全 文 ：云南农业大学学报 Journal of Yunnan Agricultural University，2014，29 (1):106 － 111 http:/ /xb. ynau. edu. cn
ISSN 1004 － 390X;CODEN YNDXAX E-mail:xb@ ynau. edu. cn
收稿日期:2012 － 12 － 24 修回日期:2013 － 05 － 06 网络出版时间:2014 － 01 － 07 10∶17
* 基金项目:国家科技部农业科技成果转化项目 (2011GB2F300003);云南省自然科技基金重点项目 (2009CC005)。
作者简介:孙杨锋 (1989 －)，男，浙江东阳人，在读硕士研究生，主要从事机电一体化研究。
E-mail:759259337@ qq. com
＊＊通信作者Corresponding author:黄云战 (1953 －)，男，云南广南人，教授，硕士生导师，主要从事机械设计制造
及其自动化研究。E-mail:ystyh@ 163. com
网络出版地址:http: / /www. cnki. net /kcms /detail /53. 1044. S. 20140107. 1017. 019. html
DOI:10. 3969 / j. issn. 1004 － 390X (n). 2014. 01. 019
普洱茶发酵潮水机械的设计与应用研究*
孙杨锋1，黄云战1＊＊，郝 强1，周红杰2，王 钊3，赵永洁4，汪 溪1
(1． 云南农业大学 工程技术学院，云南 昆明 650201;2． 云南农业大学 龙润普洱茶学院，云南 昆明 650201;
3． 云南农业大学 基础与信息工程学院，云南 昆明 650201;4． 昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650208)
摘要:目前，专用的普洱茶发酵潮水设备还很少，结构工艺也不尽合理，限制了普洱茶加工生产机械化的进
程。因此，加快对普洱茶潮水机械的研制并使其产业化生产，将对普洱茶产业的发展产生积极的作用。本文
针对传统普洱茶加工潮水过程劳动强度大、卫生程度差，效率低、潮水不均匀等问题，对原有潮水机械的设
计原理、结构进行分析研究，改进设计出滚筒式潮水机械，克服了原先的皮带式输送潮水的缺点，并结合单
片机、皮带秤、电动调速阀等元件，设计出一套自动控制的潮水系统，提高普洱茶潮水的效果。
关键词:普洱茶发酵;潮水机械;滚筒式;设计;应用研究
中图分类号:S 226. 9 文献标志码:A 文章编号:1004 － 390X (2014)01 － 0106 － 06
The Innovation and Application of Spray Machinery Pu-erh Tea
SUN Yangfeng1，HUANG Yunzhan1，HAO Qiang1，ZHOU Hongjie2，
WANG Zhao3，ZHAO Yongjie4，WANG Xi1
(1． College of Engineering and Technology，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China;
2． College of Longrun Pu-erh Tea，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China;
3． College of Basic Science and Information Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China;
4． Kunming College of Ｒailway Technology，Kunming 650208，China)
Abstract:At present，the water equipment of Pu-er teas fermentation is seldom;structure is not very
reasonable and limits the mechanization processing of Pu-er teas production． Therefore，speeding up
the research of the watering mechanical and the industrial production will make a positive effect on the
development of Pu-er tea industry． According to the problem of traditional Pu-er teas watering process
that large labor intensity，poor hygiene，low efficiency，the existing equipment and improvement in
principle and structure were studied and the roller mechanical was designed． The machine use of roller
instead of belt as a workplace，combining with single chip，belt weigher，electric control valves and
other components，a set of automatic control water system was designed to improve the watering effect
of the Pu-er tea．
Key words:Pu-erh tea;spray machinery;roller type;design;application research
普洱茶加工过程中，渥堆是形成品质特色
的核心［1］，而渥堆前很重要的一个步骤就是潮
水，潮水的质量直接影响渥堆的质量。传统的
普洱茶加工，潮水多为人工完成，是劳动强度
最大的工序之一。人工采用相应的工具，对晒
青毛茶按一定的比例进行洒水并搅拌，这是早
期的潮水过程，但整个过程不仅劳动强度大，
而且卫生程度差，最重要的是潮水效果并不理
想，水分分布不均匀，进而影响渥堆的质
量［2］。云南省包装食品机械厂研制的皮带式潮
水机械对以上问题有一定的改善，但还是存在
效率低、效果不好等问题。目前，专用的潮水
设备还很少，结构工艺也不是很合理，限制了
普洱茶加工生产机械化的进程。因此，加快对
潮水机械的研究并使其产业化生产，将对普洱
茶产业的发展产生积极的作用。
本研究主要针对潮水效果以及效率对现有的
皮带式潮水机械在原理以及结构布局上存在的问
题，进行研究创新，并将其应用于实际生产中，
达到快速便捷，节省人力物力，实现高效率高质
量生产。
1 普洱茶潮水的现状
普洱茶加工是一道及其复杂的工序，然而在
其整个过程中，潮水是一道重要工序，通过潮水，
茶叶细胞含水量提高到 25%左右［3］，通过发酵使
成品普洱茶滋味更为醇和，香气更持久，冲泡浸
出更均匀，外形更整齐。潮水量是产生发酵温度
高低和发酵速度快慢的重要指标，是普洱茶品质
形成关键环节。目前多数工厂批量发酵普洱茶均
采用人工随意添加，导致潮水的不均匀性，有的
地方由于潮水过量，致使发酵温度过高而导致烧
心，有的地方潮水不足，发酵温度过低，影响有
益菌的生长繁殖，质量难以保证［4］。因此，实现
精确定量雾化潮水和普洱茶发酵精确定量潮水科
学化、标准化、规范化对高品质普洱茶的形成具
有重要意义。
然而目前普洱茶加工生产自动化、规范化、
产业化程度低。普洱茶发酵生产基本上均采用传
统的潮水及渥堆方式，依靠环境微生物进行自然
发酵。在传统的普洱茶生产过程中存在着卫生条
件差、品质不稳定、工人劳动强度大、生产率低
等诸多问题，严重影响普洱茶产业的健康、持续、
稳定发展。由此可见，普洱茶发酵清洁化车间的
构建对云南普洱茶清洁化、产业化及自动化生产
具有重要的意［5］，而实现潮水的机械化又是其中
重要的一部分。
目前普洱茶潮水机械主要是皮带式，输送部
分为斜坡式皮带，并在皮带的上方加上潮水装置，
茶叶在输送过程中雾化潮水，使潮水过程规范
卫生。
此类潮水机械存在的缺陷就是效率低，耗工
耗时，而且茶叶在皮带上通过时只对表面的茶叶
进行潮水，不能达到均匀潮水的目的。为此本设
计在吸取过去潮水机试制经验的基础上，采用了
一种新型滚筒式茶叶潮水机。使茶叶在滚筒中反
复受到水雾的洗礼，潮水过程更加均匀，实现茶
叶潮水的连续化和自动化。
2 滚筒式潮水机械的工作原理
目前国内外对普洱茶潮水机械的研究比较少，
特别是滚筒式潮水机械，云南农业大学相关课题
组经过大量的研究，在相关实验数据和技术的基
础上，对原有的皮带式潮水机械进行改进，研制
出滚筒式潮水机械。
滚筒式茶叶潮水机由进给部分、滚筒和支架
以及自动供水系统组成。茶叶由简洁高效的进给
系统送入保持匀速转动的滚筒中，滚筒内部有导
叶板，在其转动时将茶叶匀速的往前推进并使其
上下翻滚，在滚筒的内部有一根水管，上面均匀
分布着一组喷头，由它提供水雾与茶叶均匀混合。
滚筒内的水管不随着滚筒转动，是固定在支架上
的。自动供水系统由水槽、高压泵、水管、限流
阀及喷头等组成。它是由单片机控制的，根据茶
叶的重量自动调节潮水的用量。滚筒式潮水机的
结构示意图如图 1 所示。
701第 1 期 孙杨锋，等:普洱茶发酵潮水机械的设计与应用研究
3 滚筒式潮水机械的主体构建与设计
3. 1 普洱茶潮水机械滚筒的设计要点
普洱茶潮水滚筒由筒身、入料口、导叶板、
卸料口、两个滚筒托辊轨、滚筒外齿组成。旋转
滚筒的材料为 304 不锈钢，滚筒内焊接有导叶板，
进料口是向内收敛成一个收缩的圆口，在滚筒中
央安装有一个大齿轮来传动力矩使滚筒在支架上
旋转，在滚筒的两端分别安装有两个托辊轨为支
架上四个托辊提供支撑，在滚筒的旋转作用下就
把茶叶从入口处输送到滚筒的出口。
滚筒是进行茶叶潮水的工作场所，长度定为
1 500 mm，取直径 d = 1 000 mm。滚筒转速太低
就不能完成生产任务，单位时间内进行潮水的量
比较少，就达不到生产要求，生产效率低，还会
使在螺旋片之间传送的茶叶潮水量过多，不能均
匀潮水。所以应该提高转速，并且尽量增大导叶
角，在加快茶叶推进的同时增加其翻转的次数，
在结合茶叶的实际潮水的试验及参考了现有的滚
筒机械后，将滚筒的转速定在 n = 28 r /min。
导叶板是滚筒内部的核心部件，其结构大小
等参数对潮水机的工作效率有很大的影响，滚筒
式潮水机导叶板结构参数如图 2 所示。
导叶角是指导叶板长度方向与滚筒轴向的夹
角，用 α表示，它的大小与茶叶推进速度有直接
关系。90°范围内，α越靠近 45°，茶叶推进越快。
对于滚筒来说，推进速度越大越好，但是 α 越靠
近 45°时，茶叶在滚筒内的翻转效果不理想［6］。
导叶角对茶叶推进速度和翻转次数的影响关系如
图 3 所示。
由图 3 可知，茶叶推进速度基本上与 45°对
称，但是翻转效果在 45°前是从大到小逐渐变弱
的 (45°以后对翻转效果的影响涉及诸多因素，
异常复杂，目前还没有一个值得信赖和通用的参
考，而且导叶角过大，会使茶叶抛落，不适用潮
水，因而在此不做考虑)，翻转效果曲线与茶叶
推进速度曲线的交点所对应的角度 C 就是适用于
潮水滚筒导叶板的最佳导叶角。
一般大叶种晒青毛茶的含水率在 8%左右，
潮水后的含水率达到 25% ～ 30%，休止角随着潮
水率的增加而变大，如表 1 所示。
表 1 不同潮水率晒青毛茶的休止角 (±2°)
Tab. 1 Angle of repose of different spray rates
潮水率 /% water spray ratio 0 5 10 15 20 25 30
休止角 /(°)angle of repose 53 55 58 60 63 64 65
由于最佳后倾角与休止角为互余 (后倾角指
导叶板高度方向与滚筒半径的夹角)，得到潮水
率对后倾角的影响如图 4 所示。
该机架属于单件小批量生产，结构由杆件组
成，尺寸较小。机架整体需要承受传动装置、动
力机构装置和滚筒的重量，要求具有足够的强度
和刚度。为满足实际应用，制造时要求整个机架
重量轻，成本低，结构合理，便于制造。焊接结
构具有高强度和刚度，重量轻，生产周期短，施
工简便的特点，作为普洱茶发酵潮水机械的机架
801 云南农业大学学报 第 29 卷
结构，正好满足了机架的设计要求［7］。
3. 2 茶叶输送装置及支架的设计
大叶种茶叶是潮水机械的工作对象，用自然堆
放法，测量出其密度为 78 ～83 kg /m3，在茶叶输送
过程中，取其密度为 80 kg /m3，按照 4 h 潮水 10 t
茶叶的要求，选取了 0. 5 m/s的带速，0. 65 m的带
宽，为增加茶叶的输送量，采用安装有提升挡板的
皮带，传送带采用直线传送的方式。单位时间内皮
带上茶叶的厚度为 H = k /vLρ = 0. 7 / (0. 5 × 0. 65 ×
80) =2. 7 cm。式中，速度 v =0. 5 m/s，皮带宽度
L = 0. 65 m，台时产量 k = 0. 7 kg /s，茶叶密度 ρ =
80 kg /m3，由此取输送带上的挡板高度为 2. 5 cm。
输送装置支架的内侧设置挡板，使茶叶在传
送带上传送时不容易洒落，进料框里设有一块限
料板，通过控制茶叶的厚度来控制茶叶单位时间
的传送量。根据滚筒式潮水机械的工作原理，综
合潮水装置、传送装置、动力装置的尺寸和装配
方式，且要便于操作以及一些实际问题初步确定
机架的结构形状和尺寸如下所示:机架长为
1 450 mm，机架宽为 1 300 mm，机架高为 1 600
mm。为避免制造烦琐，传送带由 1 个电动滚筒和
1 个改向滚筒还有若干个托辊组成。输送装置的
结构图如图 5 所示。
为实现自动控制潮水的需要，本设计采用电
子皮带秤作为传送带。电子皮带秤在输送茶叶的
同时采集茶叶的重量信息，将重量信息传递给供
水系统的单片机，为实现自动控制系统做铺垫。
传送带卸料装置主要是把传送带传送出来的
茶叶转送到滚筒中进行混合，装置的末端需要伸
入滚筒一段距离，因此卸料板的固定在支架上的
部分距离和支架的宽度一样，末端能伸入滚筒内
要小于滚筒开口的直径。在整个支架的固定上，
为了方便传送带部分与滚筒部分的配合，卸料装
置在支架上的固定是可旋转固定，通过两个铆钉
的固定，是整个装置可以围绕着铆钉旋转一定的
角度，这样在传送带支架和滚筒混合部分固定时，
可旋转使卸料装置伸入滚筒内。输送装置整体结
构更合理，操作方便，传送带采用直线传送，设
计简单，适合小成本设计制造。
4 自动供水系统的设计
4. 1 供水系统的工作原理
本系统主要由水泵、喷头、流量传感器、皮
带秤、电动阀门和 MCS-51 单片机控制系统以及
液体管线等组成。
系统结构如图 6 所示。
为了使整个结构更加紧凑，把整个水槽固定
在支架上，在水槽内部装有高压泵，用来提供水
压，水流经水管通到滚筒内的 PVC管上 (PVC 管
上安装着 4 个喷头，用来提供潮水用的水雾，并
且水管不随滚筒的转动而转动)，它们之间安装
有流量控制器，根据不同的需求调整供水量，而
水槽的水源是外接的，便于移动。
自动系统由单片机控制，由于单片机具有体
积小、使用灵活、成本低等特点特别是强大的面
向控制能力，在各个领域获得了广泛的应用。单
片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结
构简化、智能化、控制智能化，构成新一代的机
电一体化产品［8］。本系统的工作原理总的分为两
部分:首先是皮带秤采集到重量信息，通过变换
器，转化为电信号，AD 转换器将模拟电信号转
化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根
901第 1 期 孙杨锋，等:普洱茶发酵潮水机械的设计与应用研究
据事先的设定值 (茶叶重量与潮水量的比例关
系)对采集的信息进行处理，输出离散的控制信
号。DA转换器将离散的控制信号转化为模拟电
量。通过模拟电量来控制步进电机，进步电机带
动阀门动作，对流体流量进行控制从而调节流量，
实现流量的精确控制。系统原理图如图 7 所示。
其次，电磁流量计作为流量传感器，采集总
的流量信息，经放大器放大后和皮带秤采集的总
重量送到 AD 转换器，将连续的模拟量转化为单
片机能接受的离散的数字量［9］。单片机收到流量
信号和重量信号后，系统软件将其比例与原先输
入的值作比较，根据不同的结果发出相应的执行
命令，如果和预期的不一样，则会自动调整并且
发出报警信号。
4. 2 供水系统中喷头及水泵的布置选择
根据工作要求及范围，选择微型高压水泵
HSP 系列，其主要特点是:压力超高 (11 kg
MAX)，流量大 (7L /MIN)，吸程高 (1 m)，低
噪音;具备稳定自吸功能，不需先加 “引水”，
自吸速度极快。两种接口，可分别接软、硬管，
配有金属接头，不易损坏。
实际应用中要求喷出的水不是液体状的而
是气雾状的，金属扇形喷雾喷嘴的特点是能产
生高冲击力的液柱流或扇形喷雾，喷流角度为 0
～ 110°。这种喷嘴产生的喷雾分布均匀，液滴
大小为小到中等。当需要若干个喷嘴产生重叠
喷雾时，具有特色的逐渐变细的喷雾边缘使得
喷射区域分布均匀。喷嘴在安装的时候扇形喷
流面应与管轴线倾斜 10 ～ 15°，确保整个表面的
喷雾均匀性，在板两边预留 30%的余量来保证
整个板面的一致性，如图 8 所示的喷嘴覆盖宽
度重叠约25% ～ 30%。
在潮水机械工作时，茶叶不是平铺在滚筒内
的，它随着滚筒的转动向前移动，并且与滚筒成
一定的角度，茶叶的在滚筒内的位置对喷头角度
的布置有较大的影响，工作时，茶叶的位置如图
9 所示。由图 9 可知，喷头的最佳角度是与茶叶
表面垂直，其角度与水平面成 35°左右，并且水
管的位置最好布置在滚筒的左上方，以便获得最
佳的喷头布置角。
011 云南农业大学学报 第 29 卷
5 总结与展望
滚筒式潮水机的长、宽、高分别是 3 125，
1 260，2 080 mm，台时产量达到了 2. 5 t /h，能满
足一般茶厂的生产要求。新型的滚筒潮水机是在
传统手工潮水的基础上，吸收了其他机型的特点
研制而成的，具有结构紧凑，设计合理，选取材
料满足使用要求及经济性，重量适中等特点。它
采用了滚筒这一特殊工作场合，输送带和滚筒很
好地配合在一起，完善了潮水的连续性功能，使
茶叶在潮水过程中有翻滚搅拌的效果，结合单片
机自动控制系统和雾化潮水，大大提高了潮水的
质量和效率。通过不断改进和完善，设计的潮水
机械能达到提高潮水效率及潮水质量的要求，潮
水率可以根据实际需求达到合适的程度，是较为
理想的普洱茶潮水加工机械，且生产效率比皮带
式潮水机械高出许多，容易与其他茶叶加工设备
组成茶叶生产线，实现茶叶加工的连续化机械化，
在各茶厂有较为广阔的应用前景。但是滚筒式潮
水机还存在体积偏大、灵活性欠佳等缺点，在以
后的研究中要加以改进。
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