一种设有除杂功能的茶叶揉捻装置的设计与分析

王利晖 ，滕 杰 ，周李鹏涛 ，汪龙昊 ，谢子菁 ，贾智彤

（江西农业大学农学院，江西 南昌 330045）

1 研究背景

1.1 课题背景

《“十四五”全国农业机械化发展规划》指出，我国农业生产已从主要依靠人力畜力转向主要依靠机械动力，进入了机械化为主导的新时期。“十四五”时期，“三农”工作进入全面推进乡村振兴、加快农业农村现代化的新阶段，对农业机械化提出了新的更为迫切的要求，也为农业机械化带来了新的发展机遇[1]。

“一片叶子，成就了一个产业，富裕了一方百姓。”我国是茶叶生产和消费大国，在全面实行乡村振兴战略的今天，特色农产品产业的兴旺能够带动产业经济的发展，推动农村经济的增长，而这又是实现乡村振兴的保障[2]。先进的茶叶加工机械能够优化茶叶加工质量，提升茶叶加工效率，提高茶农收益。近年来，中国茶产业蓬勃发展，因此要不断在研究茶叶加工机械自动化技术的应用上下功夫，积极创新和研发新型机械[3]。为解决现有茶叶揉捻机生产不连续、效率低等问题，促进农业机械化全面发展、助力百姓稳步高效生产，结合茶叶加工工序“揉捻”的特点，急需一种设有除杂功能的茶叶揉捻装置，以此提高茶叶揉捻加工的效率和成品茶叶品质。

1.2 研究意义

茶叶，俗称茶，一般包括茶树的叶子和芽，茶叶中含有儿茶素、胆甾烯酮、咖啡碱、肌醇、叶酸和泛酸等成分，有益健康，由茶叶制成的茶饮料，是世界三大饮料之一。茶叶的制作主要包括杀青、揉捻和干燥三个步骤，其中杀青是让鲜叶在短时间内利用高温破坏鲜叶中的多酚氧化酶活性，以防鲜叶变红；揉捻是适当破坏鲜叶组织，使茶汁渗出，让茶叶卷曲成条塑形；干燥是使茶叶中的水分挥发掉，提高茶叶的香气，固定茶叶形状[4]。

现有的茶叶揉捻装置在使用的过程中，通常是将杀青后的茶叶放置于揉捻装置对茶叶进行揉捻，当全部的茶叶揉捻完成后才能对下一批次的茶叶进行揉捻，无法连续对杀青后的茶叶进行揉捻，加工效率较低，且杀青后的茶叶中存在一些细小的茶梗和碎叶，而这些茶梗和碎屑在茶叶揉捻的过程中会混入其中，降低成品茶叶的品质。为此，研究小组提出一种设有除杂功能的茶叶揉捻装置。

本装置设置有揉捻锥、锥形锅、伸缩杆、筛选箱、筛板、凸轮盘、连杆和凸轮电机。可将杀青后的茶叶投入到锥形锅内部，位于揉捻锥和锥形锅之间，转动电机，通过转轴带动揉捻锥转动，揉捻杀青后的茶叶。同时，通过伸缩杆调节锥形锅的高度，调节揉捻锥的锥形外表面和锥形锅内壁之间的距离，以达到对不同大小茶叶进行揉捻的目的。杀青后的茶叶沿着导料板倒入筛网，凸轮电机带动凸轮盘转动，凸轮盘通过连杆带动筛网以铰链为轴心不断上下摆动，杀青后的茶叶沿着筛网滑入到锥形锅中，同时杀青后茶叶中的细小茶梗和碎屑穿过筛网被剔除。

2 整体设计方案

2.1 整机结构原理

本装置技术方案包括筛选箱、揉捻锥、锥形锅和底座。本装置能够对杀青后的茶叶进行连续揉捻，提高茶叶揉捻加工的效率，且便于将揉捻前的茶叶中的细小茶梗和碎叶剔除，从而提高成品茶叶品质。

如图1 至图4 所示，本装置包括筛选箱2、揉捻锥8、锥形锅9 和底座11，底座11 上表面一侧通过固定架12 安装有筛选箱2，筛选箱2 内壁通过铰链4 安装有筛网3，筛选箱2 内壁靠近连杆20 的一侧安装有导料板1，杀青后的茶叶沿着导料板1 倒入筛网3上。筛选箱2 下表面背离铰链4 的一侧安装有凸轮电机16，凸轮电机16 输出端安装有凸轮盘22，凸轮盘22 前表面通过转动轴B21 安装有连杆20，且连杆20末端和筛网3 下表面通过转动轴A19 连接。凸轮电机16 带动凸轮盘22 转动，凸轮盘22 通过连杆20 带动筛网3 以铰链4 为轴心不断上下摆动，杀青后的茶叶沿着筛网3 滑入到锥形锅9 中，同时杀青后茶叶中的细小茶梗和碎屑穿过筛网3被剔除。

图1 装置主视结构示意图

图2 图1 中A的放大结构示意图

图3 装置凸轮电机局部主视结构示意图

图4 装置U型架侧视结构示意图

底座11 上表面背离筛选箱2 的一侧安装有U 型架6，U 型架6 内壁的顶部通过转轴7 安装有揉捻锥8，U 型架6 上表面安装有转动电机5，转动电机5 输出端和转轴7 末端连接，转动电机5 通过转轴7 带动揉捻锥8 转动。底座11 上表面安装有伸缩杆10，伸缩杆10 末端安装有锥形锅9，伸缩杆10 共设有两个，且两个伸缩杆10 对称安装于底座11 上表面靠近U 型架6 两侧位置处，通过伸缩杆10 调节锥形锅9 的高度，从而调节揉捻锥8 的锥形外表面和锥形锅9 内壁之间的距离，以达到对不同大小茶叶进行揉捻的目的，同时也可对同一茶叶揉捻卷曲成型后的大小进行调节，提高通用性。且揉捻锥8 位于锥形锅9 内部，锥形锅9 内壁和揉捻锥8 的锥形外表面之间的距离由大变小，揉捻卷曲后的茶叶体型变小，从而沿着锥形锅9内壁和揉捻锥8 的锥形外表面之间的空隙滑出。

U 型架6 内壁靠近前表面和后表面位置处对称分设有滑槽18，锥形锅9 前表面和后表面对称安装有滑块17，且两个滑块17 分别位于两个滑槽18 内部，滑槽18 和滑块17 的设置对于锥形锅9 的升级起到导向的作用，同时提高锥形锅9 的稳定性。筛选箱2 下表面安装有漏斗15，底座11 上表面位于漏斗15 下方位置处设有放置槽13，放置槽13 内部设置有收集箱14，穿过筛网3 的细小茶梗和碎叶沿着漏斗15落入到收集箱14 中。当收集箱14 内部收集的细小茶梗和碎叶将要满时，将收集箱14 从放置槽13 中取出，倒出收集箱14 内部的细小茶梗和碎叶，锥形锅9 下表面轴心位置处设有出料口。

2.2 工作原理

杀青后的茶叶沿着导料板1 倒入筛网3，凸轮电机16 带动凸轮盘22 转动，凸轮盘22 通过连杆20 带动筛网3 以铰链4 为轴心不断上下摆动，杀青后的茶叶沿着筛网3 滑入到锥形锅9 中，同时杀青后茶叶中的细小茶梗和碎屑穿过筛网3 被剔除。锥形锅9 内壁和揉捻锥8 的锥形外表面之间的距离由大变小，转动电机5 通过转轴7 带动揉捻锥8 转动，揉捻卷曲后的茶叶体型变小，从而沿着锥形锅9 内壁和揉捻锥8 的锥形外表面之间的空隙滑出。

3 设备应用效果分析

3.1 揉捻效果分析

本装置通过设置揉捻锥、锥形锅和伸缩杆，达到了能够对杀青后的茶叶进行连续揉捻，提高茶叶揉捻加工效率的效果。杀青后的茶叶投入到锥形锅内部，位于揉捻锥和锥形锅之间，锥形锅内壁和揉捻锥的锥形外表面之间的距离由大变小，转动电机通过转轴带动揉捻锥转动并使得杀青后的茶叶被揉捻，揉捻卷曲后的茶叶体型变小，从而沿着锥形锅内壁和揉捻锥的锥形外表面之间的空隙滑出。通过伸缩杆调节锥形锅的高度，进而调节揉捻锥的锥形外表面和锥形锅内壁之间的距离，以达到对不同大小茶叶进行揉捻的目的。

3.2 除杂效果分析

本装置通过设置筛选箱、筛板、凸轮盘、连杆和凸轮电机，达到了便于将揉捻前的茶叶中的细小茶梗和碎叶剔除，从而提高成品茶叶品质的效果。杀青后的茶叶沿着导料板倒入筛网，凸轮电机带动凸轮盘转动，凸轮盘通过连杆带动筛网以铰链为轴心不断上下摆动，杀青后的茶叶沿着筛网滑入锥形锅中，同时杀青后茶叶中的细小茶梗和碎屑穿过筛网被剔除。

4 结论与展望

4.1 结论

在对现有茶叶揉捻机械缺陷提出改进设想后，参考现存的可靠性分析经验，而后进行设计制造，使得设计有较高的可靠性，便利未来的检验[5]。项目创新点在于：传统加工以手工进行揉茶，较为费时费力；现代制茶多以机械式盘式揉茶机揉捻，而后再利用人力进行部分加工或挑拣[6]，虽然在很大程度上提高了生产效率并且能够降低劳动强度，但茶叶质量不稳定、效率低的问题依然严重制约着茶产业的发展[7]。本文提供了一种设有除杂功能的茶叶揉捻装置，该装置具备能够对杀青后的茶叶进行连续揉捻，提高茶叶揉捻加工的效率，且便于将揉捻前的茶叶中的细小茶梗和碎叶剔除，从而提高成品茶叶品质的优点。解决了现有的问题：茶叶揉捻装置在使用的过程中通常是将杀青后的茶叶放置于揉捻装置对茶叶进行揉捻，当全部的茶叶揉捻完成后才能够对下一批次的茶叶进行揉捻，无法连续对杀青后的茶叶进行揉捻，加工效率较低，杀青后的茶叶中存在一些细小的茶梗和碎叶，而这些茶梗和碎屑在茶叶揉捻的过程中会混入其中降低成品茶叶的品质。

目前，该揉捻机主要存在以下两个问题：揉捻机智能化水平不高，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，而对茶叶揉捻机的控制系统集成数字化设计是满足更大的生产需求的必由之路[8]；尚不能实时检测揉捻叶内部压力及其细胞破碎率，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[9]。另外，该装置主要通过试验来得到合适的工艺参数，后续可以对茶叶在成型过程中的运动轨迹进行研究，得到不同工艺参数下茶叶成型过程中的运动情况和受力情况，进行理论上的深入研究[10]。

4.2 展望

茶，始于神农，兴于唐，盛于宋。茶产业发展至今已经历过无数的朝代，随着农业生产向现代化、规模化、集约化和信息化方向发展，茶叶的生产将由传统手工高端茶向平民化的放心茶转变，茶叶的连续化机械加工逐渐取代传统的单机作业。为了提高茶叶的市场竞争力，茶园需要引入多种先进的机械化技术，促进产业发展。当前，在信息化技术迅猛发展的大环境下，茶叶加工工序机械化技术应用普及势不可挡，要将不断进步的机械化技术与日益蓬勃发展的茶产业有机结合，保障和提高茶叶产量与质量，做好茶产业，做精茶产业，推动茶叶产业高质量发展[11]。