早在唐代，陸羽就在《茶經(jīng)》中系統(tǒng)地介紹過19種餅茶采制工具，建立了茶葉機(jī)械的雛形。自中華人民共和國(guó)成立以來，我國(guó)茶葉機(jī)械發(fā)展已有70余年的歷史。隨著國(guó)家對(duì)茶葉機(jī)械行業(yè)重視度的提升，我國(guó)茶葉加工現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，茶園作業(yè)機(jī)械也在快速發(fā)展。
為總結(jié)我國(guó)在茶葉機(jī)械領(lǐng)域取得的成就，促進(jìn)茶機(jī)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，文章從茶葉機(jī)械發(fā)展、茶機(jī)能源使用及茶機(jī)技術(shù)應(yīng)用等方面介紹我國(guó)茶葉機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r，就發(fā)展過程中暴露的問題進(jìn)行剖析并提出相應(yīng)對(duì)策，最后對(duì)茶葉機(jī)械未來的發(fā)展進(jìn)行展望。
01我國(guó)茶葉機(jī)械概況
中國(guó)是世界最大的產(chǎn)茶國(guó)，擁有20多個(gè)產(chǎn)茶省、1000多個(gè)產(chǎn)茶縣。在茶葉加工連續(xù)化的產(chǎn)業(yè)背景和提質(zhì)增效的產(chǎn)業(yè)需求下，茶葉機(jī)械化生產(chǎn)成為我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。目前，我國(guó)茶葉加工機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)有400多家，主要集中在浙江、安徽、四川和福建等省份。
按照生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可將茶葉機(jī)械分為茶園作業(yè)機(jī)械和茶葉加工機(jī)械兩類。
茶葉加工機(jī)械的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，主要以綠茶、紅茶加工機(jī)械為主。到21世紀(jì)，大宗綠茶、紅茶和大部分名優(yōu)茶類的加工已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。就六大茶類而言，綠茶、紅茶的關(guān)鍵加工機(jī)械已較為成熟，烏龍茶、黑茶的關(guān)鍵加工機(jī)械相對(duì)成熟，白茶、黃茶的關(guān)鍵加工機(jī)械也在發(fā)展完善中。
相比之下，茶園作業(yè)機(jī)械發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)70年代開始研制出茶園耕作機(jī)等基本作業(yè)機(jī)械，后續(xù)逐步研制了修剪機(jī)、采茶機(jī)等其他作業(yè)機(jī)械，由于大部分茶園機(jī)械化生產(chǎn)管理粗放，茶園管理機(jī)械研發(fā)和創(chuàng)新力度不足，目前還處于初步發(fā)展階段。
02茶葉機(jī)械發(fā)展?fàn)顩r
1、茶園作業(yè)機(jī)械
茶園作業(yè)機(jī)械分為墾殖機(jī)械、耕作機(jī)械、植保機(jī)械、修剪和采茶機(jī)械等類型。
從20世紀(jì)50年代至今，茶園作業(yè)機(jī)械經(jīng)歷了萌芽階段、探索階段和現(xiàn)今的初步發(fā)展階段。期間，茶機(jī)研發(fā)人員逐步研制了符合實(shí)際需求的茶園耕作機(jī)、茶樹修剪機(jī)等作業(yè)機(jī)械，尤其以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所為代表開發(fā)了“一機(jī)多用”的多功能茶園管理裝備，使茶園作業(yè)機(jī)械有了新的發(fā)展。
目前，已有部分地區(qū)達(dá)到了茶園作業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)水平，如山東日照市、浙江武義縣等。
但總體而言，在機(jī)械研發(fā)方面，作業(yè)機(jī)械的機(jī)型質(zhì)量和性能方面尚需進(jìn)一步改進(jìn)，總體水平與日本相比存在較大差距;在推廣使用方面，使用率及普及度都不高，90%以上的采茶機(jī)和修剪機(jī)仍為日本機(jī)型，一些山區(qū)的茶園管理依舊以人力為主。
2、茶葉加工機(jī)械
我國(guó)茶葉加工機(jī)械發(fā)展大致分為如下三個(gè)階段。
· 萌芽期：20世紀(jì)50年代之前
此時(shí)的茶葉加工停留于手工作業(yè)階段，但唐宋時(shí)期創(chuàng)造的眾多制茶工具為茶葉機(jī)械后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
· 快速發(fā)展期：20世紀(jì)50年代~20世紀(jì)末
由手工作業(yè)轉(zhuǎn)為半手工半機(jī)械作業(yè)，期間研發(fā)了眾多茶葉加工的基本單機(jī)設(shè)備，使得綠茶、紅茶，特別是名優(yōu)茶加工實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。
· 加速發(fā)展期：21世紀(jì)~至今
由小型單機(jī)設(shè)備加工模式過渡到高產(chǎn)能、低能耗、清潔化、連續(xù)化的生產(chǎn)線模式，逐步實(shí)現(xiàn)“機(jī)械換人”。
茶葉加工單機(jī)設(shè)備分為初制機(jī)械和精制機(jī)械兩類。我國(guó)茶葉初制機(jī)械(殺青機(jī)、揉捻機(jī)、干燥機(jī)等)發(fā)展速度較快，大多數(shù)茶葉機(jī)械已能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化作業(yè)，甚至具備控溫控濕功能，但在茶葉加工品質(zhì)、自動(dòng)化程度、節(jié)能等方面還有待提高。相比而言，我國(guó)精制機(jī)械(篩分機(jī)、風(fēng)選機(jī)等)發(fā)展較慢，但隨著加工精細(xì)化程度的提高，該類機(jī)械也在不斷改進(jìn)和優(yōu)化。
茶葉單機(jī)設(shè)備的發(fā)展為茶葉加工連續(xù)化的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，也為生產(chǎn)線的研建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前，研發(fā)的綠茶、紅茶、烏龍茶等初加工生產(chǎn)線已達(dá)3000多條。2016年，精制篩分生產(chǎn)線也被應(yīng)用于綠茶、紅茶、黑茶的精制加工。此外，生產(chǎn)線的使用范圍及加工對(duì)象方面的研究也更加精細(xì)化，如2020年針對(duì)中高檔扁形綠茶研建了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線，有效地解決了以往扁形茶生產(chǎn)線存在的茶條不緊直、質(zhì)量不穩(wěn)定等品質(zhì)問題。
有些茶葉單機(jī)本身還不具備連續(xù)化作業(yè)功能(如包揉機(jī))或作業(yè)性能不夠成熟(如黃茶悶黃機(jī))，一定程度阻礙了生產(chǎn)線的自動(dòng)化發(fā)展。此外，雖然目前已有低含水量的在線檢測(cè)設(shè)備，但由于成本過高還未能廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，茶葉在制品的品質(zhì)仍需要依賴人工經(jīng)驗(yàn)的判定。因此，目前茶葉加工生產(chǎn)線的應(yīng)用基本能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但尚未實(shí)現(xiàn)真正的智能化。
03茶機(jī)能源使用
茶葉機(jī)械的正常使用離不開能源的供給。茶葉機(jī)械能源分為傳統(tǒng)化石能源和清潔能源兩類，其中清潔能源包括電、液化石油氣、天然氣、生物質(zhì)燃料等。
在熱能燃料清潔化、節(jié)能化的發(fā)展趨勢(shì)下，用鋸末、森林枝條、稻草、麥稈等加工而成的生物質(zhì)顆粒燃料被業(yè)界重視，又因其生產(chǎn)成本較低、來源廣開始被越來越多地應(yīng)用于茶葉加工中。
總體而言，電力燃?xì)獾葻嵩词褂酶影踩?、?jiǎn)便，無需其他輔助設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)茶葉機(jī)械化加工、流水線作業(yè)的主流能源。
雖然薪柴加熱和炭火烘焙的能源使用比較低效，也不夠環(huán)保，但卻能滿足人們對(duì)茶葉獨(dú)特色香味的追求，因此目前仍有應(yīng)用。
近年來，基于節(jié)能減排、降低能耗的發(fā)展理念，茶葉機(jī)械的能源回收利用方面取得巨大進(jìn)展。
如6CH型系列鏈板式烘干機(jī)，利用管殼式熱交換器進(jìn)行廢氣余熱回收，可將空氣初始溫度提高20~25℃，創(chuàng)造性地解決了能源消耗大的問題;過熱蒸汽混合殺青機(jī)，利用殺青機(jī)出葉口處的回收裝置將常壓飽和水蒸汽回收，并再次輔助加熱形成過熱飽和水蒸汽和高溫?zé)犸L(fēng)，導(dǎo)回到殺青機(jī)進(jìn)葉口處循環(huán)利用熱能，能節(jié)約能源20%左右，還可保證茶葉品質(zhì)效果。
04茶機(jī)技術(shù)創(chuàng)新
茶葉機(jī)械的使用不僅能直接提高生產(chǎn)效率，還能間接穩(wěn)定甚至提升茶葉品質(zhì)。技術(shù)創(chuàng)新往往能帶來茶葉機(jī)械功能和效率的雙向提升，其研發(fā)思路主要有兩方面。
① 基于機(jī)械原理，創(chuàng)新性地改進(jìn)茶機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，使其性能大大提升。如在紅茶加工方面，對(duì)發(fā)酵結(jié)構(gòu)、翻動(dòng)裝置和加熱部件等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，研發(fā)了一體化全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)、可視化富氧發(fā)酵機(jī)，解決了發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、翻拌難、缺氧、發(fā)酵不均勻等問題。
② 將計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代儀器分析檢測(cè)技術(shù)、芯片技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用于茶機(jī)制造，使其操作可控、可視，逐步實(shí)現(xiàn)茶葉機(jī)械的自動(dòng)化、智能化。實(shí)踐證明，技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用能完善茶機(jī)功能，提升茶葉品質(zhì)，推動(dòng)茶產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。
1、計(jì)算機(jī)技術(shù)
計(jì)算機(jī)技術(shù)使茶葉機(jī)械的連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展成為可能。
目前，計(jì)算機(jī)的圖像技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等已被成功應(yīng)用于茶機(jī)制造，并取得較佳效果。
利用圖像采集、數(shù)據(jù)處理技術(shù)可對(duì)茶葉的實(shí)際形態(tài)、顏色以及重量等要素進(jìn)行量化分析和等級(jí)劃分;利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，可使新型熱輻射茶葉殺青機(jī)實(shí)現(xiàn)殺青葉表面溫度、箱體內(nèi)部環(huán)境濕度等各項(xiàng)參數(shù)的多路實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，降低對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的依賴;利用可編程邏輯控制技術(shù)(PLC)，再通過電源照射，光纖探聚集發(fā)酵信息，發(fā)酵儀轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，微處理器處理、計(jì)算和分析，能使渥堆裝置完成對(duì)待測(cè)黑茶樣品渥堆程度的預(yù)測(cè);利用自動(dòng)化控制和人機(jī)交互技術(shù)可使TC-6CR-50數(shù)控揉捻機(jī)智能調(diào)控壓力、轉(zhuǎn)速和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)制茶工藝參數(shù)化;利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可使茶葉連續(xù)理?xiàng)l機(jī)組按需調(diào)控鍋槽溫度，保證鍋槽內(nèi)的茶葉受熱均勻、品質(zhì)一致。
2、現(xiàn)代儀器分析檢測(cè)技術(shù)
茶葉機(jī)械自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)有賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)，而茶葉加工過程的狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)測(cè)則需要借助現(xiàn)代儀器的分析檢測(cè)技術(shù)。通過檢測(cè)儀器的多源傳感信息融合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉色、香、味、形等品質(zhì)因子的綜合數(shù)字化評(píng)判，實(shí)現(xiàn)茶葉產(chǎn)業(yè)真正意義的自動(dòng)化和智能化發(fā)展。
目前，該項(xiàng)技術(shù)已被成功應(yīng)用于茶機(jī)研發(fā)，使茶葉加工過程實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)、判別，茶葉品質(zhì)更加可控。比如，利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)建立的紅茶“發(fā)酵”程度綜合評(píng)價(jià)方法，可在1分鐘內(nèi)完成判別，有利于紅茶加工關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的控制;利用電子鼻技術(shù)對(duì)殺青過程中的香氣連續(xù)抽樣監(jiān)測(cè)，再基于費(fèi)舍爾判別法可構(gòu)建茶葉殺青狀態(tài)判別模型，實(shí)現(xiàn)綠茶品質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)與控制;利用遠(yuǎn)紅外、高光譜成像技術(shù)再結(jié)合非線性建模方法可為綠茶的智能化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
儀器檢測(cè)分析技術(shù)同其他技術(shù)的聯(lián)用，也被應(yīng)用于茶葉深加工機(jī)械領(lǐng)域。比如，安徽捷訊光電技術(shù)有限公司研發(fā)了一種云智能茶葉色選機(jī)，該色選機(jī)利用光譜分析技術(shù)聯(lián)用鷹眼技術(shù)、云技術(shù)相機(jī)、云圖像采集處理技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，可深度識(shí)別普通色選機(jī)不能識(shí)別的微小雜質(zhì)，并且能對(duì)茶葉的條形大小、長(zhǎng)短、粗細(xì)及嫩度等精細(xì)分級(jí)。這種智能色選機(jī)不僅應(yīng)用于茶葉領(lǐng)域，還可用于糧食、種子、礦物等的精選，提高批量物料的整體質(zhì)量和外觀。
3、其他技術(shù)
除計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代儀器檢測(cè)技術(shù)外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、AI技術(shù)、芯片技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)也被融合應(yīng)用于茶園管理、茶葉加工、物流倉(cāng)儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)，使茶機(jī)研發(fā)及茶行業(yè)的發(fā)展邁上新臺(tái)階。
在茶園管理作業(yè)環(huán)節(jié)，傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)茶園的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使茶園作業(yè)過程更加智能、高效。如前端傳感器(葉面溫度傳感器、莖稈生長(zhǎng)傳感器、土壤水分傳感器等)可自動(dòng)將茶園土壤及氣候條件等數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，PC端通過手機(jī)APP可隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)管、精準(zhǔn)灌溉與施肥，實(shí)現(xiàn)茶園智慧管理。利用無人機(jī)大面積遙感圖像與地面不間斷視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，可對(duì)機(jī)采茶樹的生長(zhǎng)信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，再借助分析、建模便可預(yù)測(cè)每輪次的適采時(shí)期、產(chǎn)量及機(jī)采品質(zhì)，從而提高茶葉機(jī)械化采摘的質(zhì)量和效率。
在茶葉加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)用AI技術(shù)建立自動(dòng)除雜生產(chǎn)線，通過最先進(jìn)的認(rèn)知視覺檢測(cè)可識(shí)別茶葉中的各類雜質(zhì)，同時(shí)自動(dòng)化地完成上料、輸送、拍照、分析、挑揀、復(fù)檢、收集等各個(gè)程序，實(shí)現(xiàn)茶葉精制加工生產(chǎn)線的自動(dòng)化與智能化。在物流倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)，利用射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)閱讀器與產(chǎn)品標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通信，追溯茶葉生產(chǎn)信息以優(yōu)化供應(yīng)鏈管理。
由此，在茶葉的種植栽培、生產(chǎn)加工、保管運(yùn)輸?shù)确矫?，各?xiàng)技術(shù)共同促進(jìn)了茶產(chǎn)業(yè)信息化、智能化發(fā)展。
05我國(guó)茶葉機(jī)械發(fā)展中的問題、對(duì)策與展望
我國(guó)茶葉機(jī)械化發(fā)展雖然取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與食品工業(yè)的機(jī)械化程度相比仍存在較大差距，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策來加快茶產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型。
1、存在問題
雖然人們機(jī)械化管理茶園、機(jī)械化加工茶葉的意識(shí)不斷增強(qiáng)，部分茶區(qū)也處于相對(duì)較高的機(jī)械化水平，但就整體研究力度和發(fā)展?fàn)顩r而言，仍存在以下問題：
(1)我國(guó)茶機(jī)裝備總體水平偏低，自動(dòng)化生產(chǎn)線尚未完全實(shí)現(xiàn)智能化。
(2)茶機(jī)的研究發(fā)展不平衡，大部分精制機(jī)械創(chuàng)新程度不高。
(3)茶機(jī)整體技術(shù)含量不高，能源使用效率低。
(4)大多茶機(jī)缺乏高新技術(shù)的應(yīng)用，且與農(nóng)藝融合度不高。
(5)設(shè)備新舊混用，存在安全隱患，缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
2、原因及對(duì)策
從文獻(xiàn)研究及茶機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析原因，主要是：
(1)茶機(jī)行業(yè)本身處于落后地位，國(guó)家對(duì)行業(yè)扶持力度仍有待加強(qiáng)。
(2)茶機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)無序，茶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)滯后。
(3)茶園分布零散，作業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)程度不高。
(4)茶機(jī)制造企業(yè)規(guī)模小，新產(chǎn)品開發(fā)能力薄弱。
(5)缺乏茶機(jī)專業(yè)從業(yè)人員，無法充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的功能。
針對(duì)上述原因應(yīng)盡快健全農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼制度，加大政策扶持力度;加快茶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，加大企業(yè)技術(shù)服務(wù)力度;建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)茶園基地，奠定機(jī)械化生產(chǎn)基礎(chǔ);加大科研投入力度，組建更多創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì);加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)交流，提高茶機(jī)技術(shù)服務(wù)。
3、展望
目前，我國(guó)茶葉加工基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，單機(jī)設(shè)備趨向于高效節(jié)能、連續(xù)化發(fā)展，生產(chǎn)線向著連續(xù)化、自動(dòng)化、清潔化和智能化方向發(fā)展，茶園作業(yè)機(jī)械的發(fā)展也在不斷推進(jìn)?，F(xiàn)代科技與信息技術(shù)等高新技術(shù)逐步被應(yīng)用于茶葉加工的各個(gè)環(huán)節(jié)，并取得巨大進(jìn)步。隨著國(guó)家對(duì)茶葉產(chǎn)業(yè)的重視，茶機(jī)補(bǔ)貼等各項(xiàng)優(yōu)惠政策的出臺(tái)以及茶機(jī)科研人員隊(duì)伍的壯大，未來的茶葉機(jī)械將實(shí)現(xiàn)真正意義的智能化發(fā)展，“機(jī)器換人”的時(shí)代指日可待!
作者簡(jiǎn)介：
張銘銘
碩士，中華全國(guó)供銷合作總社杭州茶葉研究院工藝技術(shù)與裝備研究所團(tuán)隊(duì)成員，茶葉加工與機(jī)械團(tuán)隊(duì)科技特派員，中茶裝備公眾號(hào)編輯，主要從事茶葉機(jī)械加工與品質(zhì)調(diào)控研究。參與國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)，浙江省青年基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等省級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)，地方性技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目2項(xiàng)。以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI/EI等科技論文10余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)。
來源：中國(guó)茶葉加工
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2023年10月28日上午，由宣城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局、宣州區(qū)人民政府主辦，安徽茶之源機(jī)械研發(fā)有限責(zé)任公司承辦的宣城市2023年新型茶葉理?xiàng)l機(jī)演示觀摩會(huì)順利舉行。宣城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局、宣州區(qū)人民政府，安徽省農(nóng)科院茶葉研究所等有關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)出席活動(dòng)。宣城市及各縣(區(qū)、市)農(nóng)機(jī)管理、種植業(yè)(茶產(chǎn)業(yè))中心負(fù)責(zé)人以及來自全市及周邊黃山、池州、六安市茶葉種植主產(chǎn)區(qū)，江蘇、浙江、江西、福建和貴州等地的茶葉生產(chǎn)加工經(jīng)營(yíng)主體和種植大戶400余人參加觀摩會(huì)。
會(huì)議邀請(qǐng)安徽省農(nóng)科院茶葉研究所丁勇研究員就名優(yōu)茶精準(zhǔn)加工關(guān)鍵工藝與裝備，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)李尚慶教授就理?xiàng)l機(jī)制茶技術(shù)與大家進(jìn)行了分享與交流。
在隨后的現(xiàn)場(chǎng)演示活動(dòng)中，與會(huì)茶葉種植、生產(chǎn)加工企業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)操作、體驗(yàn)了安徽茶之源機(jī)械研發(fā)有限責(zé)任公司新研發(fā)的清潔化、智能化、高質(zhì)量、高效能6CL系列全自動(dòng)水平理?xiàng)l機(jī)，并與公司技術(shù)人員就機(jī)械相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和操作要領(lǐng)，茶葉加工技術(shù)，互相學(xué)習(xí)、交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同提升制茶技藝水平。
此次觀摩會(huì)，集現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)演示、新機(jī)具展示、專家培訓(xùn)授課為一體，活動(dòng)內(nèi)容豐富，形式多樣，廣泛培訓(xùn)了一大批基層農(nóng)業(yè)技術(shù)人員和茶葉種植大戶，大力宣傳了相關(guān)茶葉生產(chǎn)與加工機(jī)械，為推進(jìn)宣城市茶產(chǎn)業(yè)機(jī)械化和高質(zhì)量發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
來源/宣城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局
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茶園全程機(jī)械化生產(chǎn)是指農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，從茶園種植、田間管理、收獲直至茶葉加工等全程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。茶園生產(chǎn)管理，主要包括墾殖、耕作、施肥、植保、修剪、采摘等環(huán)節(jié)。近些年，茶園作業(yè)機(jī)械化的發(fā)展備受政府和茶葉界的重視，經(jīng)過不懈努力，目前除了名優(yōu)茶機(jī)械化采摘以及山區(qū)茶園機(jī)械化作業(yè)瓶頸問題以外，我國(guó)已經(jīng)基本攻克了茶園生產(chǎn)全程各環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)技術(shù)，基本建成了適合我國(guó)平地、緩坡地茶園生產(chǎn)全程的機(jī)械化作業(yè)技術(shù)與裝備體系，目前正在逐步向全國(guó)茶園推廣。
我國(guó)茶園生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)“十三五”研究進(jìn)展
1. 土肥管理機(jī)械
(1) 茶園耕作機(jī)械
“十三五”以來，我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，茶園生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)發(fā)展較快，一些較優(yōu)作業(yè)性能的茶園耕作機(jī)械相繼問世。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了KM3CG-30型小型茶園耕作機(jī)，采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)利用仿生學(xué)模仿動(dòng)物刨土及人工鋤地的特點(diǎn)，采用針式翻耕法，具有較好的耕作效果。安徽助成信息科技有限公司發(fā)明了一種家用茶園中耕機(jī)，該機(jī)在傳統(tǒng)中耕機(jī)的基礎(chǔ)上增加了靜刀片和靜刀軸，作業(yè)時(shí)動(dòng)定刀配合不纏草，作業(yè)性能良好。鹽城市鹽海拖拉機(jī)制造有限公司研制了3S-6茶園手扶式深耕機(jī)，該機(jī)模仿人工深翻地塊的特點(diǎn)，采用倒退式撬翻耕法，耕作深度達(dá)30 cm，深翻效果良好。無錫鼎君機(jī)械科技有限公司研制了3TGQ-4茶園管理機(jī)，該機(jī)針對(duì)丘陵山地茶園作業(yè)特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，可在5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速拆裝，單一模塊最大質(zhì)量21 kg，配備塔式破土機(jī)具、旋耕機(jī)具，功耗較傳統(tǒng)中耕機(jī)具降低10%左右，為目前市場(chǎng)上應(yīng)用情況最好的模塊化丘陵茶園專用耕作機(jī)械，已在江蘇、山東、湖南、四川等省推廣應(yīng)用。
(2)茶園施肥機(jī)
“十三五”以來無錫華源凱馬發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司研發(fā)了KM2F-3手扶式施肥機(jī)，機(jī)身寬度僅有57 cm，撒肥直徑達(dá)3 m，可撒施可條施。江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院研發(fā)了一種茶園深松施肥機(jī)，其主要包括機(jī)架、肥料箱、深松鏟、限深輪、變速箱等。威海市果樹茶葉工作站發(fā)明了液壓式茶園自行走有機(jī)肥施肥機(jī)，該機(jī)主要由車架、肥料箱、刮料機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)鏈輪等組成，該發(fā)明主要解決了現(xiàn)有機(jī)型施肥成本高、作業(yè)效率低的問題。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)了一種雙螺旋橫置自主施肥機(jī)械。
2. 茶樹管理機(jī)械
(1)茶樹植保機(jī)
“十三五”以來，勞動(dòng)力日漸緊缺，小型植保機(jī)械作業(yè)效率無法滿足防控作業(yè)需求，大型植保機(jī)械需求日益增加。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了2FS-16型低地隙茶園風(fēng)送植保機(jī)，該機(jī)具有作業(yè)面積大、農(nóng)藥利用率高的特點(diǎn)，作業(yè)效率可達(dá)0.67 hm2/h;同時(shí)還研發(fā)了噴桿噴霧機(jī)，該機(jī)與低地隙履帶底盤、高地隙跨行履帶底盤配套，作業(yè)效率分別可達(dá)0.93 hm2/h、1.20 hm2/h?！笆濉逼陂g，負(fù)壓物理捕蟲、電網(wǎng)殺蟲等新型物理防治新技術(shù)裝備應(yīng)運(yùn)而生。負(fù)壓捕蟲機(jī)采用物理吸附原理，首次捕蟲率可達(dá)70%。另外還有KM3XC-30便攜式負(fù)壓捕蟲機(jī)、低地隙負(fù)壓捕蟲機(jī)、高地隙負(fù)壓捕蟲機(jī)等負(fù)壓捕蟲裝備。頻振式誘蟲燈在茶園應(yīng)用較多，但其無法移動(dòng)、益害不分、白天工作效率低等問題制約了技術(shù)的應(yīng)用。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所陳宗懋院士團(tuán)隊(duì)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所果蔬茶團(tuán)隊(duì)分別研制了“天敵友好型誘蟲燈”和“光電氣色組合式除蟲裝備”，該系列裝備均可全天工作，白天和黑夜分別通過色板及燈光誘集害蟲，然后利用電網(wǎng)擊殺，該裝置已在南昌、重慶、南 京、揚(yáng)州等地示范應(yīng)用。另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在病蟲害防治領(lǐng)域也開始應(yīng)用。
誘蟲板、天敵友好型LED殺蟲燈在茶園中的應(yīng)用
(2)茶樹修剪機(jī)械
“十三五”以來，勞動(dòng)力老齡化問題凸顯，手持式、背負(fù)式修剪機(jī)械因勞動(dòng)強(qiáng)度大已不再是首選，手扶式、自走式修剪機(jī)械得到廣泛應(yīng)用。戴有華等基于UG軟件設(shè)計(jì)了一種手扶式茶樹修剪機(jī)，并對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化。四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院公開的發(fā)明專利履帶自走式茶蓬修剪機(jī)，配有履帶式底盤，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地況自行行走，具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、作業(yè)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。江蘇大學(xué)發(fā)明了一種圓盤式茶樹修剪機(jī)，該機(jī)主要由機(jī)架、升降平臺(tái)、滑 柱、圓盤式切割器、變速箱等機(jī)構(gòu)組成，可精確調(diào)整切割高度，適合茶樹的深修剪、重修剪及臺(tái)刈作業(yè)。鄧小龍等對(duì)茶樹修剪機(jī)振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，通過增設(shè)隔音罩、安裝排氣消聲器和使用軟質(zhì)大阻尼懸置元件等方法降低茶樹修剪機(jī)作業(yè)時(shí)的噪聲。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所設(shè)計(jì)了一種自走式茶樹臺(tái)刈機(jī)，該機(jī)通過履帶式底盤實(shí)現(xiàn)自主行走，位于兩側(cè)的旋切刀組可將茶樹切成多段，且理論上可貼地作業(yè)，最大程度避免了樹枝堆積阻塞。此外，該所與無錫華源凱馬發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司聯(lián)合研制了一種茶樹側(cè)面修剪機(jī)，可同時(shí)修剪茶行側(cè)邊，具有輕簡(jiǎn)高效的特點(diǎn)。
一種茶樹修剪機(jī)振動(dòng)噪聲特性測(cè)試與研究
3. 災(zāi)害管理機(jī)械
(1)茶園噴灌機(jī)
茶園噴灌對(duì)于茶樹抗旱、防霜凍具有重要作用。目前茶園噴灌設(shè)備主要有移動(dòng)式、半固定式和固定式3種。近年來隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化程度較高的噴灌系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來。張艷開展了基于PLC茶園恒溫噴灌系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)了一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)程壓力表、2臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等組成的全自動(dòng)變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行、自動(dòng)工頻運(yùn)行、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制等功能。同時(shí)該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較多的輔助性能。安溪華祥苑茶基地有限公司申報(bào)了茶園水肥藥一體化噴灌系統(tǒng)的實(shí)用新型專利，該系統(tǒng)通過進(jìn)出控制系統(tǒng)、混勻系統(tǒng)、需求探測(cè)系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水、 肥、藥一體化作業(yè)，使茶園管理自動(dòng)化程度大大提高?！笆濉逼陂g，隨著“智能農(nóng)機(jī)”“智慧茶園”等新技術(shù)、新觀念等引入，茶園生產(chǎn)管理智能化水平得到快速提升，其中噴灌系統(tǒng)以其更接近于工業(yè)化的作業(yè)特點(diǎn)，自動(dòng)化、智能化噴灌系統(tǒng)得到快速應(yīng)用。
恒壓噴灌控制系統(tǒng)組成原理
(2)防霜風(fēng)扇
凍害是茶園重要的自然氣象災(zāi)害之一，但目前的凍害防控裝備比較單一，主要是引進(jìn)日本的防霜風(fēng)扇，國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)研究較少。2017年江蘇大學(xué)胡永光教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)產(chǎn)防霜風(fēng)扇，已在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用。但總體上我國(guó)茶園應(yīng)用的凍害防治機(jī)械設(shè)備多為從日本進(jìn)口的防霜扇。
4. 采茶機(jī)械
“十三五”期間，視覺識(shí)別、精準(zhǔn)定位及采摘手臂等仿生采摘技術(shù)研究取得較大進(jìn)展，機(jī)械化采摘技術(shù)快速發(fā)展。湯一平等設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的乘用式智能采茶機(jī)，提出了自動(dòng)識(shí)別茶葉嫩芽和割刀自動(dòng)調(diào)平控制方法，試驗(yàn)表明該機(jī)可解決現(xiàn)有采茶機(jī)無選擇性切割老葉和嫩芽的弊端。吳先坤等設(shè)計(jì)了單人背負(fù)式采茶機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)漏采率小于2%，采摘芽葉完整率大于85%，該機(jī)適用于多種類型的茶葉采摘。杜哲等應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)雙動(dòng)割刀往復(fù)式切割器進(jìn)行仿真研究，得到齒距20 mm、齒高19 mm、刀機(jī)速比1.05為最優(yōu)組合，同時(shí)進(jìn)行了田間對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明仿真結(jié)果可信，誤差在允許范圍內(nèi)。
基于機(jī)器視覺的乘用式智能采茶機(jī)結(jié)構(gòu)圖
單人背負(fù)式采茶機(jī)裝配體模型圖
5. 智慧管控
“十三五”以來，隨著計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)等信息科學(xué)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展愈來愈成熟，已經(jīng)逐漸在茶園中應(yīng)用。張威勁申請(qǐng)公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧茶園安全監(jiān)控平臺(tái)的專利，包括控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)管理茶園中茶樹生存環(huán)境各監(jiān)測(cè)模塊的運(yùn)行。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所也開展了茶園生境智慧管控技術(shù)研究，從茶園整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)出發(fā)，以完善和提升生態(tài)系統(tǒng)功能、促進(jìn)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定為目的，對(duì)茶樹生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行智能、系統(tǒng)的管控，從而提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，建立了一套適合廣東生態(tài)茶園發(fā)展的茶園生境智慧管控技術(shù)。曲阜師范大學(xué)開發(fā)了一套集軟硬件于一體的高標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代茶園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以提高茶園綜合管理能力。該系統(tǒng)將整個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧茶園管理系統(tǒng)劃分為感知執(zhí)行層、傳輸層和應(yīng)用層3部分，分別集成了采集終端傳感器、系統(tǒng)微控制器、智能水肥藥一體機(jī)等設(shè)備。趙小娟等研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的茶樹病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、多媒體、計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別、GIS 等技術(shù)設(shè)計(jì)了茶樹病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合自動(dòng)蟲情燈、自動(dòng)性誘儀、孢子捕捉儀、智能氣象儀、高清攝像機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)茶園環(huán)境數(shù)據(jù)、病蟲害信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和病蟲害信息在地圖上的可視化展示，并通過構(gòu)建病蟲害發(fā)生的環(huán)境氣候模型，對(duì)病蟲害發(fā)生進(jìn)行預(yù)警。茶樹病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在英德市試點(diǎn)茶園進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了茶園生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、蟲情監(jiān)測(cè)、病蟲害預(yù)警等功能，提高了茶園病蟲害防治工作效率，促進(jìn)了當(dāng)?shù)夭枞~產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)和可持續(xù)發(fā)展。
二
我國(guó)茶園機(jī)械研究存在的問題
我國(guó)雖然是茶葉大國(guó)，但由于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度差等原因，導(dǎo)致目前茶園作業(yè)的綜合機(jī)械化率依然較低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)茶園綜合作業(yè)機(jī)械化率不足30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于主要糧食作物。雖然在茶葉生產(chǎn)的耕作、中耕植保、修剪、收獲等環(huán)節(jié)均有機(jī)械可用，但現(xiàn)有機(jī)械存在作業(yè)操作友好度較低、舒適性較差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、適應(yīng)性較低、智能化程度低、作業(yè)仍然需要較多人工參與等問題。山地丘陵地區(qū)茶園仍以人工生產(chǎn)為主，生產(chǎn)成本居高不下，作業(yè)效率與經(jīng)濟(jì)效益較低，嚴(yán)重制約著茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這距離真正的智慧管理、無人生產(chǎn)的要求還有很大的差距。在農(nóng)村勞動(dòng)力總量持續(xù)下降、老齡化加劇的背景下，機(jī)械生產(chǎn)裝備的推廣與應(yīng)用也面臨諸多困難。當(dāng)前，茶園生產(chǎn)全面機(jī)械化依然是茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要科技命題。
三
茶園機(jī)械研究“十四五”發(fā)展方向
1. 生產(chǎn)裝備智能化
結(jié)合自動(dòng)化控制、機(jī)械電子等技術(shù)，提高茶機(jī)智能化作業(yè)水平。發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)計(jì)的茶園生產(chǎn)機(jī)械已經(jīng)廣泛采用了智能檢測(cè)、自動(dòng)化控制、機(jī)- 電-液-氣驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，這些技術(shù)的采用一方面提高了茶葉生產(chǎn)機(jī)械的作業(yè)效率和精度;另一方面，有效降低了人工勞作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)作業(yè)。因此，國(guó)內(nèi)茶機(jī)研發(fā)也應(yīng)朝這個(gè)方向發(fā)展，借鑒工業(yè)上成熟的機(jī)器視覺、智能檢測(cè)、自動(dòng)化控制等技術(shù)，結(jié)合機(jī)-電-液-氣等新型驅(qū)動(dòng)方式，研發(fā)自動(dòng)化程度高、綠色清潔的新型茶葉生產(chǎn)機(jī)械。采摘是茶葉生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，相較于其他作物，茶葉嫩芽柔軟易傷的物理特性決定了其采摘環(huán)節(jié)要求更加精準(zhǔn);由于結(jié)構(gòu)和材質(zhì)限制，傳統(tǒng)的純機(jī)械式采摘器采摘質(zhì)量還有待提高。因此，應(yīng)結(jié)合機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等技術(shù)，同時(shí)考慮新型材質(zhì)，設(shè)計(jì)出損傷率較小的采摘器，以提高采茶作業(yè)質(zhì)量。
2. 丘陵山區(qū)作業(yè)機(jī)械化
我國(guó)茶園種植區(qū)域廣泛，大多分布在丘陵山地等地帶，且茶樹是多年生植物，因此無論從地理環(huán)境還是農(nóng)藝上都決定了今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的輕小型茶園機(jī)械與自動(dòng)化程度高、作業(yè)效率高的大型茶園機(jī)械并存，以適應(yīng)當(dāng)下茶園生產(chǎn)機(jī)械化的需求。因此，我國(guó)在研發(fā)自動(dòng)化程度高的大型茶園機(jī)械的同時(shí)，也應(yīng)著重研發(fā)一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于推廣的小型茶機(jī)，以期加快機(jī)器換人速度，提高我國(guó)丘陵山地茶園生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)水平。
3. 茶園智慧管控
隨著信息技術(shù)、人工智能等學(xué)科的發(fā)展，無人化生產(chǎn)管理已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。不管是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害管理系統(tǒng)中的智能檢測(cè)、智能決策、災(zāi)害預(yù)警，還是智能裝備的最優(yōu)路徑規(guī)劃，已有相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)無人化勞動(dòng)作業(yè)的向往日益強(qiáng)烈，人工智能技術(shù)在茶園機(jī)械化發(fā)展中的應(yīng)用必將日益廣泛，茶園智慧管控將成為應(yīng)對(duì)農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的有力舉措，也是未來茶園生產(chǎn)方式發(fā)展的必由之路。
本文有刪節(jié)，具體內(nèi)容詳見《中國(guó)茶葉》2021年第10期，P26-33，《茶園機(jī)械研究“十三五”進(jìn)展及“十四五”發(fā)展方向》，作者：宋志禹，韓余，丁文芹，占才學(xué)，蔣清海。
來源：中國(guó)茶葉
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