扁形茶做形關(guān)鍵裝置設(shè)計與試驗

王家鵬，范起業(yè)，李文萃，張銘銘，唐小林*

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州310016；2.浙江省茶資源跨界應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，浙江杭州310016）

扁形茶（如西湖龍井茶）的炒制歷來在類似半球面的鐵鍋中手工完成[1]。為了提高生產(chǎn)效率，越來越多的生產(chǎn)廠家利用機械進(jìn)行扁形茶的炒制加工，最具代表性的設(shè)備為長板式扁形茶炒制機，該設(shè)備在加工茶葉時通過炒手（炒手用鋼板制成，外包棉布和耐熱布，使其表面有一定柔軟性，防止壓碎茶葉）對“U”形鍋內(nèi)的茶葉施加一定壓力，使茶葉達(dá)到“扁”形狀態(tài)[2-4]。生產(chǎn)加工過程中發(fā)現(xiàn)，高等級鮮葉（單芽或一芽一葉初展）加工的成品茶“扁平”度和“直”度能達(dá)到所對應(yīng)等級的外觀品質(zhì)要求，而中、低檔鮮葉（鮮葉原料一般在一芽二三葉、一芽三四葉）加工的成品茶外形分叉，呈現(xiàn)“雞爪”狀，茶條不平直、輕飄，主要原因是該設(shè)備無“理條”功能，導(dǎo)致成品茶達(dá)不到扁平、勻直收攏、重實的品質(zhì)要求[5-8]。因此，有必要在原有長板式扁形茶炒制機的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在做形原理上能模擬手工加工扁形茶時“收攏”“理條”和“壓扁”的功能，使中、低檔鮮葉加工的扁形成品茶外形扁平、緊直[9-10]，進(jìn)而提高扁形茶的經(jīng)濟(jì)效益。

針對上述問題，設(shè)計了一種扁形茶做形關(guān)鍵裝置，在“U”型鍋的一段弧長內(nèi)對收攏的殺青葉進(jìn)行小角度往復(fù)擺動進(jìn)而實現(xiàn)對殺青葉的“理條”功能，促使殺青葉葉片向芽葉的軸向方向收攏，完成“理條”動作后再對“理條葉”進(jìn)行“壓扁”，收攏分叉和“雞爪”葉，最終使中低檔鮮葉加工的扁形成品茶外形達(dá)到“扁、平、直、光”的品質(zhì)要求。設(shè)計做形參數(shù)優(yōu)選試驗，并與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行比較，通過成品茶感官評審，驗證設(shè)備的可行性和適用性，為扁形綠茶加工提供參考。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

設(shè)計的扁形茶做形關(guān)鍵裝置，與現(xiàn)有的扁形茶做形設(shè)備相比，將炒手分成3部分，中間炒手固定，左、右活動炒手一端鉸接在中炒手上，另一端通過電動推桿連接，通過電動推桿伸縮控制活動炒手的擺動角度，形成理條空間，左、右抄手底部與鍋體內(nèi)壁接觸防止漏茶，其接觸壓力較小，可容易實現(xiàn)整個炒板結(jié)構(gòu)在鍋體某一特定區(qū)域進(jìn)行來回擺動動作，實現(xiàn)對茶葉的理條和收攏功能。結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電滑環(huán)支撐板、導(dǎo)電滑環(huán)、從動鏈輪、主軸、刮桿組件、右電動推桿連接塊、右電動推桿、右電動推桿固定板、左電動推桿固定板、左電動推桿、左電動推桿連接塊、鉸鏈、中炒手固定軸組件、中炒手固定板、U形炒鍋、后軸承、左炒手、中炒手、右炒手、前軸承。扁形茶做形關(guān)鍵裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

主軸兩端安裝有前軸承和后軸承，兩個軸承固定在機架上，將主軸架于U形鍋體上方，且主軸軸心與U形鍋體的圓心重合，主軸的后軸承端安裝有從動鏈輪和導(dǎo)電滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)段；導(dǎo)電滑環(huán)支撐板一端安裝于機架的側(cè)板上，另一端固定著導(dǎo)電滑環(huán)的固定段；刮桿組件通過夾環(huán)和螺栓固定于主軸上，可隨主軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中可對U形鍋體內(nèi)的在制葉進(jìn)行翻動；兩個中炒手固定軸組件通過焊接對稱固定于主軸上，中炒手通過中炒手固定板連接于中炒手固定軸組件上；右炒手通過兩個鉸鏈對稱鉸接于中炒手，左炒手通過兩個鉸鏈對稱鉸接于中炒手；左電動推桿固定板一端焊接于主軸上，另一端與左電動推桿一端鉸接，左電動推桿另一端與固定在左炒手上的左電動推桿連接塊鉸接，右電動推桿固定板一端焊接于主軸上，另一端與右電動推桿一端鉸接，右電動推桿另一端與固定在右炒手上的右電動推桿連接塊鉸接；左炒手、中炒手、右炒手、左電動推桿、右電動推桿可隨主軸旋轉(zhuǎn)，左、右炒手通過左、右電動推桿的伸縮可各自繞鉸鏈的軸線做150°的轉(zhuǎn)動。

2 工作原理及應(yīng)用

2.1 工作原理

做旋轉(zhuǎn)動作時，PLC（可編程控制器）控制左、右電動推桿的推桿回縮，從而將左、右抄手往上收回，主電機通過鏈條帶動從動鏈輪轉(zhuǎn)動，從動鏈輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動主軸上的刮桿組件、右電動推桿、左電動推桿、中炒手固定軸組件、左炒手、中炒手、右炒手等零部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，刮桿組件起到抖散在制葉的功能。

做擺動動作時，PLC控制變頻器使主電機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)炒手（左、中、右抄手）在U形鍋體底部位置一定角度范圍內(nèi)作來回擺動動作（如圖2所示，炒手在U形鍋體底部位置，繞主軸軸心在一定角度內(nèi)作左右擺動），當(dāng)炒手向左擺動時，右電動推桿伸長，左電動推桿縮短，當(dāng)炒手向右擺動時，左電動推桿伸長，右電動推桿縮短，左右炒手繞著各自鉸鏈的軸心旋轉(zhuǎn)一定角度，使左右炒手底部與U形鍋體內(nèi)壁接觸（炒手底部與U形鍋體內(nèi)壁接觸的部位為炒手底部包有耐熱布的部分，有一定的彈性，接觸后有一定的壓縮量，防止在制葉在理條過程中漏出），此時，在制葉都“收攏”于左、右炒手之間，中炒手與U形鍋體底部有一定距離，其底部與在制葉無壓力接觸，隨著炒手（左、中、右抄手）左右擺動，在制葉也做來回擺動，模擬扁形茶手工加工時收攏、理條的動作，完成在制葉的“理條”工序。

圖2 左炒手、中炒手、右炒手與U形鍋位置示意圖Fig.2 Location diagram of left fryer，middle fryer，right fryer and U-shaped pan

圖1扁形茶做形關(guān)鍵裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of key device of flat tea shaping

理條一段時間后，PLC控制左、右電動推桿的推桿收縮，將左、右炒手向上收回，PLC控制變頻器將電機調(diào)整為連續(xù)轉(zhuǎn)動，刮桿組件將理條葉抖散均勻，抖散均勻后，重復(fù)上述左、右炒手下行以及對在制葉進(jìn)行“理條”的動作，進(jìn)行第二次理條，二次理條完成后，重復(fù)左、右炒手收回，刮桿組件將在制葉抖散，如此循環(huán)多次，直至將在制葉的條形“理”成所需要的形狀，其中，理條頻率（主電機正反轉(zhuǎn)頻率）可調(diào)。

當(dāng)在制葉“理條”完成后，左、右炒手往上收回，主軸調(diào)整為連續(xù)轉(zhuǎn)動，此時通過PLC控制步進(jìn)電機脈沖數(shù)調(diào)整U形鍋體的位置（與常用的扁形茶炒制機結(jié)構(gòu)一致，通過步進(jìn)電機、絲杠控制位置），使其向上移動一定距離，使中炒手在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)至鍋體底部位置時其底部可與鍋體內(nèi)表面形成一定壓力的接觸，形成一個接觸面（中炒手底部包有一定厚度的耐熱布，與鍋體內(nèi)部接觸有一定壓力后形成一定的形變，與鍋體內(nèi)表面形成了一個壓力接觸面），對在制葉進(jìn)行“壓扁”的動作，隨著壓扁的進(jìn)程，不斷調(diào)整鍋體的位置，使在制葉達(dá)到所需的“扁”度，完成“壓扁”后，在制品葉出鍋，并準(zhǔn)備下一批次的在制品葉加工。

2.2 裝備應(yīng)用

傳統(tǒng)的6CCB-983型三鍋扁形茶炒制機，每個鍋上安裝有出茶門機構(gòu)和壓力軸組件，用3臺長板式扁形茶炒制機單機前后串聯(lián)安裝，前后兩臺機器的炒茶鍋之間設(shè)出茶門，用單片機實施對三鍋炒制機各種參數(shù)的控制。單機作業(yè)時，三鍋扁形茶炒制機的第一鍋主要承擔(dān)鮮葉殺青作業(yè)，第二鍋主要承擔(dān)壓扁作業(yè)，第三鍋主要承擔(dān)磨光作業(yè)，從而完成扁形茶炒制的全過程。

扁形茶連續(xù)化生產(chǎn)線作業(yè)時，一般按照“殺青、做形、干燥”的工藝流程進(jìn)行。殺青采用專業(yè)的殺青設(shè)備；三鍋扁形茶炒制機則主要承擔(dān)做形功能，其第一、二鍋主要承擔(dān)壓扁作業(yè)，第三鍋主要承擔(dān)磨光作業(yè)；干燥一般使用滾筒輝干機。在三鍋扁形茶炒制機炒制過程中，茶鮮葉通過計量裝置稱量，隨后依次通過3個炒制鍋炒制，通過調(diào)節(jié)鍋溫和壓茶壓力，使茶葉表現(xiàn)出挺直、扁平的形狀，同時散失部分水分，通過軟性炒茶板和翻葉條的作用依次起到“理、壓、炒、磨”作用，最終形成扁形茶形狀。

將扁形茶做形關(guān)鍵裝置集成在6CCB-983型扁形茶連續(xù)自動炒制機的第二鍋后，如圖3所示，模擬手工加工扁茶時“收攏”“理條”和“壓扁”功能。通過PLC觸摸屏控制扁形茶做形關(guān)鍵裝置的動作，與第一、三鍋炒制時間協(xié)調(diào)，收攏茶葉分叉，解決干茶呈“雞爪”形狀的弊端。相較于傳統(tǒng)的三鍋炒制機，中低檔鮮葉加工的茶條平直、重實，在實際生產(chǎn)過程中，建議按照單機和生產(chǎn)線的不同要求調(diào)整工藝參數(shù)（如鍋溫、擺動頻率和時間等），以提高茶葉品質(zhì)。

圖3 集成扁形茶做形關(guān)鍵裝置的6CCB-983型扁形茶連續(xù)自動炒制機示意圖Fig.3 Sketch diagram of 6CCB-983 flat tea continuous automatic frying machine integrated with the key device of flat tea shaping

3 扁形茶做形試驗

3.1 材料與設(shè)備

鮮葉原料為2021年3月25日采摘淳安縣千島湖鎮(zhèn)鳩坑種的一芽二三葉，種植方式為大行距150 cm，小行距40 cm，株距20 cm，雙行單株栽植，茶樹樹齡為5年生。

6CL-60-13D理條殺青機、集成扁形茶做形關(guān)鍵裝置的6CCB-983型扁形茶連續(xù)自動炒制機、6CHT-62滾筒輝干機均為浙江豐凱機械股份有限公司生產(chǎn)制造。

3.2 試驗設(shè)計

以同一批鮮葉為原料，按照“攤放、殺青、做形、干燥”的工藝流程加工成扁形綠茶樣品。控制其他工序變量相同，用不同的做形工藝做形。做形參數(shù)優(yōu)選試驗根據(jù)前期預(yù)實驗選擇改變動作組合及時間、擺動的壓力值等參數(shù)，優(yōu)選出較佳工藝參數(shù)，再將較佳的做形工藝與常規(guī)工藝進(jìn)行比較試驗，加工成扁形綠茶樣品，并進(jìn)行感官審評。

（1）攤青。竹匾，攤?cè)~厚度5 cm，時間12 h，攤青葉含水量約為68%。

（2）殺青。6CL-60-13D型理條殺青機，溫度270℃，投葉量0.60 kg，時間120 s（殺青113 s，出茶7 s），鍋體往復(fù)頻率200次/min。在竹匾上攤涼回潮40 min。

（3）做形。6CCB-983型扁形茶連續(xù)自動炒制機，投葉量50 g，第一鍋、第二鍋、第三鍋溫度分別為200℃、190℃、180℃，總時間100 s（做形90 s，出茶10 s）。未使用左右抄手的常規(guī)對照組工藝編號為1號（第二鍋全旋轉(zhuǎn)30 s，壓扁脈沖均為1500個，主電機頻率為45 hz，循環(huán)次數(shù)1次）。2～9號工藝在第二鍋中使用左右抄手，優(yōu)選試驗參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 做形試驗工藝編號Table 1 Process number of shaping test

（4）干燥。6CHT-62滾筒輝干機，溫度設(shè)置85℃，時間10 min，至含水率5%左右。

3.3 評價方法

感官審評參照GB/T 23776—2018《茶葉感官審評方法》中綠茶審評方法，由專業(yè)審評人員審評。評定外形、湯色、香氣、滋味和葉底，按每項滿分100分計。

3.4 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表2所示。2～9號做形組感官審評總分均高于1號對照組，特別是在外形因子方面，做形組得分與對照組區(qū)分明顯，說明扁形茶做形關(guān)鍵裝置在做形方面起到了重要作用，炒手的擺動與旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)了“收攏”“理條”和“壓扁”功能；在做形參數(shù)優(yōu)選試驗中，9組不同參數(shù)加工出來的成品茶差異較小。單看外形因子，使用6號工藝加工的干茶外形較扁直、較尖削、色澤黃綠潤，外形分?jǐn)?shù)達(dá)到92，高于其他做形組得分，通過總分加權(quán)綜合分析，最終確定做形較佳組合為2號，總分達(dá)到91分，說明壓板在擺動過程中壓扁脈沖保持在1500，讓在制葉受到的壓力與旋轉(zhuǎn)時一致，增加“磨”的動作，可以獲得更好的感官品質(zhì)。

表2 做形試驗感官審評結(jié)果Table 2 Effects of different shaping tests on sensory quality of tea

4 結(jié)論

設(shè)計了一種扁形茶做形關(guān)鍵裝置，將炒板分成三部分，通過鉸鏈和電動推桿控制兩塊活動炒板的擺動角度，在做形原理上模擬了手工加工扁形茶時“收攏”“理條”和“壓扁”的功能，解決了傳統(tǒng)扁形茶炒制機加工中低檔鮮葉存在成品茶外形分叉、茶條不平直、輕飄等問題，使中低檔鮮葉加工的扁形成品茶外形扁平、勻直收攏、緊直、重實。

將扁形茶做形關(guān)鍵裝置集成在6CCB-983型扁形茶連續(xù)自動炒制機的第二鍋上，制造了樣機，進(jìn)行了做形工藝參數(shù)優(yōu)選試驗與常規(guī)工藝比較試驗。試驗結(jié)果表明，使用集成了扁形茶做形關(guān)鍵裝置的扁形茶炒制機制作的成品茶品質(zhì)好于傳統(tǒng)做形方式，2號工藝組做出的成品茶感官品質(zhì)總分達(dá)到91。該設(shè)備通過PLC觸摸屏控制扁形茶做形關(guān)鍵裝置的動作，與第一、三鍋炒制時間協(xié)調(diào)，收攏茶葉分叉，解決干茶呈“雞爪”形狀的弊端，相較于常規(guī)的三鍋炒制機，中低檔鮮葉加工的茶條平直、重實，提升了扁形茶外形的品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。