绿茶是非发酵茶，较多地保留了鲜叶的天然物质，含有茶多酚、叶绿素、咖啡碱、氨基酸、维生素等多种营养成分，特别是多酚类化合物含量高，具有较好的保健功能。2019年中国绿茶产量达到177万吨，占全国茶叶产量的63%。中国绿茶市场人均消费量也呈上升走势，2018年人均消费量首次超过1 kg/人，达到1.03 kg/人，2019年达到1.05 kg/人。绿茶是中国茶叶中出口规模最大的茶类，2019年绿茶出口量占茶叶出口总量的83%。
绿茶机械化制作工艺一般经杀青、揉捻、做形、烘焙等工序，杀青、揉捻和烘焙一般可以由通用装备来完成，但做形装备则为专用装备，对外形不同的绿茶应由不同的做形装备完成。文章综述了芽(条)形、片形、颗粒形等典型绿茶做形装备研究现状及存在的问题，并对绿茶做形装备的发展趋势进行了分析。
01
芽(针、条)形绿茶做形装备研究
▲ 安吉白茶(条形绿茶)
茶叶理条机是芽(针、条)形绿茶做形关键设备，最早出现于安徽宣城地区，利用曲柄滑块机构驱动U形槽锅实现直线往复运动，具有结构简单、使用稳定、维护方便等优点，深受我国茶农喜爱，在茶叶加工生产线中已广泛应用。茶叶在往复运动的U形槽锅中被抛起与槽锅壁产生碰撞，在动摩擦、挤压力的作用下使茶叶产生形变;在加热装置热作用下茶叶叶片水分减少并软化收缩，同时配合机械力的作用进行做形;加热过程产生热化学作用会引起茶叶内质成分的变化，有利于茶叶色、香、味等重要特征的形成，U形槽锅作为理条机重要组成部件，其槽锅形状及设计参数直接影响到理条质量。
国内众多专家学者对理条机关键结构参数及创新设计展开研究，程玉明等曾对理条机的槽锅展开设计研究，U形槽宽加深为115 mm、U形槽深增加到100~110 mm、采用两边圆弧曲率半径差为5 mm的不对称结构、槽锅底部增加三条导叶筋，以增强理条叶与锅壁的撞击力，加强筋对理条叶产生的搓擦效果，同时增强了茶叶的翻动特性和透气性，提高理条做形质量;赵祖光对茶叶理条机往复运动的导轨进行改进，将双圆柱形滑轨副改为一圆一平滑轨，通过对比试验得出新设计的滑轨副可以提高机器寿命，在一定程度上提高了制茶品质。
茶叶理条机的驱动机构为曲柄滑块机构，当设计的最小传动角过小，会造成机构传动卡滞、冲击及振动现象，同时影响茶叶成形率。传统的设计方法过程较繁，且一般较难获得最大传动角，安徽农业大学茶机课题组运用蚁群算法对茶叶理条机的关键结构参数进行了优化设计，选取最小传动角及成条率为目标函数，以理条机的关键结构参数为设计变量，根据茶叶理条机作业时具体结构要求为约束条件，建立了茶叶理条机多元非线性优化设计数学模型，运用蚁群算法和Matlab语言，编制了基于蚁群算法的优化设计求解程序，结果为，曲柄长度a为59.1 mm，连杆长度b为341.5 mm，偏心距e为57.5 mm，滑块行程H为120 mm，辅助角β为8.26°，极位夹角θ为3.5°，最小传动角γmin为70.1°。优化后的最小传动角由50°增大到70.1°，使传动更加平稳，振动减轻，噪音降低;槽锅的卡滞现象消失，理条机的成条率也有所增加，理条机优化前后的参数如表1所示。
曲柄滑块机构属非对称结构，理条机作业时连杆的惯性力难以平衡，造成振动噪音较大。为了以最小的成本降低理条机的振动噪音，在不改变理条机传动机构及主体结构的基础上，安徽农业大学茶机课题组对理条机进行了减振方面的创新设计，传统理条机存在单机不对称，整机分为上下两层，每层包括由各自的曲柄连杆机构组成的两个相同的振动单元，每个振动单元的曲柄转动中心和连杆在连接板的铰接点位于同一水平线上，能够保证四个连杆的任意时间的惯性力均对称，以减小机器振动;为了平衡传统理条机连杆产生的惯性力，设计了一种适用于茶叶连续化、清洁化生产线的具有低振动、低噪音的茶叶连续理条机，通过对称布置的、形状和重量相同的四个平衡重以平衡理条机的惯性力，可以对一阶及二阶惯性力进行有效平衡，提高了减振效果;以行星齿轮传动机构取代曲柄滑块机构，与后者相比，行星齿轮组具有良好的对称性，创新机构具有更好的传动平稳性及较低的振动、噪音;张小福设计了一种理条机的气动驱动装置，利用气动驱动振动、噪音较小的特点及易于电控的特点，以高速气缸通过电磁阀换向驱动往复式茶叶理条机，以红外线陶瓷发热板为加热元件，具有热效率高，传动平稳的优点。
随着各种名优茶生产线的建立，连续多级式理条机被广泛引用。陈根生等根据芽形名优绿茶品质要求及工艺需求，在理条环节采用三级连续理条机组，通过试验研究确定了三个理条机组的振动频率及理条温度，成条率可达80%以上，茶叶加工生产线中的理条机组各单机原理与现有的理条机相似，但由于每一级理条机的槽锅的倾角、U形槽宽度与槽深等均可依工艺要求确定而不相同，故每一级的理条时间、温度等工艺参数都可最大限度适应该阶段的茶叶加工工艺要求。
近年来浙江川崎茶业机械有限公司生产的60K-S系列精揉机、宁波姚江源机械有限公司的6CRJ系列精揉机等可用于恩施玉露、雨花茶、古丈毛尖、安化松针、信阳毛尖等针芽形名优绿茶的做形工序。盘式揉捻机在进行揉捻作业时，对揉捻叶只有机械力的作用，并且揉捻过程系在封闭的揉桶内进行。而精揉机除了对茶叶有机械力的作用外，还有热的作用，更有利于茶叶成形，并能减小破碎率。同时精揉机为开放式结构，透气性好，能有效地控制茶叶水分，保证茶叶叶底嫩绿明亮，故加工出的成品茶，条索紧细圆直，锋苗挺秀，香气清高。
▲ 川崎精揉机在雨花茶中的应用
(南京盛峰茶业有限公司供图)
02
片形绿茶做形装备研究
▲ 龙井茶(片形绿茶)
长板式扁形茶炒制机是名优扁形绿茶(龙井茶)做形的关键设备之一，于1999年研制成功，经改进和优化后投入实际加工生产中。将计算机控制技术应用到扁形茶炒制机中，通过计算机系统将茶农生产经验转化为计算机语言，降低了对操作者的技术要求，提高了茶叶加工的科技水平。2000年左右，浙江新昌茶区开始应用长板式扁形茶炒制机进行龙井茶做形，因为该机在一定程度上具有磨光作用，能较好地适应龙井茶的做形工艺需求。随着长板式扁形茶炒制机的推广使用，扁形茶的炒制作业实现了机械化，并能与多功能电热理条机配合使用，发挥各自性能优点，提高成茶品质和工作效率。
随着设计水平的不断创新，长板式单锅扁形茶炒制机自动化程度获得显著提高。机器在工作时，使用者可通过人机对话设置各加工参数，储存在电脑内的数据直接对整个炒茶过程进行自动控制，无需人为干预，从而实现茶叶加工过程全程自动化;夏建仁等对龙井茶机械化加工工艺进行了研究，将全自动和半自动的两台长板式龙井茶炒制机组合进行扁茶做形，优化了扁形茶机械加工工艺，提高了扁形茶做形品质。
由于茶叶需求日益提高，扁形茶单机加工机械虽能满足龙井(扁形)茶做形要求，却无法实现连续化生产，为满足龙井(扁形)茶半连续化及连续化、智能化生产方式，国内众多企业、高校开展研究并取得一定进展。为满足上述需求，杭州千岛湖丰凯实业有限公司进行了如表2所示的创新设计，即将3台或4台长板式龙井(扁形)茶炒制机前后串联，作业时，第一台炒制机主要负责杀青工序，第二台负责继续杀青和初步做形工序，第三台主要负责继续做形工序，第四台主要负责磨光工序。通过这四个工序，龙井(扁形)茶炒制的全过程得以完成，目前该装备已应用于龙井茶生产线中。
▲ “丰凯牌”6CCB-983D型三锅连续扁茶炒制机
扁形绿茶具有代表性的产品类型有西湖龙井(有梗)及六安瓜片。两者虽都是扁形，但在外形上具有较大差别。前者为较平的片形，后者则为形如瓜子、略带弯曲。上述长板式扁形茶炒制机只能用于龙井茶做形，不能用于六安瓜片。
六安瓜片的做形一般是用理条机，但容易使条形过直、卷曲欠缺，在多年的制茶实践中，通常在理条机的U形槽锅中放置加压棒来完成做形工序，在U形槽锅的带动下，槽锅内的茶叶沿U形槽产生翻滚、抛起、与槽锅壁产生碰撞，同时U形槽锅内的加压棒在槽锅内做以槽锅宽度为直径的似圆周运动，对槽锅内的茶叶产生冲击压力作用，最终成形，但加压棒的释放及回收还是要靠人工完成，这不仅加大了劳动强度，也不利于茶叶清洁化生产，且无法实现自动化，另外茶叶加工质量要受到工人技术经验的制约，无法达到标准化生产要求，影响成茶品质。
安徽农业大学茶机课题组设计了一种具有自动加压功能做形装备用于六安瓜片的做形工序，降低了劳动强度，实现了六安瓜片连续化、清洁化生产。所设计的气动式自动加压茶叶理条机如图1所示，是一种机、电、气一体化的茶叶自动化加工设备，由气缸、活塞杆、吊环支架和吊环组成，实现了做形工序的自动加压，该设备于2007年应用在六安瓜片生产线至今，效果良好。
03
颗粒形及卷曲形绿茶做形装备研究
▲ 贵州绿宝石(颗粒形绿茶)
不同颗粒形绿茶机制加工工艺虽然不同，但主要由杀青、揉捻、做形和烘焙等关键工序组成，而做形工序对颗粒形绿茶形成独特卷曲外形起着关键作用，双锅曲毫炒干机是颗粒形绿茶做形的关键设备，茶叶在高温炒锅内受炒手板推压力、茶叶间摩擦力、茶叶与炒锅内壁摩擦力、茶叶自身重力等多个方向的作用力下，逐渐向内收紧成圆球颗粒状，以完成做形工序。
20世纪80年代，84型珠茶炒干机研制成功并在全国珠茶生产区推广使用，因其茶灶的设计会造成环境和茶叶的污染，不符合我国茶叶无公害化生产的理念，需对茶灶进行结构改进，浙江省上虞市改进的新茶灶应用时间虽短、整体不够完善，但对茶叶清洁化生产具有重要意义。
6CCGQ-50型双锅曲毫炒干机作为名优茶加工做形的重要机型之一，关键在于炒茶温度、炒板摆速与摆幅等，随着计算机技术的发展，计算控制理念逐渐应用于茶叶加工领域，实现自动化加工，降低茶农的技术要求，提高经济效益，可进行大规模批量生产加工，浙江红五环制茶装备股份有限公司研制生产的6CCQ-60型炒干机采用单片机技术实现炒茶温度、时间、炒板摆幅等参数的自动控制，提高了炒茶机械的智能化水平。
▲ “春江牌”6CCQ-50型双锅曲毫机
做形工序中所应用的双锅曲毫机，主要利用曲柄摇杆机构来模拟人工炒茶作业。曲柄为主动件，带动摇杆左右摆动，摇杆驱动与其同轴安装的炒板在炒锅内不断摆动，以实现颗粒型绿茶做形。
由于曲柄摇杆机构结构不紧凑，占用空间较大;曲柄摇杆机构在运动过程中的加速度及速度均有较大变化，导致茶叶受热不均匀、振动噪音较大。加之上述机构的传统设计以经验为主，运动性能不佳，易造成运动卡滞及较大振动，影响成品茶品质。
安徽农业大学茶机课题组对上述机构的关键参数进行了优化设计。以最小传动角最大化为目标函数，建立双锅炒茶机的优化设计数学模型，运用Matlab编制基于蚁群算法的优化程序进行优化计算及验证又通过3因素3水平正交试验，探究贵州珠茶初烘叶含水率、第一次造形时间、第二次造形炒板的摆动频率对珠茶成形匀度和碎茶率的影响，获得的最佳参数组合分别为：初烘叶含水率50%、第一次造形时间50 min、第二次造形炒板的摆动频率2.58 Hz;李为宁等用Solidworks建立了双锅曲毫机的3D虚拟样机，基于离散元法建立茶叶颗粒及接触力学模型，运用EDEM软件对做形过程进行了仿真计算，以成形率最大化和碎茶率最小化为目标函数，对炒板关键设计参数进行了优化仿真设计，同时运用2因素3水平试验进行验证，获得了弧形炒板的最优摆速及摆幅;郑红发等以6CCGQ-50型双锅曲毫炒干机为试验对象，开展螺形茶造型技术研究，得到了曲毫的关键技术参数为投叶量6 kg/锅、曲毫温度180 ℃、炒制时间75 min，上述优化结果如表3所示。
传统的珠茶炒干机仍为单机生产，作业中需人工操作，以完成上料、出料及并锅环节，难以适应连续化生产需求。安徽农业大学茶机课题组设计出一种基于自动供料的珠茶连续化做形控制系统以及控制方法，该系统自动化程度高，基于程控的自动称重系统可进行自动定量加料，设计的基于双摇杆机构可实现槽锅支架翻转自动下茶，PLC控制并锅环节可进行复炒，实现珠茶做形的连续化生产。
一些曲毫类卷曲形绿茶做形(如碧螺春)，可用揉捻机进行初步揉捻成条，然后采用6CB-180型碧螺春整形机，6CCQ-50G型曲毫炒干机，6CL-30型名茶搓螺机，6SCG-50CDT型双锅曲毫机，6CRQ-60型瓶式曲毫机等完成做形。般温度设定在60~80 ℃，在热及机械力的同时作用下完成做形工序，同时要求透气，保持茶叶色泽翠绿。上述时间一般为20~30 min，炒至茶条卷曲，含水量为10%左右，可出茶摊凉。
04
茶叶加工温度控制系统研究
温度是绿茶做形工序中的关键参数，对茶叶的成型和品质提升有着重要的意义。理条是使茶叶在一定温度下受热的作用使叶片软化，温度的控制精度直接影响成条率，李文萃等研究了香茶机械化、连续化加工滚炒温度、次数对其成茶品质的影响。赵瑶等根据针形茶做形要求，研制CJL-5型针形茶自动控温整形操作台，采用远红外加热方式并实现自动控温。范起业等研究了不同杀青温度对香茶品质的影响，发现80型电磁滚筒杀青机杀青，在投叶量为130 kg/h时，滚筒三段式加热元件温度为290 ℃-280 ℃-265 ℃时，可获最佳的成茶品质。
传统茶叶理条机理条温度控制波动较大，为了防止茶叶在理条过程中出现色泽变黄、变暗或产生焦味的现象，需要精确控制理条温度，提高茶叶的加工质量。傅杰设计了茶叶理条工艺参数模糊决策控制器及模糊PID温度控制器，并利用Matlab/simulink对上述控制系统进行了仿真计算，以解决茶叶理条机温度控制精度不高的问题;近年来模糊控制相关算法已成功应用于工程控制中，王小勇等通过模糊算法进行理条机温度控制，运用Matlab对温度控制系统进行仿真试验，使得理条机的主副加热部件具有较高的稳定性，稳态精度高，抗干扰能力强，提高了理条的成茶品质;任桂英等通过PLC和相关控制元件组成控制系统，对温度、频率等参数进行设计，提高了茶叶理条过程的自动化，便于用户简单操作;乌兰等通过IPSO对模糊PID控制器进行参数优化，使得控制系统可根据烘干机热风炉的实时温度，自动调节排烟量，保证烘干机温度的恒定。
根据茶叶物料烘焙时具有迟滞、大惯性和非线性的特点，采用传统PID控制时温度控制精度不高，超调量较大，鲁棒性差，李兵等设计了一种基于模糊 PID控制原理设计的温度控制器，用于六安瓜片茶烘焙，具有较好的动态及静态性能，温度控制精度高、超调小，当叶温设置为80 ℃时，能得到较好的烘焙品质;安徽农业大学茶机课题组设计了一种基于动态矩阵控制的茶叶烘干机，烘干机采用多层隧道式，采用上加热方式，加热元件为电加热远红外辐射板，运用DMC-PID串级温度控制系统(如图2)，前级的DMC算法提高温度控制系统的动态响应能力与鲁棒性;后级PID算法提高系统的抗干扰性能。
传统PID控制、FUZZY-PID及DMC-PID控制技术现已应用于茶叶温度控制系统中，上述三种温度控制系统的温度响应曲线如图3所示，常规PID温控精度低且超调量为15%，FUZZY-PID温控的超调量为10.5%，而采用DMC-PID串级温控的超调量为5.9%，可提高温度控制精度及成茶品质。
05
发展趋势
绿茶做形装备是形成各种绿茶独特品质的关键，也是模拟人工炒茶的关键环节，其发展趋势从最初的单机作业逐渐向连续化、智能化方向发展。成熟的工业自动化控制及传感器技术正逐步辐射至茶机设计领域，更多地应用了传感器技术和机、电、气一体化等先进技术;做形装备的传动机构也从简单的平面机构向空间机构发展，传动机构结构更加紧凑、传动效率更高、运行振动噪音更小、同时产生了多种创新机构。通过运用现代智能算法进行了关键机构的最优化设计，相关机构的优化设计水平得以提高。
今后，茶叶做形机械将以食品工程、机械电子、自动化技术及人工智能多学科交叉为特点，同时做形生产线的标准化、系列化、通用化及智能化水平也将日益提高。
来源：中国茶叶加工
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