綠茶是非發(fā)酵茶，較多地保留了鮮葉的天然物質，含有茶多酚、葉綠素、咖啡堿、氨基酸、維生素等多種營養(yǎng)成分，特別是多酚類化合物含量高，具有較好的保健功能。2019年中國綠茶產量達到177萬噸，占全國茶葉產量的63%。中國綠茶市場人均消費量也呈上升走勢，2018年人均消費量首次超過1 kg/人，達到1.03 kg/人，2019年達到1.05 kg/人。綠茶是中國茶葉中出口規(guī)模最大的茶類，2019年綠茶出口量占茶葉出口總量的83%。
綠茶機械化制作工藝一般經殺青、揉捻、做形、烘焙等工序，殺青、揉捻和烘焙一般可以由通用裝備來完成，但做形裝備則為專用裝備，對外形不同的綠茶應由不同的做形裝備完成。文章綜述了芽(條)形、片形、顆粒形等典型綠茶做形裝備研究現(xiàn)狀及存在的問題，并對綠茶做形裝備的發(fā)展趨勢進行了分析。
01
芽(針、條)形綠茶做形裝備研究
▲ 安吉白茶(條形綠茶)
茶葉理條機是芽(針、條)形綠茶做形關鍵設備，最早出現(xiàn)于安徽宣城地區(qū)，利用曲柄滑塊機構驅動U形槽鍋實現(xiàn)直線往復運動，具有結構簡單、使用穩(wěn)定、維護方便等優(yōu)點，深受我國茶農喜愛，在茶葉加工生產線中已廣泛應用。茶葉在往復運動的U形槽鍋中被拋起與槽鍋壁產生碰撞，在動摩擦、擠壓力的作用下使茶葉產生形變;在加熱裝置熱作用下茶葉葉片水分減少并軟化收縮，同時配合機械力的作用進行做形;加熱過程產生熱化學作用會引起茶葉內質成分的變化，有利于茶葉色、香、味等重要特征的形成，U形槽鍋作為理條機重要組成部件，其槽鍋形狀及設計參數(shù)直接影響到理條質量。
國內眾多專家學者對理條機關鍵結構參數(shù)及創(chuàng)新設計展開研究，程玉明等曾對理條機的槽鍋展開設計研究，U形槽寬加深為115 mm、U形槽深增加到100~110 mm、采用兩邊圓弧曲率半徑差為5 mm的不對稱結構、槽鍋底部增加三條導葉筋，以增強理條葉與鍋壁的撞擊力，加強筋對理條葉產生的搓擦效果，同時增強了茶葉的翻動特性和透氣性，提高理條做形質量;趙祖光對茶葉理條機往復運動的導軌進行改進，將雙圓柱形滑軌副改為一圓一平滑軌，通過對比試驗得出新設計的滑軌副可以提高機器壽命，在一定程度上提高了制茶品質。
茶葉理條機的驅動機構為曲柄滑塊機構，當設計的最小傳動角過小，會造成機構傳動卡滯、沖擊及振動現(xiàn)象，同時影響茶葉成形率。傳統(tǒng)的設計方法過程較繁，且一般較難獲得最大傳動角，安徽農業(yè)大學茶機課題組運用蟻群算法對茶葉理條機的關鍵結構參數(shù)進行了優(yōu)化設計，選取最小傳動角及成條率為目標函數(shù)，以理條機的關鍵結構參數(shù)為設計變量，根據(jù)茶葉理條機作業(yè)時具體結構要求為約束條件，建立了茶葉理條機多元非線性優(yōu)化設計數(shù)學模型，運用蟻群算法和Matlab語言，編制了基于蟻群算法的優(yōu)化設計求解程序，結果為，曲柄長度a為59.1 mm，連桿長度b為341.5 mm，偏心距e為57.5 mm，滑塊行程H為120 mm，輔助角β為8.26°，極位夾角θ為3.5°，最小傳動角γmin為70.1°。優(yōu)化后的最小傳動角由50°增大到70.1°，使傳動更加平穩(wěn)，振動減輕，噪音降低;槽鍋的卡滯現(xiàn)象消失，理條機的成條率也有所增加，理條機優(yōu)化前后的參數(shù)如表1所示。
曲柄滑塊機構屬非對稱結構，理條機作業(yè)時連桿的慣性力難以平衡，造成振動噪音較大。為了以最小的成本降低理條機的振動噪音，在不改變理條機傳動機構及主體結構的基礎上，安徽農業(yè)大學茶機課題組對理條機進行了減振方面的創(chuàng)新設計，傳統(tǒng)理條機存在單機不對稱，整機分為上下兩層，每層包括由各自的曲柄連桿機構組成的兩個相同的振動單元，每個振動單元的曲柄轉動中心和連桿在連接板的鉸接點位于同一水平線上，能夠保證四個連桿的任意時間的慣性力均對稱，以減小機器振動;為了平衡傳統(tǒng)理條機連桿產生的慣性力，設計了一種適用于茶葉連續(xù)化、清潔化生產線的具有低振動、低噪音的茶葉連續(xù)理條機，通過對稱布置的、形狀和重量相同的四個平衡重以平衡理條機的慣性力，可以對一階及二階慣性力進行有效平衡，提高了減振效果;以行星齒輪傳動機構取代曲柄滑塊機構，與后者相比，行星齒輪組具有良好的對稱性，創(chuàng)新機構具有更好的傳動平穩(wěn)性及較低的振動、噪音;張小福設計了一種理條機的氣動驅動裝置，利用氣動驅動振動、噪音較小的特點及易于電控的特點，以高速氣缸通過電磁閥換向驅動往復式茶葉理條機，以紅外線陶瓷發(fā)熱板為加熱元件，具有熱效率高，傳動平穩(wěn)的優(yōu)點。
隨著各種名優(yōu)茶生產線的建立，連續(xù)多級式理條機被廣泛引用。陳根生等根據(jù)芽形名優(yōu)綠茶品質要求及工藝需求，在理條環(huán)節(jié)采用三級連續(xù)理條機組，通過試驗研究確定了三個理條機組的振動頻率及理條溫度，成條率可達80%以上，茶葉加工生產線中的理條機組各單機原理與現(xiàn)有的理條機相似，但由于每一級理條機的槽鍋的傾角、U形槽寬度與槽深等均可依工藝要求確定而不相同，故每一級的理條時間、溫度等工藝參數(shù)都可最大限度適應該階段的茶葉加工工藝要求。
近年來浙江川崎茶業(yè)機械有限公司生產的60K-S系列精揉機、寧波姚江源機械有限公司的6CRJ系列精揉機等可用于恩施玉露、雨花茶、古丈毛尖、安化松針、信陽毛尖等針芽形名優(yōu)綠茶的做形工序。盤式揉捻機在進行揉捻作業(yè)時，對揉捻葉只有機械力的作用，并且揉捻過程系在封閉的揉桶內進行。而精揉機除了對茶葉有機械力的作用外，還有熱的作用，更有利于茶葉成形，并能減小破碎率。同時精揉機為開放式結構，透氣性好，能有效地控制茶葉水分，保證茶葉葉底嫩綠明亮，故加工出的成品茶，條索緊細圓直，鋒苗挺秀，香氣清高。
▲ 川崎精揉機在雨花茶中的應用
(南京盛峰茶業(yè)有限公司供圖)
02
片形綠茶做形裝備研究
▲ 龍井茶(片形綠茶)
長板式扁形茶炒制機是名優(yōu)扁形綠茶(龍井茶)做形的關鍵設備之一，于1999年研制成功，經改進和優(yōu)化后投入實際加工生產中。將計算機控制技術應用到扁形茶炒制機中，通過計算機系統(tǒng)將茶農生產經驗轉化為計算機語言，降低了對操作者的技術要求，提高了茶葉加工的科技水平。2000年左右，浙江新昌茶區(qū)開始應用長板式扁形茶炒制機進行龍井茶做形，因為該機在一定程度上具有磨光作用，能較好地適應龍井茶的做形工藝需求。隨著長板式扁形茶炒制機的推廣使用，扁形茶的炒制作業(yè)實現(xiàn)了機械化，并能與多功能電熱理條機配合使用，發(fā)揮各自性能優(yōu)點，提高成茶品質和工作效率。
隨著設計水平的不斷創(chuàng)新，長板式單鍋扁形茶炒制機自動化程度獲得顯著提高。機器在工作時，使用者可通過人機對話設置各加工參數(shù)，儲存在電腦內的數(shù)據(jù)直接對整個炒茶過程進行自動控制，無需人為干預，從而實現(xiàn)茶葉加工過程全程自動化;夏建仁等對龍井茶機械化加工工藝進行了研究，將全自動和半自動的兩臺長板式龍井茶炒制機組合進行扁茶做形，優(yōu)化了扁形茶機械加工工藝，提高了扁形茶做形品質。
由于茶葉需求日益提高，扁形茶單機加工機械雖能滿足龍井(扁形)茶做形要求，卻無法實現(xiàn)連續(xù)化生產，為滿足龍井(扁形)茶半連續(xù)化及連續(xù)化、智能化生產方式，國內眾多企業(yè)、高校開展研究并取得一定進展。為滿足上述需求，杭州千島湖豐凱實業(yè)有限公司進行了如表2所示的創(chuàng)新設計，即將3臺或4臺長板式龍井(扁形)茶炒制機前后串聯(lián)，作業(yè)時，第一臺炒制機主要負責殺青工序，第二臺負責繼續(xù)殺青和初步做形工序，第三臺主要負責繼續(xù)做形工序，第四臺主要負責磨光工序。通過這四個工序，龍井(扁形)茶炒制的全過程得以完成，目前該裝備已應用于龍井茶生產線中。
▲ “豐凱牌”6CCB-983D型三鍋連續(xù)扁茶炒制機
扁形綠茶具有代表性的產品類型有西湖龍井(有梗)及六安瓜片。兩者雖都是扁形，但在外形上具有較大差別。前者為較平的片形，后者則為形如瓜子、略帶彎曲。上述長板式扁形茶炒制機只能用于龍井茶做形，不能用于六安瓜片。
六安瓜片的做形一般是用理條機，但容易使條形過直、卷曲欠缺，在多年的制茶實踐中，通常在理條機的U形槽鍋中放置加壓棒來完成做形工序，在U形槽鍋的帶動下，槽鍋內的茶葉沿U形槽產生翻滾、拋起、與槽鍋壁產生碰撞，同時U形槽鍋內的加壓棒在槽鍋內做以槽鍋寬度為直徑的似圓周運動，對槽鍋內的茶葉產生沖擊壓力作用，最終成形，但加壓棒的釋放及回收還是要靠人工完成，這不僅加大了勞動強度，也不利于茶葉清潔化生產，且無法實現(xiàn)自動化，另外茶葉加工質量要受到工人技術經驗的制約，無法達到標準化生產要求，影響成茶品質。
安徽農業(yè)大學茶機課題組設計了一種具有自動加壓功能做形裝備用于六安瓜片的做形工序，降低了勞動強度，實現(xiàn)了六安瓜片連續(xù)化、清潔化生產。所設計的氣動式自動加壓茶葉理條機如圖1所示，是一種機、電、氣一體化的茶葉自動化加工設備，由氣缸、活塞桿、吊環(huán)支架和吊環(huán)組成，實現(xiàn)了做形工序的自動加壓，該設備于2007年應用在六安瓜片生產線至今，效果良好。
03
顆粒形及卷曲形綠茶做形裝備研究
▲ 貴州綠寶石(顆粒形綠茶)
不同顆粒形綠茶機制加工工藝雖然不同，但主要由殺青、揉捻、做形和烘焙等關鍵工序組成，而做形工序對顆粒形綠茶形成獨特卷曲外形起著關鍵作用，雙鍋曲毫炒干機是顆粒形綠茶做形的關鍵設備，茶葉在高溫炒鍋內受炒手板推壓力、茶葉間摩擦力、茶葉與炒鍋內壁摩擦力、茶葉自身重力等多個方向的作用力下，逐漸向內收緊成圓球顆粒狀，以完成做形工序。
20世紀80年代，84型珠茶炒干機研制成功并在全國珠茶生產區(qū)推廣使用，因其茶灶的設計會造成環(huán)境和茶葉的污染，不符合我國茶葉無公害化生產的理念，需對茶灶進行結構改進，浙江省上虞市改進的新茶灶應用時間雖短、整體不夠完善，但對茶葉清潔化生產具有重要意義。
6CCGQ-50型雙鍋曲毫炒干機作為名優(yōu)茶加工做形的重要機型之一，關鍵在于炒茶溫度、炒板擺速與擺幅等，隨著計算機技術的發(fā)展，計算控制理念逐漸應用于茶葉加工領域，實現(xiàn)自動化加工，降低茶農的技術要求，提高經濟效益，可進行大規(guī)模批量生產加工，浙江紅五環(huán)制茶裝備股份有限公司研制生產的6CCQ-60型炒干機采用單片機技術實現(xiàn)炒茶溫度、時間、炒板擺幅等參數(shù)的自動控制，提高了炒茶機械的智能化水平。
▲ “春江牌”6CCQ-50型雙鍋曲毫機
做形工序中所應用的雙鍋曲毫機，主要利用曲柄搖桿機構來模擬人工炒茶作業(yè)。曲柄為主動件，帶動搖桿左右擺動，搖桿驅動與其同軸安裝的炒板在炒鍋內不斷擺動，以實現(xiàn)顆粒型綠茶做形。
由于曲柄搖桿機構結構不緊湊，占用空間較大;曲柄搖桿機構在運動過程中的加速度及速度均有較大變化，導致茶葉受熱不均勻、振動噪音較大。加之上述機構的傳統(tǒng)設計以經驗為主，運動性能不佳，易造成運動卡滯及較大振動，影響成品茶品質。
安徽農業(yè)大學茶機課題組對上述機構的關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化設計。以最小傳動角最大化為目標函數(shù)，建立雙鍋炒茶機的優(yōu)化設計數(shù)學模型，運用Matlab編制基于蟻群算法的優(yōu)化程序進行優(yōu)化計算及驗證又通過3因素3水平正交試驗，探究貴州珠茶初烘葉含水率、第一次造形時間、第二次造形炒板的擺動頻率對珠茶成形勻度和碎茶率的影響，獲得的最佳參數(shù)組合分別為：初烘葉含水率50%、第一次造形時間50 min、第二次造形炒板的擺動頻率2.58 Hz;李為寧等用Solidworks建立了雙鍋曲毫機的3D虛擬樣機，基于離散元法建立茶葉顆粒及接觸力學模型，運用EDEM軟件對做形過程進行了仿真計算，以成形率最大化和碎茶率最小化為目標函數(shù)，對炒板關鍵設計參數(shù)進行了優(yōu)化仿真設計，同時運用2因素3水平試驗進行驗證，獲得了弧形炒板的最優(yōu)擺速及擺幅;鄭紅發(fā)等以6CCGQ-50型雙鍋曲毫炒干機為試驗對象，開展螺形茶造型技術研究，得到了曲毫的關鍵技術參數(shù)為投葉量6 kg/鍋、曲毫溫度180 ℃、炒制時間75 min，上述優(yōu)化結果如表3所示。
傳統(tǒng)的珠茶炒干機仍為單機生產，作業(yè)中需人工操作，以完成上料、出料及并鍋環(huán)節(jié)，難以適應連續(xù)化生產需求。安徽農業(yè)大學茶機課題組設計出一種基于自動供料的珠茶連續(xù)化做形控制系統(tǒng)以及控制方法，該系統(tǒng)自動化程度高，基于程控的自動稱重系統(tǒng)可進行自動定量加料，設計的基于雙搖桿機構可實現(xiàn)槽鍋支架翻轉自動下茶，PLC控制并鍋環(huán)節(jié)可進行復炒，實現(xiàn)珠茶做形的連續(xù)化生產。
一些曲毫類卷曲形綠茶做形(如碧螺春)，可用揉捻機進行初步揉捻成條，然后采用6CB-180型碧螺春整形機，6CCQ-50G型曲毫炒干機，6CL-30型名茶搓螺機，6SCG-50CDT型雙鍋曲毫機，6CRQ-60型瓶式曲毫機等完成做形。般溫度設定在60~80 ℃，在熱及機械力的同時作用下完成做形工序，同時要求透氣，保持茶葉色澤翠綠。上述時間一般為20~30 min，炒至茶條卷曲，含水量為10%左右，可出茶攤涼。
04
茶葉加工溫度控制系統(tǒng)研究
溫度是綠茶做形工序中的關鍵參數(shù)，對茶葉的成型和品質提升有著重要的意義。理條是使茶葉在一定溫度下受熱的作用使葉片軟化，溫度的控制精度直接影響成條率，李文萃等研究了香茶機械化、連續(xù)化加工滾炒溫度、次數(shù)對其成茶品質的影響。趙瑤等根據(jù)針形茶做形要求，研制CJL-5型針形茶自動控溫整形操作臺，采用遠紅外加熱方式并實現(xiàn)自動控溫。范起業(yè)等研究了不同殺青溫度對香茶品質的影響，發(fā)現(xiàn)80型電磁滾筒殺青機殺青，在投葉量為130 kg/h時，滾筒三段式加熱元件溫度為290 ℃-280 ℃-265 ℃時，可獲最佳的成茶品質。
傳統(tǒng)茶葉理條機理條溫度控制波動較大，為了防止茶葉在理條過程中出現(xiàn)色澤變黃、變暗或產生焦味的現(xiàn)象，需要精確控制理條溫度，提高茶葉的加工質量。傅杰設計了茶葉理條工藝參數(shù)模糊決策控制器及模糊PID溫度控制器，并利用Matlab/simulink對上述控制系統(tǒng)進行了仿真計算，以解決茶葉理條機溫度控制精度不高的問題;近年來模糊控制相關算法已成功應用于工程控制中，王小勇等通過模糊算法進行理條機溫度控制，運用Matlab對溫度控制系統(tǒng)進行仿真試驗，使得理條機的主副加熱部件具有較高的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾能力強，提高了理條的成茶品質;任桂英等通過PLC和相關控制元件組成控制系統(tǒng)，對溫度、頻率等參數(shù)進行設計，提高了茶葉理條過程的自動化，便于用戶簡單操作;烏蘭等通過IPSO對模糊PID控制器進行參數(shù)優(yōu)化，使得控制系統(tǒng)可根據(jù)烘干機熱風爐的實時溫度，自動調節(jié)排煙量，保證烘干機溫度的恒定。
根據(jù)茶葉物料烘焙時具有遲滯、大慣性和非線性的特點，采用傳統(tǒng)PID控制時溫度控制精度不高，超調量較大，魯棒性差，李兵等設計了一種基于模糊 PID控制原理設計的溫度控制器，用于六安瓜片茶烘焙，具有較好的動態(tài)及靜態(tài)性能，溫度控制精度高、超調小，當葉溫設置為80 ℃時，能得到較好的烘焙品質;安徽農業(yè)大學茶機課題組設計了一種基于動態(tài)矩陣控制的茶葉烘干機，烘干機采用多層隧道式，采用上加熱方式，加熱元件為電加熱遠紅外輻射板，運用DMC-PID串級溫度控制系統(tǒng)(如圖2)，前級的DMC算法提高溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)響應能力與魯棒性;后級PID算法提高系統(tǒng)的抗干擾性能。
傳統(tǒng)PID控制、FUZZY-PID及DMC-PID控制技術現(xiàn)已應用于茶葉溫度控制系統(tǒng)中，上述三種溫度控制系統(tǒng)的溫度響應曲線如圖3所示，常規(guī)PID溫控精度低且超調量為15%，F(xiàn)UZZY-PID溫控的超調量為10.5%，而采用DMC-PID串級溫控的超調量為5.9%，可提高溫度控制精度及成茶品質。
05
發(fā)展趨勢
綠茶做形裝備是形成各種綠茶獨特品質的關鍵，也是模擬人工炒茶的關鍵環(huán)節(jié)，其發(fā)展趨勢從最初的單機作業(yè)逐漸向連續(xù)化、智能化方向發(fā)展。成熟的工業(yè)自動化控制及傳感器技術正逐步輻射至茶機設計領域，更多地應用了傳感器技術和機、電、氣一體化等先進技術;做形裝備的傳動機構也從簡單的平面機構向空間機構發(fā)展，傳動機構結構更加緊湊、傳動效率更高、運行振動噪音更小、同時產生了多種創(chuàng)新機構。通過運用現(xiàn)代智能算法進行了關鍵機構的最優(yōu)化設計，相關機構的優(yōu)化設計水平得以提高。
今后，茶葉做形機械將以食品工程、機械電子、自動化技術及人工智能多學科交叉為特點，同時做形生產線的標準化、系列化、通用化及智能化水平也將日益提高。
來源：中國茶葉加工
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