陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建安溪 362400）

紅茶一體化全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)的設(shè)計(jì)

陳加友

（福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建安溪 362400）

針對(duì)目前紅茶發(fā)酵設(shè)備與發(fā)酵工藝結(jié)合不緊密而造成的發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、翻拌難、缺氧、品質(zhì)適度不統(tǒng)一等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了全新的工夫紅茶一體化全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)。對(duì)發(fā)酵結(jié)構(gòu)、翻動(dòng)裝置和加熱等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了發(fā)酵機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵參數(shù)值。所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)能夠很好的滿足優(yōu)質(zhì)紅茶的發(fā)酵工藝技術(shù)要求，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等突出優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行廣泛的推廣和應(yīng)用。

工夫紅茶；發(fā)酵機(jī)；設(shè)計(jì)

1　引言

紅茶的各種機(jī)械化生產(chǎn)已經(jīng)較為普遍，發(fā)酵是形成其品質(zhì)特征的關(guān)鍵工序。傳統(tǒng)紅茶發(fā)酵方法設(shè)備簡(jiǎn)易，設(shè)備成本低，受外界環(huán)境因素影響大，一般采取人工加溫及加濕氣來(lái)達(dá)到發(fā)酵的目的，這種人工操作的發(fā)酵方式發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，效率低，發(fā)酵均勻度相對(duì)不好掌控，嚴(yán)重影響茶葉品質(zhì)。而采用單機(jī)箱式發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行發(fā)酵雖然可以達(dá)到自動(dòng)控制溫度和濕度，但是自動(dòng)化程度相對(duì)仍然比較低，上料、出料均靠人工操作，單機(jī)箱式發(fā)酵設(shè)備產(chǎn)量也不高，工作效率相對(duì)較低［1］。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)紅茶一體化全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)對(duì)于提高紅茶品質(zhì)和促進(jìn)紅茶生產(chǎn)自動(dòng)化程度都有重要意義。

2　整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

紅茶自動(dòng)發(fā)酵機(jī)由發(fā)酵房和電加熱蒸汽發(fā)生裝置、超聲波霧化裝置、茶葉提升機(jī)、正反輸送機(jī)、輸送裝置、控制裝置等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中發(fā)酵房包含傳動(dòng)裝置、進(jìn)料門、主體框架、傳動(dòng)鏈條、支撐網(wǎng)帶、撥料刷子、傳動(dòng)電機(jī)，發(fā)酵場(chǎng)所環(huán)境控制裝置、排濕風(fēng)機(jī)、排氣口、霧氣管、蒸汽管以及隨智能化控制柜。

圖1　全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2工作原理

紅茶發(fā)酵的三要素：溫度、相對(duì)濕度和充足的氧氣［2］。生產(chǎn)時(shí)一般要求溫度控制在23～29℃，發(fā)酵環(huán)境相對(duì)濕度設(shè)定在95%以上，同時(shí)應(yīng)保持發(fā)酵室內(nèi)空氣流通以提供充足的氧氣。紅茶自動(dòng)發(fā)酵機(jī)的設(shè)計(jì)就是在充分考慮以上三要素的基礎(chǔ)上［3］，配置加溫、加濕設(shè)備和進(jìn)出氣口。針對(duì)目前紅茶發(fā)酵設(shè)備與發(fā)酵工藝結(jié)合不緊密而造成的發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、難翻拌、缺氧、品質(zhì)適度不統(tǒng)一等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了這種工夫紅茶自動(dòng)化發(fā)酵機(jī)，對(duì)發(fā)酵結(jié)構(gòu)、翻動(dòng)裝置和加熱等裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)備中各電器元件的工作狀態(tài)全部由智能化控制柜中的PLC控制系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、出料，自動(dòng)控制發(fā)酵時(shí)間和濕溫度，并自動(dòng)供氧排氧，達(dá)到快速發(fā)酵目的，保證茶葉發(fā)酵均勻性，提高紅茶發(fā)酵品質(zhì)。

3　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1發(fā)酵房

發(fā)酵房設(shè)有兩個(gè)進(jìn)料口和兩個(gè)出料口。兩個(gè)進(jìn)料口設(shè)于發(fā)酵房的頂部，兩個(gè)出料口分別設(shè)于發(fā)酵房的前側(cè)壁的下方和后側(cè)壁的下方。茶葉提升機(jī)的出料端延伸至正反輸送機(jī)的上方，茶葉提升機(jī)將茶葉從地面?zhèn)魉椭琳摧斔蜋C(jī)內(nèi)。料槽的兩端分別設(shè)有一個(gè)出料孔，料槽兩端的出料孔分別對(duì)接有一勻堆裝置。勻堆裝置與控制裝置連接。勻堆裝置包括進(jìn)料槽、勻葉器和可傳輸茶葉的輸送帶，輸送帶和勻葉器裝設(shè)于進(jìn)料槽內(nèi)，勻葉器連接有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，勻葉器可上下調(diào)整高度，輸送帶可調(diào)整松緊程度。進(jìn)料槽的尾端設(shè)有出葉口，兩個(gè)勻堆裝置的出葉口分別對(duì)接發(fā)酵房的兩個(gè)進(jìn)料口。

發(fā)酵房頂部設(shè)有進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，排風(fēng)口上有氣動(dòng)排風(fēng)裝置，該氣動(dòng)排風(fēng)裝置包括排風(fēng)扇、氣缸、聯(lián)動(dòng)桿和氣門，排風(fēng)扇置于該排風(fēng)口內(nèi)，氣門可繞軸旋轉(zhuǎn)地置于排風(fēng)口的頂部，聯(lián)動(dòng)桿的一端與氣門固定連接，聯(lián)動(dòng)桿的另一端與氣缸活動(dòng)連接，氣缸與控制裝置連接。控制裝置還連接有兩個(gè)用于檢測(cè)茶葉是否鋪滿網(wǎng)帶輸送裝置的紅外傳感裝置，兩個(gè)紅外傳感裝置設(shè)于兩組網(wǎng)帶輸送裝置的第三網(wǎng)帶輸送機(jī)的出料端。

發(fā)酵房頂部設(shè)有八個(gè)進(jìn)風(fēng)口，八個(gè)進(jìn)風(fēng)口上分別裝設(shè)有進(jìn)風(fēng)裝置，進(jìn)風(fēng)裝置與控制裝置連接，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口安裝一個(gè)進(jìn)風(fēng)扇。發(fā)酵房頂部設(shè)有兩個(gè)排風(fēng)口，兩個(gè)排風(fēng)口上分別設(shè)有氣動(dòng)排風(fēng)裝置，該氣動(dòng)排風(fēng)裝置包括排風(fēng)扇、氣缸、聯(lián)動(dòng)桿和氣門，排風(fēng)扇置于該排風(fēng)口內(nèi)，氣門可繞軸旋轉(zhuǎn)地置于排風(fēng)口的頂部，聯(lián)動(dòng)桿的一端與氣門固定連接，聯(lián)動(dòng)桿的另一端與氣缸活動(dòng)連接，該氣缸與控制裝置連接。設(shè)有八個(gè)進(jìn)風(fēng)口，可使發(fā)酵房?jī)?nèi)部各角落的溫濕度更均勻；安裝兩個(gè)氣動(dòng)排風(fēng)裝置，當(dāng)氣門打開(kāi)，排風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)工作，并根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間進(jìn)行換氧，且每隔一定時(shí)間換一次氧，保證茶葉發(fā)酵過(guò)程不會(huì)因?yàn)槿毖跤绊懫焚|(zhì)。

3.2蒸汽發(fā)生裝置

電加熱蒸汽發(fā)生裝置包括電加熱蒸汽發(fā)生器和進(jìn)氣管，進(jìn)氣管設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)出氣孔，進(jìn)氣管置于發(fā)酵房?jī)?nèi)的底部。

3.3超聲波霧化裝置

超聲波霧化裝置用于增加發(fā)酵房?jī)?nèi)濕度，該超聲波霧化裝置與控制裝置連接，超聲波霧化裝置連接有進(jìn)霧管，進(jìn)霧管上設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)進(jìn)霧孔，進(jìn)霧管設(shè)于發(fā)酵房?jī)?nèi)的頂部。

超聲波霧化裝置連接有進(jìn)霧管，超聲波霧化裝置根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件進(jìn)行選型，其含有超聲波霧化器和風(fēng)扇，超聲波霧化裝置可產(chǎn)生冷霧，該進(jìn)霧管上設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)進(jìn)霧孔，進(jìn)霧管設(shè)于發(fā)酵房?jī)?nèi)的頂部。電加熱蒸汽發(fā)生裝置包括電加熱蒸汽發(fā)生器和進(jìn)氣管，進(jìn)氣管設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)出氣孔，該進(jìn)氣管設(shè)于發(fā)酵房?jī)?nèi)的底部。電加熱蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生的熱蒸汽可控制該自動(dòng)發(fā)酵機(jī)組內(nèi)部的溫度，超聲波霧化裝置產(chǎn)生的冷霧主要控制自動(dòng)發(fā)酵機(jī)組內(nèi)部的濕度，把熱蒸汽和冷霧綜合在一起，達(dá)到平衡作用，達(dá)到溫度和濕度穩(wěn)定的控制效果，溫度和濕度可根據(jù)不同茶葉來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.4正反輸送機(jī)

正反輸送機(jī)可正向傳輸茶葉和可反向傳輸茶葉。正反輸送機(jī)包括第一料槽、輸送帶和用于驅(qū)動(dòng)送帶的電機(jī)，輸送帶裝設(shè)于料槽內(nèi)，料槽下是三層式發(fā)酵架，可實(shí)現(xiàn)不同批次進(jìn)料。正反輸送機(jī)兩端的出料孔分別對(duì)接勻堆裝置，勻堆裝置與控制裝置連接，勻堆裝置包括進(jìn)料槽、勻葉器和可傳輸茶葉的輸送帶，輸送帶和勻葉器裝設(shè)于進(jìn)料槽內(nèi)，勻葉器連接有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)料槽的尾端設(shè)有出葉口，兩個(gè)勻堆裝置的出葉口分別與發(fā)酵房的兩個(gè)進(jìn)料口相連。

3.5輸送裝置

輸送裝置包括兩組網(wǎng)帶輸送裝置，兩組網(wǎng)帶輸送裝置分別置于發(fā)酵房?jī)?nèi)的前后兩側(cè)。每組網(wǎng)帶輸送裝置包括三臺(tái)網(wǎng)帶輸送機(jī)，三臺(tái)網(wǎng)帶輸送機(jī)包括第一網(wǎng)帶輸送機(jī)、第二網(wǎng)帶輸送機(jī)和第三網(wǎng)帶輸送機(jī)，該第一網(wǎng)帶輸送機(jī)的進(jìn)料端與對(duì)應(yīng)的進(jìn)料口相連，第一網(wǎng)帶輸送機(jī)置于發(fā)酵房?jī)?nèi)的上方。第二網(wǎng)帶輸送機(jī)裝置于第一網(wǎng)帶輸送機(jī)的下方，第二網(wǎng)帶輸送機(jī)的進(jìn)料端伸出第一網(wǎng)帶輸送機(jī)的出料端，第二網(wǎng)帶輸送機(jī)的進(jìn)料端承接第一網(wǎng)帶輸送機(jī)的出料端落下的茶葉。第三網(wǎng)帶輸送機(jī)裝置于第二網(wǎng)帶輸送機(jī)的下方，第三網(wǎng)帶輸送機(jī)的進(jìn)料端伸出第二網(wǎng)帶輸送機(jī)的出料端，第三網(wǎng)帶輸送機(jī)的進(jìn)料端承接第二網(wǎng)帶輸送機(jī)的出料端落下的茶葉。

3.6紅外傳感裝置

控制裝置還連接有兩個(gè)用于檢測(cè)茶葉是否鋪滿網(wǎng)帶輸送裝置的紅外傳感裝置，兩個(gè)紅外傳感裝置置于兩組網(wǎng)帶輸送裝置的第三網(wǎng)帶輸送機(jī)的出料端。紅外傳感裝置檢測(cè)到第三網(wǎng)帶輸送機(jī)的出料端鋪滿茶葉后，即向控制裝置發(fā)出信號(hào)，控制裝置停止該組網(wǎng)帶輸送裝置運(yùn)作?？刂蒲b置還連接有用于檢測(cè)發(fā)酵房?jī)?nèi)溫度和濕度的傳感器?？刂蒲b置設(shè)有顯示面板，顯示面板可顯示發(fā)酵房?jī)?nèi)的溫度、濕度等參數(shù)。

4　設(shè)計(jì)內(nèi)容

紅茶一體化自動(dòng)發(fā)酵機(jī)有效利用傳動(dòng)原理、支撐預(yù)算，并采用PLC控制原理對(duì)傳動(dòng)部件、發(fā)酵場(chǎng)所控制部件、監(jiān)測(cè)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、反饋和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)紅茶加工全程自動(dòng)化。

4.1采用部件結(jié)構(gòu)

紅茶一體化全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)三維機(jī)構(gòu)如圖2所示，整機(jī)包括發(fā)酵提升機(jī)、發(fā)酵分組跑車、發(fā)酵勻料平輸、發(fā)酵房、發(fā)酵出料輸送機(jī)、超聲波霧化器和電加熱蒸汽機(jī)、智能化控制柜，包含各個(gè)部件、設(shè)備之間的電纜等七大部分組成。

圖2　紅茶一體化全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

4.2設(shè)計(jì)說(shuō)明分析

4.2.1發(fā)酵提升機(jī)

發(fā)酵提升機(jī)采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動(dòng)、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、不銹鋼折板擋邊、調(diào)節(jié)茶葉量的調(diào)速撥料器等設(shè)計(jì)。發(fā)酵提升機(jī)整體設(shè)計(jì)有效的將茶葉有序從地面位置提升到較高工作位置，避免了茶葉落料、卡?，F(xiàn)象。

4.2.2發(fā)酵分組跑車

發(fā)酵分組跑車采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動(dòng)、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、輸送機(jī)安裝上滾輪、移動(dòng)電機(jī)，移動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、皮帶電機(jī)的正反轉(zhuǎn)加上多個(gè)限位開(kāi)關(guān)組成了行程可控的發(fā)酵分組跑車，將承接發(fā)酵提升機(jī)的茶葉進(jìn)行分組作業(yè)。

4.2.3發(fā)酵勻料平輸

發(fā)酵勻料平輸采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動(dòng)、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊、調(diào)節(jié)茶葉量的調(diào)速撥料器，組成了發(fā)酵勻料平輸，將承接發(fā)酵分組跑車的茶葉進(jìn)行勻料作業(yè)，確保的發(fā)酵茶葉厚度的一致性。

4.2.4發(fā)酵房

發(fā)酵房外板采用的防濕、防腐蝕的蝸封板、不銹鋼u槽拼裝，要求各位位置不能漏水，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)以下分析。

4.2.5發(fā)酵出料輸送機(jī)

發(fā)酵出料輸送機(jī)采用PVC材質(zhì)輸送皮帶、滾筒帶動(dòng)、皮帶支撐板、不銹鋼折板鎖膠條攔邊，組成了發(fā)酵出料輸送機(jī)，將承接發(fā)酵房中已經(jīng)發(fā)酵完成茶葉的出料作業(yè)。

4.2.6發(fā)酵場(chǎng)所環(huán)境控制裝置

發(fā)酵場(chǎng)所環(huán)境控制裝置，超聲波霧化器和電加熱蒸汽機(jī)分別接上霧氣管，其中霧氣管進(jìn)行等分位置的開(kāi)孔處理和蒸汽管，其中蒸汽管進(jìn)行等分位置的開(kāi)孔處理，配合排濕風(fēng)機(jī)和排氣口，組成了發(fā)酵場(chǎng)所環(huán)境控制裝置，控制發(fā)酵房中的溫度、濕度，保證著茶葉的有氧發(fā)酵。

4.2.7傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置由進(jìn)料門、主體框架、傳動(dòng)鏈條、支撐網(wǎng)帶、撥料刷子、傳動(dòng)電機(jī)組成，輸送發(fā)酵勻料平輸?shù)牟枞~。裝置進(jìn)行茶葉布料，支撐網(wǎng)帶末端安有的多位置物料傳感器，當(dāng)檢測(cè)到茶葉時(shí)傳動(dòng)裝置預(yù)采取停止指令，發(fā)酵提升機(jī)投料停止工作，已布置的茶葉進(jìn)行發(fā)酵作業(yè)。

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)備采用以發(fā)酵空間（4m×2.4m×2.4m）進(jìn)行綜合分析，以設(shè)備工作1個(gè)小時(shí)為例，耗水量。輔助配件熱電偶、溫度測(cè)試儀、壓力監(jiān)控原件、PLC控制系統(tǒng)等。

原來(lái)水量：M原來(lái)=20kg；

空間容積：V空間=4m×2.4m×2.4m=23.04m2；

水蒸氣密度：ρ=0.4kg/m3（在標(biāo)準(zhǔn)氣壓、35℃條件下）；

發(fā)酵完地板管收集冷凝水質(zhì)量：M凝=7.8kg；

桶內(nèi)水剩余：M余=2.07kg

懸浮于發(fā)酵環(huán)境中的水蒸氣質(zhì)量

M=M原來(lái)-M凝-M余=20kg-9.3kg-2.07kg=8.63kg

懸浮于發(fā)酵環(huán)境中的水蒸氣體積

V=M/ρ=8.63kg/0.4kg/m3=21.56 m3

發(fā)酵環(huán)境中水蒸氣比例

η=V/V空間=21.56 m3/23.04 m3=0.936（即：93.6%）

試驗(yàn)結(jié)果得到發(fā)酵環(huán)境中，水蒸氣在溫度35℃的比例為93.6%，符合茶葉的發(fā)酵環(huán)境。

5　結(jié)　論

工夫紅茶一體化全自動(dòng)發(fā)酵機(jī)自動(dòng)化程度較高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、出料。采用多層次網(wǎng)帶輸送茶葉，增加發(fā)酵機(jī)的發(fā)酵產(chǎn)量，提高工作效率?？勺詣?dòng)控制發(fā)酵時(shí)間和溫濕度，且能自動(dòng)供氧排氧，塑造良好的發(fā)酵環(huán)境，從而達(dá)到快速發(fā)酵目的，保證茶葉發(fā)酵均勻性，提高紅茶發(fā)酵品質(zhì)，能夠很好的滿足優(yōu)質(zhì)紅茶的發(fā)酵工藝技術(shù)要求，并且該紅茶發(fā)酵機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等突出優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行廣泛的推廣和應(yīng)用。

［1］權(quán)啟愛(ài).條形紅茶加工設(shè)備及其使用技術(shù)［J］.中國(guó)茶葉，2011，33 （6）：10-12.

［2］方世輝，王先鋒，汪惜生.不同發(fā)酵溫度和程度對(duì)工夫紅茶品質(zhì)的影響［J］.中國(guó)茶葉加工，2004（2）：19-21.

［3］林國(guó)軒，劉玉芳，郭春雨.我國(guó)工夫紅茶發(fā)酵適度時(shí)間監(jiān)控的研究進(jìn)展［J］.大眾科技，2012（6）：125-127.

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD06B06）“智能化節(jié)能茶葉采摘與加工關(guān)鍵技術(shù)裝備研制”、福建省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2015N3004）資助。

陳加友，碩士學(xué)位，高級(jí)講師，維修電工高級(jí)技師、集美大學(xué)客座教授、校外碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電和茶葉的教育教學(xué)工作。