我國綠茶做形裝備的研究進展

柏宣丙，李兵,2*，鄧虎嘯

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥230036；

2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室，安徽合肥230036）

綠茶是非發(fā)酵茶，較多地保留了鮮葉的天然物質(zhì)，含有茶多酚、葉綠素、咖啡堿、氨基酸、維生素等多種營養(yǎng)成分，特別是多酚類化合物含量高，具有較好的保健功能。2019年中國綠茶產(chǎn)量達到177萬噸，占全國茶葉產(chǎn)量的63%。中國綠茶市場人均消費量也呈上升走勢，2018年人均消費量首次超過1 kg/人，達到1.03 kg/人，2019年達到1.05 kg/人。綠茶是中國茶葉中出口規(guī)模最大的茶類，2019年綠茶出口量占茶葉出口總量的83%。

綠茶機械化制作工藝一般經(jīng)殺青、揉捻、做形、烘焙等工序，殺青、揉捻和烘焙一般可以由通用裝備來完成，但做形裝備則為專用裝備，對外形不同的綠茶應(yīng)由不同的做形裝備完成。文章綜述了芽（條）形、片形、顆粒形等典型綠茶做形裝備研究現(xiàn)狀及存在的問題，并對綠茶做形裝備的發(fā)展趨勢進行了分析。

1 芽（針、條）形綠茶做形裝備研究

茶葉理條機是芽（針、條）形綠茶做形關(guān)鍵設(shè)備，最早出現(xiàn)于安徽宣城地區(qū)，利用曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動U形槽鍋實現(xiàn)直線往復(fù)運動，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用穩(wěn)定、維護方便等優(yōu)點，深受我國茶農(nóng)喜愛，在茶葉加工生產(chǎn)線中已廣泛應(yīng)用。茶葉在往復(fù)運動的U形槽鍋中被拋起與槽鍋壁產(chǎn)生碰撞，在動摩擦、擠壓力的作用下使茶葉產(chǎn)生形變；在加熱裝置熱作用下茶葉葉片水分減少并軟化收縮，同時配合機械力的作用進行做形；加熱過程產(chǎn)生熱化學(xué)作用會引起茶葉內(nèi)質(zhì)成分的變化[1]，有利于茶葉色、香、味等重要特征的形成[2]，U形槽鍋作為理條機重要組成部件，其槽鍋形狀及設(shè)計參數(shù)直接影響到理條質(zhì)量。國內(nèi)眾多專家學(xué)者對理條機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及創(chuàng)新設(shè)計展開研究，程玉明等[3]曾對理條機的槽鍋展開設(shè)計研究，U形槽寬加深為115 mm、U形槽深增加到100~110 mm、采用兩邊圓弧曲率半徑差為5 mm的不對稱結(jié)構(gòu)、槽鍋底部增加三條導(dǎo)葉筋，以增強理條葉與鍋壁的撞擊力，加強筋對理條葉產(chǎn)生的搓擦效果，同時增強了茶葉的翻動特性和透氣性，提高理條做形質(zhì)量；趙祖光[4]對茶葉理條機往復(fù)運動的導(dǎo)軌進行改進，將雙圓柱形滑軌副改為一圓一平滑軌，通過對比試驗得出新設(shè)計的滑軌副可以提高機器壽命，在一定程度上提高了制茶品質(zhì)。

茶葉理條機的驅(qū)動機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，當設(shè)計的最小傳動角過小，會造成機構(gòu)傳動卡滯、沖擊及振動現(xiàn)象，同時影響茶葉成形率[5]。傳統(tǒng)的設(shè)計方法過程較繁，且一般較難獲得最大傳動角，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組運用蟻群算法對茶葉理條機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，選取最小傳動角及成條率為目標函數(shù)，以理條機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計變量，根據(jù)茶葉理條機作業(yè)時具體結(jié)構(gòu)要求為約束條件，建立了茶葉理條機多元非線性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，運用蟻群算法和Matlab語言，編制了基于蟻群算法的優(yōu)化設(shè)計求解程序，結(jié)果為，曲柄長度a為59.1 mm，連桿長度b為341.5 mm，偏心距e為57.5 mm，滑塊行程H為120 mm，輔助角 β 為8.26°，極位夾角 θ為3.5°，最小傳動角γmin為70.1°。優(yōu)化后的最小傳動角由50°增大到70.1°，使傳動更加平穩(wěn)，振動減輕，噪音降低；槽鍋的卡滯現(xiàn)象消失，理條機的成條率也有所增加[6]，理條機優(yōu)化前后的參數(shù)如表1所示。

表1 理條機的創(chuàng)新與優(yōu)化Table 1 Innovation and optimization of tea carding machine

曲柄滑塊機構(gòu)屬非對稱結(jié)構(gòu)，理條機作業(yè)時連桿的慣性力難以平衡，造成振動噪音較大[7]。為了以最小的成本降低理條機的振動噪音，在不改變理條機傳動機構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組對理條機進行了減振方面的創(chuàng)新設(shè)計，傳統(tǒng)理條機存在單機不對稱，整機分為上下兩層，每層包括由各自的曲柄連桿機構(gòu)組成的兩個相同的振動單元，每個振動單元的曲柄轉(zhuǎn)動中心和連桿在連接板的鉸接點位于同一水平線上，能夠保證四個連桿的任意時間的慣性力均對稱，以減小機器振動[8]；為了平衡傳統(tǒng)理條機連桿產(chǎn)生的慣性力，設(shè)計了一種適用于茶葉連續(xù)化、清潔化生產(chǎn)線的具有低振動、低噪音的茶葉連續(xù)理條機，通過對稱布置的、形狀和重量相同的四個平衡重以平衡理條機的慣性力，可以對一階及二階慣性力進行有效平衡，提高了減振效果[9]；以行星齒輪傳動機構(gòu)取代曲柄滑塊機構(gòu)，與后者相比，行星齒輪組具有良好的對稱性，創(chuàng)新機構(gòu)具有更好的傳動平穩(wěn)性及較低的振動、噪音[10]；張小福[11]設(shè)計了一種理條機的氣動驅(qū)動裝置，利用氣動驅(qū)動振動、噪音較小的特點及易于電控的特點，以高速氣缸通過電磁閥換向驅(qū)動往復(fù)式茶葉理條機，以紅外線陶瓷發(fā)熱板為加熱元件，具有熱效率高，傳動平穩(wěn)的優(yōu)點。

隨著各種名優(yōu)茶生產(chǎn)線的建立，連續(xù)多級式理條機被廣泛引用。陳根生等[12]根據(jù)芽形名優(yōu)綠茶品質(zhì)要求及工藝需求，在理條環(huán)節(jié)采用三級連續(xù)理條機組，通過試驗研究確定了三個理條機組的振動頻率及理條溫度，成條率可達80%以上，茶葉加工生產(chǎn)線中的理條機組各單機原理與現(xiàn)有的理條機相似，但由于每一級理條機的槽鍋的傾角、U形槽寬度與槽深等均可依工藝要求確定而不相同，故每一級的理條時間、溫度等工藝參數(shù)都可最大限度適應(yīng)該階段的茶葉加工工藝要求[13]。

近年來浙江川崎茶業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的60K-S系列精揉機、寧波姚江源機械有限公司的6CRJ系列精揉機等可用于恩施玉露、雨花茶、古丈毛尖、安化松針、信陽毛尖等針芽形名優(yōu)綠茶的做形工序。盤式揉捻機在進行揉捻作業(yè)時，對揉捻葉只有機械力的作用，并且揉捻過程系在封閉的揉桶內(nèi)進行。而精揉機除了對茶葉有機械力的作用外，還有熱的作用，更有利于茶葉成形，并能減小破碎率。同時精揉機為開放式結(jié)構(gòu)，透氣性好，能有效地控制茶葉水分，保證茶葉葉底嫩綠明亮，故加工出的成品茶，條索緊細圓直，鋒苗挺秀，香氣清高。

2 片形綠茶做形裝備研究

長板式扁形茶炒制機是名優(yōu)扁形綠茶 （龍井茶）做形的關(guān)鍵設(shè)備之一，于1999年研制成功，經(jīng)改進和優(yōu)化后投入實際加工生產(chǎn)中。將計算機控制技術(shù)應(yīng)用到扁形茶炒制機中，通過計算機系統(tǒng)將茶農(nóng)生產(chǎn)經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為計算機語言，降低了對操作者的技術(shù)要求，提高了茶葉加工的科技水平[14]。2000年左右，浙江新昌茶區(qū)開始應(yīng)用長板式扁形茶炒制機進行龍井茶做形，因為該機在一定程度上具有磨光作用，能較好地適應(yīng)龍井茶的做形工藝需求[15-16]。隨著長板式扁形茶炒制機的推廣使用，扁形茶的炒制作業(yè)實現(xiàn)了機械化，并能與多功能電熱理條機配合使用，發(fā)揮各自性能優(yōu)點，提高成茶品質(zhì)和工作效率[17]。隨著設(shè)計水平的不斷創(chuàng)新，長板式單鍋扁形茶炒制機自動化程度獲得顯著提高。機器在工作時，使用者可通過人機對話設(shè)置各加工參數(shù)，儲存在電腦內(nèi)的數(shù)據(jù)直接對整個炒茶過程進行自動控制，無需人為干預(yù)，從而實現(xiàn)茶葉加工過程全程自動化[18]；夏建仁等[19]對龍井茶機械化加工工藝進行了研究，將全自動和半自動的兩臺長板式龍井茶炒制機組合進行扁茶做形，優(yōu)化了扁形茶機械加工工藝，提高了扁形茶做形品質(zhì)。由于茶葉需求日益提高，扁形茶單機加工機械雖能滿足龍井（扁形）茶做形要求，卻無法實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)[20]，為滿足龍井（扁形）茶半連續(xù)化及連續(xù)化、智能化生產(chǎn)方式，國內(nèi)眾多企業(yè)、高校開展研究并取得一定進展。為滿足上述需求，杭州千島湖豐凱實業(yè)有限公司進行了如表2所示的創(chuàng)新設(shè)計，即將3臺或4臺長板式龍井（扁形）茶炒制機前后串聯(lián)，作業(yè)時，第一臺炒制機主要負責殺青工序，第二臺負責繼續(xù)殺青和初步做形工序，第三臺主要負責繼續(xù)做形工序，第四臺主要負責磨光工序。通過這四個工序，龍井（扁形）茶炒制的全過程得以完成，目前該裝備已應(yīng)用于龍井茶生產(chǎn)線中[21]。

表2 片形綠茶做形關(guān)鍵裝備的創(chuàng)新設(shè)計Table 2 Innovation of slice-shape green tea shaping machine

扁形綠茶具有代表性的產(chǎn)品類型有西湖龍井（有梗）及六安瓜片。兩者雖都是扁形，但在外形上具有較大差別。前者為較平的片形，后者則為形如瓜子、略帶彎曲。上述長板式扁形茶炒制機只能用于龍井茶做形，不能用于六安瓜片。六安瓜片的做形一般是用理條機，但容易使條形過直、卷曲欠缺，在多年的制茶實踐中，通常在理條機的U形槽鍋中放置加壓棒來完成做形工序，在U形槽鍋的帶動下，槽鍋內(nèi)的茶葉沿U形槽產(chǎn)生翻滾、拋起、與槽鍋壁產(chǎn)生碰撞，同時U形槽鍋內(nèi)的加壓棒在槽鍋內(nèi)做以槽鍋寬度為直徑的似圓周運動，對槽鍋內(nèi)的茶葉產(chǎn)生沖擊壓力作用，最終成形，但加壓棒的釋放及回收還是要靠人工完成，這不僅加大了勞動強度，也不利于茶葉清潔化生產(chǎn)，且無法實現(xiàn)自動化，另外茶葉加工質(zhì)量要受到工人技術(shù)經(jīng)驗的制約，無法達到標準化生產(chǎn)要求，影響成茶品質(zhì)。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組設(shè)計了一種具有自動加壓功能做形裝備用于六安瓜片的做形工序，降低了勞動強度，實現(xiàn)了六安瓜片連續(xù)化、清潔化生產(chǎn)。所設(shè)計的氣動式自動加壓茶葉理條機如圖1所示，是一種機、電、氣一體化的茶葉自動化加工設(shè)備，由氣缸、活塞桿、吊環(huán)支架和吊環(huán)組成，實現(xiàn)了做形工序的自動加壓[22]，該設(shè)備于2007年應(yīng)用在六安瓜片生產(chǎn)線至今，效果良好。

圖1 氣動式自動加壓理條機示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic automatic pressurization tea carding machine

3 顆粒形及卷曲形綠茶做形裝備研究

不同顆粒形綠茶機制加工工藝雖然不同，但主要由殺青、揉捻、做形和烘焙等關(guān)鍵工序組成[23-24]，而做形工序?qū)︻w粒形綠茶形成獨特卷曲外形起著關(guān)鍵作用[25]，雙鍋曲毫炒干機是顆粒形綠茶做形的關(guān)鍵設(shè)備，茶葉在高溫炒鍋內(nèi)受炒手板推壓力、茶葉間摩擦力、茶葉與炒鍋內(nèi)壁摩擦力、茶葉自身重力等多個方向的作用力下，逐漸向內(nèi)收緊成圓球顆粒狀，以完成做形工序[26]。20世紀80年代，84型珠茶炒干機研制成功并在全國珠茶生產(chǎn)區(qū)推廣使用，因其茶灶的設(shè)計會造成環(huán)境和茶葉的污染，不符合我國茶葉無公害化生產(chǎn)的理念，需對茶灶進行結(jié)構(gòu)改進，浙江省上虞市改進的新茶灶應(yīng)用時間雖短、整體不夠完善，但對茶葉清潔化生產(chǎn)具有重要意義[27]。6CCGQ-50型雙鍋曲毫炒干機作為名優(yōu)茶加工做形的重要機型之一，關(guān)鍵在于炒茶溫度、炒板擺速與擺幅等，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算控制理念逐漸應(yīng)用于茶葉加工領(lǐng)域，實現(xiàn)自動化加工，降低茶農(nóng)的技術(shù)要求，提高經(jīng)濟效益，可進行大規(guī)模批量生產(chǎn)加工，浙江紅五環(huán)制茶裝備股份有限公司研制生產(chǎn)的6CCQ-60型炒干機采用單片機技術(shù)實現(xiàn)炒茶溫度、時間、炒板擺幅等參數(shù)的自動控制，提高了炒茶機械的智能化水平[28]。

做形工序中所應(yīng)用的雙鍋曲毫機，主要利用曲柄搖桿機構(gòu)來模擬人工炒茶作業(yè)。曲柄為主動件，帶動搖桿左右擺動，搖桿驅(qū)動與其同軸安裝的炒板在炒鍋內(nèi)不斷擺動，以實現(xiàn)顆粒型綠茶做形。由于曲柄搖桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)不緊湊，占用空間較大；曲柄搖桿機構(gòu)在運動過程中的加速度及速度均有較大變化，導(dǎo)致茶葉受熱不均勻、振動噪音較大。加之上述機構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計以經(jīng)驗為主，運動性能不佳，易造成運動卡滯及較大振動，影響成品茶品質(zhì)。為此安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組對上述機構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。以最小傳動角最大化為目標函數(shù)，建立雙鍋炒茶機的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，運用Matlab編制基于蟻群算法的優(yōu)化程序進行優(yōu)化計算及驗證試驗[29]；趙華富等[30]又通過3因素3水平正交試驗，探究貴州珠茶初烘葉含水率、第一次造形時間、第二次造形炒板的擺動頻率對珠茶成形勻度和碎茶率的影響，獲得的最佳參數(shù)組合分別為：初烘葉含水率50%、第一次造形時間50 min、第二次造形炒板的擺動頻率2.58 Hz；李為寧等[31]用Solidworks建立了雙鍋曲毫機的3D虛擬樣機，基于離散元法建立茶葉顆粒及接觸力學(xué)模型，運用EDEM軟件對做形過程進行了仿真計算，以成形率最大化和碎茶率最小化為目標函數(shù)，對炒板關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化仿真設(shè)計，同時運用2因素3水平試驗進行驗證，獲得了弧形炒板的最優(yōu)擺速及擺幅；鄭紅發(fā)等[32]以6CCGQ-50型雙鍋曲毫炒干機為試驗對象，開展螺形茶造型技術(shù)研究，得到了曲毫的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為投葉量6 kg/鍋、曲毫溫度180℃、炒制時間75 min，上述優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

表3 雙鍋曲毫炒干機的創(chuàng)新設(shè)計Table 3 Innovation of double-pan roasting machine

傳統(tǒng)的珠茶炒干機仍為單機生產(chǎn)，作業(yè)中需人工操作，以完成上料、出料及并鍋環(huán)節(jié)，難以適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)需求。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組設(shè)計出一種基于自動供料的珠茶連續(xù)化做形控制系統(tǒng)以及控制方法[33]，該系統(tǒng)自動化程度高，基于程控的自動稱重系統(tǒng)可進行自動定量加料，設(shè)計的基于雙搖桿機構(gòu)可實現(xiàn)槽鍋支架翻轉(zhuǎn)自動下茶，PLC控制并鍋環(huán)節(jié)可進行復(fù)炒，實現(xiàn)珠茶做形的連續(xù)化生產(chǎn)。

一些曲毫類卷曲形綠茶做形 （如碧螺春），可用揉捻機進行初步揉捻成條，然后采用6CB-180型碧螺春整形機，6CCQ-50G型曲毫炒干機，6CL-30型名茶搓螺機，6SCG－50CDT型雙鍋曲毫機，6CRQ－60型瓶式曲毫機等完成做形。般溫度設(shè)定在60~80℃，在熱及機械力的同時作用下完成做形工序，同時要求透氣，保持茶葉色澤翠綠。上述時間一般為20~30 min，炒至茶條卷曲，含水量為10%左右，可出茶攤涼。

4 茶葉加工溫度控制系統(tǒng)研究

溫度是綠茶做形工序中的關(guān)鍵參數(shù)，對茶葉的成型和品質(zhì)提升有著重要的意義。理條是使茶葉在一定溫度下受熱的作用使葉片軟化，溫度的控制精度直接影響成條率，李文萃等[34]研究了香茶機械化、連續(xù)化加工滾炒溫度、次數(shù)對其成茶品質(zhì)的影響。趙瑤等[35]根據(jù)針形茶做形要求，研制CJL-5型針形茶自動控溫整形操作臺，采用遠紅外加熱方式并實現(xiàn)自動控溫。范起業(yè)等[36]研究了不同殺青溫度對香茶品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)80型電磁滾筒殺青機殺青，在投葉量為130 kg/h時，滾筒三段式加熱元件溫度為290℃-280℃-265℃時，可獲最佳的成茶品質(zhì)。傳統(tǒng)茶葉理條機理條溫度控制波動較大，為了防止茶葉在理條過程中出現(xiàn)色澤變黃、變暗或產(chǎn)生焦味的現(xiàn)象，需要精確控制理條溫度，提高茶葉的加工質(zhì)量。傅杰[37]設(shè)計了茶葉理條工藝參數(shù)模糊決策控制器及模糊PID溫度控制器，并利用Matlab/simulink對上述控制系統(tǒng)進行了仿真計算，以解決茶葉理條機溫度控制精度不高的問題；近年來模糊控制相關(guān)算法已成功應(yīng)用于工程控制中[38-40]，王小勇等[41]通過模糊算法進行理條機溫度控制，運用Matlab對溫度控制系統(tǒng)進行仿真試驗，使得理條機的主副加熱部件具有較高的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾能力強，提高了理條的成茶品質(zhì)；任桂英等[42]通過PLC和相關(guān)控制元件組成控制系統(tǒng)，對溫度、頻率等參數(shù)進行設(shè)計，提高了茶葉理條過程的自動化，便于用戶簡單操作；烏蘭等[43]通過IPSO對模糊PID控制器進行參數(shù)優(yōu)化，使得控制系統(tǒng)可根據(jù)烘干機熱風(fēng)爐的實時溫度，自動調(diào)節(jié)排煙量，保證烘干機溫度的恒定。

根據(jù)茶葉物料烘焙時具有遲滯、大慣性和非線性的特點，采用傳統(tǒng)PID控制時溫度控制精度不高，超調(diào)量較大，魯棒性差，李兵等[44]設(shè)計了一種基于模糊PID控制原理設(shè)計的溫度控制器，用于六安瓜片茶烘焙，具有較好的動態(tài)及靜態(tài)性能，溫度控制精度高、超調(diào)小，當葉溫設(shè)置為80℃時，能得到較好的烘焙品質(zhì)；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組設(shè)計了一種基于動態(tài)矩陣控制的茶葉烘干機，烘干機采用多層隧道式，采用上加熱方式，加熱元件為電加熱遠紅外輻射板，運用DMC-PID串級溫度控制系統(tǒng)（如圖2），前級的DMC算法提高溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力與魯棒性；后級PID算法提高系統(tǒng)的抗干擾性能[45]。

圖2 DMC-PID溫度控制系統(tǒng)圖Fig.2 DMC-PID temperature control system diagram

傳統(tǒng)PID控制、FUZZY-PID及DMC-PID控制技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于茶葉溫度控制系統(tǒng)中，上述三種溫度控制系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線如圖3所示，常規(guī)PID溫控精度低且超調(diào)量為15%，F(xiàn)UZZY-PID溫控的超調(diào)量為10.5%，而采用DMC-PID串級溫控的超調(diào)量為5.9%，可提高溫度控制精度及成茶品質(zhì)。

圖3 三種溫控方式響應(yīng)曲線圖Fig.3 Response curves of three temperature control modes

5 發(fā)展趨勢

綠茶做形裝備是形成各種綠茶獨特品質(zhì)的關(guān)鍵，也是模擬人工炒茶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其發(fā)展趨勢從最初的單機作業(yè)逐漸向連續(xù)化、智能化方向發(fā)展。成熟的工業(yè)自動化控制及傳感器技術(shù)正逐步輻射至茶機設(shè)計領(lǐng)域，更多地應(yīng)用了傳感器技術(shù)和機、電、氣一體化等先進技術(shù)；做形裝備的傳動機構(gòu)也從簡單的平面機構(gòu)向空間機構(gòu)發(fā)展，傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)更加緊湊、傳動效率更高、運行振動噪音更小、同時產(chǎn)生了多種創(chuàng)新機構(gòu)。通過運用現(xiàn)代智能算法進行了關(guān)鍵機構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計，相關(guān)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計水平得以提高。今后，茶葉做形機械將以食品工程、機械電子、自動化技術(shù)及人工智能多學(xué)科交叉為特點，同時做形生產(chǎn)線的標準化、系列化、通用化及智能化水平也將日益提高。