多层输送带箱式茶叶闷黄机的研制

2022-11-15李伏桃

茶叶通讯 2022年2期

李伏桃，许超

岳阳市农业综合技术推广站，湖南岳阳 414000

闷黄是黄茶加工特有的工序，也是影响黄茶品质的关键环节[1]，对黄茶独特的黄汤、黄叶及醇厚鲜爽滋味品质的形成至关重要[2]。目前，茶叶闷黄以传统闷黄方式为主，但品质易受手工技艺的影响，同时存在人工成本高、温度较难控制、批量生产受限等问题[3]。由于黄茶属于小众茶，一直以来有关闷黄工序机械化、自动化的研究较少[4-5]，茶机企业也没有生产销售专门的闷黄机械。随着消费者对茶产品多元化的需求，近年来黄茶产销量均有所提升[6]，特别是黄茶主产区看准商机，大力发展黄茶生产，部分茶企利用红茶发酵机、恒温箱等设备进行闷黄加工，但闷黄效果不佳。岳阳市农业综合技术推广站从2017年开始岳阳黄茶闷黄机械化的研究，提出了茶叶闷黄“机械化、智能化”方案，2018年成功研制出我国第一台茶叶闷黄专用设备——6CMJ-80D/120型茶叶闷黄机。在大量生产试验的基础上，2021年研发出多层输送带箱式茶叶闷黄机，创新设计内置多层输送带结构闷黄室并优化设计闷黄控制程序，旨在为黄茶闷黄机械化提供技术支撑。

1 机械设计

1.1 机械结构设计原理

黄茶闷黄机设计主要是基于黄茶闷黄原理与工艺要求，通过给含有较高水分的茶叶加温并自动控制闷黄的温度、湿度、时间和翻堆次数，通过湿热作用快速促进茶叶的化学变化，形成黄茶品质特征[7-8]。根据黄茶闷黄原理与突出机械闷黄的特点，多层输送带箱式闷黄机设计由内置多层输送带结构的闷黄箱体、温湿控制系统、机架底座、自动控制系统等四大部分组成。多层输送带结构起摊叶、承载、输送茶叶的作用，茶叶从上层转移至下层时即完成了一次翻堆。在茶叶从进茶口转移至出茶口的过程中，温湿控制系统供给温度适宜的热空气快速提升茶叶温度并达到恒温闷黄，除湿功能及时带走茶叶表面多余水分。多层输送带结构的动力通过安装在机架底座上的电动机提供，经电机变频调速、减速机、链轮传动机将电动机的速度降到闷黄时输送网带所需的速度。由传感器在线检测+视频监控+编程控制+执行机构组成自动控制系统，实现茶叶闷黄在线控制。主要结构如图1所示。

图1 多层输送带箱式茶叶闷黄机结构原理图Figure 1 Structural principle diagram of multi-layer conveyor belt box type tea stuffy yellowing machine

1.2 主要结构优化设计

1.2.1 箱体设计

目前，相关研究机构少有从事闷黄设备的研究，市场上也没有茶叶闷黄设备在售。6CMJ-80D/120型茶叶闷黄机的闷黄箱室为一圆形长筒体，在圆形筒体轴心线上安装翻堆和供热气两用空心轴，然而，正是因为这种结构，如要加大茶叶闷黄生产率，需加大筒体直径或加长筒体长度，而这种方案主要是翻堆臂和轴增量受限不可满足生产需求；另可多台闷黄机并联运行，但这个方案成本太高茶企不能接受。此外，这种结构还有一个缺点就是翻堆臂对茶叶产生挤压和揉搓，会造成一定的损伤。本试验参照茶叶微波杀青干燥机的网带输送结构和茶叶烘干机多层落茶结构，设计出内置多层输送带结构的闷黄箱体作为闷黄室[9]。闷黄箱体由多层输送带结构、机架箱体、箱体保温层、送风管、左右挡茶板等构成。整体结构如图2所示。

图2 闷黄箱体图Figure 2 Diagram of stuffy yellowing box

多层输送带结构的层数f，根据翻堆次数n确定，f=n+1。多层输送带结构由f层结构相同的单层输送带结构组成，每个单层输送带结构由单层输送带、刷茶轮、匀茶器及其电机减速机组成。

单层输送带由网布、主从动输送链轮轴、轴承座、输送链条和网布固定方管构成。考虑到网布需承重、耐温和环保等因素，选择由单丝直径φ1 mm、材质为聚四氟乙烯丝制成的1 mm×1 mm网格布。考虑到生产效率高、网布承载重的情况，最终采用双输送链条+方管固定网布与链条下方再用托板的方案，最大限度减少网布张力和整个输送带结构。其结构如图3所示。

图3 单层输送带机构图Figure 3 Structure of ingle layer conveyor belt

匀茶器位于输送网带上方，用于均匀铺放茶叶，由轴、轴承、匀茶辐构成，结构如图4所示。图4中的匀茶辐用于多叶型茶，如用于芽型茶改为304材质的板式为宜。选取翻转电机功率0.37 kW，转速 n 为 1450 r/min。根据工作时匀茶器转速要求，选取翻转减速机传动比i，查表选择配套减速机型号。

图4 匀茶器图Figure 4 Tea tile homogenizer

刷茶轮位于输送带下方，用于刷下沾附在输送网带上的茶叶，由轴、轴承、链轮、毛刷组成，用链条与输送轮轴连接并提供动力。结构如图5所示。

图5 刷茶轮图FFigure 5 Tea brushing wheel

机架箱体的架构用普通A3方管焊成，机架两侧靠端的位置焊接厚度 6 ～ 10 mm A3 钢板，用于固定输送带轴、刷茶轮轴、匀茶器轴及其动力电机等；设计箱面的结构时，为便于维修检查，两侧做成可开门式样；箱体两端透视门用10 ～ 12 mm的透明有机玻璃板制作，以方便观察闷黄情况。

箱体保温层采用单层铝膜+保温材料+粘胶结构，贴合在箱面，主要起到隔热保温作用。保温材料采用环保材料，耐温120℃。

送风管采用304钢材质，均匀分布在输送带下方，连成整体固定在机架上，主要用于输送和均匀散布从温湿度控制系统过来的气体。

左右挡茶板采用304钢材质，位于输送带的上方，板下有软质硅胶板与输送网带接触，用于防止茶叶从输送带两侧散落。

当茶叶从进料口进入，茶叶以适当厚度h均匀摊铺在输送网带上；设计一定长度l和宽度w的输送带获得适当大小的堆茶面积s，满足生产量m的要求；采用控制输送带速度v和总长度f l的方法来获得所需的闷黄时间t；根据堆茶量、链条单面长度l、网带速度v和网带双链条结构，计算链条拉力和张力。查询链条和链轮标准，确定链条型号和链轮直径d。输送网带速度v据公式v=nl/t计算得到，链轮轴转速n据公式n=v/πd计算得到。生产量（堆茶量）据m= flwhρ计算得到。闷黄箱体的尺寸由上述基本参数通过相关计算得到。

茶叶从上一层转移到下一层时，在自重的作用及拔茶轮、刷茶轮转动下转移，实现翻堆。在闷黄箱体最上层输送带始端设置进茶口、最下层输送带末端设置出茶口分别与输送机连接，其他设备配套组装成生产线。设计在茶叶进出口安装封闭门，当需要进出茶时，封闭门开启方便进出茶，其余时段关闭，以保证相对密封的闷黄室。

1.2.2 温湿度控制系统设计

温湿度控制系统由闷黄箱体、加热箱、加热箱鼓风机、除湿风机、管道、内外循环转换器、送风管等构成一个相对封闭的系统，所以，设计和装配时要求各部件连接紧密，无泄漏，系统内部风道畅通无阻碍；温湿度控制系统所有部件除闷黄箱内的送风管外都需外加保温防护，使用与箱体同质材料。结构如图6所示。

图6 温湿度控制系统图Figure 6 Temperature and humidity control system

加热箱内置带翅片散热的1 kW电热管，箱体采用304钢材质τ3 mm板制作，两端设置进出风口。

加热箱的加热功率p的确定：根据公式p=（闷黄原料升温加热功率p1+闷黄箱体散热损耗功率p2+进出料口散热损耗功率p3）/η热进行计算；式中：η热为电热箱热效率系数，取η热为0.9。分别根据公式p=cmΔT/t进行计算得闷黄原料升温加热功率p1，式中：c为比热容，水的比热容为4.2×10³J/kg℃，干茶比热容约为1.6×10³J/kg℃；m为质量，茶叶干物质量为0.45 ρvtwh，含水质量为0.55 ρvtwh；ΔT为温升，设闷黄时间t min，茶叶从起始温度T1达到设定温度T2，茶叶的平均温升ΔT为（T2-T1）/2℃；根据公式p=0.5K1F1（T1-T2）计算得闷黄箱体散热损耗功率p2，式中：K1保温层传热系数，聚氨酯保温材料导热系数为0.024 W/mK；F1为保温层表面积，根据公式p=HAΔT计算得进出料口散热损耗功率p3，式中：H为换热系数，取空气自然对流H=20W/(m2K)；A进出料口与外界空气气体交换面积。

考虑到加热箱的热效率和除湿效果，选择除湿风机和加热箱鼓风机采用离心风机，其功率和口径的大小根据加热功率查表确定，加热箱电热管为带翅片散热，功率为1 kW。

管道采用304钢材质、壁厚1.5 mm管材制作，口径的大小与风机配套。内外循环转换器采用304钢材质τ2 mm板材制作。送风管采用304钢材质、壁厚1 mm管制作，不同层级的送风口采用不同送风孔径，以保证闷黄腔体内温湿度均匀。

预热升温功率的校验：根据闷黄工艺，闷黄前需对闷黄箱体进行预热。根据热力学计算公式p = HAΔT分别计算闷黄箱体内的空气、各传动件和热风管和箱体从起始温度升到设定值，所需升温加热功率之和小于加热功率即满足预热要求。

除湿损耗功率的校验：闷黄机进行除湿作业时，不仅是抽走闷黄室内水分，还抽走了热量。根据公式p=m空×C空×（T1-T2）/t计算除湿损耗功率小于加热功率即满足除湿要求。

温湿度控制系统主要功能是产生热空气给茶叶加温闷黄，多层输送带网带摊茶方案能够让热空气更加均匀地与茶叶表面充分接触，茶叶升温更加均匀一致。当茶叶送达闷黄箱体内，与箱体内热空气进行热交换，茶叶温度快速上升达到设定温度值时加热箱停止加热；由于进料、出料、闷黄机机体的散热损失等原因导致闷黄箱体内温度下降低于设定温度值时，加热箱加热升温。闷黄室内的湿度主要利用茶叶本身含有较高水分，由于叶内水分子溢出叶表的原因，至闷黄室内湿度增加，达到设定湿度值前系统处于保温保湿的内循环运行模式，很好地模仿了传统手工闷黄的环境；而当湿度超过闷黄工艺要求最高值（或室壁“出汗”）时，闷黄机开启除湿功能。如此往复，至闷黄完成。

1.2.3 机架底座设计

机架底座由机架、变频调速电动机、动力传动机构组成。结构如图7所示。

图7 机架底座与传动系统Figure 7 The frame base and transmission system

机架用方管焊成，起到支撑闷黄箱体和固定电动机、减速传动机构的作用。

设计以实际生产为原则，考虑到机器调试以及实际情况，需设定最短出料时间和最长闷黄时间两个极限值，设计方案根据输送网带速度调整要求选择电动机为三相4极变频调速电动机，电动机转速n为1450 r/min；动力传动通过一级变频减速、二级摆线针轮减速机减速及三级链轮减速共三级减速。查设计手册，链传动的传动比≤6，据公式i=n总/n链计算摆线针轮减速机减速比，查表选取减速比。

由已知参数，根据扭矩计算公式，T=Fl/i链η链，计算出减速机输出扭矩T。由已知参数，根据扭矩计算公式P=vT/9550，计算出电动机功率。根据计算结果，查表选择摆线针轮减速机和电动机型号。

1.2.4 自动控系统设计

自动控系统由温度传感器、湿度传感器、控制电气+plc程序、液晶触摸屏、摄像头、显示器、电缆、各功能用电器组成。温湿度传感器安装在闷黄箱体适当位置，以准确测量茶叶所处的温湿度环境。控制电气+plc程序、液晶触摸屏、显示器安装在控制柜内，由电缆与各功能用电器连接。由传感器感知进茶信息，通过传感器测定温湿度数据与人工设置温度、湿度、闷黄时间等参数进行比较和摄像监测实现在线控制。PLC程序的编制符合闷黄工艺和实际操控要求，选取温度控制精度≤2℃，湿度控制精度≤8.0%RH。电气控制原理图如图8所示。

图8 电气控制原理图Figure 8 Schematic diagram of electrical control

1.3 总机功率 p 的计算

总机功率p等于各项计算功率之和。

2 设计案例和闷黄验证

2.1 设计案例

依照上述多层输送带式箱式茶叶闷黄机结构原理与设计要求，设计出DXMHJ-443型多层输送带式箱式茶叶闷黄机，主要技术参数如表1所示，其装配图如图9所示。

表1 多层输送带箱式茶叶闷黄机主要技术参数表Table 1 The main technical parameters of multi-layer conveyor belt box type tea stuffy yellowing machine

图9 多层输送带箱式茶叶闷黄机装配图Figure 9 The assembly drawing of multi-layer conveyor belt box type tea stuffy yellowing machine

2.2 闷黄试验验证

按照黄茶闷黄加工工艺流程，采用初次闷黄与复闷黄结合的二次闷黄加工工艺，选用表2所示机具配套组成流水线生产。

表2 黄茶机械加工工艺与配套机具Table 2 Yellow tea machining process and supporting machines and tools

按机械闷黄工艺流程：闷黄参数设置（初闷参数设置、复闷参数设置）→闷黄室预热→茶叶杀青或揉捻或初烘后进入闷黄机→自动闷黄→出茶，进行试验。

选择初闷时，茶叶杀青至含水率55% ～60%，闷黄温度 50℃ ～ 60℃，相对湿度 80% ～90%，闷黄时间 0.5 ～ 3 h；复闷时，茶叶初烘至含水率 30% ～ 40%，闷黄温度 40℃ ～ 50℃，相对湿度 70% ～ 80%，闷黄时间 2 ～ 6 h。具体根据茶叶老嫩程度、含水率、升温和失水速率等情况确定。

试验结果表明：茶叶闷黄均匀一致性达99%，损伤率≤1%，三黄特征明显，滋味醇厚鲜爽，香气明显提升；与传统手工比较，缩短了一半以上的闷黄时间，极大地提高生产效率，节约了人工成本；通过在进出茶口加装输送机，与其他设备组装成生产线，可实现了黄茶加工全程机械化。