针形名茶理条机的防焦优化设计＊

游青山 ， 曾 卓 ， 张 莹

（1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；2.工业机器人与矿山智能装备系统应用重庆市高校工程中心，重庆 402260；3.重庆市农业科学院茶叶研究所，重庆 402160；4.重庆云岭茶业科技有限责任公司，重庆 402160）

0 引言

针形名茶的制备分为杀青、揉捻、做形、干燥等工序。理条工艺主要是针形绿茶做形，即已经通过两次揉捻的茶叶在一定的温度环境中通过均匀受热，抖散开来，使每颗茶叶独立不抱团；继续持续加热，边抖散边翻炒并达到揉搓成条的效果。成型的基础是理条，做形的最终结果是茶叶外形紧直，形似松针。随着工艺设备的自动化、智能化，现代茶叶的做形都由专业的理条机完成。

多槽形锅式理条机是广泛使用的一种理条机机型，由电动机、调速装置、加热装置、温度调节与控制装置、槽锅及锅台、曲柄连杆机构和机架等部件构成[1]。做形时，电机带动曲柄连杆机构驱动曲线槽锅的锅台做平面往复运动，茶叶在锅内加热的同时沿着锅内壁运动，被摩擦、挤压和滚动成条状，茶叶在锅内受重力、挤压力、热力等作用，进一步散失水分，逐渐干燥理直、初步定形。多槽形锅式理条机的结构如图1所示。

图1 多槽形锅式理条机结构示意图

1 设计背景

传统多槽形锅式理条机存在以下问题：

1）受热不均。理条加热装置分布不太合理，造成锅槽内的温度分布不均匀，进一步造成茶叶品质的不均匀，中间部分的温度高，四周或某个角落的温度很低，不利于统一和提高茶叶品质[2]。

2）茶叶焦边及粘锅。在理条机运行过程中，会产生很多茶叶灰尘和噪音污染，茶叶摊铺及受热不均导致的茶叶焦边及粘锅；人工手动频繁接触茶叶导致细菌滋生风险。

3）上料不便缺陷。理条机运行中人工上料并人工清除粘锅叶芽等劳动作业强度高、安全隐患大等，会对从业者的人身健康形成危害。

鉴于此，在基于已有多槽形锅式理条机的基础上，本课题小组设计了一款优化的针形名茶防焦理条机[3-6]。改进型理条机主要解决茶叶摊铺不均、上料后叶芽粘锅、茶叶焦边等影响茶叶成型品质，以及工人劳动作业强度高等问题。

2 系统设计

针形名茶防焦理条机基于已有传统理条机的基础上，优化了理条锅、增加了往复式翻炒装置等。往复式翻炒机构设置于两个固定安装台之上，并可跟随理条锅左右往复运动，以及通过移动机架组件前后运动将茶叶进行来回往复的翻炒，避免人工操作时出现的茶叶翻炒不均，进而引起茶叶个体焦边率高的问题，使得整体受热更加均匀，提升产品质量。针形名茶防焦理条机结构整体示意图如图2所示。

2.1 往复式翻炒装置

往复式翻炒装置包括翻炒移动模块、摆动跟随模块、翻炒机构模块等。其中，翻炒移动模块带动翻炒机构模块在理条锅内前后摆动，摆动跟随模块带动翻炒机构模块跟随理条锅进行往复运动。

2.1.1 翻炒移动模块

翻炒移动装置带动翻炒机构在理条锅内进行前后移动，模拟人工在理条锅内进行翻炒茶叶的动作。该装置主要包括安装机座、翻炒移动伺服电机、移动滑座、安装横梁等。

图2 针形名茶防焦理条机结构整体示意图

安装机座上设置有伺服电机，安装机座内部设置有用于驱动移动滑座往复运动的滚柱丝杠副，采用伺服电机带动滚柱丝杠副的机构，驱动安装横梁整体在安装机座上作前后运动。使得整体机构运行更加平稳，安装机座上设置有燕尾槽滑台，移动滑座设置有与燕尾槽滑台配合使用的燕尾槽，移动滑座上还设置有与滚柱丝杠副配合安装的安装支耳。翻炒移动装置的移动滑座结构如图3所示。

图3 移动滑座结构示意图

2.1.2 摆动跟随模块

理条机械运行过程中，由于曲柄连杆机构带动理条锅一直进行左右摆动理条。在左右往复运动过程中，加速度、速度的方向时刻都在改变，为了实现自动清扫装置始终与理条锅保持可靠及紧密接触，以及可能延长自动清扫装置的使用寿命，设计整个清扫装置能跟随理条锅同步运动。改良的理条锅两端焊接有两个U形刚体座，当理条锅左右往复运动时，刚体座拨动安装横梁7的支架限位滑块6，以此带动固定在支架限位滑块6上的转动推板5及翻炒刮板12跟随理条锅同步运动。

2.1.3 翻炒机构模块

翻炒机构模块包括安装横梁上的支架限位滑块、支架铰接的液压缸、翻炒刮板、转动推板以及支架上的定滑轮等。转动推板一端与液压缸铰接设置，另一端绕定滑轮进行转动。转动推板与定滑轮之间设置弹簧或者安装套筒，用于确保转动推板与定滑轮之间时刻处于接触的状态，液压缸的液压杆伸出时推动转动推板向前运动，转动推板端部绕着定滑轮转动，转动推板则与其运动的方向形成一定的夹角，进而整个机构向前推动；当机构反向运动时，液压杆缩回，转动推板随着改变方向，转动推板与其运动的方向形成一定的夹角，夹角的大小可以根据实际生产需求进行调节。

为了适应理条锅内多组圆弧形长沟槽结构，翻炒刮板下端安装多组茶叶翻炒片，茶叶翻炒片为与弧形沟槽适形配合的圆弧形结构，茶叶翻炒片与弧形沟槽一一对应设置。同时，茶叶翻炒片采用棕毛加工制成，每片茶叶翻炒片均由多条棕毛间隔布置而成，棕毛加工制成的翻炒片能够更好将茶叶进行来回的翻炒，间隔布置的方式避免其茶叶产生堆积现象，进而确保其翻炒质量。避免其茶叶数量过多而相互之间产生影响，使茶叶进行翻炒时能够更加均匀有序进行，从而使理条锅内各个位置的茶叶都得到均匀翻炒效果。茶叶翻炒片结构如图4所示。

图4 茶叶翻炒片结构示意图

2.2 控制软件

针形名茶防焦理条机是在已经进行改良的设计结构之上，加入嵌入式控制系统，使得理条机更加智能化，其主流程和往复式翻炒机构工作流程如图5、图6所示。

3 试验

茶叶做形不仅与理条设备有关，而且同茶叶投入量、理条时间、理条温度、茶叶含水量和理条方法等离不开。选用茶山竹海3月中旬的早白尖-5号作为样品，依据理条因素优化试验方法如表1所示。

图5 理条机主流程

图6 往复式翻炒机构工作流程

表1 优化理条试验

按照表1的试验方法，选用原有理条机以及改进型理条机，进行理条效果优化试验。经过8次理条对比试验，通过数据统计分析，实验效果对比如图7所示。通过图7可知，在茶叶样品的理条过程中效果如下：

1）原有型理条机理条的个体焦边率在2.0%～3.5%之间；优化型理条机理条的个体焦边率在0.5%以下；

2）原有型理条机理条的个体断碎率在3.2%～4.6%之间；优化型理条机理条的个体断碎率在0.6%以下；

3）原有型理条机理条时，工人需要对理条的茶叶手动翻炒，理条过程中人工参与度30%左右；优化型理条机理条时自动翻炒茶叶，工人工作时只需要适当监视管理，人工参与度在5%左右，从而降低了劳动强度，增加了操作安全系数。

4 结论

本针形名茶防焦理条机基于已有传统理条机的基础上，优化了理条锅，增加了往复式翻炒装置等。通过往复式翻炒装置的移动机架组件将茶叶进行来回往复的翻炒，避免人工操作时出现的茶叶翻炒不均进而引起茶叶个体焦边率高的问题，均能有效减少断碎率；减少工人的人工参与度，从而降低了劳动强度，增加了操作安全系数；同时结构简单，操作方便，利于推广。

图7 实验效果对比