茶葉揉捻機(jī)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢

鄧虎嘯 李兵 周健飛 王夢 柏宣丙

摘要：揉捻是茶葉加工的一個重要工序，對形成茶葉的優(yōu)良品質(zhì)具有重要作用。文章分析了國內(nèi)外茶葉揉捻機(jī)的現(xiàn)狀，對目前揉捻機(jī)的揉盤凹傾角、揉桶轉(zhuǎn)速、棱骨數(shù)量等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化研究進(jìn)行了論述，分析了連續(xù)化揉捻、自動加壓、自動進(jìn)（出）料等結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及自動控制方面的研究進(jìn)展，論述了當(dāng)前茶葉揉捻機(jī)研究存在的問題及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：茶葉揉捻機(jī);研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

Research Status and Development

Trend of Tea Twisting Technology

DENG Huxiao1， LI Bing1，2*， ZHOU Jianfei1， WANG Meng1， BAI Xuanbing1

1. School of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China;

2. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China

Abstract：? Twisting is an important process of tea manufacturing， which plays an important role in the aroma and foam?resistance of tea. The current situation of tea twisting machines at home and abroad was introduced， the optimizations?of key structural parameters such as the concave angle of kneading disc， the rotational speed of kneading barrel， thenumber of prismatic were discussed and the research progress of structural innovation and automatic control such as?continuous twisting， automatic pressure， automatic feeding （discharging） was analyzed in this paper. Meanwhile，the existing problems and developing trend of tea twisting machine were discussed.

Keywords： tea twisting machine， research status， development trend

茶葉是一種世界性的特色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物，我國是世界上最早種植茶葉的國家，茶園面積和茶葉產(chǎn)量均居世界首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國18個主要產(chǎn)茶省（自治區(qū)、直轄市）的茶園總面積306.5萬hm2，干毛茶產(chǎn)量279.34萬t，總產(chǎn)值達(dá)2 396億元[1]。

揉捻是茶葉加工中的一項(xiàng)重要工序，其主要作用是破碎茶葉細(xì)胞、擠出葉汁，使葉汁附著于茶葉表面，提高香氣，使茶葉條索緊結(jié)、縮小茶葉體積，有利于初步成形、增加茶葉的滋味與色澤[2]，目前我國的揉捻加工工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化[3]。

一、國內(nèi)外揉捻機(jī)現(xiàn)狀

20世紀(jì)初期，英國的土木工程師肯蒙特以2個圓形木盤作為揉盤，在木盤上刻上由中心擴(kuò)散至邊緣的凹凸淺溝，并設(shè)計(jì)了傳動裝置，形成了盤式結(jié)構(gòu)，另一位英國工程師杰克遜經(jīng)過改良，設(shè)計(jì)彈簧連動結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)揉捻壓力，是世界公認(rèn)的盤式揉捻機(jī)的雛形。1897年，日本高林謙三研制出現(xiàn)代盤式揉捻機(jī)，此后盤式揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)并無重大變化。

我國揉捻機(jī)早期主要是自主制造和引進(jìn)國外技術(shù)，例如張?zhí)旄ＴO(shè)計(jì)的918木質(zhì)揉捻機(jī)和克虜伯式揉捻機(jī)。上世紀(jì)60年代浙江研制出58型鐵木結(jié)構(gòu)雙動揉捻機(jī)，并進(jìn)行了中試及量化生產(chǎn)，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了6CR-55型、6CR-65型和6CR-90型等多種型號盤式揉捻機(jī)，逐步形成了盤式揉捻機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，上述揉捻機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造已達(dá)到國際先進(jìn)水平，并使用至今[4]。

揉捻機(jī)主體結(jié)構(gòu)雖沒有重大變化，但近年來對揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動控制等方面研究較多，并取得了階段性成果。

二、揉捻機(jī)參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展

揉捻葉的品質(zhì)主要取決于揉捻盤的技術(shù)參數(shù)和揉捻機(jī)工作環(huán)境，然而一些重要的參數(shù)主要是根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)來確定的，因此參數(shù)優(yōu)化的研究勢在必行。

揉捻盤的技術(shù)參數(shù)主要包括棱骨的根數(shù)及安裝角度、凹傾角等因素。棱骨能夠增大揉捻機(jī)對茶葉的摩擦力，有利于茶葉成條，茶葉在棱骨表面向上翻滾，使得機(jī)器能夠均勻揉捻。揉盤面向內(nèi)傾斜的角稱為凹傾角，外揉盤向內(nèi)傾斜、凹傾角為正時，可以減少茶葉外散，把茶葉導(dǎo)向揉捻強(qiáng)壓區(qū)，有利于成團(tuán)。合理的揉桶轉(zhuǎn)速可以增強(qiáng)茶葉運(yùn)動中的摩擦力、揉搓力以及扭卷力，有利于增強(qiáng)機(jī)器的穩(wěn)定性與可靠性[5]。

岳鵬翔等[6]以揉捻機(jī)棱骨的根數(shù)和棱骨的安裝角度為研究對象，運(yùn)用二元回歸正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，對三級殺青葉進(jìn)行加工處理，得出棱骨根數(shù)為12，棱骨安裝角度為42°時，揉捻的質(zhì)量最佳。周昊等[7]借鑒岳鵬翔對棱骨的研究結(jié)論，以揉捻機(jī)不同參數(shù)的棱骨為研究對象，建立Solidworks三維模型，導(dǎo)入ABAQUS仿真軟件，運(yùn)用有限元動態(tài)分析方法，對不同參數(shù)的棱骨進(jìn)行仿真，得出棱骨頂部圓角半徑值越大、棱骨條半徑越大，茶葉所受的揉捻力就越大，這一規(guī)律對于提高揉捻機(jī)的生產(chǎn)制造有著重要意義。曹望成等[8]以揉捻機(jī)轉(zhuǎn)速等為試驗(yàn)對象，采用45型揉捻機(jī)進(jìn)行2次對比試驗(yàn)，對成條率、細(xì)胞破壞程度、碎茶率、耗電量、機(jī)器工作狀況等因素分析認(rèn)為，揉捻機(jī)的轉(zhuǎn)速為40 ～ 50 r/min時，綜合效果最好。陳世輝[9]根據(jù)揉捻機(jī)工作原理，以揉捻機(jī)凹傾角為對象，基于PRO/E軟件進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析試驗(yàn)，分別得出輕載與重載時凹傾角與外揉盤最大應(yīng)力之間的關(guān)系，當(dāng)凹傾角為5°左右時，外揉盤應(yīng)力最大，具有較好的揉捻效果。張開興等[10]對茶葉在揉盤上的受力情況進(jìn)行分析，運(yùn)用有限元分析方法，結(jié)合具體試驗(yàn)得出：當(dāng)揉盤的凹傾角為5°左右時，揉捻效果最好，并針對北方茶葉特點(diǎn)對凹傾角、棱骨等方面進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)凹傾角為6°、棱骨根數(shù)為14、安裝偏移角度為42°、小端面寬度為8 mm、小端面高度為7 mm、大端面寬度為12 mm、大端面高度為9 mm時，揉捻效果最佳。李兵等[11]分析茶葉在揉桶內(nèi)的受力情況，運(yùn)用三維建模軟件Solidworks對揉捻機(jī)的揉桶、揉盤等主要運(yùn)作部件進(jìn)行實(shí)體建模，導(dǎo)入離散元仿真軟件EDEM并與擬合出的與茶葉外形大小相似的多球面組合體進(jìn)行配合仿真，初步得出揉桶轉(zhuǎn)速45 r/min、揉盤傾角4°是最佳的揉捻參數(shù)，并運(yùn)用Design-Expert 10.0對揉捻參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，最終得出當(dāng)揉桶轉(zhuǎn)速為42 r/min，棱骨高度為10 mm，揉盤傾角為3.8°時，茶葉揉捻機(jī)的揉捻質(zhì)量最優(yōu)。

三、揉捻機(jī)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

目前揉捻機(jī)大多為揉桶揉盤式結(jié)構(gòu)，機(jī)器工作時通常需要結(jié)合人力來實(shí)現(xiàn)，壓力控制、清潔機(jī)器、送茶、排茶等都需要人工操作。為實(shí)現(xiàn)揉捻的連續(xù)化、自動化控制，首先需要對揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

胡淑貞等[12]設(shè)計(jì)出一種雙搓動的新型揉捻機(jī)，這種揉捻機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)揉桶相對于揉盤轉(zhuǎn)動和揉盤相對于機(jī)座轉(zhuǎn)動，與傳統(tǒng)的揉捻機(jī)相比，揉捻效率更高，茶葉條索更緊，機(jī)器設(shè)有可上下左右移動的自動加壓蓋，省去了人工操作。

為了解決揉捻機(jī)需要定時人工清理茶渣和灰塵的麻煩，楊植善[13]設(shè)計(jì)出一種自清潔的半自動揉捻機(jī)組。該揉捻機(jī)組的兩側(cè)設(shè)有支撐板和可升降的支撐柱，支撐柱頂部設(shè)有升降板，升降板上設(shè)置收集風(fēng)機(jī)和收集箱等自清潔裝置。支撐柱下降帶動升降板向下，使得自清潔裝置工作，達(dá)到清理揉捻機(jī)的目的，省去了人工操作，提高了工作效率。

傅原美[14]設(shè)計(jì)出一種能均勻揉捻的茶葉揉捻機(jī)。該揉捻機(jī)的支架頂端設(shè)有氣壓缸，氣壓缸的末端連接著安裝板，驅(qū)動馬達(dá)安裝在安裝板上，另一端與揉捻蓋連接，揉捻蓋底部設(shè)有揉捻紋。揉捻機(jī)工作時，氣壓缸向下壓迫揉捻蓋，驅(qū)動馬達(dá)帶動揉捻蓋轉(zhuǎn)動，當(dāng)揉桶在揉盤上做圓周運(yùn)動對茶葉進(jìn)行揉捻的同時，通過揉捻蓋底部的揉捻紋對茶葉進(jìn)行揉捻，提高了揉捻效率，使揉捻更加均勻。支腿上設(shè)有支撐套，支撐套底部設(shè)有減震彈簧與墊片，能夠起到固定機(jī)器與減震的作用。

王國順[15]設(shè)計(jì)出一種智能連續(xù)揉捻機(jī)，其內(nèi)部設(shè)置有一固定風(fēng)機(jī)，揉捻機(jī)工作時，風(fēng)機(jī)能夠從外界抽氣，通過噴管對揉捻時即將結(jié)塊的茶葉進(jìn)行噴射，防止成塊，在揉捻塊的后側(cè)設(shè)置多個劃桿，可以掃動茶葉，起到打散茶葉團(tuán)的作用，從而防止整個揉捻過程中出現(xiàn)茶葉結(jié)塊的現(xiàn)象。

揉捻機(jī)連續(xù)化工作的過程中，總是伴隨著壓力蓋的上升與下降，傳統(tǒng)揉捻機(jī)的壓力蓋控制多為人工操作，勞動強(qiáng)度大，浪費(fèi)人力資源。若全部改成自動控制，則會在遇到工廠停電或機(jī)器損壞等情況時揉捻機(jī)不能正常工作。為此，鮑小平等[16]設(shè)計(jì)出一種揉捻機(jī)升降裝置，具備手動和自動2種升降方式，裝置主體設(shè)有行程開關(guān)，控制加壓蓋的升降范圍。

四、揉捻機(jī)的自動控制研究進(jìn)展

我國的茶葉揉捻機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化，在稱重及進(jìn)（出）料環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了自動化，但自動加壓、自動調(diào)控投葉量、根據(jù)不同茶葉原料采取不同的揉捻工藝等自動化程度較低[17]。為了實(shí)現(xiàn)對揉捻的壓力控制、把揉捻壓力量化，譚和平等[18]提出一種基于可編程邏輯控制器（PLC）和步進(jìn)伺服的茶葉揉捻壓力柔性控制方法，該控制系統(tǒng)由4部分組成：人機(jī)接口（HMI）、PLC、壓力檢測組和壓力調(diào)節(jié)組。HMI選用昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的觸摸屏與系統(tǒng)，PLC選用Kinco-306EX系列，稱重傳感器和隔離型壓力信號變送器組成壓力檢測組，壓力調(diào)節(jié)組選擇了DM86系列的步行電機(jī)和DMD808A型驅(qū)動器。與傳統(tǒng)的壓力設(shè)定方法不同，柔性壓力控制可對比施壓裝置的壓力值與實(shí)際壓力值之間的緩沖值，從而執(zhí)行相應(yīng)的施壓操作。通過與固定壓力控制、剛性壓力控制2種控制方法對比試驗(yàn)，柔性壓力控制擁有降低能耗、細(xì)胞破碎效果好、茶葉條索緊、碎茶率低、茶條死結(jié)少等特點(diǎn)。實(shí)際操作時，把柔性壓力控制相關(guān)的參數(shù)輸入到PLC中，通過控制步行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對壓力蓋上升下降的控制。

李杰等[19]設(shè)計(jì)出一種智能化茶葉揉捻機(jī)組，能夠?qū)Σ枞~揉捻進(jìn)行精準(zhǔn)、自動控制。其揉捻組由多個揉捻機(jī)組成并設(shè)有多級上料帶，上料帶可以正反轉(zhuǎn)，以達(dá)到給每個桶加料的目的。揉捻機(jī)主體上設(shè)有位置檢測機(jī)構(gòu)，通過揉捻機(jī)組控制箱，實(shí)現(xiàn)加料控制、加壓控制、揉捻控制、出料控制的過程。徐文娟等[20]對揉捻過程中稱重下料、揉捻壓力和揉捻速度控制自動化進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種茶葉揉捻機(jī)的自動化裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)。稱茶下料系統(tǒng)由氣缸、電磁閥和皮帶秤組成，揉捻壓力控制系統(tǒng)由平衡彈簧、步進(jìn)電機(jī)和電阻應(yīng)變式測力傳感器組成，揉捻速度控制系統(tǒng)由1臺交流電機(jī)和1個變頻器組成，3個系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和顯示系統(tǒng)組成的一體機(jī)控制，計(jì)算機(jī)采用PLC控制系統(tǒng)。機(jī)器工作時，皮帶將茶葉運(yùn)送至皮帶秤稱重，達(dá)到設(shè)定數(shù)值下茶，測力傳感器采用電阻應(yīng)變式測力傳感器，能夠?qū)⒔饘俳z的彈性形變轉(zhuǎn)化為電阻變化傳遞給計(jì)算機(jī)調(diào)控，機(jī)箱內(nèi)設(shè)有變頻器，能夠根據(jù)實(shí)際改變轉(zhuǎn)速，滿足不同組織、嫩度和殺青質(zhì)量茶葉的轉(zhuǎn)速要求。通過壓力和轉(zhuǎn)速控制模塊測試及人工揉捻對比試驗(yàn)，自動控制系統(tǒng)的揉捻機(jī)成條率大于人工控制，人工成本更低，工作效率更高。

五、揉捻機(jī)發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)的揉捻機(jī)主要存在以下幾個問題：揉捻機(jī)工藝參數(shù)難以量化;揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性不夠，傳統(tǒng)揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)難以滿足自動化揉捻機(jī)及智能化揉捻機(jī)的要求;揉捻機(jī)智能化程度不高，尚不能根據(jù)鮮葉原料的老嫩程度智能地選擇機(jī)械揉捻工藝參數(shù);揉捻葉內(nèi)部壓力及其細(xì)胞破碎率尚不能實(shí)時檢測，影響了揉捻工藝參數(shù)的反饋及實(shí)時調(diào)整。為解決上述問題，應(yīng)借助機(jī)械優(yōu)化理論及技術(shù)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是與自動揉捻技術(shù)相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計(jì);研發(fā)滿足揉捻工藝要求的壓力傳感器及檢測細(xì)胞破碎率的傳感器，以實(shí)現(xiàn)揉捻過程中對機(jī)械化揉捻工藝參數(shù)的智能化實(shí)時調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化揉捻。

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