王小勇，莊翔宇，方世輝

（江西婺源茶業(yè)職業(yè)學(xué)院，江西 上饒 333200）

0 引言

中國是茶葉的故鄉(xiāng)，茶葉在中國歷史悠久，茶葉生產(chǎn)在全面建成小康社會以及鄉(xiāng)村振興中扮演重要的角色。據(jù)統(tǒng)計，2020 年，全國18 個主要產(chǎn)茶?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）茶園總面積316.51 萬hm2，全國干毛茶產(chǎn)量為298.60 萬t，全國干毛茶總產(chǎn)值為2 626.58 億元，在世界上趨于領(lǐng)先位置。但我國的茶葉機械行業(yè)在世界上卻處于落后地位，而茶葉精制機械較茶葉初加工設(shè)備、茶園管理設(shè)備發(fā)展更為緩慢，成為制約茶葉行業(yè)發(fā)展的因素之一。

茶葉精加工是毛茶形成商品茶的過程。毛茶具有形態(tài)各異、品級不齊、夾雜不凈和干濕不勻的特點，多數(shù)毛茶必須經(jīng)過精加工后才能形成商品茶。為了提高茶葉的商品價值，使產(chǎn)品品質(zhì)規(guī)格化，必須通過精細的操作，才能適應(yīng)國內(nèi)外市場的需要，滿足消費者的需求。因此，茶葉精制機械對提高茶葉質(zhì)量，促進茶產(chǎn)量不斷增長具有重要作用[1]。

1 茶葉精加工機械發(fā)展現(xiàn)狀

茶葉精制的工藝流程，因茶葉不同而有所區(qū)別，每個茶廠的工藝流程也不盡相同，但是目的大部分相同，主要是整飾外形、分離老嫩、劃分等級、剔除次條、純凈品質(zhì)、調(diào)劑品質(zhì)、穩(wěn)定質(zhì)量。但無論采用何種工藝流程，都包括篩分、風(fēng)選、揀剔等作業(yè)。茶葉精制加工常用的機械有圓篩機、抖篩機、風(fēng)力選別機、揀梗機、色選機等。目前茶葉精制機械的發(fā)展與行業(yè)的發(fā)展存在巨大差距，大部分精制設(shè)備以國產(chǎn)為主，相關(guān)茶葉機械制造企業(yè)開始加大投入進行精制組合機以及精制生產(chǎn)線的研發(fā)。

1.1 茶葉篩分機

篩分是精制中整飾茶葉外形的作業(yè)。篩分前的毛茶含有不同長短、輕重、粗細、整碎、梗雜等成分，篩分就是利用篩分機將初加工后的茶葉分出大小粗細，使茶葉整齊，符合規(guī)格；同時篩出茶末和大茶，有利于茶葉的進一步加工[2]。傳統(tǒng)的篩分都是通過人工來實現(xiàn)，勞動強度大，篩分效率低。篩分設(shè)備存在茶塵外泄，振動噪聲較大等問題。為解決上述問題，提高篩分效率，20 世紀(jì)80 年代開始，科研人員開始對篩分機械進行研究[3]。

夏狄剛研制出一款低噪聲平面圓篩機，解決了機器振動大噪聲強等問題，該機通過試驗測定機器運轉(zhuǎn)時的噪聲得出，采用雙平衡重塊結(jié)構(gòu)、直軸球鉸支撐聯(lián)結(jié)機構(gòu)和在螺栓連接處襯墊橡膠墊塊可以減少圓篩機的振動以及降低運轉(zhuǎn)過程的噪聲[4]。楊茂成通過對抖篩機分級效率、生產(chǎn)能力、抖篩機的轉(zhuǎn)速和振幅以及功率的計算，分析了原料、茶葉在篩面的運動狀態(tài)、篩面長寬比例三者對分級效果的影響，找到圓篩機結(jié)構(gòu)參數(shù)的擇優(yōu)范圍，解決茶葉抖篩機在分級效果上不理想、生產(chǎn)能力低以及噪聲大等問題[5]。李兵結(jié)合蟻群算法對抖篩機進行關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，建立了茶葉抖篩機優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，確定影響茶葉抖篩機篩分效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過試驗得出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改善篩分效果，減少篩分過程產(chǎn)生的碎茶，提高茶葉平均推進速度和茶葉篩分效率[6]。朱建一針對噪聲茶塵問題設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的茶葉篩分機，設(shè)置防堵排堵裝置，換用板篩材料，將篩口設(shè)置為上小下大的錐形沖孔形狀，以變頻振動方式輸出，提高篩分效率，設(shè)計可調(diào)控振動喂料裝置，降低噪聲[7]。謝俊結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)組成原理，設(shè)計了一種滿足茶葉清選需要的全解耦三平移并聯(lián)機構(gòu)為茶葉篩分機的主體機構(gòu)，解決傳統(tǒng)茶葉篩分機械不能實現(xiàn)多維振動的問題，試驗證明該設(shè)備提高了茶葉在篩面上的分散度，降低最短透篩時間，提高篩分性能[8]。趙章風(fēng)提出一種離散元法,對平面圓篩機篩分過程進行了數(shù)值模擬，找到影響平面圓篩機透篩率的因素為茶葉的運動路徑、透篩的相對矢徑和相對速度，通過模擬試驗得出增加回轉(zhuǎn)半徑可以大幅增加茶葉顆粒在篩床上的運動路徑長度，提高透篩率，為篩分實踐提供了理論依據(jù)[9]。鄧慶森通過對茶葉篩分設(shè)備的技術(shù)改進，研發(fā)出一種茶葉聯(lián)合篩分生產(chǎn)線與篩分方法，解決了六堡茶生產(chǎn)過程中篩分效率低、篩選品質(zhì)無法保持一致的問題，在篩網(wǎng)的上方設(shè)置掃茶裝置，掃茶板通過連接桿連接，解決抖篩機中篩網(wǎng)網(wǎng)孔易堵塞、毛茶篩分效率低的問題；但茶葉在輸送過程中會出現(xiàn)易掉茶、輸送不連貫的問題[10]。浙江上洋機械股份有限公司通過采用自動刮篩裝置、彈性萬向接頭和擺桿來支撐篩床，如圖1 所示，設(shè)計的茶葉圓篩機能夠降低機器運轉(zhuǎn)時引起的噪聲，并且將平面圓篩機進行密封，降低茶塵外泄，對生產(chǎn)車間的工作環(huán)境有較大改善[11]。浙江上洋機械股份有限公司還研制出一種全封閉式符合集中除塵功能的新型拋振式抖篩機，如圖2 所示，該機解決了抖篩機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，彈片易壞，更換部件不方便，篩網(wǎng)掛茶等問題，采用搖桿式的驅(qū)動機構(gòu)保證設(shè)備運行平穩(wěn)，噪聲小[11]。

圖1 帶刮篩裝置圓篩機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 拋振式抖篩機結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 茶葉風(fēng)選機

風(fēng)選的作用主要是分離茶葉的輕重，劃分茶葉等級。同時去除黃片、碎、末茶以及夾雜物。利用茶葉品質(zhì)不同、比重不同，在同一風(fēng)力條件下，抗風(fēng)力、下落速度、下落距離不同的特性，把不同質(zhì)量的茶葉分離開來，從而達到分清好壞、劃分等級，并使各級茶符合其品質(zhì)規(guī)格的要求[1]。吸風(fēng)式風(fēng)選機較難均勻調(diào)節(jié)風(fēng)量，吹風(fēng)式風(fēng)選機容易造成局部渦旋，導(dǎo)致進入箱體的空氣流分布不均勾，使得茶葉顆粒的運動無法產(chǎn)生規(guī)律[12]。

楊韜結(jié)合蟻群算法對風(fēng)選機進行關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，以引入的風(fēng)選質(zhì)量敏感性方程目標(biāo)條件，確定影響茶葉風(fēng)選機風(fēng)選效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)為風(fēng)向角與風(fēng)速分布系數(shù)，通過試驗得出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改善分選效果，提高茶葉風(fēng)選過程中的穩(wěn)定性[13]。張憲以空氣動力學(xué)為基礎(chǔ)，將茶葉顆粒簡化近似為球形顆粒，研究不同質(zhì)量的茶葉顆粒在不同的風(fēng)道口流場（不同風(fēng)速分布）作用下的漂移軌跡、水平漂移規(guī)律，以及風(fēng)向角對茶葉風(fēng)選質(zhì)量的影響，通過試驗得出風(fēng)速按上小下大分布時可以提高茶葉風(fēng)選質(zhì)量[14]。鐘江采用理論分析和流體動力學(xué)數(shù)值仿真的方法研究了風(fēng)選過程中茶葉顆粒的運行軌跡和風(fēng)選室內(nèi)流場的狀態(tài)，分析得出茶葉風(fēng)選機送風(fēng)口風(fēng)速分布采用上小下大方案時茶葉顆粒群有效漂移間距最大；通過設(shè)置擾流板加以減輕風(fēng)選室內(nèi)部由于結(jié)構(gòu)原因存在的渦旋現(xiàn)象，且能有效降低各口茶葉混入其他口茶葉的比例，提高風(fēng)選質(zhì)量[15]。浙江上洋機械股份有限公司研制出一款風(fēng)選效率高的風(fēng)選機，通過安裝變頻空調(diào)風(fēng)機，尾部安裝除塵裝置并且在操作方向設(shè)置觀察風(fēng)箱中茶葉運動落料情況的窗口，解決了茶塵堆積、風(fēng)速無法調(diào)節(jié)等問題[11]。

陜西鵬翔茶業(yè)股份有限公司設(shè)計了一種茶葉風(fēng)選機，該設(shè)備安裝了預(yù)除塵機構(gòu)和除塵排風(fēng)機構(gòu)2道除塵裝置，通過預(yù)除塵對輸送帶上的茶葉進行第1道除塵，然后除塵排風(fēng)機構(gòu)維持風(fēng)壓穩(wěn)定并將鼓風(fēng)機吹入的風(fēng)塵除去，進行第2 道除塵，提高茶葉品質(zhì)[16]。夏先春設(shè)計了一種小型多功能分選設(shè)備，由下料部分、風(fēng)選部分、篩選部分、色選部分以及出料部分組成，該設(shè)備能有效剔除雜質(zhì)，提高篩分效率，擁有較好市場優(yōu)勢[17]。

1.3 茶葉揀梗機

毛茶經(jīng)過篩分、風(fēng)選等工序后，茶葉內(nèi)部還有莖梗、老葉等次雜，必須要將這些次雜物進行剔除。茶葉揀梗機通過茶葉和茶梗物理特性的不同，對茶葉與次雜物進行分離[3]。

階梯式揀梗機是我國最早引入的揀梗設(shè)備，如圖3 所示。主要由揀床、進茶裝置、傳動機構(gòu)和機架等部分組成。利用茶葉與茶梗形態(tài)不同，根據(jù)茶梗比茶葉長、直、光滑等特點和流動性差異來進行梗、茶分離[18]，但是階梯式揀梗機需要反復(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[19]。

圖3 階梯式揀梗機

到了20 世紀(jì) 80 年代初，出現(xiàn)靜電揀梗機，該設(shè)備是利用靜電來揀剔茶梗。茶葉與茶梗共同經(jīng)過電場，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，由于茶葉與茶梗水分含量不同，在電場中所受到的靜電力也不同，最終導(dǎo)致位移不同。茶梗含水量較高，通過電場時，感應(yīng)電量大，吸引力也大；而茶葉的含水量較低，通過電場時，感應(yīng)電量小，吸引力也小[19]，實現(xiàn)較好的揀梗效果。

伴隨計算機等高技術(shù)的不斷發(fā)展，茶葉的智能識別技術(shù)也取得新的進展[20]。徐捷設(shè)計了一套具有智能化控制策略的茶葉辨識分選系統(tǒng)，該系統(tǒng)以FPGA 與 DSP 雙核并行運行為核心，能迅速準(zhǔn)確的將茶葉殘次品剔除，具有設(shè)備體積小、便于安裝、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、茶葉選別率高等優(yōu)點[21]。陳筍提出了一種基于最小錯誤率貝葉斯決策的茶葉茶梗快速有效分揀方法，該方法通過決策樹對茶葉茶梗的圖片進行快速選別，以最小外接圓半徑與最大內(nèi)切圓半徑比為特征，該方法具有茶葉茶梗識別正確率高、所用時間較短、實用性與可行性強等優(yōu)點[22]。德國摩根森機械制造有限公司開發(fā)了 X 光分選及金屬探測技術(shù)，可以通過物料的顏色、形狀或尺寸進行精確識別和分選，該設(shè)備應(yīng)用面廣，并且銷量較好[23]。宋彥結(jié)合支持向量機，提出了一種基于形狀特征直方圖的茶葉等級識別方法，以直方圖分布為特征向量，構(gòu)建了基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過模擬試驗，該模型識別精度達到 95.71%[24]。由于夏秋茶梗與茶葉的色澤差異小，不易篩選，吳正敏設(shè)計了一種茶葉形態(tài)特征的多特征向量分選法，采用隨機森林算法判定特征權(quán)重并進行特征選擇，建立邏輯回歸、決策樹和支持向量機 3 種不同分類算法對樣本進行分類，通過模擬試驗，該方法可快速應(yīng)用于茶葉精選和茶葉實際生產(chǎn)過程，能有效提高茶葉品質(zhì)[25]。

2 存在的問題及解決途徑

雖然茶葉產(chǎn)能不斷增大，但茶葉精加工機械化仍面臨一些問題，茶葉精制機械創(chuàng)新仍然滯后；中國茶葉種類繁多，茶葉加工工藝缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，精制機械標(biāo)準(zhǔn)化和自動化程度低，給精制機械的推廣使用以及精制機械化生產(chǎn)線的研發(fā)帶來難度；精加工技術(shù)的智能化、定向化調(diào)控欠缺；為了更好實現(xiàn)茶葉精制機械發(fā)展，提出以下3 點建議。

2.1 加大研發(fā)力度，實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化

茶葉機械制造企業(yè)、高校以及科研單位應(yīng)加大精制機械的研發(fā)力度，對茶葉精制過程當(dāng)中出現(xiàn)的問題進行調(diào)研，依靠現(xiàn)有技術(shù)進行交流合作，逐一攻關(guān)，實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化，由樣機到量產(chǎn)，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.2 注重精制機械與精制工藝的融合

在進行精制生產(chǎn)線設(shè)計時，應(yīng)注重與精制工藝相結(jié)合，考慮到不同種類茶葉的精制工序，設(shè)計出符合該品種茶葉的精制機械，防止設(shè)計機械出現(xiàn)實用性差等問題?？紤]到目前精制機械的選別大多停留在宏觀層面，應(yīng)加大微觀層面的識別研究，在識別過程中加大農(nóng)藥殘留、重金屬等微觀層次的檢測，從而保證茶葉安全[26]。

2.3 提升裝備水平，促進智能發(fā)展

中國茶產(chǎn)業(yè)十四五發(fā)展規(guī)劃建議（2021—2025）中明確指出茶葉關(guān)鍵加工裝備標(biāo)準(zhǔn)化與自動化程度低，智能化欠缺，因此要加快茶葉生產(chǎn)過程中的智能化發(fā)展，將智能技術(shù)向茶葉精制機械中滲透，提升茶葉精制機械水平，加大信息化智能化茶葉精制設(shè)備研發(fā)力度，推廣節(jié)能高效的茶葉精制設(shè)備，提升茶葉生產(chǎn)機械化程度。

3 結(jié)語

1）茶葉精制機械對茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要作用，未來茶葉精制機械要面向智能化、模塊化方向發(fā)展，將茶學(xué)、農(nóng)業(yè)機械學(xué)、控制理論等多學(xué)科融合作為未來研究手段，研發(fā)出性能更好、效率更高的茶葉精制設(shè)備。

2）國內(nèi)關(guān)于茶葉精制機械的研究較少，主要還是圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進行研究，機械的振動、噪聲、茶塵對精制作業(yè)的安全性具有重大影響，目前對茶葉精制機械的振動、防塵以及除噪方面的研究較少。

3）目前茶葉初加工基本能實現(xiàn)自動化操作，而茶葉精制加工在自動化生產(chǎn)線方面仍有待進一步研究，要將各精制工序標(biāo)準(zhǔn)化，注重各工序在生產(chǎn)線中的相互配合。