一種設(shè)有除雜功能的茶葉揉捻裝置的設(shè)計與分析

王利暉 ，滕 杰 ，周李鵬濤 ，汪龍昊 ，謝子菁 ，賈智彤

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江西 南昌 330045）

1 研究背景

1.1 課題背景

《“十四五”全國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃》指出，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已從主要依靠人力畜力轉(zhuǎn)向主要依靠機械動力，進入了機械化為主導(dǎo)的新時期。“十四五”時期，“三農(nóng)”工作進入全面推進鄉(xiāng)村振興、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的新階段，對農(nóng)業(yè)機械化提出了新的更為迫切的要求，也為農(nóng)業(yè)機械化帶來了新的發(fā)展機遇[1]。

“一片葉子，成就了一個產(chǎn)業(yè)，富裕了一方百姓。”我國是茶葉生產(chǎn)和消費大國，在全面實行鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的今天，特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的興旺能夠帶動產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，推動農(nóng)村經(jīng)濟的增長，而這又是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的保障[2]。先進的茶葉加工機械能夠優(yōu)化茶葉加工質(zhì)量，提升茶葉加工效率，提高茶農(nóng)收益。近年來，中國茶產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，因此要不斷在研究茶葉加工機械自動化技術(shù)的應(yīng)用上下功夫，積極創(chuàng)新和研發(fā)新型機械[3]。為解決現(xiàn)有茶葉揉捻機生產(chǎn)不連續(xù)、效率低等問題，促進農(nóng)業(yè)機械化全面發(fā)展、助力百姓穩(wěn)步高效生產(chǎn)，結(jié)合茶葉加工工序“揉捻”的特點，急需一種設(shè)有除雜功能的茶葉揉捻裝置，以此提高茶葉揉捻加工的效率和成品茶葉品質(zhì)。

1.2 研究意義

茶葉，俗稱茶，一般包括茶樹的葉子和芽，茶葉中含有兒茶素、膽甾烯酮、咖啡堿、肌醇、葉酸和泛酸等成分，有益健康，由茶葉制成的茶飲料，是世界三大飲料之一。茶葉的制作主要包括殺青、揉捻和干燥三個步驟，其中殺青是讓鮮葉在短時間內(nèi)利用高溫破壞鮮葉中的多酚氧化酶活性，以防鮮葉變紅；揉捻是適當(dāng)破壞鮮葉組織，使茶汁滲出，讓茶葉卷曲成條塑形；干燥是使茶葉中的水分揮發(fā)掉，提高茶葉的香氣，固定茶葉形狀[4]。

現(xiàn)有的茶葉揉捻裝置在使用的過程中，通常是將殺青后的茶葉放置于揉捻裝置對茶葉進行揉捻，當(dāng)全部的茶葉揉捻完成后才能對下一批次的茶葉進行揉捻，無法連續(xù)對殺青后的茶葉進行揉捻，加工效率較低，且殺青后的茶葉中存在一些細小的茶梗和碎葉，而這些茶梗和碎屑在茶葉揉捻的過程中會混入其中，降低成品茶葉的品質(zhì)。為此，研究小組提出一種設(shè)有除雜功能的茶葉揉捻裝置。

本裝置設(shè)置有揉捻錐、錐形鍋、伸縮桿、篩選箱、篩板、凸輪盤、連桿和凸輪電機。可將殺青后的茶葉投入到錐形鍋內(nèi)部，位于揉捻錐和錐形鍋之間，轉(zhuǎn)動電機，通過轉(zhuǎn)軸帶動揉捻錐轉(zhuǎn)動，揉捻殺青后的茶葉。同時，通過伸縮桿調(diào)節(jié)錐形鍋的高度，調(diào)節(jié)揉捻錐的錐形外表面和錐形鍋內(nèi)壁之間的距離，以達到對不同大小茶葉進行揉捻的目的。殺青后的茶葉沿著導(dǎo)料板倒入篩網(wǎng)，凸輪電機帶動凸輪盤轉(zhuǎn)動，凸輪盤通過連桿帶動篩網(wǎng)以鉸鏈為軸心不斷上下擺動，殺青后的茶葉沿著篩網(wǎng)滑入到錐形鍋中，同時殺青后茶葉中的細小茶梗和碎屑穿過篩網(wǎng)被剔除。

2 整體設(shè)計方案

2.1 整機結(jié)構(gòu)原理

本裝置技術(shù)方案包括篩選箱、揉捻錐、錐形鍋和底座。本裝置能夠?qū)⑶嗪蟮牟枞~進行連續(xù)揉捻，提高茶葉揉捻加工的效率，且便于將揉捻前的茶葉中的細小茶梗和碎葉剔除，從而提高成品茶葉品質(zhì)。

如圖1 至圖4 所示，本裝置包括篩選箱2、揉捻錐8、錐形鍋9 和底座11，底座11 上表面一側(cè)通過固定架12 安裝有篩選箱2，篩選箱2 內(nèi)壁通過鉸鏈4 安裝有篩網(wǎng)3，篩選箱2 內(nèi)壁靠近連桿20 的一側(cè)安裝有導(dǎo)料板1，殺青后的茶葉沿著導(dǎo)料板1 倒入篩網(wǎng)3上。篩選箱2 下表面背離鉸鏈4 的一側(cè)安裝有凸輪電機16，凸輪電機16 輸出端安裝有凸輪盤22，凸輪盤22 前表面通過轉(zhuǎn)動軸B21 安裝有連桿20，且連桿20末端和篩網(wǎng)3 下表面通過轉(zhuǎn)動軸A19 連接。凸輪電機16 帶動凸輪盤22 轉(zhuǎn)動，凸輪盤22 通過連桿20 帶動篩網(wǎng)3 以鉸鏈4 為軸心不斷上下擺動，殺青后的茶葉沿著篩網(wǎng)3 滑入到錐形鍋9 中，同時殺青后茶葉中的細小茶梗和碎屑穿過篩網(wǎng)3被剔除。

圖1 裝置主視結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圖1 中A的放大結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 裝置凸輪電機局部主視結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 裝置U型架側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖

底座11 上表面背離篩選箱2 的一側(cè)安裝有U 型架6，U 型架6 內(nèi)壁的頂部通過轉(zhuǎn)軸7 安裝有揉捻錐8，U 型架6 上表面安裝有轉(zhuǎn)動電機5，轉(zhuǎn)動電機5 輸出端和轉(zhuǎn)軸7 末端連接，轉(zhuǎn)動電機5 通過轉(zhuǎn)軸7 帶動揉捻錐8 轉(zhuǎn)動。底座11 上表面安裝有伸縮桿10，伸縮桿10 末端安裝有錐形鍋9，伸縮桿10 共設(shè)有兩個，且兩個伸縮桿10 對稱安裝于底座11 上表面靠近U 型架6 兩側(cè)位置處，通過伸縮桿10 調(diào)節(jié)錐形鍋9 的高度，從而調(diào)節(jié)揉捻錐8 的錐形外表面和錐形鍋9 內(nèi)壁之間的距離，以達到對不同大小茶葉進行揉捻的目的，同時也可對同一茶葉揉捻卷曲成型后的大小進行調(diào)節(jié)，提高通用性。且揉捻錐8 位于錐形鍋9 內(nèi)部，錐形鍋9 內(nèi)壁和揉捻錐8 的錐形外表面之間的距離由大變小，揉捻卷曲后的茶葉體型變小，從而沿著錐形鍋9內(nèi)壁和揉捻錐8 的錐形外表面之間的空隙滑出。

U 型架6 內(nèi)壁靠近前表面和后表面位置處對稱分設(shè)有滑槽18，錐形鍋9 前表面和后表面對稱安裝有滑塊17，且兩個滑塊17 分別位于兩個滑槽18 內(nèi)部，滑槽18 和滑塊17 的設(shè)置對于錐形鍋9 的升級起到導(dǎo)向的作用，同時提高錐形鍋9 的穩(wěn)定性。篩選箱2 下表面安裝有漏斗15，底座11 上表面位于漏斗15 下方位置處設(shè)有放置槽13，放置槽13 內(nèi)部設(shè)置有收集箱14，穿過篩網(wǎng)3 的細小茶梗和碎葉沿著漏斗15落入到收集箱14 中。當(dāng)收集箱14 內(nèi)部收集的細小茶梗和碎葉將要滿時，將收集箱14 從放置槽13 中取出，倒出收集箱14 內(nèi)部的細小茶梗和碎葉，錐形鍋9 下表面軸心位置處設(shè)有出料口。

2.2 工作原理

殺青后的茶葉沿著導(dǎo)料板1 倒入篩網(wǎng)3，凸輪電機16 帶動凸輪盤22 轉(zhuǎn)動，凸輪盤22 通過連桿20 帶動篩網(wǎng)3 以鉸鏈4 為軸心不斷上下擺動，殺青后的茶葉沿著篩網(wǎng)3 滑入到錐形鍋9 中，同時殺青后茶葉中的細小茶梗和碎屑穿過篩網(wǎng)3 被剔除。錐形鍋9 內(nèi)壁和揉捻錐8 的錐形外表面之間的距離由大變小，轉(zhuǎn)動電機5 通過轉(zhuǎn)軸7 帶動揉捻錐8 轉(zhuǎn)動，揉捻卷曲后的茶葉體型變小，從而沿著錐形鍋9 內(nèi)壁和揉捻錐8 的錐形外表面之間的空隙滑出。

3 設(shè)備應(yīng)用效果分析

3.1 揉捻效果分析

本裝置通過設(shè)置揉捻錐、錐形鍋和伸縮桿，達到了能夠?qū)⑶嗪蟮牟枞~進行連續(xù)揉捻，提高茶葉揉捻加工效率的效果。殺青后的茶葉投入到錐形鍋內(nèi)部，位于揉捻錐和錐形鍋之間，錐形鍋內(nèi)壁和揉捻錐的錐形外表面之間的距離由大變小，轉(zhuǎn)動電機通過轉(zhuǎn)軸帶動揉捻錐轉(zhuǎn)動并使得殺青后的茶葉被揉捻，揉捻卷曲后的茶葉體型變小，從而沿著錐形鍋內(nèi)壁和揉捻錐的錐形外表面之間的空隙滑出。通過伸縮桿調(diào)節(jié)錐形鍋的高度，進而調(diào)節(jié)揉捻錐的錐形外表面和錐形鍋內(nèi)壁之間的距離，以達到對不同大小茶葉進行揉捻的目的。

3.2 除雜效果分析

本裝置通過設(shè)置篩選箱、篩板、凸輪盤、連桿和凸輪電機，達到了便于將揉捻前的茶葉中的細小茶梗和碎葉剔除，從而提高成品茶葉品質(zhì)的效果。殺青后的茶葉沿著導(dǎo)料板倒入篩網(wǎng)，凸輪電機帶動凸輪盤轉(zhuǎn)動，凸輪盤通過連桿帶動篩網(wǎng)以鉸鏈為軸心不斷上下擺動，殺青后的茶葉沿著篩網(wǎng)滑入錐形鍋中，同時殺青后茶葉中的細小茶梗和碎屑穿過篩網(wǎng)被剔除。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

在對現(xiàn)有茶葉揉捻機械缺陷提出改進設(shè)想后，參考現(xiàn)存的可靠性分析經(jīng)驗，而后進行設(shè)計制造，使得設(shè)計有較高的可靠性，便利未來的檢驗[5]。項目創(chuàng)新點在于：傳統(tǒng)加工以手工進行揉茶，較為費時費力；現(xiàn)代制茶多以機械式盤式揉茶機揉捻，而后再利用人力進行部分加工或挑揀[6]，雖然在很大程度上提高了生產(chǎn)效率并且能夠降低勞動強度，但茶葉質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低的問題依然嚴(yán)重制約著茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7]。本文提供了一種設(shè)有除雜功能的茶葉揉捻裝置，該裝置具備能夠?qū)⑶嗪蟮牟枞~進行連續(xù)揉捻，提高茶葉揉捻加工的效率，且便于將揉捻前的茶葉中的細小茶梗和碎葉剔除，從而提高成品茶葉品質(zhì)的優(yōu)點。解決了現(xiàn)有的問題：茶葉揉捻裝置在使用的過程中通常是將殺青后的茶葉放置于揉捻裝置對茶葉進行揉捻，當(dāng)全部的茶葉揉捻完成后才能夠?qū)ο乱慌蔚牟枞~進行揉捻，無法連續(xù)對殺青后的茶葉進行揉捻，加工效率較低，殺青后的茶葉中存在一些細小的茶梗和碎葉，而這些茶梗和碎屑在茶葉揉捻的過程中會混入其中降低成品茶葉的品質(zhì)。

目前，該揉捻機主要存在以下兩個問題：揉捻機智能化水平不高，尚不能根據(jù)鮮葉原料的老嫩程度智能地選擇機械揉捻工藝參數(shù)，而對茶葉揉捻機的控制系統(tǒng)集成數(shù)字化設(shè)計是滿足更大的生產(chǎn)需求的必由之路[8]；尚不能實時檢測揉捻葉內(nèi)部壓力及其細胞破碎率，影響了揉捻工藝參數(shù)的反饋及實時調(diào)整。為解決上述問題，應(yīng)借助機械優(yōu)化理論及技術(shù)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是與自動揉捻技術(shù)相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計，研發(fā)滿足揉捻工藝要求的壓力傳感器及檢測細胞破碎率的傳感器，以實現(xiàn)揉捻過程中對機械化揉捻工藝參數(shù)的智能化實時調(diào)整，進而實現(xiàn)智能化揉捻[9]。另外，該裝置主要通過試驗來得到合適的工藝參數(shù)，后續(xù)可以對茶葉在成型過程中的運動軌跡進行研究，得到不同工藝參數(shù)下茶葉成型過程中的運動情況和受力情況，進行理論上的深入研究[10]。

4.2 展望

茶，始于神農(nóng)，興于唐，盛于宋。茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今已經(jīng)歷過無數(shù)的朝代，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向現(xiàn)代化、規(guī)模化、集約化和信息化方向發(fā)展，茶葉的生產(chǎn)將由傳統(tǒng)手工高端茶向平民化的放心茶轉(zhuǎn)變，茶葉的連續(xù)化機械加工逐漸取代傳統(tǒng)的單機作業(yè)。為了提高茶葉的市場競爭力，茶園需要引入多種先進的機械化技術(shù)，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前，在信息化技術(shù)迅猛發(fā)展的大環(huán)境下，茶葉加工工序機械化技術(shù)應(yīng)用普及勢不可擋，要將不斷進步的機械化技術(shù)與日益蓬勃發(fā)展的茶產(chǎn)業(yè)有機結(jié)合，保障和提高茶葉產(chǎn)量與質(zhì)量，做好茶產(chǎn)業(yè)，做精茶產(chǎn)業(yè)，推動茶葉產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[11]。