梁舉凱

（湖北宜昌五峰土家族自治縣職業(yè)教育中心，湖北 宜昌 443413）

我國(guó)茶文化歷史悠久，茶葉加工技術(shù)成熟。但傳統(tǒng)的采摘和加工并不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，仍然需要人工完成?？v觀國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展，我國(guó)的茶葉機(jī)械研究和推廣相比于其他茶葉大國(guó)一直處于落后地位。然而，近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和不斷地對(duì)外交流，我國(guó)在茶葉加工機(jī)理、技術(shù)以及應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，到上世紀(jì)70年代，我國(guó)的茶葉加工已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化[1]。但截至目前，茶葉機(jī)械仍存在自動(dòng)化、智能化程度低的問(wèn)題。如何提高揉捻工藝的自動(dòng)化和智能化程度是制茶過(guò)程中亟待解決的重要問(wèn)題[2]。傳統(tǒng)的揉捻機(jī)在揉捻茶葉的過(guò)程中，存在人工操作的不確定性大、施加壓力恒定等問(wèn)題。人工對(duì)茶葉施加壓力和控制揉捻的時(shí)間沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，存在對(duì)茶葉揉捻的壓力偏大或者偏小，揉捻的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)過(guò)短等問(wèn)題[3]。由此導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的茶葉形成的條索松扁或松緊不均勻，泡出來(lái)的茶湯渾濁，香氣和滋味不明顯。再者，人工在長(zhǎng)時(shí)間操作揉捻機(jī)時(shí)，也存在一定的安全隱患和誤差。投葉量控制不均，致使揉捻時(shí)茶葉間揉擠壓力或大或小，細(xì)胞破損或完全或不完全，導(dǎo)致茶葉揉捻不均勻、細(xì)胞破碎不一致，造成條索松扁或松緊不均勻，茶湯滋味稍淡或帶悶黃味[4]。揉捻壓力的控制是制茶揉捻效果的決定性因素，因此，結(jié)合目前揉捻機(jī)現(xiàn)有的技術(shù)，筆者針對(duì)傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)的加壓技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足不同茶葉對(duì)揉捻工藝的不同需求，并提升茶葉揉捻效率與質(zhì)量。

1 揉捻機(jī)的結(jié)構(gòu)及加壓方式

1.1 傳統(tǒng)揉捻機(jī)

傳統(tǒng)的茶葉揉捻機(jī)的結(jié)構(gòu)，它由揉盤(pán)、機(jī)架、揉桶和加壓裝置等多個(gè)部件組成[5]。其中，揉桶是安裝在機(jī)架上的，用來(lái)存放需要揉捻的茶葉。當(dāng)揉桶內(nèi)的茶葉數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，曲臂會(huì)帶動(dòng)揉桶移動(dòng)到揉盤(pán)上。在揉桶上部的加壓蓋上安裝有加壓裝置，加壓裝置對(duì)加壓蓋施加向上或向下的力就能控制加壓蓋上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而能夠在揉捻的過(guò)程中對(duì)揉桶內(nèi)茶葉釋放或增加壓力。在加壓裝置中，滑柱通常是一根中空的鋼管，其中一端朝向加壓蓋，并設(shè)有一個(gè)垂直的槽口。絲桿位于滑柱的中心，底部連接著一個(gè)手輪。當(dāng)手輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲桿也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，加壓臂上的螺母也會(huì)上下移動(dòng)，從而推動(dòng)加壓蓋的上下運(yùn)動(dòng)。為了提高工作效率、減輕人力負(fù)擔(dān)，一些茶葉揉捻機(jī)會(huì)使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)取代傳統(tǒng)的手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲桿[6]。為了限制加壓臂的運(yùn)動(dòng)上下限，也會(huì)在滑桿的頂部與底部分別安裝控制行程的行程開(kāi)關(guān)[7]。揉捻機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)絲桿加壓式揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 柔性加壓技術(shù)揉捻機(jī)

針對(duì)傳統(tǒng)揉捻機(jī)行程加壓方式的工藝缺陷，采用氣動(dòng)加壓替代傳統(tǒng)機(jī)械加壓方式，實(shí)現(xiàn)壓蓋行程可依據(jù)揉桶內(nèi)揉捻葉的實(shí)際承壓狀況而自動(dòng)調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)柔性加壓。利用氣壓高靈敏響應(yīng)原理，通過(guò)數(shù)顯壓力開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)揉捻葉對(duì)壓蓋產(chǎn)生的作用力引起氣缸氣室內(nèi)的壓力變化，根據(jù)設(shè)定壓力實(shí)時(shí)控制換向閥實(shí)時(shí)切換氣路或泄壓，保證壓蓋在一定壓力范圍下產(chǎn)生上下浮動(dòng)，使壓蓋始終貼緊茶葉表面，而又過(guò)于壓緊、壓死，從而保持揉捻葉實(shí)際承受壓力的穩(wěn)定性。柔性加壓技術(shù)茶葉揉捻機(jī)整機(jī)由氣缸、揉捻機(jī)機(jī)架、控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 柔性加壓技術(shù)茶葉揉捻機(jī)設(shè)計(jì)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)使用操作說(shuō)明

用戶在參數(shù)設(shè)置界面需要設(shè)定的變量是壓力、時(shí)間、揉桶轉(zhuǎn)速這三個(gè)常規(guī)變量[8]。隨著科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的工控變量設(shè)置系統(tǒng)正逐漸被智能化技術(shù)所取代。這些智能化系統(tǒng)不僅提供了簡(jiǎn)單的操作功能，還通過(guò)直觀的圖標(biāo)和文字使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地調(diào)整變量。這種方式使得即使是對(duì)電腦操作不熟悉的用戶也能輕松掌握系統(tǒng)的使用。揉捻機(jī)控制面板如圖3所示。

圖3 揉捻機(jī)控制面板

通過(guò)PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)各類茶葉的制造過(guò)程。首先，根據(jù)特大葉、大葉、中葉和小葉等特點(diǎn)，篩選出適宜的茶葉；接著，根據(jù)茶葉的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的制作工藝，并進(jìn)行揉捻實(shí)驗(yàn)；最終，根據(jù)實(shí)際情況記錄每一款茶葉實(shí)現(xiàn)最佳的揉捻效果的技術(shù)參數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投放最佳投葉量、實(shí)施最優(yōu)壓力控制、最佳揉捻時(shí)間、最適宜揉桶轉(zhuǎn)速等，使茶葉達(dá)到最佳揉捻效果。智能揉捻參數(shù)設(shè)置方式如圖4所示。

2.2 柔性加壓技術(shù)控制流程

柔性加壓揉捻機(jī)主要由人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、速率控制系統(tǒng)、稱茶下料系統(tǒng)、氣動(dòng)壓力控制系統(tǒng)和PLC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。PLC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與氣動(dòng)壓力控制系統(tǒng)相結(jié)合，測(cè)力傳感器檢測(cè)揉捻壓力，通過(guò)三個(gè)磁環(huán)反應(yīng)開(kāi)關(guān)，根據(jù)茶葉數(shù)量調(diào)節(jié)壓蓋的位置，實(shí)現(xiàn)輕揉、中揉和重揉等不同壓力程度的功能；并通過(guò)變頻器來(lái)有效調(diào)整揉捻速率，有效提高了揉捻效率，使茶葉條索緊結(jié)勻稱，保證了茶葉的揉捻質(zhì)量的一致性。

PLC控制系統(tǒng)可以有效地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，使得茶葉揉捏捻的操控更加精確。此外，PLC還能夠檢查和調(diào)整壓力，包括平穩(wěn)彈簧、步進(jìn)電機(jī)和電阻應(yīng)變式測(cè)量裝置等。通過(guò)使用PLC控制系統(tǒng)，我們可以通過(guò)測(cè)力傳感器監(jiān)控茶葉揉捏的壓力。將上述信息進(jìn)行比較，并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制壓蓋來(lái)進(jìn)一步控制揉捏的壓力。最后，電壓信號(hào)將被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并在計(jì)算機(jī)上顯示。整個(gè)調(diào)試流程詳可以參考圖5。

圖5 智能控制過(guò)程示意圖

柔性加壓技術(shù)揉捻機(jī)揉捻過(guò)程如下：

a.進(jìn)料后，揉捻桶蓋復(fù)位，設(shè)置揉捻參數(shù)，開(kāi)始揉捻工序；

b.壓力控制系統(tǒng)工作，壓力控制系統(tǒng)對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行第一次輕柔壓力參數(shù)輸入，第一次輕揉20min，壓力為0.00Mpa，通過(guò)測(cè)力傳感器檢測(cè)到揉捻壓力，并將反饋信號(hào)發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，由步進(jìn)電機(jī)和壓蓋對(duì)揉捻壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)；

c.在進(jìn)行首次輕柔操作后，壓力控制系統(tǒng)將通過(guò)PLC控制系統(tǒng)輸入第一次重揉的壓力參數(shù)，并持續(xù)進(jìn)行10min的重揉。同時(shí)，將壓力設(shè)定為0.01MPa。隨著壓力的增加，測(cè)力傳感器將揉捻壓力的反饋信息傳遞給PLC。最終，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和壓蓋實(shí)現(xiàn)對(duì)揉捻壓力的精確控制。

d.在第一次揉捻后，壓力控制系統(tǒng)將通過(guò)PLC控制系統(tǒng)輸入第二次輕柔的壓力參數(shù)，并在10min內(nèi)將壓力調(diào)整至0.02MPa，以達(dá)到最佳的揉捻效果。測(cè)力傳感器將反饋壓力信息給PLC，并由步進(jìn)電機(jī)和壓蓋進(jìn)行精確控制；

e.經(jīng)過(guò)第二次輕揉后，壓力控制系統(tǒng)對(duì)PLC控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了第二次調(diào)整。第二次重揉的時(shí)間為15min，壓力設(shè)定為0.03MPa，并在中間放松3分鐘，以便通過(guò)測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)揉捻壓力，并由步進(jìn)電機(jī)和壓蓋進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)；

f.第二次重揉后，壓力控制系統(tǒng)對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行第三次輕柔壓力參數(shù)輸入，第三次輕揉15min，壓力為0.00Mpa，通過(guò)測(cè)力傳感器檢測(cè)出揉捻壓力反饋給PLC控制系統(tǒng)，由步進(jìn)電機(jī)和壓蓋對(duì)揉捻壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)；

g.第三次輕揉后，查看茶葉是否達(dá)到要求，若未達(dá)到要求則進(jìn)行更改揉捻時(shí)間，重復(fù)上述步驟，直到揉捻完畢后，揉捻后的茶葉含水率為58～62%，葉形成卷曲狀，細(xì)胞破碎率在45%～60%，茶葉粘附葉面，有茶汁溢出，成條率90%以上。

h.上述操作過(guò)程結(jié)束后，卸料口開(kāi)啟，將茶葉倒出，流入下一工序或者預(yù)先設(shè)置好的裝料斗內(nèi)。

3 茶葉揉捻對(duì)比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)在環(huán)境溫度為25℃±3℃，空氣濕度不超過(guò)85%RH的條件下進(jìn)行。試驗(yàn)原料應(yīng)為三級(jí)或更高級(jí)別的鮮葉，并且其含水量應(yīng)在58%～62%之間。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們將采用多點(diǎn)（至少8點(diǎn)）隨機(jī)抽樣法或?qū)蔷€四分法進(jìn)行樣品選取，并按照《GB 5009.3》的規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

儀器有電子天平、恒溫電烘箱和感官審評(píng)器具，設(shè)備有傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)（如圖6所示）、本設(shè)計(jì)樣機(jī)—柔性加壓技術(shù)茶葉揉捻機(jī)（如圖7所示）。

圖6 傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)

圖7 揉捻加壓技術(shù)茶葉揉捻機(jī)

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用紅茶工藝，同一批鮮葉經(jīng)萎凋后，采用傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)揉捻及柔性加壓技術(shù)揉捻機(jī)揉捻后、經(jīng)發(fā)酵后進(jìn)行烘干[10]。對(duì)照分析2種不同揉捻機(jī)在紅茶生產(chǎn)加工過(guò)程中的性能參數(shù)指標(biāo)對(duì)比及毛茶感官品質(zhì)對(duì)比。

3.4 加壓參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比

揉捻可以通過(guò)增加壓力來(lái)提高茶葉的形狀，使葉片沿著主脈曲折并且更容易形成緊密的條狀[11]。茶葉揉捻一般開(kāi)始輕揉或者不施加壓力的揉捻，先利用摩擦力使葉片能順著主脈曲卷，然后慢慢適當(dāng)?shù)耐ㄟ^(guò)揉蓋增加壓力，使茶條索緊結(jié)、擠壓出茶汁，最后減小壓力揉捻，利用摩擦力使揉捻成團(tuán)的葉團(tuán)松散，表面的茶汁能夠往回滲入，防止流失[12]。如果在茶葉一開(kāi)始進(jìn)入揉桶中就施加較重的壓力，往往會(huì)出現(xiàn)葉片上下分層，難以在揉桶內(nèi)自由翻轉(zhuǎn)，常常導(dǎo)致茶葉破損率偏高、茶汁過(guò)多流失，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)還會(huì)導(dǎo)致茶葉的碎茶率升高[13]。不同揉捻機(jī)加壓測(cè)試如圖8所示。

圖8 不同揉捻機(jī)加壓參數(shù)對(duì)比

3.5 揉捻機(jī)參數(shù)對(duì)比

通過(guò)柔性加壓技術(shù)揉捻機(jī)與傳統(tǒng)揉捻機(jī)試驗(yàn)研究，對(duì)小時(shí)生產(chǎn)率、成條率、碎茶率、細(xì)胞破壞率、跑茶率等性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比[14]。其中在小時(shí)生產(chǎn)率方面，兩臺(tái)揉捻機(jī)的生產(chǎn)效率差距不大。在成條率方面，柔性加壓技術(shù)揉捻機(jī)比傳統(tǒng)揉捻機(jī)的成形效率高，在碎茶率及細(xì)胞破壞率上，柔性加壓揉捻機(jī)的揉捻效果比傳統(tǒng)揉捻機(jī)效果較好，在跑茶率方面，柔性加壓技術(shù)揉捻及與傳統(tǒng)揉捻機(jī)相差不大。對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 不同揉捻機(jī)性能參數(shù)

3.6 感官審評(píng)

根據(jù)GB/T23776和GB/T14487的標(biāo)準(zhǔn)，我們將每種茶樣分別取出5g，將茶水的比例調(diào)整為1:50，并在5分鐘內(nèi)進(jìn)行沖泡。然后使用評(píng)價(jià)和分?jǐn)?shù)的綜合考核，最終總分為100分，主要包括外觀、清香、風(fēng)味、湯色和葉底等五個(gè)部分。通過(guò)加權(quán)的方式來(lái)確定最終的分?jǐn)?shù)。以夏茶、秋季黃旦一芽二、三葉的鮮葉為原料，在萎凋葉萎凋程度、發(fā)酵與干燥條件及設(shè)備一致、按傳統(tǒng)揉捻機(jī)型與本設(shè)計(jì)機(jī)型按紅茶加工工藝成產(chǎn)品[15]，感官審評(píng)結(jié)果（見(jiàn)表2），使用本設(shè)計(jì)加工的夏茶和秋茶感官評(píng)審得分均高于傳統(tǒng)揉捻機(jī)。

表2 不同揉捻機(jī)對(duì)紅茶感官品質(zhì)的影響

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種由人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、速率控制系統(tǒng)、稱茶下料系統(tǒng)、氣動(dòng)壓力控制系統(tǒng)和PLC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成的可實(shí)現(xiàn)柔性加壓的茶葉揉捻機(jī)。通過(guò)茶葉揉捻試驗(yàn)對(duì)比，相比較傳統(tǒng)的茶葉揉捻機(jī)茶葉破損率隨著投葉量的增加茶葉破損率隨之增加，最高可達(dá)34.4%，本文設(shè)計(jì)的柔性加壓茶葉揉捻機(jī)在不同的投葉量下可有效將茶葉破損率穩(wěn)定維持在10%左右；同時(shí)茶葉的成條率也從90.4%提升到96.2%，碎茶率從3.8%降低到1.6%；在感官評(píng)審上，經(jīng)過(guò)柔性加壓揉捻機(jī)加工夏秋兩季茶的得分均高于傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)。

經(jīng)過(guò)深入的研究，我們已經(jīng)建立了一個(gè)完整的茶葉揉捻參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便準(zhǔn)確識(shí)別各個(gè)茶葉品種的揉捻方法。除此之外，我們還采用了一些先進(jìn)技術(shù)，如氣動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)的壓蓋、磁環(huán)感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的多級(jí)調(diào)節(jié)等，同時(shí)還開(kāi)發(fā)出了一套完備的揉捻工藝智能控制系統(tǒng)，這些都大大提升了揉捻機(jī)的智能化與自動(dòng)化程度，為茶農(nóng)們提供了更優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)設(shè)施。隨著社會(huì)不斷發(fā)展，從傳統(tǒng)的手工制造到先進(jìn)的全程無(wú)人制造，從傳統(tǒng)的手工制造到先進(jìn)的數(shù)字制造，這一過(guò)程不僅極大地推動(dòng)了茶葉的生產(chǎn)，也為茶葉的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和茶農(nóng)的財(cái)務(wù)狀況帶來(lái)了巨大的好處。通過(guò)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，我們可以為農(nóng)民帶來(lái)更多的收入和福祉，同時(shí)促進(jìn)農(nóng)業(yè)的繁榮和發(fā)展。