恩施玉露整形上光機(jī)的設(shè)計(jì)概念

侯偉華 張 強(qiáng) 崔清梅 李衛(wèi)東 袁程曉 梁金波 戴居會(huì)

(恩施州農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所湖北農(nóng)業(yè)部科技創(chuàng)新中心鄂西綜合實(shí)驗(yàn)站 445002)

茶葉整形上光在傳統(tǒng)恩施玉露加工過程中形成其條索緊細(xì)圓直，形如松針，色澤蒼翠潤綠的重要環(huán)節(jié)，對(duì)恩施玉露的品質(zhì)影響很大。然而手工整形上光過程勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，由于機(jī)械加工茶葉的品質(zhì)無法達(dá)到手工炒制的水平，限制了高品質(zhì)茶葉加工機(jī)械化的應(yīng)用范圍。近年茶機(jī)企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一些針條形茶加工機(jī)械，但是加工的茶葉直條率較低;另外，槽鍋結(jié)構(gòu)的理?xiàng)l機(jī)是間歇式工作，做形時(shí)間長，難與其它工序協(xié)調(diào)節(jié)拍，不適合連續(xù)生產(chǎn)。

概念設(shè)計(jì)［1］的過程，是一個(gè)發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程。根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的要求，進(jìn)行滿足功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理，求解和進(jìn)行實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行載體方案的構(gòu)思和系統(tǒng)化設(shè)計(jì)［2］。為了解決恩施玉露整形上光問題，適應(yīng)茶葉的自動(dòng)化加工發(fā)展趨勢，需要開發(fā)新型連續(xù)做形機(jī)。本文在吸取過去理?xiàng)l機(jī)與精揉機(jī)試制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上［3］，從理論上闡述針條形茶加工設(shè)備的設(shè)計(jì)問題，并提出新的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)一種半滾筒式整形上光機(jī)。

1 恩施玉露做形工藝手法分解

整形上光全程分兩階段:第一階段為懸手搓條，搓到茶條呈細(xì)長圓形，色澤油綠，約七成干時(shí)，改變搓條手法;第二階段即依托搓，采用“摟、搓、端、扎”四種手法交替進(jìn)行，繼續(xù)整形上光，直到干燥適度為止。

摟:懸手搓條法，雙手相對(duì)提起，手臂向外彎曲，拇指撬起，四指并攏向內(nèi)彎曲，把茶條摟攏。雙手稍用力抓緊，使少量茶條從兩手虎口和小指邊擠出，理齊茶條。

搓:使茶條緊細(xì)，挺直光滑。揉法與懸手搓不同，而以焙爐為依托，在摟的基礎(chǔ)上，四指第一節(jié)微彎曲，呈鉤狀，壓在少量茶坯上。與整形面呈60－70°角，固定不動(dòng)，右手順勢將理齊的茶條帶上左掌。拇指撬起，四指伸直并攏，向右前方搓去，使茶條隨手向前滾轉(zhuǎn)，并在虎口和小指邊吐出約1/5。

端:理?xiàng)l作墩，把茶條理齊成堆，然后換手法繼續(xù)搓條。當(dāng)右掌心搓至與彎曲的左指尖相對(duì)時(shí)，兩手順勢端起茶墩，略轉(zhuǎn)身向右微彎腰，左手向前搓茶。

扎:搓制低級(jí)玉露茶常用的手法。多因芽葉較長或長短不一，扎短茶條，繼之搓、端、摟交替炒制。

在整形上光過程中，搓茶用力實(shí)現(xiàn)輕重輕交替。第一階段懸手搓條要輕，進(jìn)入第二階段，茶坯達(dá)到含水量25－30%，條索互不粘連是稍用力，使茶條緊細(xì)挺直，至含水量20%左右，減小搓力，固定外形，整個(gè)過程70－80 min。

2 整形機(jī)的設(shè)計(jì)要求

實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的功能是靠工藝動(dòng)作來完成的，工藝動(dòng)作的分解對(duì)應(yīng)于功能的分解，同一功能可以由不同的工藝動(dòng)作實(shí)現(xiàn)［4］，首先對(duì)工藝動(dòng)作進(jìn)行構(gòu)思。通過原理部件間的設(shè)計(jì)要求和條件，弄清空間和結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，以得到產(chǎn)品功能的準(zhǔn)確描述，每個(gè)主要的功能都可以對(duì)應(yīng)于其上，使他們有機(jī)地結(jié)合起來，從這個(gè)框架中得到產(chǎn)品大致的總體尺寸、性能和成本，以及在目前的環(huán)境下的可行性等。

2.1 做形中各要素的工藝分解

茶葉做形是按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，讓茶葉在一定壓力下以嫩莖為軸滾動(dòng)卷曲成條。對(duì)恩施玉露整形工藝手法進(jìn)行詳細(xì)分析，實(shí)質(zhì)是完成搓條、調(diào)整、理?xiàng)l和干燥等功能。手工做形技術(shù)中上述四個(gè)功能并沒有明顯的界限，搓揉和理?xiàng)l緊密結(jié)合，干燥的同時(shí)也要理?xiàng)l，不需要茶葉前進(jìn)。恩施玉露手工搓制時(shí)雙手反復(fù)交替，揉搓方向頻頻調(diào)整，茶葉隨著摟、搓、端的動(dòng)作方向改變而改變;因此，茶葉做形過程有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):通過施力方向的改變和施力大小的調(diào)整。

圖1 手工整形示意圖

同時(shí)，手工搓制玉露也存在不足，大量茶葉在手掌中運(yùn)動(dòng)(圖1)，茶葉受力面不平，手掌搓力無法針對(duì)某一單體進(jìn)行搓制，由于茶葉具有受力體變形的特點(diǎn)，很難將茶葉做成直而緊的外形。假設(shè)茶葉搓條時(shí)的理想狀態(tài)，對(duì)搓條時(shí)茶葉單體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，形成茶葉緊細(xì)圓直的首先條件是，在一個(gè)平直的受力面，有相對(duì)均勻的壓力和驅(qū)動(dòng)力對(duì)茶葉施壓搓制，驅(qū)動(dòng)力大小可調(diào)節(jié);在驅(qū)動(dòng)力下茶葉繞主脈滾動(dòng)，根據(jù)茶葉含水率的大小施以不同壓力，這樣茶葉條索漸緊，最終完成整個(gè)做形過程。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)思與設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，必須使茶葉前進(jìn)。茶葉搓條與前進(jìn)，是本機(jī)設(shè)計(jì)的核心。工程設(shè)計(jì)問題常采用功能分解，通過分析工程系統(tǒng)功能關(guān)系，確立待設(shè)計(jì)系統(tǒng)物理參數(shù);根據(jù)系統(tǒng)中能量傳遞建立系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型［5］。因此在設(shè)計(jì)時(shí)功能需求=［搓條、前進(jìn)、干燥］;因此可以將其分解過程為=［茶葉整理、揉搓、調(diào)整方向、加熱］，相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為=［驅(qū)動(dòng)力F、驅(qū)動(dòng)方向力G、揉搓時(shí)間t1、前進(jìn)時(shí)間t2、溫度C］，新機(jī)型的設(shè)計(jì)必須提供上述條件。其中，假設(shè)對(duì)茶葉單體進(jìn)行加工，調(diào)整茶葉搓制的方向是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

茶葉加工機(jī)械能否制出符合要求的外形，關(guān)鍵就是看能否設(shè)計(jì)出茶葉在槽鍋中能實(shí)現(xiàn)所需外形的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及如何設(shè)計(jì)茶葉加工機(jī)械使茶葉在鍋槽中實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)分析，完成理想動(dòng)作，一是提供茶葉單體受力的條件。改變施力方式，調(diào)整兩個(gè)方向搓制為單方向搓制，使主動(dòng)手勢與被動(dòng)手勢的交替變換，為揉刷始終作為主動(dòng)手勢施壓驅(qū)動(dòng)，完成做形動(dòng)作;二是提供平直的受力環(huán)境和均勻的驅(qū)動(dòng)力，使茶葉在驅(qū)動(dòng)下發(fā)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與受力面和驅(qū)動(dòng)面均發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使茶葉搓制時(shí)滾動(dòng)，前進(jìn)時(shí)滑動(dòng)，減小茶葉運(yùn)動(dòng)面。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傾斜槽面作為支撐面提供壓力，以槽調(diào)整茶葉方向，重力分力提供前進(jìn)力。

2.3 溫控系統(tǒng)

溫度是影響制茶品質(zhì)的重要參數(shù)，與做形效果和在制茶葉的含水量密切相關(guān)。溫度過高會(huì)導(dǎo)致茶葉失水過快，在整形結(jié)束之前含水量便降到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)之下，給進(jìn)一步整形帶來困難。合適的溫度、濕度會(huì)使茶葉的可塑性適合整形的需要。在整形上光機(jī)設(shè)計(jì)中，溫控與動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)是彼此獨(dú)立的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)可互不干擾。茶葉連續(xù)自流機(jī)構(gòu)的速度與溫度協(xié)調(diào)配合起來，共同控制茶葉的失水率。溫度一定時(shí)，茶葉在整形過程中的含水量，可依靠調(diào)節(jié)茶葉連續(xù)自流機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度來實(shí)現(xiàn)。

3 整形上光機(jī)的設(shè)計(jì)要求

整形上光機(jī)總體設(shè)計(jì)的要求是，外形美觀、操作安全、環(huán)保節(jié)能、溫度能自由調(diào)節(jié)、恒溫控制，緊密結(jié)合制茶理論，有所突破創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)茶葉連續(xù)化加工。實(shí)現(xiàn)功能的工藝動(dòng)作，機(jī)構(gòu)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，最終歸結(jié)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是方案設(shè)計(jì)的核心。整形上光機(jī)分為三部分:動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。恩施玉露整形上光機(jī)的設(shè)計(jì)框架如圖2所示:

圖2 整形上光機(jī)整機(jī)示意圖

3.1 工藝執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 茶葉搓制環(huán)境——鍋體的設(shè)計(jì) 根據(jù)整形上光機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，鍋體的設(shè)計(jì)需要具備兩個(gè)功能:一是提供茶葉搓制需要的理想環(huán)境;首先簡化手工工藝，改變茶葉兩個(gè)方向搓制為一個(gè)方向;提供茶葉單體的加工環(huán)境和無限平直的受力環(huán)境，使茶葉每受一次力搓制效果等于或好于手工效果;設(shè)計(jì)方案:為了實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉單體的搓制環(huán)境，設(shè)計(jì)整形機(jī)構(gòu)為槽鍋型，槽深僅能容下茶葉單個(gè)體;導(dǎo)葉槽與導(dǎo)葉面依次交錯(cuò)，導(dǎo)葉面寬約等于茶葉在手掌中搓制的行程。假設(shè)經(jīng)初步理?xiàng)l的茶條長度20－30mm，直徑1－2mm，鍋體半周長相對(duì)于茶葉導(dǎo)葉面槽可視為無限平直受力面;二是調(diào)整茶葉搓制方向，實(shí)現(xiàn)茶葉加工的連續(xù)化，即使茶葉搓制過程中前進(jìn)。鍋體內(nèi)導(dǎo)葉面/導(dǎo)葉槽呈螺旋狀分布，并與鍋體主軸呈一定夾角θ;當(dāng)對(duì)茶葉施力搓制時(shí)，茶條與槽面和揉刷發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即茶葉在施力裝置作用下行程為一個(gè)導(dǎo)葉面，茶葉被帶到一定高度，繼而順螺旋狀導(dǎo)葉槽下滑，調(diào)整茶葉方向，驅(qū)動(dòng)力G為重力分力，同時(shí)使茶葉前進(jìn);隨著下一次搓制過程的到來，搓制時(shí)間t1和前進(jìn)時(shí)間t2交替進(jìn)行，并最終完成前進(jìn)動(dòng)作。

3.1.2 施力裝置——刷體的設(shè)計(jì)施力裝置是實(shí)現(xiàn)整形上光機(jī)的關(guān)鍵。刷體的設(shè)計(jì)要符合兩點(diǎn):一，提供符合要求的搓制力，根據(jù)茶葉物理性質(zhì)對(duì)搓制工藝的要求，做形過程中需要提供輕－重－輕交替的壓力，因此對(duì)刷體材料的軟硬要求、材料的耐熱性、刷面對(duì)粗糙度，都有經(jīng)過選型試驗(yàn);二，調(diào)整刷體的刷體形狀、大小及角度，以與鍋體匹配;揉刷長度同導(dǎo)葉面寬或略長，以提供均勻搓制力。

3.2 工作原理

待制茶葉由進(jìn)料口4散落在螺旋形鍋槽上，在整形機(jī)前段經(jīng)過刷體5和導(dǎo)葉槽/面7的調(diào)整，首先達(dá)到最佳搓制狀態(tài);繼而在揉刷5的壓力驅(qū)動(dòng)下茶葉發(fā)生滾動(dòng)，并與揉刷、導(dǎo)葉面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成為一個(gè)面寬，即相當(dāng)手工搓制一次;當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)，導(dǎo)葉槽斜度大于茶葉摩擦角時(shí)，茶葉即下滑前進(jìn)。同時(shí)，槽鍋體半圓上方與揉刷脫離接觸，即不允許茶葉被帶到高于軸的地方，防止茶葉回翻或被拋到鍋槽之外。當(dāng)茶葉搓制到尾端，尾端槽體有一出料口，茶葉自行落在出料震動(dòng)槽14，完成整個(gè)做形過程。

在設(shè)計(jì)整形上光機(jī)時(shí)，將制茶分解為多項(xiàng)可以控制的參數(shù)，注重對(duì)做緊做直、整形環(huán)境的量化，包括溫度、加壓壓力、茶葉連續(xù)自流速度(轉(zhuǎn)速)等。茶葉連續(xù)自流機(jī)構(gòu)的速度、加壓機(jī)構(gòu)的壓力、加熱溫度均可調(diào)。確定以上參數(shù)的最佳組合，通過上述參數(shù)的調(diào)節(jié)以達(dá)到制出最佳品質(zhì)的茶葉。

4 結(jié)論

4.1 實(shí)現(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新

恩施玉露傳統(tǒng)手工制茶主觀性很強(qiáng)，茶葉制作過程中質(zhì)量控制的許多參數(shù)無法量化。本設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的茶葉加工機(jī)械的設(shè)計(jì)思路，使運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和制茶理論相結(jié)合，變傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)往復(fù)平動(dòng)為旋轉(zhuǎn)推進(jìn)式運(yùn)動(dòng)，做形中實(shí)現(xiàn)茶葉前進(jìn)。

4.2 解決做形不能連續(xù)的技術(shù)瓶頸

傳統(tǒng)的針形茶做形機(jī)械都是間斷投料、間斷取料的，這種茶葉加工機(jī)械不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)化加工。茶葉連續(xù)化生產(chǎn)線上的設(shè)備必須是連續(xù)投料、連續(xù)出料的。否則，就會(huì)造成一些設(shè)備在茶葉加工過程中發(fā)生在制品堆積或設(shè)備空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。本研究設(shè)計(jì)的恩施玉露整形機(jī)，采用茶葉連續(xù)自流機(jī)構(gòu)運(yùn)送茶葉，加熱、加壓均在茶葉連續(xù)自流機(jī)構(gòu)上進(jìn)行，完全實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)這個(gè)問題，提高了勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，并減少制茶過程中的二次污染。

4.3 做形過程的量化控制

傳統(tǒng)由熱風(fēng)爐供熱的恩施玉露整形平臺(tái)，前后溫度不均，導(dǎo)致做形過程中茶葉品質(zhì)變化不一;且手工做形，人的技術(shù)高低區(qū)別很大，并且熱風(fēng)爐熱能效率低，同時(shí)產(chǎn)生大量的廢氣、廢渣。本研究設(shè)計(jì)的恩施玉露整形機(jī)，將茶葉制作過程中質(zhì)量控制量化成加壓裝置壓力、溫度、茶葉連續(xù)自流機(jī)構(gòu)速度等參數(shù)，朝茶葉制作質(zhì)量可控化方向，邁進(jìn)一步。

1 曹東興，檀潤華，苑彩云.基于功能分解的機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì).機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(11):13 －17.

2 鄒慧君，汪利，王石剛.機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)及其方法綜述.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1998，(2):9 －12.

3 侯偉華，張強(qiáng)，崔清梅.針形綠茶做形機(jī)械研究進(jìn)展.茶葉，2010，36(2):67－70.

4 李克彬，呂志成，王淑琴.基于公理設(shè)計(jì)的扁茶加工設(shè)備的研究與開發(fā).食品與機(jī)械，2006，22(6):103 －106.

5 鄒慧君編著.機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì).上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1996.