茶葉理?xiàng)l技術(shù)及機(jī)械研究進(jìn)展*

閆建偉，胡冬軍，劉啟合，喻麗華，牛素貞

(1. 貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽市，550025； 2. 貴州大學(xué)茶葉工程技術(shù)研究中心，貴陽市，550025；3. 貴州大學(xué)茶學(xué)院，貴陽市，550025)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，國民的茶葉消費(fèi)水平在不斷提高，據(jù)中國茶葉流通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020年中國六大茶類總產(chǎn)量為2 986 kt、產(chǎn)值2 626.58億元，其中綠茶產(chǎn)量為1 842.7 kt、占總產(chǎn)量的61.70%[1-2]。面對(duì)如此巨大的茶葉需求量僅依靠手工制茶顯然無法滿足生產(chǎn)要求，如何在保證茶質(zhì)的前提下提高茶葉產(chǎn)量是制約茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，茶葉加工機(jī)械化的推廣為茶葉提質(zhì)增產(chǎn)提供一種解決對(duì)策。近年來，研究學(xué)者加大了對(duì)茶葉加工機(jī)械的研究，截至目前已有多種類型茶葉加工機(jī)械投入到實(shí)際生產(chǎn)中，茶葉加工機(jī)械的使用不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約人工成本，還大幅度提高茶葉加工效率，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。

理?xiàng)l是茶葉初制加工過程中十分重要的一道工序，對(duì)茶葉的形狀、顏色、香氣、滋味等有很大影響[6]。茶葉理?xiàng)l機(jī)械是茶葉初制過程中主要設(shè)備，也是茶葉加工機(jī)械重要組成部分，其具有運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、便于流水線作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)手工加工相比，能夠大幅提高茶葉理?xiàng)l效率[7-9]。本文結(jié)合現(xiàn)有茶葉理?xiàng)l技術(shù)及機(jī)械，分析茶葉理?xiàng)l機(jī)械結(jié)構(gòu)與原理，指出其存在的問題并展望茶葉理?xiàng)l機(jī)未來發(fā)展趨勢，為茶葉理?xiàng)l機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

1 茶葉理?xiàng)l技術(shù)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)茶葉做形依賴人工，在茶葉做形初始階段，茶葉中水分含量較多，將茶倒入炒鍋，提高炒鍋溫度使茶葉水分快速蒸發(fā)，然后將茶置于整形平臺(tái)，用手輕輕揉搓，使茶葉滾動(dòng)成條[10-11]。茶葉手工揉搓成條不僅由于茶葉溫度高、手掌頻繁接觸茶葉而影響茶葉衛(wèi)生，并且手工揉搓生產(chǎn)效率低、成本高。因此，手工做形技術(shù)逐步被茶葉做形機(jī)械所取代。

1.1 國外茶葉理?xiàng)l技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，日本只有少部分名貴茶葉仍采用手工做形，絕大部分茶葉加工已被機(jī)械化作業(yè)取代。日本加工的茶葉多數(shù)是煎茶，其流程比較固定，一般為：鮮葉輸送、蒸青、揉捻、烘干。蒸青是利用蒸氣高溫來抑制茶葉氧化酶的活性，保持茶葉品質(zhì)，該工序是利用蒸青機(jī)來完成，滾筒式蒸青機(jī)在日本應(yīng)用較廣泛，一般的滾筒式蒸青機(jī)由外筒和攪拌軸組成，蒸青時(shí)外筒轉(zhuǎn)速為40 r/min，攪拌軸轉(zhuǎn)速為280 r/min，蒸青溫度為100 ℃，蒸青時(shí)間控制在1 min，茶葉含水率在75%左右。揉捻是利用揉捻機(jī)完成，主要分為粗揉、中揉、精揉3個(gè)階段，以日本伊達(dá)氏自動(dòng)連續(xù)300型煎茶設(shè)備為例：粗揉階段，使用初干揉捻機(jī)來完成，其主要目的是使茶葉快速散發(fā)水分，茶葉的平均含水率為63.25%，平均成條率為17%；中揉階段，使用中揉機(jī)來完成，中揉機(jī)由揉桶和揉手組成，茶葉在揉搓成條的同時(shí)進(jìn)一步散失水分，時(shí)間控制在20～25 min，茶葉的平均含水率為37.9%，平均成條率為90%；精揉階段，使用精揉機(jī)來完成，精揉機(jī)主要由揉手和槽狀底部組成，起到固形的作用，一般精揉溫度為80 ℃～90 ℃，時(shí)間為30～40 min，得到的茶葉含水率為11%，成條率為96%[12-14]。

印度主要加工傳統(tǒng)紅茶和CTC紅茶，茶葉從采摘、加工再到市場流通，整個(gè)過程比較規(guī)范嚴(yán)格，加工流程主要是：鮮葉采收、萎凋、揉捻、發(fā)酵、烘干。萎凋工序使用的是萎凋槽，該槽體長為2 286 cm，寬為65.76 cm，茶葉在槽內(nèi)的攤放厚度為18～20 cm，時(shí)間控制在22～24 h，鮮茶葉經(jīng)過萎凋工序后含水率控制在50%～52%；揉捻工序使用的是印度自產(chǎn)的大型揉捻機(jī)，每桶的茶葉投放量可達(dá)220 kg，揉捻過程分兩個(gè)階段：第一階段揉捻加壓適中，時(shí)長45 min，揉捻后利用圓篩機(jī)篩選出細(xì)嫩茶葉，以便后續(xù)發(fā)酵；第二階段揉捻加壓較大，主要揉捻第一階段剩下的老芽茶葉，時(shí)長30 min；揉捻工序完后將揉捻葉按20 cm左右的厚度鋪在地面上，使其自然發(fā)酵，得到的茶葉顏色淺紅、滋味濃烈[15-16]。

印度尼西亞是世界上重要的茶葉生產(chǎn)國，主要生產(chǎn)紅茶，茶葉加工流程通常為：鮮葉采摘、揉捻/揉切、發(fā)酵和干燥。揉捻/揉切工序主要完成茶葉的初步揉捻和碎化作用，初步揉捻使用的是螺旋揉捻機(jī)，轉(zhuǎn)速為150 r/min，時(shí)間控制在1 min左右，揉切采用的是高速轉(zhuǎn)子機(jī)，轉(zhuǎn)速為700 rad/min，時(shí)間控制在3 min，需切三次；發(fā)酵階段沒有特定的發(fā)酵室，利用配有高速噴霧器的發(fā)酵盤進(jìn)行發(fā)酵，當(dāng)發(fā)酵盤投葉量為10～11 kg，發(fā)酵時(shí)間為140～200 min時(shí)，得到的茶葉香氣、滋味飽滿[17-18]。

1.2 國內(nèi)茶葉理?xiàng)l技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)名優(yōu)針形茶葉做形普遍采用理?xiàng)l機(jī)[19]。劉海洋[20]為了使茅山長青綠茶在加工過程中品質(zhì)更優(yōu)，選用6CLZ-80D電熱振動(dòng)理?xiàng)l機(jī)進(jìn)行茶葉做形。在投葉量控制方面，不同類型理?xiàng)l機(jī)U形鍋槽數(shù)目不同投葉量也不同，一般每槽投放250 g殺青葉為宜；在溫度控制方面，該理?xiàng)l機(jī)的理?xiàng)l溫度控制在120 ℃～130 ℃，同時(shí)為了避免加工過程中濕氣的揮發(fā)影響茶葉外觀和內(nèi)質(zhì)的形成，在理?xiàng)l機(jī)旁放置有風(fēng)扇加速濕氣散發(fā)；當(dāng)鍋槽的溫度達(dá)到90 ℃時(shí)便可投葉，此時(shí)理?xiàng)l機(jī)的往復(fù)頻率控制在150次/min，待茶葉充分吸收熱量后調(diào)整往復(fù)頻率至350次/min，做形過程持續(xù)15 min 左右，得到的茶葉成條率在85%以上，茶葉扁直勻整、色澤翠綠。

俞燎遠(yuǎn)等[21]以鳩坑茶樹品種的機(jī)采鮮葉為實(shí)驗(yàn)材料，選用6CSLDB型殺青-理?xiàng)l機(jī)組，探究不同的處理工藝對(duì)扁形茶品質(zhì)的影響。經(jīng)過鮮葉攤青、理?xiàng)l殺青/切斷處理、一次輝鍋、二次輝鍋和滾炒等工藝，得到不同的茶葉品質(zhì)，結(jié)果表明：經(jīng)過切斷處理后制成的茶葉品質(zhì)顯著提高，其中在先切斷后殺青工序處理得到的茶葉成條率為64.31%，碎茶率為15.38%，相比只殺青工序處理得到的茶葉成茶率提高2.41%，碎茶率降低4.62%。在先殺青后切斷工序處理得到的茶葉成條率為68%，碎茶率為14.29%，相比只殺青工序處理得到的茶葉成茶率提高6.1%，碎茶率降低5.71%。

趙瑤等[22]對(duì)針形茶葉按傳統(tǒng)殺青、揉捻、初干、做形、干燥等流程進(jìn)行加工易出現(xiàn)外觀暗黃、有焦苦味等問題，使用6CZG-60針型茶固形機(jī)，在做形階段后面添加固形工序，使茶葉的含水率進(jìn)一步降低方便后續(xù)的干燥處理。通過對(duì)固形葉含水率、固形葉溫、固形投葉量三因素正交試驗(yàn)分析，得到最佳的工藝參數(shù)，結(jié)果表明：在固形鍋加熱溫度為50 ℃時(shí)，以每鍋1.5 kg的量投放含水率為20%的固形葉，同時(shí)固形時(shí)間控制在15～20 min，得到影響茶葉色、香、味形成的內(nèi)質(zhì)物茶多酚含量為28.82%，氨基酸含量為3.22%，可溶性糖的含量為3.59%，葉綠素含量為0.142%，茶葉滿足色澤、滋味等品質(zhì)要求，有效解決其外觀暗黃、有焦苦味等問題。

2 茶葉理?xiàng)l機(jī)研究現(xiàn)狀

2.1 國外茶葉理?xiàng)l機(jī)研究現(xiàn)狀

日本茶葉加工機(jī)械非常先進(jìn)，一方面是日本使用機(jī)械化加工時(shí)間早，設(shè)備已經(jīng)很成熟，另一方面是日本具有良好的茶葉加工基礎(chǔ)和專業(yè)技術(shù)人員，注重對(duì)新設(shè)備的研制，各類型茶葉加工設(shè)備已廣泛運(yùn)用于茶葉連續(xù)生產(chǎn)，不僅自動(dòng)化程度高、適用性強(qiáng)，而且已實(shí)現(xiàn)成套化及標(biāo)準(zhǔn)化[23]。日本生產(chǎn)的茶大部分是蒸青煎茶，需使用功能不同揉茶機(jī)進(jìn)行加工，主要包括粗揉機(jī)、中揉機(jī)、精揉機(jī)三種類型。其中代表機(jī)型為日本川崎60K-S揉茶機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸3 140 mm×1 300 mm×1 215 mm，機(jī)構(gòu)采用揉手、柔板往復(fù)循環(huán)形式，加熱方式為煤氣加熱，揉手頻率為46～60 r/min，設(shè)備臺(tái)時(shí)生產(chǎn)率為22.1 kg/(kW·h)，細(xì)胞破壞率為59%，得到的茶葉的成條率為96.4%，碎茶率為1.12%，茶葉細(xì)直明亮。此外，日本茶葉加工設(shè)備普遍安裝有近紅外水分快速測定儀，快速測定茶葉含水率，減少碎末茶，且儀器不受茶葉顏色和茶葉加工密度的影響[24]。

印度是僅次于中國的世界第二大茶葉生產(chǎn)國，也是全球最大的紅茶生產(chǎn)國，其茶葉加工機(jī)械主要使用揉捻機(jī)，有滾筒式和圓盤式兩類，揉茶過程依賴人工經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化程度不高。其代表機(jī)型為洛托凡轉(zhuǎn)子揉捻(切)機(jī)，該機(jī)型工作轉(zhuǎn)速以40 r/min為宜，細(xì)胞破損率為70%～80%，成條率80%以上，得到的茶葉條索緊卷[25]。

斯里蘭卡是世界上重要的茶葉生產(chǎn)國，主要生產(chǎn)紅碎茶，因其具有良好的制茶工藝和加工設(shè)備，生產(chǎn)的紅碎茶98%用于出口，位居世界前列。茶葉加工階段主要使用單動(dòng)式茶葉揉捻機(jī)，其中最大的揉捻機(jī)揉桶尺寸桶高72 cm，直徑117 cm，揉盤直徑190 cm，轉(zhuǎn)速為36 r/min，一次性可以揉捻325 kg的紅茶葉，細(xì)胞破碎率在80%以上，得到的茶葉呈碎形，香氣鮮濃[26]。對(duì)上述國外各代表機(jī)型作比較分析，如表1所示。

表1 國外代表機(jī)型比較分析

2.2 國內(nèi)茶葉理?xiàng)l機(jī)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)常用的茶葉理?xiàng)l設(shè)備是茶葉理?xiàng)l機(jī)，它是一種用于將茶葉加工成直條形或針形的機(jī)械，20世紀(jì)90年代由安徽宣城茶區(qū)發(fā)明，后經(jīng)茶葉機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)不斷改進(jìn)和完善而成。茶葉理?xiàng)l機(jī)是茶葉初加工的重要機(jī)械設(shè)備，它是在研究我國傳統(tǒng)手工制茶的手法基礎(chǔ)上優(yōu)化茶葉在U型槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡而研制的。茶葉理?xiàng)l機(jī)按其結(jié)構(gòu)與原理可以大致分為3種類型，分別為往復(fù)式振動(dòng)理?xiàng)l機(jī)(圖1)、殺青理?xiàng)l機(jī)(圖2)、連續(xù)式理?xiàng)l機(jī)(圖3)[6-9]。

圖2 殺青理?xiàng)l機(jī)

圖3 連續(xù)式理?xiàng)l機(jī)

往復(fù)式振動(dòng)理?xiàng)l機(jī)，作業(yè)方式為間歇式，主要結(jié)構(gòu)包含傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、U型鍋槽、加熱裝置和機(jī)架，其工作流程大致為：工作時(shí)電機(jī)輸出動(dòng)力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過連桿實(shí)現(xiàn)U型鍋槽往復(fù)運(yùn)動(dòng)，U型槽底部安裝有加熱裝置提供熱量，茶葉在U型槽內(nèi)與槽體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，茶葉逐漸發(fā)生塑性變形，最終成條。代表機(jī)型為6CLZ系列往復(fù)式振動(dòng)理?xiàng)l機(jī)，主要作業(yè)性能指標(biāo)：鍋槽往復(fù)頻率為170～240次/min，理?xiàng)l葉含水率≤20%，干毛茶成條率≥90%，碎茶率≤3%，產(chǎn)量≥6 kg/h。

殺青理?xiàng)l機(jī)，作業(yè)方式為間歇式，主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、U型鍋槽、鍋槽傾角調(diào)節(jié)裝置、加熱裝置和機(jī)架等組成，其工作流程為：采用無級(jí)變速及限料器控制待殺青葉投送量，殺青葉從投入端進(jìn)入U(xiǎn)型鍋槽，殺青葉隨著U型鍋槽邊左右振動(dòng)邊向U型鍋槽出口端滑動(dòng)，直到從U型鍋槽出口端落下完成殺青理?xiàng)l。代表機(jī)型為6CMS-445型殺青理?xiàng)l機(jī)，主要作業(yè)性能指標(biāo)：鍋槽往復(fù)頻率130～150次/min，理?xiàng)l葉含水率≤50%，茶葉成條率≥85%，碎茶率≤2.5%，生產(chǎn)率為2～3.5 kg/h。

連續(xù)式理?xiàng)l機(jī)，作業(yè)方式為連續(xù)式，主要由上葉機(jī)構(gòu)、鍋槽升降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和加熱裝置等組成，其工作流程為：茶葉鮮葉由上葉輸送帶送入U(xiǎn)型鍋槽內(nèi)，在U型鍋槽內(nèi)吸收熱量，葉溫迅速升高，鍋槽升降機(jī)構(gòu)使得茶葉邊振動(dòng)理?xiàng)l邊前進(jìn)，最后從出口端排出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)理?xiàng)l作業(yè)。連續(xù)式理?xiàng)l機(jī)和上述兩類機(jī)型不同的地方在于其采用分段式鍋槽，每段的鍋槽寬度不同，使茶葉在不同理?xiàng)l階段所受擠壓力不同，提高理?xiàng)l效果。代表機(jī)型為6CLX-12A型連續(xù)式理?xiàng)l機(jī)，主要作業(yè)性能指標(biāo)：鍋槽往復(fù)頻率為80～170次/min，理?xiàng)l葉含水率38%～43%，茶葉成條率≥92%，碎茶率≤3%。對(duì)上述常用的理?xiàng)l機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 不同理?xiàng)l設(shè)備的比較分析

本文主要從目前應(yīng)用最廣泛的往復(fù)式理?xiàng)l機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加熱方式及控制方式4個(gè)方面進(jìn)行分析，介紹其對(duì)茶葉理?xiàng)l的影響。

2.2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

理?xiàng)l機(jī)中連桿機(jī)構(gòu)是傳動(dòng)關(guān)鍵部件，其通過連接U型槽實(shí)現(xiàn)U型槽的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中連桿給U型槽向前的推力和向下的壓力，使得機(jī)器在理?xiàng)l過程中振動(dòng)大、噪音大，進(jìn)而影響茶葉理?xiàng)l質(zhì)量。因此，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是減小振動(dòng)和降噪的重要途徑。

趙巨輝[6]針對(duì)傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)曲柄連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程速度無差別、理?xiàng)l品質(zhì)差等問題，設(shè)計(jì)了一種以偏心齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的理?xiàng)l機(jī)(圖4)，在偏心齒輪上設(shè)置相位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并仿真確定偏心齒輪的最佳偏心率和相位角，得到當(dāng)齒輪的偏心率為0.172 5，相位角為90°時(shí)，鍋槽的往復(fù)極限絕對(duì)速度差達(dá)到0.7 m/s，滿足了不同茶葉加工鍋槽往復(fù)速度差的工藝要求。通過對(duì)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)不僅提高了理?xiàng)l機(jī)的適用范圍，又改善茶葉的理?xiàng)l品質(zhì)。

圖4 偏心式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)理?xiàng)l機(jī)

章榮劍[27]為了解決現(xiàn)有茶葉理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l不均勻的問題，將曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成自動(dòng)擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)(圖5)，當(dāng)進(jìn)行茶葉理?xiàng)l時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)依次帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤、活動(dòng)桿、連接桿左右移動(dòng)，連接桿左右移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)固定推板和理?xiàng)l板左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)茶葉的均勻理?xiàng)l。

圖5 擺動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)理?xiàng)l機(jī)

李劍勇等[28]針對(duì)傳統(tǒng)傳動(dòng)柄反復(fù)拉扯造成底座來回?fù)u晃，影響理?xiàng)l機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)等問題，提供一種新型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)(圖6)，傳動(dòng)柄為S型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能很好地增加彈性，同時(shí)傳動(dòng)柄與連接套是過盈配合連接，這種結(jié)構(gòu)避免了硬力拉扯，提高了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使用壽命。

圖6 S型式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)理?xiàng)l機(jī)

王小勇等[29]為了降低茶葉理?xiàng)l過程中的振動(dòng)和噪音，提高傳動(dòng)性能和理?xiàng)l效果，運(yùn)用遺傳算法和Matlab對(duì)理?xiàng)l機(jī)連桿式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化(圖7)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得出：當(dāng)最小傳動(dòng)角為71.1°、極位夾角為3.6°、工作行程為122 mm時(shí)，理?xiàng)l過程中噪音降低2 dB，茶葉成條率提高2%。對(duì)上述不同類型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，如表3所示。

表3 不同類型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)理?xiàng)l機(jī)比較分析

圖7 連桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)理?xiàng)l機(jī)

2.2.2 U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

U型槽是理?xiàng)l機(jī)工作組件的重要組成部分。U型槽的槽深、寬幅、槽壁與水平軸的夾角等參數(shù)與茶葉理?xiàng)l品質(zhì)直接關(guān)聯(lián)。目前國內(nèi)普遍使用的U型槽主要有標(biāo)準(zhǔn)U型槽和非標(biāo)準(zhǔn)U型槽兩種，國內(nèi)人員進(jìn)行了相關(guān)研究工作。蘇中強(qiáng)等[30]為了提高茶葉理?xiàng)l的均勻性，選用的槽體(圖8)縱向截面為斜U型，其第一側(cè)壁面的傾斜角為12°～16°，第二側(cè)壁面的傾斜角為16°～20°，在U型槽體內(nèi)部設(shè)置有凸條，凸條可以增加茶葉與槽壁的阻力，可以保證茶葉翻轉(zhuǎn)充分理?xiàng)l均勻。吳結(jié)明[31]設(shè)計(jì)了一種理?xiàng)l機(jī)的鍋槽結(jié)構(gòu)(圖9)，該槽體結(jié)構(gòu)呈錐形，有進(jìn)口和出口。從進(jìn)口至出口槽體的寬度逐漸變窄，茶葉在理?xiàng)l過程中由于水分的蒸發(fā)體積逐漸縮小，同時(shí)U型槽的容積也逐漸縮小，從而保證了茶葉在鍋槽的寬度方向所占的空間比例一致，茶葉成條速度快、效率高。黃劍虹等[32]為了解決連續(xù)鍋槽在工作過程中具有良好的連接穩(wěn)固性和抗熱變形，提高理?xiàng)l效果，設(shè)計(jì)了一種完全消除在縱向上受到的膨脹，同時(shí)又削弱抗熱變形性的多槽鍋(圖10)。左右兩端的牽引管與鍋框之間留有間隙，前槽板與后槽板上方均布置有緩沖板以消除縱向膨脹，保證了茶葉在鍋槽內(nèi)順利流動(dòng)。對(duì)上述U型槽特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，如表4所示。

圖8 斜U型理?xiàng)l鍋槽

圖9 錐形理?xiàng)l鍋槽

圖10 多排直形理?xiàng)l鍋槽

表4 不同類型U型槽茶葉理?xiàng)l機(jī)比較分析

2.2.3 加熱方式

槽鍋加熱按加熱方式分為接觸加熱和非接觸加熱。接觸加熱主要以熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)為主，非接觸加熱主要是遠(yuǎn)紅外加熱；按加熱熱源分有電加熱、煤加熱、油加熱等[33]。現(xiàn)目前國內(nèi)對(duì)理?xiàng)l機(jī)加熱相關(guān)的研究很多，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

1) 加熱方式。U型槽在加熱時(shí)，溫度通常會(huì)呈現(xiàn)中間高，兩頭低的現(xiàn)象，造成茶葉品質(zhì)不一致。李正山[34]為解決槽體受熱不均勻、散熱大等問題，使用油加熱方式對(duì)U型槽提供熱量。槽底下方設(shè)置有油箱，利用油箱的快導(dǎo)熱性，使茶葉受熱均勻的同時(shí)又減少散熱，提升整體理?xiàng)l效果；戴惠亮等[35]針對(duì)國內(nèi)電熱式理?xiàng)l機(jī)能耗高、溫度響應(yīng)慢和受熱不均等問題提出一種采用電磁加熱技術(shù)的茶葉理?xiàng)l機(jī)，通過改變電磁距離鍋槽底面的距離和線圈的繞法得到理?xiàng)l機(jī)整體鍋槽在同一截面溫差不超過6 ℃，同時(shí)將鍋槽的加熱時(shí)間由20 min縮短在5 min左右，大量降低能耗，茶葉的受熱更加均勻；徐雪龍[36]針對(duì)傳統(tǒng)多排直加熱管導(dǎo)致U型槽溫度中間高、兩端低，造成槽兩側(cè)的茶葉理?xiàng)l品質(zhì)不如中間茶葉等問題，設(shè)計(jì)了一種新式理?xiàng)l機(jī)加熱結(jié)構(gòu)。其采用弧形可調(diào)的鹵素U型加熱管，使得U型槽中間與鍋槽的距離大于邊緣與鍋槽的距離，保證U型槽中間和邊緣的溫度趨于一致，保證理?xiàng)l品質(zhì)的一致性。同時(shí)，加熱裝置上端裝有隔熱橡圈，底部和側(cè)壁設(shè)置反光板，有效減少散熱。

2) 涂層材料的選擇。以電作為加熱熱源有電熱管加熱、電阻絲加熱、遠(yuǎn)紅外加熱三種方式。利用電熱管和電阻絲加熱管作為熱源不僅能耗大、熱利用率低，還不能滿足食品加工清潔化標(biāo)準(zhǔn)要求，因此用遠(yuǎn)紅外加熱管作為加熱元件成為首選，遠(yuǎn)紅外加熱以利用陶瓷遠(yuǎn)紅外輻射元件居多，因此對(duì)陶瓷涂層材料的選擇尤為重要。

3) 溫度調(diào)控。王小勇等[37]為了加強(qiáng)對(duì)理?xiàng)l過程中的溫度控制，提高茶葉的理?xiàng)l品質(zhì)，采用主副加熱部件，將模糊算法和溫度控制相結(jié)合，運(yùn)用Matlab仿真，得到最佳理?xiàng)l溫度為90 ℃，同時(shí)茶葉碎茶率由傳統(tǒng)的11.8%降到了6%，有效改善了理?xiàng)l質(zhì)量；潘玉成等[38]針對(duì)理?xiàng)l機(jī)溫控系統(tǒng)具有時(shí)變不確定非線性的特點(diǎn)，提出一種基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)在線整定，該系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，能夠?qū)⒉枞~的理?xiàng)l溫度誤差控制在±2 ℃ 內(nèi)，滿足茶葉理?xiàng)l加工對(duì)溫度的控制要求。

2.2.4 控制方式

茶葉在理?xiàng)l過程中，理?xiàng)l溫度、時(shí)間、U型槽的振動(dòng)頻率等參數(shù)直接影響著茶葉的理?xiàng)l品質(zhì)。劉青[39]等基于PLC控制茶葉自動(dòng)化理?xiàng)l機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對(duì)理?xiàng)l溫度、振動(dòng)頻率及理?xiàng)l重量等參數(shù)的采集和設(shè)定，改善了理?xiàng)l設(shè)備的自動(dòng)化水平，提高了理?xiàng)l效率，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度；王小勇等[40]為了得到茶葉理?xiàng)l的最佳工藝，以六安綠茶為例采用正交實(shí)驗(yàn)，研究投葉量、理?xiàng)l時(shí)間、理?xiàng)l溫度與茶葉品質(zhì)的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，得出當(dāng)投葉量為1 kg、理?xiàng)l時(shí)間為5 min、理?xiàng)l溫度為93 ℃時(shí)，茶葉的成條率最高為96.10%，茶葉的感官評(píng)審為94.1；傅杰等[41]通過對(duì)茶葉理?xiàng)l工藝、溫度控制等因素的研究，設(shè)計(jì)了一種基于模糊算法、模糊PID控制技術(shù)及單片機(jī)的茶葉理?xiàng)l機(jī)雙模糊控制系統(tǒng)，由該系統(tǒng)控制的理?xiàng)l機(jī)組能夠?qū)⒉枞~理?xiàng)l的溫度偏差控制在小于1 ℃范圍內(nèi)，避免了人為因素影響的同時(shí)，有效解決了茶葉在理?xiàng)l過程中出現(xiàn)焦味、顏色變黃等問題。付磊[42]針對(duì)茶葉加工過程中溫度穩(wěn)定性差、響應(yīng)慢等問題，提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID溫度控制系統(tǒng)，結(jié)果表明：與常規(guī)控制系統(tǒng)相比，基于BP-PID的溫度控制系統(tǒng)超調(diào)量小14.3%，響應(yīng)速度快60.3%，茶葉加工溫度的控制精度達(dá)到±2%，滿足茶葉加工工藝要求。

3 存在問題

當(dāng)前，茶葉理?xiàng)l技術(shù)及茶葉理?xiàng)l機(jī)雖然發(fā)展迅速，取得了一些成果，一些新的技術(shù)和方法應(yīng)用在茶葉理?xiàng)l機(jī)加工生產(chǎn)中，但仍然存在一定的不足。

1) 茶葉理?xiàng)l機(jī)在結(jié)構(gòu)和加熱方式上創(chuàng)新性不足。目前，雖然不少研究人員對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如采用偏心式、擺動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，盡量減少對(duì)茶葉品質(zhì)的影響，但是大部分理?xiàng)l機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍采用曲柄連桿，該機(jī)構(gòu)參數(shù)不可調(diào)且會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪音，不僅會(huì)影響茶葉的理?xiàng)l品質(zhì)，還對(duì)茶葉加工人員造成巨大的工作壓力；其次，U型鍋槽是茶葉理?xiàng)l機(jī)的關(guān)鍵部件，如何掌握其結(jié)構(gòu)參數(shù)與茶葉理?xiàng)l品質(zhì)的關(guān)系是設(shè)計(jì)出高效合理鍋槽的關(guān)鍵。同時(shí)，對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)U型鍋槽的理論研究不足。大多數(shù)茶葉理?xiàng)l機(jī)采用的是以電加熱管為加熱熱源，加熱管普遍放置在鍋槽底部，不隨鍋槽往復(fù)移動(dòng)，鍋槽散熱大、受熱不均，茶葉理?xiàng)l品質(zhì)不穩(wěn)定。

2) 茶葉理?xiàng)l機(jī)連續(xù)化作業(yè)不足、智能化水平低。不少研究人員在投葉量、理?xiàng)l溫度和理?xiàng)l時(shí)間等參數(shù)及控制方法進(jìn)行了優(yōu)化，得到最佳理?xiàng)l參數(shù)，但茶葉理?xiàng)l時(shí)茶青從投料到出料仍然由人工來完成，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)，同時(shí)，由于在理?xiàng)l機(jī)制造過程中缺少模塊化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致理?xiàng)l機(jī)針對(duì)不同類別的茶葉加工會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)性差的問題，也會(huì)影響茶葉加工的連續(xù)性。另外，茶葉理?xiàng)l時(shí)長、茶葉含水率等的判斷，還是依賴工人目視茶葉即經(jīng)驗(yàn)判斷，茶葉理?xiàng)l機(jī)智能化水平有待提高。

3) 茶葉理?xiàng)l加工及標(biāo)準(zhǔn)化滯后。目前茶葉加工工藝及理?xiàng)l機(jī)械沒有統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)廠家不注重生產(chǎn)線的各環(huán)節(jié)設(shè)備的整體配合，農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝配合度差直接影響茶葉加工的品質(zhì)；同時(shí)，國內(nèi)茶葉理?xiàng)l機(jī)多為小型農(nóng)業(yè)機(jī)械制造公司生產(chǎn)，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)和規(guī)范化管理，茶葉理?xiàng)l機(jī)所用生產(chǎn)設(shè)備及零件在通用性和標(biāo)準(zhǔn)化亟待統(tǒng)一。

4 發(fā)展趨勢

茶葉理?xiàng)l機(jī)在針形茶的加工工序中發(fā)揮著重要作用，新型智能化茶葉理?xiàng)l機(jī)的研究與推廣是實(shí)現(xiàn)我國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑，針對(duì)茶葉理?xiàng)l技術(shù)及機(jī)械，未來發(fā)展呈以下幾個(gè)發(fā)展趨勢。

1) 理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新型加熱材料采用。針對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性不足，應(yīng)積極借鑒和吸收國外先進(jìn)的制造技術(shù)，同時(shí)加大投入，加強(qiáng)茶葉理?xiàng)l機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)的研發(fā)力度，將EDEM離散元分析技術(shù)應(yīng)用在茶葉理?xiàng)l機(jī)上，利用EDEM軟件分析茶葉在理?xiàng)l機(jī)鍋槽中的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布情況，掌握茶葉的物理特性參數(shù)和鍋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，為理?xiàng)l機(jī)鍋槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)加熱方式提供依據(jù)，進(jìn)一步提高茶葉理?xiàng)l機(jī)的理?xiàng)l質(zhì)量和能量利用率；針對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)工作過程中散熱大、熱效率利用率低，在加熱熱源上選擇新型材料作為加熱管材，合理選擇加熱管材的布置方式，同時(shí)茶葉理?xiàng)l機(jī)U型鍋槽選擇熱傳導(dǎo)好、熱吸收率高的材料，提高熱量利用率和轉(zhuǎn)化率。

2) 加強(qiáng)連續(xù)化、智能化理?xiàng)l機(jī)的研發(fā)。未來的理?xiàng)l機(jī)發(fā)展應(yīng)以連續(xù)化作業(yè)為目標(biāo)，研發(fā)茶葉從投料、理?xiàng)l、出料的連續(xù)化理?xiàng)l設(shè)備，實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同投葉量，理?xiàng)l機(jī)就能匹配出合理的理?xiàng)l時(shí)間和理?xiàng)l溫度，加強(qiáng)理?xiàng)l機(jī)模塊化結(jié)構(gòu)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化理?xiàng)l作業(yè)機(jī)組，進(jìn)一步提升作業(yè)效率；同時(shí)，深度開發(fā)數(shù)學(xué)算法語言，融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將其運(yùn)用到理?xiàng)l過程中，實(shí)現(xiàn)投葉量、理?xiàng)l時(shí)間、理?xiàng)l溫度的多元控制；加強(qiáng)智能傳感技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)茶葉含水率﹑理?xiàng)l溫度的在線監(jiān)測與反饋，全面提升茶葉理?xiàng)l品質(zhì)。

3) 加強(qiáng)茶葉加工工藝、理?xiàng)l機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化及茶葉加工大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)。理?xiàng)l機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)滯后已經(jīng)影響到茶葉理?xiàng)l品質(zhì)，因此，理?xiàng)l機(jī)械未來的發(fā)展中要解決加工標(biāo)準(zhǔn)及理?xiàng)l設(shè)備一致性問題，將茶葉理?xiàng)l加工、各環(huán)節(jié)設(shè)備數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，各茶葉理?xiàng)l機(jī)械生產(chǎn)廠家、茶葉生產(chǎn)廠家等運(yùn)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)茶葉理?xiàng)l機(jī)械等設(shè)備參數(shù)與茶葉加工企業(yè)數(shù)據(jù)信息共享，建立統(tǒng)一的茶葉加工技術(shù)、茶葉機(jī)械設(shè)備的大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

5 結(jié)論

近年來，我國茶葉理?xiàng)l技術(shù)及機(jī)械的發(fā)展進(jìn)步明顯，基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化理?xiàng)l，大力促進(jìn)了我國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但茶葉理?xiàng)l機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性不足，理?xiàng)l過程中振動(dòng)大、噪音大、理?xiàng)l效率低等問題依然需要解決，相關(guān)部門應(yīng)該引起重視，加大茶葉理?xiàng)l機(jī)的研發(fā)力度、加強(qiáng)茶葉相關(guān)方面人才的儲(chǔ)備、加強(qiáng)理論研究，實(shí)現(xiàn)茶葉理?xiàng)l機(jī)的智能化發(fā)展。