權(quán)啟愛
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所,310008
茶葉揀梗機是一種茶葉精制加工設(shè)備,為了保持茶葉精制產(chǎn)品即商品茶的品質(zhì)純凈,茶葉揀梗機應(yīng)用廣泛,其研制開發(fā)歷來受到業(yè)界的高度重視。
鮮葉采摘過程中,難免會混雜進部分老梗老葉,烏龍茶等茶類使用的鮮葉,因要求較成熟,芽葉較粗大,老梗老葉含量較多,當(dāng)前鮮葉機械化采摘逐步普及,鮮葉中的老梗老葉帶入量就更大,故在完成加工的毛茶中,不可避免地會含有莖梗等次質(zhì)茶,需要從成茶中揀出,形成了茶葉精制加工中的一道重要工序。
我國的茶葉精制揀梗作業(yè),自古以來依賴手工進行。由于茶葉中的莖梗往往難于分辨,故需用手工一根根揀出,十分艱難,再者有些類型茶葉含梗量大,揀梗特別費工,直至目前在一些烏龍茶等加工企業(yè),手工揀梗隊伍特別龐大,是茶葉精制中最為困難和用工最多的作業(yè)(圖1)。
圖1 烏龍茶揀梗作業(yè)
茶葉精制作業(yè)機械化,在印度、日本等國出現(xiàn)較早,我國的臺灣省因較早接觸日本茶葉機械加工技術(shù),20世紀(jì)40年代茶葉精制設(shè)備的生產(chǎn)已較普遍。也就是從40年代起,中國大陸便有企業(yè)引進印度、日本和我國臺灣的設(shè)備進行紅綠茶等的初精制加工。如1947年上海興華茶葉公司購置臺灣制造的包括茶葉揀梗機在內(nèi)的茶葉精制加工機械,在浙江杭州長明寺巷開辦之江茶廠,加工浙江綠茶,這些設(shè)備的應(yīng)用,充分顯示出機械制茶和茶葉揀梗之優(yōu)越。
我國茶葉揀梗機的研制正式起始于建國后,經(jīng)歷了階梯式茶葉揀梗機、靜電式茶葉揀梗機、色差式茶葉揀梗機等研制發(fā)展過程。
我國茶葉揀梗機的開發(fā)與應(yīng)用從國外引進開始,作為機械式茶葉揀梗機的階梯式茶葉揀梗機最早在我國獲得應(yīng)用,后來還出現(xiàn)了間隙式等機械式茶葉揀梗機。
(1)階梯式茶葉揀梗機的研制和應(yīng)用
1949年11月,時任實業(yè)部副部長、中國茶業(yè)公司總經(jīng)理的吳覺農(nóng)先生,為支持茶葉生產(chǎn)恢復(fù)發(fā)展,先后組織專門技術(shù)人員,以仿制為主,參考國外引進樣機,測繪和設(shè)計出包括階梯式茶葉揀梗機在內(nèi)的10余種茶葉初、精制設(shè)備,安排上海、杭州等地的一些私營機械工廠制造,然后將產(chǎn)品分發(fā)至華東和中南等重點產(chǎn)茶區(qū)使用,籌備興建了一批初、精制機械茶廠,這是我國首次進行的機械式結(jié)構(gòu)階梯式茶葉揀梗機的設(shè)計、制造和推廣應(yīng)用。1964年,我國決定援建幾內(nèi)亞瑪桑達茶場茶葉加工廠,在由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所主持設(shè)計、杭州農(nóng)業(yè)機械廠制造的11種茶葉精制設(shè)備中也包括了機械式全金屬結(jié)構(gòu)的cGJ-65型階梯式茶葉揀梗機。這種型號的茶葉揀梗機,當(dāng)時除用于援助非洲幾內(nèi)亞瑪桑達茶廠、馬里錫卡索茶廠和摩洛哥洛柯斯茶廠等,后經(jīng)進一步完善設(shè)計的6cJJ-82型階梯式茶葉揀梗機外,直至目前仍為國內(nèi)使用最普遍的茶葉揀梗機(圖2)。
在各類毛茶中,由于茶葉葉條多呈彎曲狀,體形多不勻稱,重心往往距離條端較近;而茶梗則多長直而整齊,且較光滑,重心在中間部位,離梗端較遠。階梯式茶葉揀梗機,就是一種利用特殊作業(yè)部件和茶葉中梗、葉物理形狀不同,而將茶梗揀除的茶葉揀梗機。
圖26cJJ-82型階梯式茶葉揀梗機
階梯式茶葉揀梗機的主要結(jié)構(gòu)由揀床、傳動機構(gòu)、進茶斗、出茶斗、出梗斗和機架等組成。揀床的主要工作部件為多槽板和揀梗軸,多槽板用鑄鋁經(jīng)切削或用鋁板沖壓而成,槽溝前傾,置4~5層,規(guī)范而光滑;揀梗軸為直徑6~7mm光軸,位于上下兩層多槽板間的空隙中間位置,傳動結(jié)構(gòu)帶動揀床產(chǎn)生連續(xù)振動,并驅(qū)動揀梗軸轉(zhuǎn)動。階梯式茶葉揀梗機利用這種特有的機械結(jié)構(gòu)、運轉(zhuǎn)形式,以及茶葉葉條與茶梗物理性狀差異,而實施對茶葉茶梗的揀剔。
階梯式茶葉揀梗機作業(yè)時,隨著機器的運轉(zhuǎn),機器上部進茶斗內(nèi)的待揀茶葉,被均勻送入揀床多槽板的槽溝內(nèi),在每條傾斜槽內(nèi)縱向排列成行并緩慢向前移動,當(dāng)通過前后兩層多槽板中間的間隙時,較短而又稍彎曲的茶葉在碰到轉(zhuǎn)動的揀軸前,重心已超過多槽板邊緣而翻落在溝槽內(nèi),落入下一層多槽板繼續(xù)接受揀剔,最后從出茶斗排出機外;較長而圓直的茶梗,因重心尚未超過多槽板邊緣,故能保持平衡不前傾,被揀梗軸輸送越跨過溝槽,從出梗斗排出機外,實現(xiàn)茶梗和茶葉的分離。為了提高揀剔效果,多槽板一般呈階梯型布置多層。
階梯式茶葉揀梗機在毛茶加工揀梗作業(yè)中,常常被用于長梗的揀除。為了使揀梗效果良好,生產(chǎn)中一般是先將毛茶篩分,對篩面茶切茶、復(fù)篩,以便從茶葉中分離出來含梗較多的粗大茶葉,盡可能數(shù)量較少地投入階梯式揀梗機揀梗,以減少工作量。應(yīng)該注意的是,揀梗前的切茶,在葉條切斷的同時,應(yīng)十分重視保梗,因為如果將茶梗切斷,會使茶梗與葉條長度相近,以至于階梯式茶葉揀梗機很難將茶梗從茶葉中揀出,降低了揀梗效果。生產(chǎn)中使用的切茶機,如齒滾式切茶機雖切茶效率較高,但易切斷茶梗;而螺旋式切茶機雖切茶效率較低,但保梗性能良好,故多被優(yōu)先選用。
此外,由于階梯式揀梗機是利用葉、梗長度有別而進行揀梗,故如將它用于雖不含梗,但茶條卻長短差異明顯的茶葉分揀時,長條茶會被分離出來,因此生產(chǎn)中也有將階梯式茶葉揀梗機用作條形名優(yōu)茶特別是龍井茶為代表的扁形茶精制加工中的分長短,使分離后的各檔茶葉中的條形長度更加均勻和整齊。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所杭州龍冠實業(yè)有限公司的龍井茶,外形均勻程度獲得業(yè)界的一致肯定,階梯式茶葉揀梗機的科學(xué)運用是一大原因。
階梯式茶葉揀梗機是我國最早應(yīng)用于生產(chǎn)的機械式茶葉揀梗機,結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,適用于茶葉中的長梗揀剔。由于該機的使用,顯著減少了茶葉加工揀梗作業(yè)的用工,是我國各類茶葉精制作業(yè)中應(yīng)用最廣泛的揀梗機類型。但是該機需反復(fù)揀剔,作業(yè)效率較低,并且對茶葉中的細梗、毛衣等夾雜物揀剔效果不理想。
(2)間隙式茶葉揀梗機
間隙式茶葉揀梗機也是一種機械式茶葉揀梗機,它是利用粗、細相差原理,進行茶葉揀剔作業(yè)的揀梗設(shè)備。該設(shè)備于20世紀(jì)80年代由我國研制,多用于烏龍茶精制加工的揀梗作業(yè)。
間隙式茶葉揀梗機主要作業(yè)部件是一對斜置并且反向旋轉(zhuǎn)的輥軸,作業(yè)時是利用輥軸間所形成的較精確間隙,將較粗葉條與較細的茶梗分離開來。
間隙式茶葉揀梗機作業(yè)時,貯茶斗內(nèi)的待揀茶,經(jīng)振動送料器輸送,沿淌料板經(jīng)流量控制器分成若干路(常用者多為10路),均勻地送到對應(yīng)的各對斜置的輥子槽隙間。由于每對輥子互為反向旋轉(zhuǎn),右邊的輥子順時針旋轉(zhuǎn),左邊的輥子逆時針旋轉(zhuǎn),在輥子槽隙上的葉子沿軸向向下流動,同時被旋轉(zhuǎn)的輥子上拋,使葉子在輥子槽隙上跳動,不能通過兩只輥軸間隙,而向前緩慢移動,直至從前部軸端排出機外。由于槽隙很細,僅能讓細小的莖、梗通過,因此這些細小莖,一方面隨著茶葉向前移動,在移動過程中,下部接近輥軸間隙的莖、梗,便會穿過輥軸間隙,從出茶口排出機外,達到葉梗分離的目的。輥軸間隙可視付揀茶葉狀況不同而作聯(lián)動調(diào)節(jié)。輥軸上方設(shè)有噴氣裝置,噴出的氣流可增加茶葉在輥子間的流速,促使其翻動以利莖梗下落,增強揀梗效果。
間隙式茶葉揀梗機現(xiàn)多用于烏龍茶的揀梗作業(yè),今后在機采茶的揀梗作業(yè)中會有良好的應(yīng)用前景。
階梯式茶葉揀梗機等的廣泛應(yīng)用,雖然減輕了大量的人工揀梗勞動,但是生產(chǎn)率較低,并僅限于長梗揀除。為此,20世紀(jì)80年代我國開始了機電一體化靜電式茶葉揀梗機的研制,研制成的產(chǎn)品有高壓靜電式茶葉揀梗機和塑料靜電式茶葉揀梗機兩種。
(1)高壓靜電式茶葉揀梗機的研制與應(yīng)用
20世紀(jì)80年代初,浙江省機械科學(xué)研究所(現(xiàn)浙江省機電設(shè)計研究院)郭豐庚與臨安茶葉機械廠合作,進行了利用電解質(zhì)極化差異而進行茶葉揀梗的高壓靜電式茶葉揀梗機的研制。經(jīng)過幾年的努力,1987年6cDJ-275型高壓靜電式茶葉揀梗機通過鑒定,并在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。
高壓靜電式茶葉揀梗機的工作原理是,當(dāng)如茶葉一類的電解質(zhì)(不帶電物質(zhì))通過靜止不動的帶電體產(chǎn)生的電場(靜電場)時,會產(chǎn)生極化效應(yīng),在組成茶葉的成分中,水是極性分子。而經(jīng)過干燥后的茶葉,通常茶梗的含水率明顯高于葉條,故送入靜電場后極化程度差異明顯。高壓靜電式茶葉揀梗機由高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生高壓,輸送給靜電輥(電極筒),在靜電輥與喂料輥(分配筒)間產(chǎn)生了靜電場(圖3)。這時輸入到揀梗機中的茶葉,經(jīng)過喂料輥進入靜電場后便產(chǎn)生極化現(xiàn)象,并在下落的同時向曲率半徑較小的電極筒作拋物線式偏移。通常茶梗含水率較高,極化程度強,偏移距離大;茶葉的含水率較低,則偏移距離短,通過分別收集,達到梗、葉分離的目的。
圖3 高壓靜電式茶葉揀梗機
高壓靜電式茶葉揀梗機的主要結(jié)構(gòu)由茶葉送給機構(gòu)、高壓靜電發(fā)生器、分離機構(gòu)和動力機構(gòu)四大部分組成,均裝在機架上和柜式箱體內(nèi)。茶葉送給機構(gòu)包括貯茶斗、輸送帶、流量控制器和喂料輥等,作用是輸送茶葉、控制流量,連續(xù)均勻地將茶葉送入高壓靜電場中。高壓靜電發(fā)生器一般由穩(wěn)壓器、調(diào)壓器、升壓變壓器和倍壓整流網(wǎng)絡(luò)等組成。通過調(diào)節(jié)初級電壓,產(chǎn)生直流高壓,輸送到高壓靜電輥上。分離機構(gòu)主要工作部件為靜電輥和分離板。靜電輥為光滑金屬輥筒,端部設(shè)有滑環(huán)和電刷。分離板為一斜置的絕緣板,通常用有機玻璃制成,其上沿接受下落茶梗,因茶梗和茶葉下落無明顯分界線,為提高揀凈度,作業(yè)時應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)分離板位置。同樣為了提高揀凈度,高壓靜電式茶葉揀梗機一般設(shè)置兩只靜電輥,即重復(fù)揀梗2次。
高壓靜電式茶葉揀梗機是利用茶葉的葉、梗在電場中所受的電場力存在差異的特性工作的,電場力的大小受多種因素影響,就茶葉本身而言,決定于茶葉的含水率,即上揀茶的含水率決定了電場對葉、梗吸引力的大小。實際應(yīng)用表明,通常最適合高壓靜電揀梗的茶葉含水率,綠茶為6.0%~6.5%、條形紅茶為3.0%~6.5%,這時揀梗效果最好。此外,高壓靜電式茶葉揀梗機的揀梗作業(yè),還應(yīng)考慮茶葉揀剔時的溫度,一般是復(fù)烘后不久,茶葉尚有一定溫度時付揀,效果較好。
正因為高壓靜電式茶葉揀梗機采用靜電吸引原理揀梗,使用表明,對紅碎茶的揀剔效果最好,其次是綠茶和條形(工夫)紅茶。由于機采茶中所含細梗和毛衣量大,可以預(yù)見,高壓靜電式茶葉揀梗機將會在機采茶精制揀剔作業(yè)中發(fā)揮良好的作用。
(2)塑料靜電式茶葉揀梗機的研制和應(yīng)用
20世紀(jì)80年代,我國紅碎茶發(fā)展迅速,為了滿足紅碎茶揀梗需求,業(yè)界研制了一種塑料靜電式茶葉揀梗機,其揀梗原理與高壓靜電揀梗機相同,只是產(chǎn)生靜電的方法不同,系利用表面包裹羊毛氈的輥子與塑料輥子相對摩擦產(chǎn)生靜電場(羊毛輥帶正電,塑料輥帶負電),從而達到揀剔茶梗的目的。塑料輥、羊毛輥和揀板是塑料靜電式茶葉揀梗機揀梗作業(yè)的關(guān)鍵部件。塑料輥一般采用聚氯乙烯制成,一只塑料輥和一只羊毛輥組成一組。兩只輥子平行緊靠安放,兩輥轉(zhuǎn)向相同,羊毛輥轉(zhuǎn)速385r/min,塑料輥轉(zhuǎn)速25r/min。兩輥間的壓緊程度通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié),以獲得不同的電場強度,適應(yīng)不同的原料。茶梗依靠塑料輥吸出。塑料靜電式茶葉揀梗機一般直接安裝在紅碎茶初制生產(chǎn)線上,用于在線的紅碎茶筋梗、毛衣揀剔,在烘干之后的茶葉輸送帶上實施揀梗,一般是通過幾組反復(fù)揀剔,可滿足紅碎茶揀梗需求。塑料靜電式茶葉揀梗機在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所研發(fā)的顆粒(碎)綠茶初精制連續(xù)化生產(chǎn)線上亦獲得良好應(yīng)用。
本世紀(jì)初以來,隨著以計算機為核心的高新技術(shù)的迅速發(fā)展,合肥美亞光電技術(shù)有限責(zé)任公司、安徽中科光電色選機械有限公司等企業(yè),將計算機與高分辨視頻識別和高速微型噴氣等高新技術(shù)相結(jié)合,研制開發(fā)出高新技術(shù)型色差式茶葉揀梗機,應(yīng)用于各種茶類的茶梗揀剔,效果良好。
色差式茶葉揀梗機是一種采用DSp技術(shù)和數(shù)碼技術(shù),并采用了色選精度很高、可靠性好的色差感應(yīng)系統(tǒng)的色選設(shè)備,從而有包括黃、綠同選在內(nèi)等5種色選方式可供選用,做到一機多能。該機除可對傳統(tǒng)茶葉等物料進行色選外,還可針對條狀和片狀物料進行特殊計算處理而擴大色選范圍。該機采用兩次采集、處理和色選,色選精度高,同時由于快速圖像修正和通道均衡技術(shù)的應(yīng)用,揀梗精度顯著提高并降低了損耗。
色差是茶葉揀梗機之所以能夠?qū)嵤5母驹?,除機器本身所具有的固有性能外,還基于茶葉中梗、葉色澤的差異程度。例如綠茶,一般葉條色澤偏綠翠,而茶梗色澤偏黃,其存在的顏色差異即色差。色差茶葉揀梗機就是利用本身所裝備的色差測定系統(tǒng),對茶葉色澤組成參數(shù)實施測定。色澤偏綠的葉條,則會被裝有綠色色彩信號色差感應(yīng)系統(tǒng)攝像用的彩色ccD鏡頭所捕捉,進行攝影,并將所攝影像輸入計算機,通過計算,發(fā)出指令,使這些葉條通過茶葉通道進入第二次揀?;蚺懦鰴C外。而茶梗偏黃,更容易被裝有黃色色彩信號的高精度色差感應(yīng)系統(tǒng)捕捉和收集,進行攝影并輸入計算機,通過計算發(fā)出指令,使控制送風(fēng)機運轉(zhuǎn)的電磁閥接通,送風(fēng)機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高壓空氣通過管道和噴嘴吹出強風(fēng),把茶梗從含梗的茶葉中吹出,通過茶梗通道和茶梗出料口排出機外,從而完成揀梗作業(yè)。
圖4 色差式茶葉揀梗機
色差式茶葉揀梗機的主要結(jié)構(gòu)由送料器、茶葉梗葉攝像用彩色ccD鏡頭、用于吹除茶梗的電磁送風(fēng)和吹氣系統(tǒng)、茶梗和茶葉出料口、機架與罩殼和控制系統(tǒng)等組成(圖4)。送料器是將待揀剔的茶葉送入揀梗機的裝置,使被選茶葉整齊排列和更加均勻地下落。茶葉梗、葉攝像用彩色ccD鏡頭,實際上是一種應(yīng)用色差感應(yīng)系統(tǒng),收集茶葉的梗、葉色彩信號并進行攝影,并輸入計算機。電磁送風(fēng)和吹氣系統(tǒng)接到計算機發(fā)出的指令,通過該系統(tǒng)的電磁噴嘴吹出強風(fēng),把茶梗從含梗的茶葉中吹出??刂葡到y(tǒng)是一種簡明易識的觸摸鍵操作平臺,大屏幕寬視角彩色顯示屏和友好的用戶界面,可實現(xiàn)人機對話。正因為如此,色差式茶葉揀梗機可以說是一種使用電腦與高分辨視頻識別和高速微型噴氣技術(shù)相結(jié)合的高科技揀梗設(shè)備,揀梗性能優(yōu)良。并且該機操作方便,生產(chǎn)率高,適用于各種類型機采茶葉的揀梗作業(yè)。
浙江省松陽縣是國內(nèi)著名的綠茶產(chǎn)區(qū),2008年開始引進色差式茶葉揀梗機,用于綠茶的揀梗作業(yè)?,F(xiàn)該縣茶葉總產(chǎn)量超過1萬t,以往使用其他類型的揀梗機配合人工進行揀梗,每年消耗人工數(shù)十萬計,現(xiàn)幾乎全部被茶葉色差式揀梗機所替代。特別是占該縣茶葉產(chǎn)量80%以上、享譽全國的香茶產(chǎn)品,揀梗作業(yè)更是全部依賴色差式茶葉揀梗機。香茶所使用的鮮葉原料,一般為一芽二葉至一芽三葉初展,是一種介于中低檔名優(yōu)茶和高檔大宗茶之間的綠茶類型,屬于高級綠茶范疇。加工過程中經(jīng)過反復(fù)多道工序的滾筒炒制,香氣鮮爽,滋味濃醇,價格適中,很受大眾消費者的歡迎。因為香茶含梗量較一般名優(yōu)茶高,以往消耗大量揀梗人工,一般每位揀茶工每班僅可揀茶葉5kg左右?,F(xiàn)改用色差式茶葉揀梗機進行揀梗,揀梗效率可達300kg/h以上,比人工揀梗提高300倍以上,茶梗揀凈率可達95%以上,誤揀率為7.82%,即使是精細手工揀梗與之相比還稍有差距。應(yīng)用還表明,香茶揀梗人工作業(yè)定價為7元/kg,而采用色差式茶葉揀梗機進行機揀,包括機器折舊、電費和操作人員工資等在內(nèi)成本僅1.85元/kg。
隨著茶葉加工業(yè)的快速發(fā)展,預(yù)計茶葉揀梗技術(shù)和機械將會有如下發(fā)展趨勢。
1.當(dāng)前茶產(chǎn)業(yè)正面臨著深入的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,市場消費的茶葉產(chǎn)品,將由前些年的追求細嫩高價名優(yōu)茶即禮品茶的格局,向嫩度適中、品質(zhì)良好、價格實惠、消費者買得起的大眾型名優(yōu)茶轉(zhuǎn)移。這類名優(yōu)茶鮮葉采摘相對較粗大,難免帶入較多茶梗。同時,茶葉生產(chǎn)用工日趨緊張,鮮葉的機械化采摘勢在必行,目前已呈現(xiàn)迅速發(fā)展趨勢。現(xiàn)行應(yīng)用的采茶機因?qū)ρ咳~缺乏選擇性,機采葉中茶梗含量相對就更多,生產(chǎn)的干茶,揀梗任務(wù)將更重,故對揀梗機械和技術(shù)的需求將更迫切,業(yè)界進一步為茶葉加工提供性能更好、更實用的茶葉揀梗機,是當(dāng)前和今后重要的任務(wù)之一。
2.揀梗效果不僅需要揀梗機械和技術(shù)的保證,并且與鮮葉采摘和加工技術(shù)關(guān)系密切。鮮葉采摘要求盡可能減少茶梗帶入量,特別是機采葉。故機械化采茶技術(shù)的推廣,應(yīng)將茶園規(guī)劃、茶樹品種選擇、種植規(guī)范、茶蓬修剪、機械操作等技術(shù)綜合應(yīng)用,以減少鮮葉中的茶梗含量。加工環(huán)節(jié)則盡可能采用鮮葉分級、殺青葉風(fēng)選、揉捻機分篩等技術(shù),將含梗量大的加工葉先分離出來單獨加工,可顯著減少上揀茶的數(shù)量。精制過程中應(yīng)特別注意保梗,從而盡可能拉大梗和葉物理性狀的差別,便于將茶梗從茶葉中揀出。
3.茶葉揀梗機的類型較多,揀梗性能也有所差別,如階梯式茶葉揀梗機主要用于揀剔茶葉中的長梗,但揀梗效率較低;靜電式茶葉揀梗機以揀出茶葉中的毛衣嫩梗見長,并且在紅碎茶、綠茶揀梗中應(yīng)用廣泛;色差式茶葉揀梗機適于各種條形茶葉的揀梗,揀梗效率較高,但其機器價格較高。為此,根據(jù)上揀茶葉狀況,選用不同類型的茶葉揀梗機,進行科學(xué)配套,方可達到科學(xué)、經(jīng)濟和高效的揀梗效果。