茶叶揉捻机研究进展与发展趋势

邓虎啸 李兵 周健飞 王梦 柏宣丙

摘要：揉捻是茶叶加工的一个重要工序，对形成茶叶的优良品质具有重要作用。文章分析了国内外茶叶揉捻机的现状，对目前揉捻机的揉盘凹倾角、揉桶转速、棱骨数量等关键结构参数的优化研究进行了论述，分析了连续化揉捻、自动加压、自动进（出）料等结构创新及自动控制方面的研究进展，论述了当前茶叶揉捻机研究存在的问题及发展趋势。

关键词：茶叶揉捻机;研究现状;发展趋势

Research Status and Development

Trend of Tea Twisting Technology

DENG Huxiao1， LI Bing1，2*， ZHOU Jianfei1， WANG Meng1， BAI Xuanbing1

1. School of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China;

2. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China

Abstract：  Twisting is an important process of tea manufacturing， which plays an important role in the aroma and foam resistance of tea. The current situation of tea twisting machines at home and abroad was introduced， the optimizations of key structural parameters such as the concave angle of kneading disc， the rotational speed of kneading barrel， thenumber of prismatic were discussed and the research progress of structural innovation and automatic control such as continuous twisting， automatic pressure， automatic feeding （discharging） was analyzed in this paper. Meanwhile，the existing problems and developing trend of tea twisting machine were discussed.

Keywords： tea twisting machine， research status， development trend

茶叶是一种世界性的特色农业经济作物，我国是世界上最早种植茶叶的国家，茶园面积和茶叶产量均居世界首位。据统计，2019年全国18个主要产茶省（自治区、直辖市）的茶园总面积306.5万hm2，干毛茶产量279.34万t，总产值达2 396亿元[1]。

揉捻是茶叶加工中的一项重要工序，其主要作用是破碎茶叶细胞、挤出叶汁，使叶汁附着于茶叶表面，提高香气，使茶叶条索紧结、缩小茶叶体积，有利于初步成形、增加茶叶的滋味与色泽[2]，目前我国的揉捻加工工艺已经实现机械化[3]。

一、国内外揉捻机现状

20世纪初期，英国的土木工程师肯蒙特以2个圆形木盘作为揉盘，在木盘上刻上由中心扩散至边缘的凹凸浅沟，并设计了传动装置，形成了盘式结构，另一位英国工程师杰克逊经过改良，设计弹簧连动结构以调节揉捻压力，是世界公认的盘式揉捻机的雏形。1897年，日本高林谦三研制出现代盘式揉捻机，此后盘式揉捻机结构并无重大变化。

我国揉捻机早期主要是自主制造和引进国外技术，例如张天福设计的918木质揉捻机和克虏伯式揉捻机。上世纪60年代浙江研制出58型铁木结构双动揉捻机，并进行了中试及量化生产，在此基础上出现了6CR-55型、6CR-65型和6CR-90型等多种型号盘式揉捻机，逐步形成了盘式揉捻机的标准化、系列化产品，上述揉捻机产品设计与制造已达到国际先进水平，并使用至今[4]。

揉捻机主体结构虽没有重大变化，但近年来对揉捻机结构参数优化、创新机构设计、自动控制等方面研究较多，并取得了阶段性成果。

二、揉捻机参数优化研究进展

揉捻叶的品质主要取决于揉捻盘的技术参数和揉捻机工作环境，然而一些重要的参数主要是根据过去的经验来确定的，因此参数优化的研究势在必行。

揉捻盘的技术参数主要包括棱骨的根数及安装角度、凹倾角等因素。棱骨能够增大揉捻機对茶叶的摩擦力，有利于茶叶成条，茶叶在棱骨表面向上翻滚，使得机器能够均匀揉捻。揉盘面向内倾斜的角称为凹倾角，外揉盘向内倾斜、凹倾角为正时，可以减少茶叶外散，把茶叶导向揉捻强压区，有利于成团。合理的揉桶转速可以增强茶叶运动中的摩擦力、揉搓力以及扭卷力，有利于增强机器的稳定性与可靠性[5]。

岳鹏翔等[6]以揉捻机棱骨的根数和棱骨的安装角度为研究对象，运用二元回归正交设计的试验方法，对三级杀青叶进行加工处理，得出棱骨根数为12，棱骨安装角度为42°时，揉捻的质量最佳。周昊等[7]借鉴岳鹏翔对棱骨的研究结论，以揉捻机不同参数的棱骨为研究对象，建立Solidworks三维模型，导入ABAQUS仿真软件，运用有限元动态分析方法，对不同参数的棱骨进行仿真，得出棱骨顶部圆角半径值越大、棱骨条半径越大，茶叶所受的揉捻力就越大，这一规律对于提高揉捻机的生产制造有着重要意义。曹望成等[8]以揉捻机转速等为试验对象，采用45型揉捻机进行2次对比试验，对成条率、细胞破坏程度、碎茶率、耗电量、机器工作状况等因素分析认为，揉捻机的转速为40 ～ 50 r/min时，综合效果最好。陈世辉[9]根据揉捻机工作原理，以揉捻机凹倾角为对象，基于PRO/E软件进行三维建模，导入ANSYS软件进行有限元分析试验，分别得出轻载与重载时凹倾角与外揉盘最大应力之间的关系，当凹倾角为5°左右时，外揉盘应力最大，具有较好的揉捻效果。张开兴等[10]对茶叶在揉盘上的受力情况进行分析，运用有限元分析方法，结合具体试验得出：当揉盘的凹倾角为5°左右时，揉捻效果最好，并针对北方茶叶特点对凹倾角、棱骨等方面进行优化，当凹倾角为6°、棱骨根数为14、安装偏移角度为42°、小端面宽度为8 mm、小端面高度为7 mm、大端面宽度为12 mm、大端面高度为9 mm时，揉捻效果最佳。李兵等[11]分析茶叶在揉桶内的受力情况，运用三维建模软件Solidworks对揉捻机的揉桶、揉盘等主要运作部件进行实体建模，导入离散元仿真软件EDEM并与拟合出的与茶叶外形大小相似的多球面组合体进行配合仿真，初步得出揉桶转速45 r/min、揉盘倾角4°是最佳的揉捻参数，并运用Design-Expert 10.0对揉捻参数进行优化试验，最终得出当揉桶转速为42 r/min，棱骨高度为10 mm，揉盘倾角为3.8°时，茶叶揉捻机的揉捻质量最优。

三、揉捻机创新结构研究进展

目前揉捻机大多为揉桶揉盘式结构，机器工作时通常需要结合人力来实现，压力控制、清洁机器、送茶、排茶等都需要人工操作。为实现揉捻的连续化、自动化控制，首先需要对揉捻机结构进行创新设计。

胡淑贞等[12]设计出一种双搓动的新型揉捻机，这种揉捻机能够实现揉桶相对于揉盘转动和揉盘相对于机座转动，与传统的揉捻机相比，揉捻效率更高，茶叶条索更紧，机器设有可上下左右移动的自动加压盖，省去了人工操作。

为了解决揉捻机需要定时人工清理茶渣和灰尘的麻烦，杨植善[13]设计出一种自清洁的半自动揉捻机组。该揉捻机组的两侧设有支撑板和可升降的支撑柱，支撑柱顶部设有升降板，升降板上设置收集风机和收集箱等自清洁装置。支撑柱下降带动升降板向下，使得自清洁装置工作，达到清理揉捻机的目的，省去了人工操作，提高了工作效率。

傅原美[14]设计出一种能均匀揉捻的茶叶揉捻机。该揉捻机的支架顶端设有气压缸，气压缸的末端连接着安装板，驱动马达安装在安装板上，另一端与揉捻盖连接，揉捻盖底部设有揉捻纹。揉捻机工作时，气压缸向下压迫揉捻盖，驱动马达带动揉捻盖转动，当揉桶在揉盘上做圆周运动对茶叶进行揉捻的同时，通过揉捻盖底部的揉捻纹对茶叶进行揉捻，提高了揉捻效率，使揉捻更加均匀。支腿上设有支撑套，支撑套底部设有减震弹簧与垫片，能够起到固定机器与减震的作用。

王国顺[15]设计出一种智能连续揉捻机，其内部设置有一固定风机，揉捻机工作时，风机能够从外界抽气，通过喷管对揉捻时即将结块的茶叶进行喷射，防止成块，在揉捻块的后侧设置多个划杆，可以扫动茶叶，起到打散茶叶团的作用，从而防止整个揉捻过程中出现茶叶结块的现象。

揉捻机连续化工作的过程中，总是伴随着压力盖的上升与下降，传统揉捻机的压力盖控制多为人工操作，劳动强度大，浪费人力资源。若全部改成自动控制，则会在遇到工厂停电或机器损坏等情况时揉捻机不能正常工作。为此，鲍小平等[16]设计出一种揉捻机升降装置，具备手动和自动2种升降方式，装置主体设有行程开关，控制加压盖的升降范围。

四、揉捻机的自动控制研究进展

我国的茶叶揉捻机已经实现了连续化，在称重及进（出）料环节实现了自动化，但自动加压、自动调控投叶量、根据不同茶叶原料采取不同的揉捻工艺等自动化程度较低[17]。为了实现对揉捻的压力控制、把揉捻压力量化，谭和平等[18]提出一种基于可编程逻辑控制器（PLC）和步进伺服的茶叶揉捻压力柔性控制方法，该控制系统由4部分组成：人机接口（HMI）、PLC、压力检测组和压力调节组。HMI选用昆仑通态公司生产的触摸屏与系统，PLC选用Kinco-306EX系列，称重传感器和隔离型压力信号变送器组成压力检测组，压力调节组选择了DM86系列的步行电机和DMD808A型驱动器。与传统的压力设定方法不同，柔性压力控制可对比施压装置的压力值与实际压力值之间的缓冲值，从而执行相应的施压操作。通过与固定压力控制、刚性压力控制2种控制方法对比试验，柔性压力控制拥有降低能耗、细胞破碎效果好、茶叶条索紧、碎茶率低、茶条死结少等特点。实际操作时，把柔性压力控制相关的参数输入到PLC中，通过控制步行电机的正反转，实现对压力盖上升下降的控制。

李杰等[19]设计出一种智能化茶叶揉捻机组，能够对茶叶揉捻进行精准、自动控制。其揉捻组由多个揉捻机组成并设有多级上料带，上料带可以正反转，以达到给每个桶加料的目的。揉捻机主体上设有位置检测机构，通过揉捻机组控制箱，实现加料控制、加压控制、揉捻控制、出料控制的过程。徐文娟等[20]对揉捻过程中称重下料、揉捻压力和揉捻速度控制自动化进行设计，提出一种茶叶揉捻机的自动化装置改进设计。称茶下料系统由气缸、电磁阀和皮带秤组成，揉捻压力控制系统由平衡弹簧、步进电机和电阻应变式测力传感器组成，揉捻速度控制系统由1台交流电机和1个变频器组成，3个系统由计算机和显示系统组成的一体机控制，计算机采用PLC控制系统。机器工作时，皮带將茶叶运送至皮带秤称重，达到设定数值下茶，测力传感器采用电阻应变式测力传感器，能够将金属丝的弹性形变转化为电阻变化传递给计算机调控，机箱内设有变频器，能够根据实际改变转速，满足不同组织、嫩度和杀青质量茶叶的转速要求。通过压力和转速控制模块测试及人工揉捻对比试验，自动控制系统的揉捻机成条率大于人工控制，人工成本更低，工作效率更高。

五、揉捻机发展趋势

目前国内的揉捻机主要存在以下几个问题：揉捻机工艺参数难以量化;揉捻机结构创新性不够，传统揉捻机结构难以满足自动化揉捻机及智能化揉捻机的要求;揉捻机智能化程度不高，尚不能根据鲜叶原料的老嫩程度智能地选择机械揉捻工艺参数;揉捻叶内部压力及其细胞破碎率尚不能实时检测，影响了揉捻工艺参数的反馈及实时调整。为解决上述问题，应借助机械优化理论及技术创新结构设计，特别是与自动揉捻技术相关的创新设计;研发满足揉捻工艺要求的压力传感器及检测细胞破碎率的传感器，以实现揉捻过程中对机械化揉捻工艺参数的智能化实时调整，进而实现智能化揉捻。

参考文献

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[18] 谭和平， 杨桩， 汤江文， 等. 基于PLC和步进伺服的茶叶揉捻压力柔性控制方法[J]. 中国测试， 2015， 41（2）： 80-83.

[19] 李杰， 赵丽清， 宋志禹， 等. 茶叶揉捻机组： 211430918U[P].    2020-09-08.

[20] 徐文娟， 杨美萍. 一种茶叶揉捻机的自动化装置改进设计[J]. 农机化研究， 2020， 42（9）： 109-112， 124.