浅谈茶叶初制加工机械发展现状及趋势

2022-03-11吴华希王小勇

现代农业装备 2022年1期

张顺，吴华希，王小勇

（1.安徽亳州新能源学校，安徽利辛 236700；2.江西婺源茶业职业学院，江西上饶 333200）

0 引言

茶发源于中国，早在几千年前中国人便发现并使用了茶，目前，茶叶已成为居家饮用、商务接待等常备饮品。随着人们生活品质的提升以及国家政策的大力支持，各类茶叶的销量增速可观，茶叶出口量逐年增加，茶叶种植范围也逐渐增大。据统计，截至2020 年，我国茶园总面积达316.51 万hm2，同比增加9.99 万hm2。茶叶种植面积连续几年居于世界首位，茶叶产量占世界产量近一半。我国茶叶种植主要在云南、四川、福建、湖北、浙江、贵州、湖南和安徽等省份，近年来农村人口老龄化越来越严重，发展茶叶加工机械具有重要意义，不仅可以提高茶叶产量和质量，还能促进茶产业发展。

1 茶叶初加工机械化研究现状

1.1 茶叶杀青机

绿茶的制作大都包含了杀青、揉捻、理条和干燥等步骤，茶叶杀青是制作绿茶的第1 步，也是获得高品质茶叶的关键步骤。茶叶杀青是经过高温破坏和钝化新鲜茶叶中氧化酶的活性，蒸发叶片中的水分，抑制茶多酚等物质的氧化。杀青过程中对温度及杀青时间要求比较严苛，恰当的温度以及杀青时间可以获得优质的颜色、香气、味道。

曹成茂等通过对茶叶的加工工艺研究，提出基于模糊控制的茶叶杀青机控制方案，实现了智能化控制茶叶机械。通过模糊 PID 控制，精准控制杀青温度，提升杀青机的智能化程度[1]，如图1 所示。罗杰等依照机内流场确定杀青机相关参数，然后进行仿真试验分析，优化了多孔热风管滚筒杀青机的结构和运动参数。经过改进提升后机器既能保证茶叶的杀青品质，又能够保证产能[2]。詹星星等研发出了一款运用电磁感应加热技术的杀青机，通过ANSYS分析各项参数最终验证，比普通电热机器大大减少了初始加热时间，降低了能源消耗，茶叶杀青更加快速均衡，温度把控更加精确[3]。胡文文等采用了模糊PID控制方式，通过 Matlab/Simu-Link仿真及硬软件搭建、程序调试，在现有热辐射式茶叶杀青机的基础上设计了热辐射式茶叶杀青机自动控制系统[4]。

图1 茶叶滚筒杀青机三维结构图

虞文俊等编制了一套利用红外进行杀青的控制系统。其采用Labview、Arduino 分别为上、下位机，然后通过数据处理分析控制红外发生装置的打开和关闭，以及风扇系统和滚筒系统的转向和速度。既可以控制滚筒里面的温湿度，也能防止出现茶叶被烧焦或者出现变黄的状况[5]，如图2 所示。潘玉成将传统 PID 控制与模糊控制、神经网络相结合，并通过Matlab 软件仿真与试验，该系统拥有非常好的抵抗外界干扰的能力，温度浮动范围小，可以满足杀青机对温控的需求，保证了茶叶杀青质量[6]。裴刚等采用试验方法运用单片机技术以及模糊 PID 和 PWM温湿度闭环控制系统研究了杀青过程中温湿度跟茶叶烧焦及闷黄的关系，通过精准控制杀青的温湿度可以有效避免茶叶烧焦和闷黄[7]。梁海焘等利用数字模型的建立将传统 PID 控制与杀青机温控系统相结合，在Matlab 中进行试验仿真比对，SOA-PID 能够快速地让温度保持恒定，减少调节时间，降低外界干扰[8]。

图2 茶叶红外杀青机总体结构图

1.2 茶叶理条机

茶叶如果想拥有好的外形，在加工过程中需要进行理条，理条工序对茶叶成型和提升品质有很重要的作用。理条机在茶叶加工中使用的非常多，加之我国绿茶的种植面积大，因此茶叶理条机在绿茶生产企业中需求也很大。

胡中祥等研发设计一款全自动杀青理条机。通过对自动化杀青理条机的测试，杀青理条效果非常稳定可靠，节省成本同时大大提高了生产率[9]，如图3 所示。周文等通过对茶叶的主要物理特性参数进行试验，根据现有的茶叶加工机械，设计出连续化理条压扁机的总体方案，该装置由控制系统部分、理条机部分、小车部分和加压机部分四大模块组成，解决了生产效率低、工艺复杂、成本高、质量不稳定等问题[10]。王小勇通过模糊算法对茶叶理条机的温度控制进行研究，该系统响应时间快，超调量低，同时结合蚁群算法对茶叶理条机的曲柄滑块机构进行优化，为理条机减小振动、提高成条率提供理论参考[11]。邓雪等通过建立数据模型，选择对象参数，利用 ANSYS Workbench 软件进行分析以及优化设计，通过加热装置分布间距、材质以及在加热装置外侧喷涂涂层，最后成功获得了温度均匀的红外加热板，在茶叶理条过程中可以有效避免因为受热不一致出现变色或烧焦现象[12]。

图3 杀青理条机主视图

1.3 茶叶揉捻机

揉捻是机械制茶中关键的一步，茶叶杀青后经过揉捻可以成条，破坏茶叶中的细胞。当今，国内使用的揉捻机多是单机器运作，型号从25 到65 型，生产投入的劳动力多，且效率低下，运作成本高。经过近几年的设计研发，少部分机型的揉捻机可以依据实际生产需求达到组合式生产，但主要用于中高端茶叶生产加工。瞿廷怡等对揉捻机中的操控部分进行优化改进，对机器进行轻量化设计，减轻了支臂的质量，避免因长时间操作容易使人手臂产生疲惫不适的问题。同时选择电动机取代手柄，可以满足实际工作的需求，并达到自动化操作[13]。陈世辉等利用有限元分析软件分析凹倾角与外揉盘最大应力之间的关系，得到外揉盘最大应力随凹倾角变化的趋势。当凹倾角在 5°附近时，茶叶揉捻装置的揉捻特性较好，可对进一步提高茶叶揉捻作业水平提供了借鉴[14]。梁娟等研究茶叶揉捻机的自动控制系统，采用单片机 STC89C52 作为控制器来实现 6CR-55 型茶叶揉捻机的工作压力检测、揉捻时间控制、步进电机控制，运用 KEIL uVision4编程工具进行软件的开发并使用Proteus 软件进行硬件的仿真调试，采用C 语言编程实现，最终实现压力检测的液晶显示，以及步进电机系统控制和茶叶揉捻时间控制等功能[15]。杨硕林等针对茶叶揉捻时揉捻盘空间利用率低、作业效率无法适应生产需求问题，从茶叶揉捻装置各项需求出发进行设计，将复杂的揉捻装置功能集合拆分成暂时独立功能单元：筒式机体设计、挤压搅拌传动结构设计、双向莲花盘式揉捻执行结构设计，再通过集成性设计思路，设计各功能单元之间的接口技术，优化出大容量、高效率茶叶揉捻装置整体结构，实现杀青茶叶的高速、高效成型[16]。徐文娟等从揉捻机自动控制方面入手进行机器升级改进，在茶叶送料称重系统、压力监测系统进行改进设计，最终达到揉捻机自动化的要求，解决了茶叶揉捻时需要过多的人工操作、数据无法检测、生产出的茶叶质量不能控制等问题[17]。李兵等以6CR-40 型茶叶揉捻机为例，用三维软件建立模型，如图4 所示，运用仿真分析软件进行数据的模拟分析，并通过试验求解出最好的技术参数，解决了揉捻工序中质量不稳定的难题[18]。

图4 茶叶揉捻机三维模型

1.4 双锅曲毫炒干机

球形茶叶在炒制过程中，茶叶在锅体内炒板的作用下进行翻炒，茶叶炒干失水过程中不断卷曲，最后炒制成球形颗粒状。王倩等依照双锅曲毫炒干机的研发设计要求以及制茶工艺要求，对机器的重要部件进行了优化设计，采用自上而下式的参数化设计建立了机器的三维模型，进而细化设计，确认了每个零部件的尺寸，然后根据三维模型进行逆向装配以及检验各零部件有无干涉情况，同时运用有限元分析对重要机构进行分析比较，以解决实际生产中容易出现问题的部位，提出方案加以优化设计[19]，如图5 所示。李兵通过对双锅曲毫机的曲柄摇杆机构的关键参数进行了优化设计，以其最小传动角最大化为目标函数，建立了双锅曲毫机的优化设计数学模型，运用 Matlab 编制了基于蚁群算法的双锅曲毫机优化设计程序，并运用此程序进行优化计算及验证试验[20]。李为宁基于离散元法建立茶叶颗粒的颗粒模型和接触力学模型。将上述模型导入EDEM 软件中，并对炒板关键运动学参数摆幅及摆速进行了仿真计算，得到了珠茶颗粒在成形过程中的运动学及动力学曲线[21]。

图5 双锅曲毫炒干机装配图

1.5 茶叶烘干机

茶叶烘干是初加工最后一道工序，让茶叶在温度的作用下进一步散失水分，茶叶的内含物质进一步发生化学变化，香气进一步散发，便于茶叶贮藏与运输。

林大煜等以6CHZ-7 型箱体式茶叶烘干机为对象，设计了一种管壳式换热器，将管壳式换热器和目前使用范围最广的箱体式茶叶烘干机结合起来，使茶叶烘干机达到节能的效果。针对现有的换热器监测系统存在的缺点，设计了基于 Labview的在线监测系统，通过对换热器冷热流体进出口温度的监测来确定换热器的效率[22]。吴泽球等研究了运用管壳式热交换器回收余热排放，并通过试验验证了安装这种装置的烘干机具有更高的热效率，节能降耗，可创造更好的经济效益[23]。吴晓强等开发了模糊PID 恒温控制系统，并利用软件对该系统进行模拟仿真试验，结果显示该系统实现茶叶烘干时温度恒定[24]。蒋建江等以节能环保为方向设计了使用生物质颗粒为燃料的燃烧机，优化设计了热风炉，通过实验证明生物质颗粒燃烧机与烘干机搭配工作既提高了燃烧效率又节能环保[25]。李兵等研究出一款动态矩阵控制茶叶烘干机，保证了茶叶烘干的准确度，烘干的温度调节更加精准，抗干扰能力大大提升[26]，如图6 所示。徐文娟等以 DCS 为基础研发了一套监测系统用于监测烘干过程，通过试验，该系统运行平稳可靠，能够实时地对烘干过程进行数据监测，对茶叶生产的品质把控有重要意义[27]。

图6 茶叶烘干机结构图

2 存在的问题及解决途径

虽然我国目前茶叶产量不断加大，但是茶叶初加工机械的相关研究仍处于较为落后的阶段。我国茶叶品种较多，不同区域不同种类茶叶加工工艺不同，对加工设备的要求也不一样，尤其是针对名优茶的特殊加工工艺，突破机械化操作的瓶颈任重道远。伴随云计算、大数据等高科技的发展，初加工技术的智能化、定向化调控欠缺，缺乏标准等问题将逐步得到解决。为更好实现茶叶初制机械发展，笔者认为可以从以下几个方面进行改进。

2.1 完善茶叶初加工机械的技术研发

要注重茶叶初加工过程的机理性研究，结合力学与运动学分析茶叶品质形成的关键，为设备的提升与改进打好基础；加强各种茶叶初加工过程的数据采集，统一加工标准，实现机械制造标准化与产品质量标准化；注重加工工艺与机械的融合研究，在微观层面上采用检测技术保证茶叶质量安全。在茶叶初加工的设备研发上加大力度，尤其是卡脖子的特殊工艺，既满足机械设计的要求，又要满足茶叶加工的要求。

2.2 茶叶初加工装备智能化发展

《中国茶产业十四五发展规划建议（2021-2025）》中提出我国茶叶关键加工装备标准化与自动化程度低，智能化欠缺，发达国家的农业机械已经实现智能化自动化发展，通过智能化发展不仅可以提高茶叶初加工的作业质量，为精加工做好准备；还能够解决目前茶叶加工过程中的劳动力短缺问题。在茶叶加工设备上融合人工智能、机器视觉等先进技术，不仅可提高茶叶初加工过程的效率与质量，还可实现生产加工的绿色、清洁、环保。

2.3 加大基础设施投入，制定标准化机械加工工艺

在茶叶的生产源头上加大投入，例如在茶园的病虫害防治、灌溉、除草等方面加大投入，在茶园的管理上制定标准化方案，促进茶叶的采摘以及后续标准操作；根据安全化、清洁化、机械化、智能化的标准，制定茶叶初加工工艺流程标准，促进名优茶加工机械发展；针对名优茶特殊加工工艺，加大专用机械设备的标准制定，实现生产效率提升与产能升级。针对不同区域茶园结构以及不同茶叶加工工艺，研发出具有易于推广与使用的茶叶机械，在采摘设备上针对不同茶叶的采摘标准设计不同的采摘机械手，促进采摘标准化。