)酵一定時(shí)間后，子發(fā)酵室翻板轉(zhuǎn)換為豎立狀態(tài)，發(fā)酵葉落入下一發(fā)酵室中。發(fā)酵葉從交叉疊放的子發(fā)酵室底下落時(shí)進(jìn)行了翻堆混勻，發(fā)酵完成后從最下層子發(fā)酵室落出，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程的流式生產(chǎn)，降低了人工進(jìn)料和出料的繁重的勞動(dòng)。

④實(shí)現(xiàn)一鍵式發(fā)酵，降低紅茶發(fā)酵技術(shù)難度?？蓪⑾冗M(jìn)的紅茶發(fā)酵技術(shù)預(yù)設(shè)入設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)即可控制紅茶發(fā)酵的進(jìn)程，將原來紅茶發(fā)酵的復(fù)雜工藝控制工作簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的進(jìn)料工作，先進(jìn)技術(shù)隨設(shè)備落地，減掉技術(shù)培訓(xùn)過程，降低了技術(shù)推廣難度。