茶叶振动理条机研究进展与发展趋势分析

做形是针形名茶品质形成的关键工序, 它既有力的作用, 也有热的作用, 不仅对外形品质起决定性作用, 还对针形茶内质形成起重要作用。目前, 常用的茶叶做形机械为振动理条机[1]。振动理条机具有运转平稳、结构简单、易于操作, 便于流水线作业等优点, 在针形名茶加工中有着广泛应用[2]。

振动理条机既需要靠来回振动摩擦塑造紧、细、直的外形, 又要避免过多摩擦使色泽变暗;既要靠热化学作用发展内质, 又要避免高湿环境中的热化学作用对叶绿素的大量破坏[2]。为了达到保证制茶品质、提高生产效率和实现流水线作业的目的, 为研制开发全自动智能理条机提供参考, 笔者从振动理条机的结构和工作原理入手, 综述了目前振动理条机的研究现状, 其发展趋势,

1 振动理条机的结构与原理

振动理条机始于20世纪90年代, 目前主要采用电能、燃气、柴煤等作为能源, 主要由投料装置、出茶装置、电动机、调速装置、加热装置、温度调控装置、”U”形槽锅及锅台、传动机构和机架等部件构成[2]。工作原理是电机带动传动机构驱动锅台作平面往复运动, 同时借助锅台下方加热器实现茶叶连续加热干燥和受力。茶叶在锅内加热散失水分的同时沿着锅内壁翻转, 通过摩擦、挤压、滚动成条[2]。

2 振动理条机的研究进展

2.1 投料装置

传统振动理条机采取人工投料, 由于理条机槽体窄且多, 人工投料难以保证均匀, 且不利于针形名茶自动化加工。对此, 有不少专利报道了理条工序中的自动称量进料和自动称量分料。

(1) 自动称量进料。有专利报道[3], 通过理条机的一侧上方带多个倒“U”型口倾斜的下料板与每个“U”型小槽相对应来实现分隔下料。下料方便, 不会浪费原茶叶, 同时振动理条时能压住茶叶, 使得理条更顺畅。也可通过称重皮带秤来实现定量下料[4], 与松阳县上河茶叶机械有限公司[5]发明的全自动智能理条机的进料装置类似。但上述研究仍未实现每个槽体均匀下料。

(2) 自动称量分料。通过在进料斗上安装一块底部带有凹槽的矩形板, 实现自动分割进料, 分料一致, 厚薄均匀, 从而提高做茶机械自动化程度, 大大降低劳动强度[6]。但进料装置过于繁杂, 操作中易出现故障。

2.2 出茶装置

传统振动理条机出茶装置是借助”U”形槽的”U”形口手动倾斜出茶。劳动强度大, 不便于实现自动作业。对此, 有不少专利报道了自动出茶装置。

(1) 改造槽体结构。如失衡式出茶装置[7], 在可旋式多槽锅体纵向两端中部固定两件销轴, 依靠两销轴与往复运动台架作可旋转的活动铰接, 使出茶操作简单、轻松而不须费力。也可倾斜设置”U”形锅槽[8], 最前端”U”形锅槽的首端与进料口相连接, 最后端”U”形锅槽的末端与出料口相连接, 相邻间的”U”形锅槽倾斜方向相反, 实现自动进料、出料。但此类结构容易卡茶, 不便于自动作业。

(2) 借助其他装置。陈云强[9]发明的一种茶叶理条机电动倒料装置, 通过支架上的拉索实现电动倒料, 并且便于自动控制、结构简单。利用气缸可实现自动出茶, 轻便快捷, 解决了理条机出料难问题[10,11]。

(3) 采用阶梯连续机组。将2个及2个以上单体理条机通过阶梯排列形成整体, 理条机敞开式多槽锅纵向有倾斜角。茶叶在单体理条机振动理条的同时, 利用多槽锅的纵向倾斜角自动由高向低, 实现连续理条作业[12,13,14]。但阶梯连续理条机组占地面积大, 倾斜度难掌控, 理条工艺尚需改进。

2.3 理条槽体

振动理条机的槽体为”U”形, 其数量、长度、宽度、高度、倾斜度及内壁结构等均会影响理条效果。目前, 关于槽体的研究较少。

应用较多的槽体为18槽不锈钢槽体, 在圆弧形的槽底和倾斜设置的槽边内壁上设置理条凸部, 倾斜设置的槽边可在槽体往复运动时将茶叶翻转, 理条凸部可进一步提高茶叶运动过程中的翻转理条效果[15]。另有专利公开了一种理条槽[16], 一侧边设置加强筋, 折弯成圆形, 使得相邻理条槽的侧边可伸入圆形内, 通过圆形来卡合。结构简单, 相邻理条槽之间无焊接, 一根结构, 即使遇热受力也不易变形, 提高了茶叶的理条质量。

2.4 加热装置

传统的振动理条机加热装置通常设在槽锅下方, 多采用电源直接加热, 存在安全隐患, 温度分布不均等问题。目前, 关于理条机加热装置的研究报道颇多。

(1) 改造加热床结构。采用柔性材料与发热槽紧密贴合, 加热不受槽体外轮廓影响, 将传统的辐射式加热设计成金属热传递和保温层, 极大提高了热利用效率。其结构紧凑, 预热迅速, 热利用效率高[17]。在一组呈筒状设置的加热管表面设有一排翅片, 翅片之间留有发热间隙。结构简单, 效果好, 能够保持加热均匀, 提高生产效率及茶叶品质[18]。

(2) 改变热传递方式。如热风装置[19], 在槽体边壁上开有若干通风孔, 槽体侧边安装有倾斜的挡板, 通过槽体两端的风机将热风吹入挡板与槽体之间, 热风沿槽体壁通风孔进入槽体, 从而达到加热的目的。此种加热方式加热均匀, 茶叶成型效果好, 节约了大量能源。这与徐小春等[20]发明的一种热风加热茶叶理条机相似。又如热蒸汽装置[21], 热蒸汽是一种高温、含水量相对低的一种导热介质, 其传热迅速、受热均匀、安全性能可靠、运用方便。

(3) 改变热源。如改用燃气式茶叶理条机耗气量小、燃烧完全、槽锅受热均匀, 适合各种茶叶的制作[22]。远红外技术应用较多, 有采用远红外技术上加热方式进行加热[23], 这样不仅降低了能耗, 理条质量和茶叶品质也较传统理条机有大幅度提高。肖宏儒等[24]表明加热远红外茶叶杀青理条机具有理条紧直、连续化作业、节能环保和有效降低苦涩味等特点。也有采用远红外下加热方式进行加热[25,26], 在理条槽下方设有远红外石英加热管, 优点是节能、环保、生产效率高;操作直观、温度易于控制、降低了对操作人员的技术要求;生产的茶叶质量有保证, 特别适用于名优高档茶叶生产中连续理条作业。

2.5 传动装置

目前, 国内的振动理条机传动机构多采用曲柄滑块机构[27], 导致加速比较缓慢且运动过程中振动较大, 机器磨损较大。

牛石从等[28]将非圆齿轮应用到茶叶自动杀青理条机的传动机构, 以代替曲柄滑块机构。通过理论验证表明, 该传动机构的优点是加速快、振动相对较平稳, 符合当前茶叶加工工艺要求。另有专利公开了一种茶叶理条机的偏心传动机构[29], 以解决现有理条机传动机构复杂, 传动稳定性差的问题, 结构设计简单合理, 适用于连接茶叶理条机的动力机构和理条槽体, 传动稳定性好, 弯连杆两端通过轴承和销轴连接, 运动灵活, 不易磨损。

2.6 其他方面

(1) 改往复振动式为滚筒式。张远明等[30]设计的一种双旋筒式茶叶理条机, 应用自动控制技术和复合运动技术, 从根本上改变了传统理条机的工作方式。但没能实现闭环控制, 温度大小及外桶振动频率靠人工设定, 运动传感技术不成熟, 噪音较大, 与清洁、安静的现代化茶叶生产线不协调。封雯[31]发明的针形茶固形机将内壁上设有5~15 mm轴向条形棱骨的一头大一头小的滚筒作为造型主体。

(2) 有以降低振动噪音为目的而研发的理条机。如将理条体悬挂在机架上, 无需依靠滚轮来减少摩擦阻力, 从而无需使用润滑油, 因此不存在对生产环境以及茶叶的污染[32]。有将轴承与滑轨配套组成滑动装置可将茶叶的杀青、理条、压扁、整形等多道工序在一机中完成, 具有滑动稳固、振动小、磨损小、无噪音、不溅油废茶、机械使用寿命长的优点[33]。也有惯力自平衡往复式杀青理条机, 在机架上安装2组在同1个平面上运动方向相反、绝对运动速度相等做平动的槽形锅体, 惯性力刚好平衡, 大大减少理条机的噪音和振动[34]。

(3) 可吸湿降温的理条机。石小才[35]发明的吸湿型名茶理条整形机通过在槽形锅正上方安装吸风机以排除理条过程中的热空气, 可使理条叶避免高温高湿造成品质下降。有专利设计的可降温茶叶理条机对机器核心部件添加了保护装置, 增加了理条机的使用寿命[36]。

3 振动理条机的发展趋势

(1) 振动式理条机由于运转平稳、结构简单、易于操作, 便于流水线作业, 符合理条作业热力学要求, 是实现针形名茶清洁化、自动化加工的重要设备, 有望继续使用。

(2) 由于振动理条需要合理控制投叶量、理条温度、振动频率、理条时间等, 对操作技术要求较高, 基于振动理条方式的自动化程序控制理条装备研发将是今后热点课题。

(3) 由于当前针形茶理条工序能耗较高, 改变能源方式、热传递方式的作业机械也将是今后的重点研究内容。

摘要：振动理条机是针形名茶做形的常用设备。总结了振动理条机研究现状, 分析其各种类型结构装置的工作原理及其优缺点, 探索了振动理条机的发展趋势。

关键词：茶叶,针形名茶,振动理条机,结构,现状

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