顆粒茶成形設備設計與試驗

陳加友

(黎明職業大學 智能制造工程學院，福建 泉州 362000)

顆粒成形工藝是閩南烏龍茶加工工藝中的特殊工序，其作用是對揉捻葉經過一系列揉搓擠壓，使茶葉產生卷曲緊結的顆粒形狀。近年來，機械化制茶代替了傳統的手工制茶，但成形工藝仍處于單機作業的半機械化水平，工序繁瑣、勞動強度大、生產效率低，嚴重制約著連續化、清潔化烏龍茶初制加工生產線的建立。茶葉的速包—包揉—松包工藝已經不能滿足日益增長的茶葉生產需求，連續性成形技術成為閩南烏龍茶加工過程中亟待解決的技術瓶頸[1]。劉波[2]探究顆粒茶成形工作原理，并設計一臺顆粒茶成形設備，制成顆粒茶外觀為綠色和顆粒狀。薛志慧等[3]研究顆粒狀烏龍茶的成形機理，分析了“速包+平板”和“全速包”兩種成形工藝，以及各階段茶葉柔軟性、含水率、塑性等物理特性的變化。郝志龍等[4]認為閩南烏龍茶造型工藝中烘焙時機對造型效果具有顯著影響。丁勇等[5]研究祁紅顆粒茶的加工工藝，確定了祁紅顆粒茶的最佳工藝。溫曉等[6]利用不同粘合劑、不同粉碎粒度的藤茶制備顆粒茶，結果表明，粘合劑用量的比例為10%、藤茶粉碎粒度為60目，所制備顆粒茶的顆粒形態、滋味和組織形態最佳。但尚未有研究能解決閩南顆粒烏龍茶連續自動化成形的技術難題。因此，本研究根據顆粒茶的傳統制作工藝，通過模擬手工制茶的反復壓揉成形原理，研制了一款顆粒茶成形設備并開展試驗研究，解決了連續性、自動化顆粒茶成形的技術難題。

1 整機結構設計

1.1 整機結構設計

顆粒茶成形設備由成形機及解塊打散機組成，通過輸送帶使設備進行循環反復成形—解塊打散作業，可以根據茶葉老嫩程度設置循環次數，直至茶葉顆粒成形，如圖1所示。

1.提升機 2.成形機 3.控制面板 4.活動輪 5.輸送帶 6.解塊打散機 7.機架

1.2 關鍵設備的設計

1.2.1 成形機結構設計

成形機主要由蓋板液壓缸、蓋板推桿、蓋板、成形腔、蓋板止位擋板、側推氣缸、控制系統等組成，如圖2所示。

1.蓋板液壓缸 2.蓋板推桿 3.蓋板 4.成形腔 5.活動輪 6.出料口 7.蓋板止位擋板 8.指示燈 9.控制面板 10.開關 11.調節旋鈕 12.側推氣缸 13.控制箱

成形機利用液壓原理，其壓力大小可控(3～22 MPa)，方便于茶葉擠壓成形。由于烏龍茶造形葉屬于粘彈性材料，具有粘彈性材料的“應力松馳特性”，在制葉束縛在茶包內的定包過程，茶葉內依然存在內應力，內應力在松弛階段達到平衡應力點，對制葉進一步塑性變形起到重要作用。工作時茶葉如同裝入一個大的長方體內，上板、下板固定，后板向前擠壓一定位置后停住，左右兩個側板再向內擠壓，一定時間停頓(保壓時間)后，兩側板退開，后板退開，蓋子打開，L型翻斗將茶葉翻出，實現了自動連續化生產，降低了人工成本，并有效提升了顆粒茶成形效率。

1.2.2 解塊打散機設計

成形作業后的茶葉因茶汁擠出，使茶葉成團，同時會有茶末產生。顆粒茶成形設備設計添加解塊打散機，采用“一次打散、二次篩末”的解塊打散方式，減少茶葉在解塊過程中的二次損傷所產生的碎茶及茶末，同時茶葉在隨著滾筒的“拋—揚”運動及熱風作用下，茶汁快速風干粘附在茶葉上。

1.3 顆粒茶成形原理

傳統顆粒茶成形工藝工作流程為：茶巾布將茶葉包裹住成茶巾球，速包機滾輥作業使茶巾球在擠壓—剪切壓力下初步形成顆粒狀，再經過包揉機壓板作用使茶巾球內茶葉保壓定形成球狀，再經過松包機滾筒打散并初步烘干茶葉，通過速包機—包揉機—松包機反復交替作業，使茶葉最終成形為顆粒。但該工藝存在做形勞動強度大、效率低，且質量不穩定[2]，不適合顆粒茶大規模連續性生產等缺點。

本顆粒茶成形設備工藝流程為：工作時將茶葉裝入一個大的長方體內，上板、下板固定，后板向前擠壓一定位置后停止，左右兩個側板再向內擠壓，停頓至保壓時間后，兩側板退開，后板退開，蓋子打開，L型翻斗將茶葉翻出。通過解塊篩末自動對茶磚進行松解打散，再送回成形機再次擠壓，如此多次反復，直至茶葉成為顆粒狀。

本設備利用液壓原理控制壓力，壓力可控范圍為3～22 MPa，這有利于茶葉擠壓成形。針對烏龍茶茶青膨松、擠壓時彈性大的特點，本設備通過不同方向反復的擠壓折疊使茶葉制成顆粒茶的茶磚。再經過解塊篩末打散并初步烘干茶葉，通過成形機—解塊篩末反復閉環交替作業，使茶葉最終成形為顆粒狀。該設備自動化程度高，適用于顆粒茶大規模生產。

2 系統設計

2.1 硬件設計

成形設備采用PLC取代傳統的單片機控制電路，實現順序控制、邏輯控制，通過總線與PLC連接，從而使PLC對茶葉生產過程中的各個開關量進行有效控制，進而實現生產過程的智能化控制；通過嵌入式觸摸屏與PLC通訊來控制系統輸入各項茶葉顆粒成形的控制參數?？刂葡到y示意圖，如圖3所示。

圖3 顆粒茶成形設備控制系統示意圖

2.2 PLC模塊設計

根據系統控制要求和控制功能分析，選擇德國西門子的S7-200 SMART系列 CPU SR40作為核心控制單元，另外擴展一個模塊EM AI04(4個模擬量輸入)。CPU SR40 集成24輸入點/16輸出點。共40個數字量輸入輸出端口(I/O)點，4個模擬量I/O點，一個RS 485通訊接口。該型號PLC結構緊湊、處理速度快、價格適中，且具有一定的擴展能力，主要用于控制變頻器及其他外部 I/O 數字量的處理等?？刂葡到y的輸入輸出地址分配情況如表1所示。

表1 控制系統輸入/輸出分配表

2.3 變頻模塊設計

變頻器采用意科SV9系列變頻器，以滾筒電機為例，接線如圖4所示。

圖4 變頻器接線圖

為了能夠更加精準地控制滾筒的加減速時間及轉速，需要通過RS 485與PLC通訊，以更快速、精準地傳送所需參數，并便于對滾筒的實時運行狀態進行調整。參數設置如下：控制方式采用二線式運轉控制，正轉/停止、反轉/停止、復位，通過PLC數字輸出點控制。加速時間、減速時間、頻率基準則通過PLC通訊給定。通過觀察茶葉質量、茶葉重量，設置解塊篩末啟動、停止時的加/減速時間與解塊時滾筒旋轉速度。降低茶葉解塊時產生的碎茶及茶末?？刂葡到y主電路接線如圖5所示。

圖5 主回路接線圖

3 操作流程

制茶時，技術人員根據茶葉的老嫩狀態來調控技術參數，參數設置完成后，系統啟動進入自動控制階段，在成形過程中如需修改參數，可直接輸入，不需要停止自動程序，系統可根據不同批次進入的茶葉進行分段式計時?？刂泼姘迦鐖D6所示。

圖6 控制面板示意圖

該顆粒茶成形設備PLC控制流程，如圖7所示。

圖7 顆粒茶成形設備工作流程圖

顆粒茶成形設備的控制過程如下。

(1)設置參數。循環次數(1～20次，可調)，壓力(3～22 MPa，可調)，保壓時間(3～600 s，可調)，打散時間(1～600 s，可調)。通常情況下，壓力、保壓時間、打散時間應由小到大。例如：第一次調節壓力為3 MPa，保壓時間為10 s，打散時間為20 s；第二次調節壓力為4 MPa，保壓時間為15 s，打散時間為25 s。

(2)裝第一袋茶并第一次成形。將第一袋經過殺青的茶葉(50 kg為宜)裝入成形機。按下“工作”按鈕，成形機根據設定參數自動工作，完成后將茶磚(稱第一塊茶葉)送出至進入滾桶的傳送帶上(傳送帶靜止)；此時，成形機內茶葉已清空，機器處于暫停狀態。

(3)裝第二袋茶。制茶人員將第二袋經過殺青的茶葉(同樣50 kg左右)裝入成形機中。

(4)兩袋茶分別成形和打散。再按“工作”按鈕，成形機工作，同時第一塊茶葉經傳送帶進入滾桶正轉打散，按設置的打散時間打散。若打散時間到，但第二袋茶葉在成形機還未完成，則滾桶靜止等待；若成形機先完成第二袋的工作，則茶葉翻出至靜止的傳送帶上。

(5)兩塊茶交替成形與打散。成形機完成第二塊茶葉清空后，滾桶反轉，由傳送帶將散開的第一塊茶葉送入成形機，成形機自動啟動工作；第二塊茶葉進入滾桶打散。如此，周而復始，成形和打散交替循環工作，直到完成設置的次數為止。

(6)結束狀態。第一塊茶葉工作先結束，成形機將之翻出，同時報警提示；第二塊茶葉結束后，同樣報警提示。工作畫面顯示“工作完成”。

4 茶葉成形過程試驗及對比

4.1 試驗基本條件

顆粒型成形設備由福建佳友茶葉機械智能科技股份有限公司生產，樣本茶選用產于安溪縣龍涓鄉舉源茶葉專業合作社的本山茶，采樣時間為2021年8月6日及2021年10月9日，殺青葉樣本含水率在33%左右，采用多點(不少于8個點)隨機和對角線加中心點五點采樣法對試驗所用的包揉葉及毛茶進行取樣，并按照《食品安全國家標準食品中水分的測定(GB 5009.3—2016)》和茶葉感官審評方法(GB/T 23776-2018)進行檢測，試驗環境溫度為(25±5)℃，空氣濕度(RH)不大于85%。

4.2 試驗儀器及設備

儀器包括托盤天平(載荷為100 g，精度0.1 g)，由常熟市駿騰塑膠模具有限公司生產；對照組設備包括JY-6 CSB-75型速包機、JY-6 CBR-21型包揉機、JY-6 CSB-100型松包機，均由福建佳友茶葉機械智能科技股份有限公司生產。

4.3 試驗過程

同一批本山茶鮮葉經曬青、做青、殺青后，采用常規成形工藝(對照組成形工藝)、顆粒茶成形智能設備成形工藝分別進行成形、烘干后，對照分析兩種成形設備機及后處理工藝對毛茶成品品質的影響，如圖8所示。

圖8 不同成形設備試驗工藝流程

4.4 兩種成形設備效能對比

為了驗證顆粒茶成形設備效能，設置對照組設備進行對比。在相同條件下，對照組設備與顆粒茶成形設備性能參數如表2所示。

從表2可見，在日產量方面，相比對照組設備，顆粒茶成形設備的日產量提高了316%；在操作人數上，顆粒茶成形設備操作所需人數也較少，可節省人工成本；在生產效率方面，顆粒茶成形設備大大高于對照組設備，是對照組設備的12.5倍；在電耗率方面，顆粒茶成形設備由于自動化程度高，其電耗率稍高于對照組設備。

表2 對照組設備與顆粒茶成形設備性能參數

4.5 兩種設備制成品品質對比

參照國標《茶葉感官審評方法》(GB/T 23776—2018)的方法對茶樣的感官品質進行審評，茶樣各稱取5 g，分別沖泡2、3、5 min后進行審評[7]，采用評語與評分相結合的方法，總分100分，其中外形占比20%、香氣占比30%、滋味占比35%、湯色占比10%、葉底占比5%，以加權方式計算品質得分[8]。評價數據結果，如表3所示。

從表3可知，對于暑茶而言，顆粒茶成形設備、對照組設備生產加工的茶葉感官品質的總分分別為86.50和86.35；就秋茶感官品質而言，顆粒茶成形設備、對照組設備生產加工的茶葉感官品質的總分分別為85.93和86.70。由此可知，顆粒茶成形設備與對照組設備生產加工的葉茶，其感官品質沒有明顯差別。

表3 不同成形設備技術對產品品質的影響

5 結 論

成形是顆粒烏龍茶形成固有風味品質的關鍵工序。原有的顆粒成形工藝采用包揉機和速包機反復多次揉壓，使茶葉成顆粒狀，存在勞動強度較大、生產效率較低、難以連續性自動化生產、制茶周期長和自動化程度低等缺點；同時工藝參數難以控制，導致品質不穩定。本文的顆粒茶成形設備，利用PLC控制技術，實現了顆粒成形、松包篩末、反復成形等功能，保證了烏龍茶特有風味，大大提高了顆粒烏龍茶的生產效率。