張應(yīng)根，陳泉賓，王秀萍，王振康，陳 林，尤志明

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，福建 福安 355015)

條形茶(紅茶、綠茶)及保留了鮮葉自然形狀的白茶產(chǎn)品，存在外形松散，包裝、貯運(yùn)成本高，攜帶不便等問題，并已成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一。將茶葉壓制成餅，是解決外形松散的有效途徑。除漳平水仙[1]及花香型白茶餅[2]外，茶餅的壓制一般是先將鮮葉制成干毛茶后，采用蒸汽蒸熱，使含水率增加，條索變軟，然后用模具將茶葉壓制成餅塊狀[3-5]。目前采用的茶餅壓制機(jī)械，主要模仿石模壓制的原理，在餅塊壓制工序時(shí)利用液壓機(jī)提供壓力，其他工序如稱茶、蒸茶、上料、出料等作業(yè)仍需人工操作，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低，人工成本高[6]。因此，通過改進(jìn)和完善茶葉壓餅機(jī)械的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，使機(jī)械能夠同時(shí)完成壓餅的所有工序，將對(duì)茶餅生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化具有巨大的推動(dòng)作用。

PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)，具有能耗量低、體積小、速度快、操作簡(jiǎn)單和控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等行業(yè)[7-9]，將PLC自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于茶葉機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)中明顯提高了茶葉加工的自動(dòng)化水平，提高了茶葉品質(zhì)，增加了企業(yè)效益[10-12]。為此，本文針對(duì)茶餅壓制機(jī)械存在作業(yè)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，結(jié)合茶餅壓制工藝要求，利用PLC技術(shù)的控制優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出全自動(dòng)茶葉壓餅機(jī)械樣機(jī)，并對(duì)機(jī)械運(yùn)行效果進(jìn)行了測(cè)試，以期為實(shí)現(xiàn)茶餅的自動(dòng)化生產(chǎn)提供裝備支持。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)組成主要結(jié)構(gòu)包括上料提升機(jī)，蒸汽蒸熱機(jī)構(gòu)，壓片機(jī)構(gòu)和PLC控制系統(tǒng)。上料提升機(jī)由儲(chǔ)料斗及提升機(jī)組成，蒸汽蒸熱機(jī)構(gòu)由蒸汽發(fā)生器和蒸汽烘箱組成，壓片機(jī)構(gòu)主要由進(jìn)料斗、模具和液壓機(jī)構(gòu)組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖1、2示。主要技術(shù)參數(shù)如表1。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of whole machine

圖2 整機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Physical picture of whole machine

1.2 工作原理及壓制過程

1.2.1 工作原理 茶葉(干茶)經(jīng)蒸汽蒸熱一段時(shí)間后，含水量增加(25%以上)，條索變軟，內(nèi)含物質(zhì)部分溶于水并滲透至外表面，使茶葉具備一定的可塑性和粘性，在外力的擠壓下，可以壓制成一定密度的茶餅。

1.2.2 茶餅壓制的主要?jiǎng)幼?茶餅壓制過程的主要?jiǎng)幼靼ǎ荷狭?、蒸熱、進(jìn)料、壓制、出料(推出成品)、送成品，工藝動(dòng)作分解如圖3示。

(1)茶葉經(jīng)提升機(jī)送至蒸汽烘箱，經(jīng)蒸汽蒸熱輸送到進(jìn)料斗后，進(jìn)料斗向模具腔的上方推進(jìn)，準(zhǔn)備將茶葉裝入模具腔中，同時(shí)將上一輪壓制成型的茶餅推出。

(2)進(jìn)料斗推進(jìn)到模具腔的上方后，液壓機(jī)下沖頭下降，空出模具腔，同時(shí)進(jìn)料斗在模具腔上方作前后多次的振蕩擺動(dòng)，將茶葉均勻加料到模具腔中。

(3)加料結(jié)束后，進(jìn)料斗后退復(fù)位，液壓機(jī)上沖頭開始下壓。

(4)液壓機(jī)上沖頭下壓，到達(dá)設(shè)定壓力值后，保壓定型一段時(shí)間。

(5)保壓時(shí)間結(jié)束后，液壓機(jī)上沖頭上升，之后下沖頭也上升，頂出壓制好的茶餅，進(jìn)料斗開始下一輪進(jìn)料，同時(shí)將壓好的茶餅推出。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 上料提升機(jī)

由儲(chǔ)料斗和提升機(jī)組成。提升機(jī)輸送傾角45°，輸送高度1.7 m，傳送電機(jī)無極調(diào)速，可根據(jù)物料特性任意調(diào)整傳送速度。儲(chǔ)料斗上安裝有振動(dòng)電機(jī)，每隔一定時(shí)間振動(dòng)一次，以確保儲(chǔ)料斗中的茶葉能順利進(jìn)入提升機(jī)傳送帶中，每次振動(dòng)時(shí)間及振動(dòng)間隔時(shí)間可根據(jù)物料狀況自由設(shè)定(圖4)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖3 壓片原理與動(dòng)作過程Fig.3 Compressing principle and action process

圖4 上料提升機(jī)Fig.4 Feeding hoister

2.2 蒸汽蒸熱機(jī)構(gòu)

2.2.1 機(jī)構(gòu)組成 主要包括蒸汽發(fā)生器和蒸汽烘箱。蒸汽發(fā)生器為電加熱式，加熱功率12 kw、自動(dòng)加熱，蒸汽壓力自動(dòng)控制、壓力恒定，產(chǎn)生連續(xù)蒸汽，自動(dòng)補(bǔ)水。蒸汽烘箱長(zhǎng)2.3 m，寬23 cm，高29 cm，包括箱體、蒸汽腔和傳送帶。傳送帶表面至烘箱頂端距離3.5 cm，即烘箱傳送帶上攤?cè)~厚度最多為3.5 cm，傳送帶無極調(diào)速(圖5)。

2.2.2 蒸熱原理 如圖6示，蒸汽烘箱主要由烘箱外殼、蒸汽腔、傳送帶組成。蒸汽腔為內(nèi)空的長(zhǎng)方體，腔體的頂端面上設(shè)有蒸汽出孔，孔上方為具有細(xì)密網(wǎng)孔的傳送帶，在一個(gè)側(cè)面中部設(shè)有蒸汽入口，底部設(shè)有水出孔。蒸汽經(jīng)由入口進(jìn)入蒸汽腔，在壓力作用下，蒸汽經(jīng)由蒸汽腔的頂面出孔到達(dá)傳送帶，穿過傳送帶網(wǎng)孔，對(duì)傳送帶上的茶葉進(jìn)行蒸熱，蒸熱的同時(shí)也使茶葉增濕、變軟，可通過調(diào)節(jié)傳送帶的速度來調(diào)節(jié)蒸熱的時(shí)間。蒸熱后多余蒸汽從烘箱兩端出口流走，蒸汽冷凝形成的水由蒸汽腔的出水口流至烘箱出水口流走。

圖5 蒸汽烘箱Fig.5 Steam oven

圖6 蒸汽蒸熱原理Fig.6 Steaming principle

2.3 壓片機(jī)構(gòu)

2.3.1 機(jī)構(gòu)組成 壓片機(jī)構(gòu)主要包括進(jìn)料斗、液壓機(jī)、模具等。液壓機(jī)為柱塞缸四柱式液壓機(jī)，最大工作壓力60噸，壓力可在0～60噸范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，上、下雙壓沖頭設(shè)計(jì)，上沖頭最大行程250 mm，每分鐘能完成4～6行程。模具為多腔模具設(shè)計(jì)，1模9腔，每腔為直徑4.5 cm圓形，可配備模具最大尺寸為250 mm。

2.3.2 進(jìn)料動(dòng)作 主要包括：①進(jìn)料斗向右推進(jìn)至模具腔上方位置(圖7虛線位置)；②進(jìn)料斗在模具腔上方作振蕩運(yùn)動(dòng)，將茶葉加入到模具腔內(nèi)，振蕩幅度及振蕩次數(shù)可根據(jù)加料情況調(diào)整；③加料完后，進(jìn)料斗回復(fù)到初始位置，待壓餅行程結(jié)束后，進(jìn)行下一輪加料循環(huán)，并推出壓好的茶餅。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

2.5.1 PLC控制程序設(shè)計(jì) PLC控制程序設(shè)計(jì)手動(dòng)作業(yè)、自動(dòng)作業(yè)和調(diào)試作業(yè)三種模式。調(diào)試模式主要用于設(shè)備的調(diào)試和維修，自動(dòng)作業(yè)主要用于生產(chǎn)，手動(dòng)作業(yè)主要用于工藝試驗(yàn)與少量生產(chǎn)。根據(jù)茶餅壓制所需要完成的動(dòng)作，各作業(yè)模式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)作業(yè)流程如圖8和圖9。

圖7 進(jìn)料裝置Fig.7 Feeding device

圖8 控制程序流程圖Fig.8 Flow chart of control program

當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)作業(yè)模式后，儲(chǔ)料斗中的茶葉由提升機(jī)送至蒸汽烘箱，經(jīng)蒸熱后到達(dá)進(jìn)料斗，待進(jìn)料斗中的缺料檢測(cè)感應(yīng)器檢測(cè)到有茶葉時(shí)，進(jìn)料斗開始送料至模具腔中，進(jìn)行循環(huán)壓餅作業(yè)。在手動(dòng)作業(yè)模式下，當(dāng)選擇自動(dòng)進(jìn)料時(shí)，程序啟動(dòng)后，將按自動(dòng)模式的流程完成一次壓餅循環(huán)；當(dāng)選擇手動(dòng)進(jìn)料時(shí)，則需先進(jìn)行手動(dòng)加料后，再啟動(dòng)程序，完成一次壓餅動(dòng)作(圖8)。調(diào)式模式可以對(duì)油泵、提升機(jī)、蒸汽烘箱、抖動(dòng)電機(jī)、液壓機(jī)油缸升降、加料器進(jìn)退等設(shè)備進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試。

圖 9 調(diào)試作業(yè)控制流程圖Fig.9 Flow chart of debugging operation

2.5.2 參數(shù)設(shè)置 運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置主要針對(duì)壓餅工序各過程的時(shí)間及壓力參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。詳細(xì)參數(shù)設(shè)定說明見表2。

表2 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

2.6 反饋控制

2.6.1 缺料反饋 上料提升機(jī)的儲(chǔ)料斗，壓片機(jī)構(gòu)的進(jìn)料斗均設(shè)有缺料感應(yīng)器。機(jī)器開啟后，感應(yīng)器開始工作，若2個(gè)感應(yīng)器均檢測(cè)到缺料，則除蒸汽烘箱傳送帶外，其余動(dòng)作均不啟動(dòng)；若儲(chǔ)料斗中有料，而進(jìn)料斗缺料，提升機(jī)工作，壓片機(jī)構(gòu)處于等待狀態(tài)；若運(yùn)行過程中，儲(chǔ)料斗缺料而進(jìn)料斗有料，則提升機(jī)停止運(yùn)行，壓片機(jī)繼續(xù)運(yùn)行至進(jìn)料斗檢測(cè)到缺料后并繼續(xù)運(yùn)行停機(jī)延時(shí)時(shí)間，然后系統(tǒng)停機(jī)。

2.6.2 滿料反饋 進(jìn)料斗設(shè)有滿料檢測(cè)感應(yīng)器。當(dāng)檢測(cè)到滿料后，上料提升機(jī)停止上料，直至感應(yīng)器未檢測(cè)到滿料為止。

2.6.3 安全控制 安全光柵：在圖10示的操作位置左右兩側(cè)的液壓機(jī)立柱上設(shè)有安全光柵，當(dāng)有異物進(jìn)入模具腔位置上、下沖頭運(yùn)動(dòng)區(qū)域時(shí)，機(jī)器的所有運(yùn)動(dòng)部分將暫停，直到異物排出后，才繼續(xù)運(yùn)行。

緊急停止：在機(jī)器的手動(dòng)操作位置和PLC控制屏兩處設(shè)有急停按鈕，按下該按鈕則機(jī)器完全靜止。

3 壓餅試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

條形紅茶(工夫紅茶)，條索長(zhǎng)度小于3 cm。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 主要參數(shù)設(shè)置 作業(yè)模式為全自動(dòng)壓餅?zāi)Ｊ健Ｕ羝麎毫?.4 MP，蒸熱時(shí)間60 s，一次加料時(shí)間3 s，多次加料間隔時(shí)間0.6 s，加料次數(shù)4次，工作壓力10噸，保壓時(shí)間3 s。

3.2.2 成品率與產(chǎn)能計(jì)算 如圖10示對(duì)機(jī)器的9個(gè)模具腔的位置進(jìn)行標(biāo)記，茶餅壓制過程中，隨機(jī)抽取12模(108片)為測(cè)試對(duì)象，將樣品按不同孔位分開，統(tǒng)計(jì)每個(gè)孔位茶餅的成品和損壞的數(shù)量，計(jì)算成品率。茶餅壓制完成被進(jìn)料斗推出后，表面均整光滑、不松散的為成品，被進(jìn)料斗推出后，出現(xiàn)缺角、松散的為損壞品(圖11)。以單位時(shí)間(1 h)內(nèi)所能壓制完成的干茶數(shù)量表示機(jī)器產(chǎn)能，計(jì)算公式如下：

產(chǎn)能(kg/h)=[單位時(shí)間完成的模數(shù)×9×茶餅質(zhì)量(g)]÷1000×成品率

3.2.3 茶餅質(zhì)量差異分析 在成品茶餅中隨機(jī)取樣三組，每組取樣20片，對(duì)每塊茶餅稱重，記錄餅塊的質(zhì)量，分析茶餅的質(zhì)量誤差。

圖10 模具孔位置圖Fig.10 Mold Cavity Location diagram

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 成品率與產(chǎn)能 表3結(jié)果表明，在9個(gè)模腔孔中，僅靠近出料端一列(圖10示位置)的樣品出現(xiàn)損壞，另外兩列未出現(xiàn)樣品損壞現(xiàn)象。計(jì)算得總成品率為86.1%。

圖11 壓制的茶餅Fig.11 Compressed tea cakes

表3 成品率

在試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)條件下，平均每小時(shí)能完成270次壓餅循環(huán)，獲得2430片茶餅，成品茶餅的平均質(zhì)量為8.35 g，計(jì)算產(chǎn)能為17.47 kg·h-1。

3.3.2 質(zhì)量差異分析與產(chǎn)能計(jì)算 隨機(jī)取樣三組，樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)如表4。經(jīng)計(jì)算得總體均值為8.35 g，標(biāo)準(zhǔn)差為0.26，變異系數(shù)3.11%。

表4 取樣結(jié)果

方差分析結(jié)果表明，在0.05水平下，茶餅重量總體均值并非顯著性地不同(P=0.23699>0.05)，即總體均值差異不顯著(表5)；LSD多重比較結(jié)果表明，三組樣品組間差異也不顯著(圖12)。

表5 方差分析結(jié)果

圖12 茶餅質(zhì)量均值比較(LSD)結(jié)果Fig.12 Means comparison of weight of tea tablets by LSD

4 結(jié)論

采用PLC程序控制設(shè)計(jì)的茶葉壓餅機(jī)械，實(shí)現(xiàn)了茶餅壓制的全自動(dòng)機(jī)械化，在本文試驗(yàn)條件下，所壓制的茶餅平均重量為8.35 g，標(biāo)準(zhǔn)差為0.26，變異系數(shù)3.11%，成品率為86.1%，能滿足茶餅生產(chǎn)要求。

在本試驗(yàn)條件下，機(jī)械產(chǎn)能達(dá)17.47 kg·h-1，機(jī)器操作簡(jiǎn)單，僅需1人即可完成所有壓餅作業(yè)，較現(xiàn)有壓餅作業(yè)需要6人完成相比[6]，顯著提高了生產(chǎn)效率及茶餅壓制的自動(dòng)化程度，減少了人工成本。