淺談茶葉初制加工機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

張 順，吳華希，王小勇

（1.安徽亳州新能源學(xué)校，安徽 利辛 236700；2.江西婺源茶業(yè)職業(yè)學(xué)院，江西 上饒 333200）

0 引言

茶發(fā)源于中國(guó)，早在幾千年前中國(guó)人便發(fā)現(xiàn)并使用了茶，目前，茶葉已成為居家飲用、商務(wù)接待等常備飲品。隨著人們生活品質(zhì)的提升以及國(guó)家政策的大力支持，各類茶葉的銷量增速可觀，茶葉出口量逐年增加，茶葉種植范圍也逐漸增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年，我國(guó)茶園總面積達(dá)316.51 萬(wàn)hm2，同比增加9.99 萬(wàn)hm2。茶葉種植面積連續(xù)幾年居于世界首位，茶葉產(chǎn)量占世界產(chǎn)量近一半。我國(guó)茶葉種植主要在云南、四川、福建、湖北、浙江、貴州、湖南和安徽等省份，近年來(lái)農(nóng)村人口老齡化越來(lái)越嚴(yán)重，發(fā)展茶葉加工機(jī)械具有重要意義，不僅可以提高茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量，還能促進(jìn)茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 茶葉初加工機(jī)械化研究現(xiàn)狀

1.1 茶葉殺青機(jī)

綠茶的制作大都包含了殺青、揉捻、理?xiàng)l和干燥等步驟，茶葉殺青是制作綠茶的第1 步，也是獲得高品質(zhì)茶葉的關(guān)鍵步驟。茶葉殺青是經(jīng)過(guò)高溫破壞和鈍化新鮮茶葉中氧化酶的活性，蒸發(fā)葉片中的水分，抑制茶多酚等物質(zhì)的氧化。殺青過(guò)程中對(duì)溫度及殺青時(shí)間要求比較嚴(yán)苛，恰當(dāng)?shù)臏囟纫约皻⑶鄷r(shí)間可以獲得優(yōu)質(zhì)的顏色、香氣、味道。

曹成茂等通過(guò)對(duì)茶葉的加工工藝研究，提出基于模糊控制的茶葉殺青機(jī)控制方案，實(shí)現(xiàn)了智能化控制茶葉機(jī)械。通過(guò)模糊 PID 控制，精準(zhǔn)控制殺青溫度，提升殺青機(jī)的智能化程度[1]，如圖1 所示。羅杰等依照機(jī)內(nèi)流場(chǎng)確定殺青機(jī)相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析，優(yōu)化了多孔熱風(fēng)管滾筒殺青機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)提升后機(jī)器既能保證茶葉的殺青品質(zhì)，又能夠保證產(chǎn)能[2]。詹星星等研發(fā)出了一款運(yùn)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的殺青機(jī)，通過(guò)ANSYS分析各項(xiàng)參數(shù)最終驗(yàn)證，比普通電熱機(jī)器大大減少了初始加熱時(shí)間，降低了能源消耗，茶葉殺青更加快速均衡，溫度把控更加精確[3]。胡文文等采用了模糊PID控制方式，通過(guò) Matlab/Simu-Link仿真及硬軟件搭建、程序調(diào)試，在現(xiàn)有熱輻射式茶葉殺青機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了熱輻射式茶葉殺青機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)[4]。

圖1 茶葉滾筒殺青機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

虞文俊等編制了一套利用紅外進(jìn)行殺青的控制系統(tǒng)。其采用Labview、Arduino 分別為上、下位機(jī)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析控制紅外發(fā)生裝置的打開和關(guān)閉，以及風(fēng)扇系統(tǒng)和滾筒系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向和速度。既可以控制滾筒里面的溫濕度，也能防止出現(xiàn)茶葉被燒焦或者出現(xiàn)變黃的狀況[5]，如圖2 所示。潘玉成將傳統(tǒng) PID 控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，并通過(guò)Matlab 軟件仿真與試驗(yàn)，該系統(tǒng)擁有非常好的抵抗外界干擾的能力，溫度浮動(dòng)范圍小，可以滿足殺青機(jī)對(duì)溫控的需求，保證了茶葉殺青質(zhì)量[6]。裴剛等采用試驗(yàn)方法運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)以及模糊 PID 和 PWM溫濕度閉環(huán)控制系統(tǒng)研究了殺青過(guò)程中溫濕度跟茶葉燒焦及悶黃的關(guān)系，通過(guò)精準(zhǔn)控制殺青的溫濕度可以有效避免茶葉燒焦和悶黃[7]。梁海燾等利用數(shù)字模型的建立將傳統(tǒng) PID 控制與殺青機(jī)溫控系統(tǒng)相結(jié)合，在Matlab 中進(jìn)行試驗(yàn)仿真比對(duì)，SOA-PID 能夠快速地讓溫度保持恒定，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，降低外界干擾[8]。

圖2 茶葉紅外殺青機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 茶葉理?xiàng)l機(jī)

茶葉如果想擁有好的外形，在加工過(guò)程中需要進(jìn)行理?xiàng)l，理?xiàng)l工序?qū)Σ枞~成型和提升品質(zhì)有很重要的作用。理?xiàng)l機(jī)在茶葉加工中使用的非常多，加之我國(guó)綠茶的種植面積大，因此茶葉理?xiàng)l機(jī)在綠茶生產(chǎn)企業(yè)中需求也很大。

胡中祥等研發(fā)設(shè)計(jì)一款全自動(dòng)殺青理?xiàng)l機(jī)。通過(guò)對(duì)自動(dòng)化殺青理?xiàng)l機(jī)的測(cè)試，殺青理?xiàng)l效果非常穩(wěn)定可靠，節(jié)省成本同時(shí)大大提高了生產(chǎn)率[9]，如圖3 所示。周文等通過(guò)對(duì)茶葉的主要物理特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)有的茶葉加工機(jī)械，設(shè)計(jì)出連續(xù)化理?xiàng)l壓扁機(jī)的總體方案，該裝置由控制系統(tǒng)部分、理?xiàng)l機(jī)部分、小車部分和加壓機(jī)部分四大模塊組成，解決了生產(chǎn)效率低、工藝復(fù)雜、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題[10]。王小勇通過(guò)模糊算法對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)的溫度控制進(jìn)行研究，該系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，超調(diào)量低，同時(shí)結(jié)合蟻群算法對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為理?xiàng)l機(jī)減小振動(dòng)、提高成條率提供理論參考[11]。鄧雪等通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型，選擇對(duì)象參數(shù)，利用 ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)加熱裝置分布間距、材質(zhì)以及在加熱裝置外側(cè)噴涂涂層，最后成功獲得了溫度均勻的紅外加熱板，在茶葉理?xiàng)l過(guò)程中可以有效避免因?yàn)槭軣岵灰恢鲁霈F(xiàn)變色或燒焦現(xiàn)象[12]。

圖3 殺青理?xiàng)l機(jī)主視圖

1.3 茶葉揉捻機(jī)

揉捻是機(jī)械制茶中關(guān)鍵的一步，茶葉殺青后經(jīng)過(guò)揉捻可以成條，破壞茶葉中的細(xì)胞。當(dāng)今，國(guó)內(nèi)使用的揉捻機(jī)多是單機(jī)器運(yùn)作，型號(hào)從25 到65 型，生產(chǎn)投入的勞動(dòng)力多，且效率低下，運(yùn)作成本高。經(jīng)過(guò)近幾年的設(shè)計(jì)研發(fā)，少部分機(jī)型的揉捻機(jī)可以依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求達(dá)到組合式生產(chǎn)，但主要用于中高端茶葉生產(chǎn)加工。瞿廷怡等對(duì)揉捻機(jī)中的操控部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)機(jī)器進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，減輕了支臂的質(zhì)量，避免因長(zhǎng)時(shí)間操作容易使人手臂產(chǎn)生疲憊不適的問(wèn)題。同時(shí)選擇電動(dòng)機(jī)取代手柄，可以滿足實(shí)際工作的需求，并達(dá)到自動(dòng)化操作[13]。陳世輝等利用有限元分析軟件分析凹傾角與外揉盤最大應(yīng)力之間的關(guān)系，得到外揉盤最大應(yīng)力隨凹傾角變化的趨勢(shì)。當(dāng)凹傾角在 5°附近時(shí)，茶葉揉捻裝置的揉捻特性較好，可對(duì)進(jìn)一步提高茶葉揉捻作業(yè)水平提供了借鑒[14]。梁娟等研究茶葉揉捻機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用單片機(jī) STC89C52 作為控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) 6CR-55 型茶葉揉捻機(jī)的工作壓力檢測(cè)、揉捻時(shí)間控制、步進(jìn)電機(jī)控制，運(yùn)用 KEIL uVision4編程工具進(jìn)行軟件的開發(fā)并使用Proteus 軟件進(jìn)行硬件的仿真調(diào)試，采用C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)的液晶顯示，以及步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制和茶葉揉捻時(shí)間控制等功能[15]。楊碩林等針對(duì)茶葉揉捻時(shí)揉捻盤空間利用率低、作業(yè)效率無(wú)法適應(yīng)生產(chǎn)需求問(wèn)題，從茶葉揉捻裝置各項(xiàng)需求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的揉捻裝置功能集合拆分成暫時(shí)獨(dú)立功能單元：筒式機(jī)體設(shè)計(jì)、擠壓攪拌傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、雙向蓮花盤式揉捻執(zhí)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再通過(guò)集成性設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)各功能單元之間的接口技術(shù)，優(yōu)化出大容量、高效率茶葉揉捻裝置整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)殺青茶葉的高速、高效成型[16]。徐文娟等從揉捻機(jī)自動(dòng)控制方面入手進(jìn)行機(jī)器升級(jí)改進(jìn)，在茶葉送料稱重系統(tǒng)、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終達(dá)到揉捻機(jī)自動(dòng)化的要求，解決了茶葉揉捻時(shí)需要過(guò)多的人工操作、數(shù)據(jù)無(wú)法檢測(cè)、生產(chǎn)出的茶葉質(zhì)量不能控制等問(wèn)題[17]。李兵等以6CR-40 型茶葉揉捻機(jī)為例，用三維軟件建立模型，如圖4 所示，運(yùn)用仿真分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的模擬分析，并通過(guò)試驗(yàn)求解出最好的技術(shù)參數(shù)，解決了揉捻工序中質(zhì)量不穩(wěn)定的難題[18]。

圖4 茶葉揉捻機(jī)三維模型

1.4 雙鍋曲毫炒干機(jī)

球形茶葉在炒制過(guò)程中，茶葉在鍋體內(nèi)炒板的作用下進(jìn)行翻炒，茶葉炒干失水過(guò)程中不斷卷曲，最后炒制成球形顆粒狀。王倩等依照雙鍋曲毫炒干機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)要求以及制茶工藝要求，對(duì)機(jī)器的重要部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用自上而下式的參數(shù)化設(shè)計(jì)建立了機(jī)器的三維模型，進(jìn)而細(xì)化設(shè)計(jì)，確認(rèn)了每個(gè)零部件的尺寸，然后根據(jù)三維模型進(jìn)行逆向裝配以及檢驗(yàn)各零部件有無(wú)干涉情況，同時(shí)運(yùn)用有限元分析對(duì)重要機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析比較，以解決實(shí)際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位，提出方案加以優(yōu)化設(shè)計(jì)[19]，如圖5 所示。李兵通過(guò)對(duì)雙鍋曲毫機(jī)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以其最小傳動(dòng)角最大化為目標(biāo)函數(shù)，建立了雙鍋曲毫機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用 Matlab 編制了基于蟻群算法的雙鍋曲毫機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，并運(yùn)用此程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算及驗(yàn)證試驗(yàn)[20]。李為寧基于離散元法建立茶葉顆粒的顆粒模型和接觸力學(xué)模型。將上述模型導(dǎo)入EDEM 軟件中，并對(duì)炒板關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)擺幅及擺速進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了珠茶顆粒在成形過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)曲線[21]。

圖5 雙鍋曲毫炒干機(jī)裝配圖

1.5 茶葉烘干機(jī)

茶葉烘干是初加工最后一道工序，讓茶葉在溫度的作用下進(jìn)一步散失水分，茶葉的內(nèi)含物質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)變化，香氣進(jìn)一步散發(fā)，便于茶葉貯藏與運(yùn)輸。

林大煜等以6CHZ-7 型箱體式茶葉烘干機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種管殼式換熱器，將管殼式換熱器和目前使用范圍最廣的箱體式茶葉烘干機(jī)結(jié)合起來(lái)，使茶葉烘干機(jī)達(dá)到節(jié)能的效果。針對(duì)現(xiàn)有的換熱器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于 Labview的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)換熱器冷熱流體進(jìn)出口溫度的監(jiān)測(cè)來(lái)確定換熱器的效率[22]。吳澤球等研究了運(yùn)用管殼式熱交換器回收余熱排放，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了安裝這種裝置的烘干機(jī)具有更高的熱效率，節(jié)能降耗，可創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益[23]。吳曉強(qiáng)等開發(fā)了模糊PID 恒溫控制系統(tǒng)，并利用軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，結(jié)果顯示該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)茶葉烘干時(shí)溫度恒定[24]。蔣建江等以節(jié)能環(huán)保為方向設(shè)計(jì)了使用生物質(zhì)顆粒為燃料的燃燒機(jī)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了熱風(fēng)爐，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與烘干機(jī)搭配工作既提高了燃燒效率又節(jié)能環(huán)保[25]。李兵等研究出一款動(dòng)態(tài)矩陣控制茶葉烘干機(jī)，保證了茶葉烘干的準(zhǔn)確度，烘干的溫度調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)，抗干擾能力大大提升[26]，如圖6 所示。徐文娟等以 DCS 為基礎(chǔ)研發(fā)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)烘干過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)烘干過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)茶葉生產(chǎn)的品質(zhì)把控有重要意義[27]。

圖6 茶葉烘干機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 存在的問(wèn)題及解決途徑

雖然我國(guó)目前茶葉產(chǎn)量不斷加大，但是茶葉初加工機(jī)械的相關(guān)研究仍處于較為落后的階段。我國(guó)茶葉品種較多，不同區(qū)域不同種類茶葉加工工藝不同，對(duì)加工設(shè)備的要求也不一樣，尤其是針對(duì)名優(yōu)茶的特殊加工工藝，突破機(jī)械化操作的瓶頸任重道遠(yuǎn)。伴隨云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等高科技的發(fā)展，初加工技術(shù)的智能化、定向化調(diào)控欠缺，缺乏標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題將逐步得到解決。為更好實(shí)現(xiàn)茶葉初制機(jī)械發(fā)展，筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 完善茶葉初加工機(jī)械的技術(shù)研發(fā)

要注重茶葉初加工過(guò)程的機(jī)理性研究，結(jié)合力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析茶葉品質(zhì)形成的關(guān)鍵，為設(shè)備的提升與改進(jìn)打好基礎(chǔ)；加強(qiáng)各種茶葉初加工過(guò)程的數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)一加工標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化；注重加工工藝與機(jī)械的融合研究，在微觀層面上采用檢測(cè)技術(shù)保證茶葉質(zhì)量安全。在茶葉初加工的設(shè)備研發(fā)上加大力度，尤其是卡脖子的特殊工藝，既滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，又要滿足茶葉加工的要求。

2.2 茶葉初加工裝備智能化發(fā)展

《中國(guó)茶產(chǎn)業(yè)十四五發(fā)展規(guī)劃建議（2021-2025）》中提出我國(guó)茶葉關(guān)鍵加工裝備標(biāo)準(zhǔn)化與自動(dòng)化程度低，智能化欠缺，發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)化發(fā)展，通過(guò)智能化發(fā)展不僅可以提高茶葉初加工的作業(yè)質(zhì)量，為精加工做好準(zhǔn)備；還能夠解決目前茶葉加工過(guò)程中的勞動(dòng)力短缺問(wèn)題。在茶葉加工設(shè)備上融合人工智能、機(jī)器視覺(jué)等先進(jìn)技術(shù)，不僅可提高茶葉初加工過(guò)程的效率與質(zhì)量，還可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的綠色、清潔、環(huán)保。

2.3 加大基礎(chǔ)設(shè)施投入，制定標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械加工工藝

在茶葉的生產(chǎn)源頭上加大投入，例如在茶園的病蟲害防治、灌溉、除草等方面加大投入，在茶園的管理上制定標(biāo)準(zhǔn)化方案，促進(jìn)茶葉的采摘以及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)操作；根據(jù)安全化、清潔化、機(jī)械化、智能化的標(biāo)準(zhǔn)，制定茶葉初加工工藝流程標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)名優(yōu)茶加工機(jī)械發(fā)展；針對(duì)名優(yōu)茶特殊加工工藝，加大專用機(jī)械設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)制定，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提升與產(chǎn)能升級(jí)。針對(duì)不同區(qū)域茶園結(jié)構(gòu)以及不同茶葉加工工藝，研發(fā)出具有易于推廣與使用的茶葉機(jī)械，在采摘設(shè)備上針對(duì)不同茶葉的采摘標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)不同的采摘機(jī)械手，促進(jìn)采摘標(biāo)準(zhǔn)化。

3 結(jié)語(yǔ)

1）茶葉初制機(jī)械對(duì)茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要作用，茶葉初加工設(shè)備的發(fā)展方向應(yīng)該要結(jié)合智能化、自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科融合發(fā)展，注重初加工過(guò)程的機(jī)理性研究，從而提升茶葉初加工機(jī)械的性能與加工質(zhì)量。

2）國(guó)內(nèi)關(guān)于茶葉初制機(jī)械的研究主要停留在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、溫度控制，而對(duì)設(shè)備的振動(dòng)、設(shè)備的可靠性以及效率研究較少。