呂鳳玉，賀成柱，賈永靜，薛紅睿

（1.甘肅省機械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730030；2.甘肅金科峰農(nóng)業(yè)裝備工程有限責(zé)任公司，蘭州 730070；3.甘肅省先進(jìn)設(shè)計與制造技術(shù)工程實驗室，蘭州 730030）

我國連續(xù)多年蔬菜總產(chǎn)量居世界第一，是世界第一大蔬菜生產(chǎn)國。莖葉類蔬菜是我國種植面積最廣、品種最多、消費量最大的一類蔬菜，其特點是耗損最大、價格波動最大，具有季節(jié)性強、易破損、不易儲存等特點。據(jù)統(tǒng)計，我國蔬菜腐爛損失率高達(dá)30%左右，而發(fā)達(dá)國家采收后利用率高達(dá)97%，損失在5%以下[1]。凈菜產(chǎn)品可食率高，是適應(yīng)高效快捷現(xiàn)代社會發(fā)展的必然需求，對于減少城市垃圾、疏解城市功能起到重要作用[2]。近幾年，國內(nèi)凈菜及鮮切產(chǎn)品市場逐步形成規(guī)模，是我國未來果蔬行業(yè)的發(fā)展方向。由于國內(nèi)現(xiàn)有凈菜加工裝備落后、適用性差、自動化程度低、去雜難、易損傷蔬菜等問題，制約了蔬菜凈菜加工市場的發(fā)展[3]。

為解決上述問題，文獻(xiàn)[4]設(shè)計研發(fā)了甘藍(lán)雙盤切根裝置，可快速拆裝、易清洗和輸送防漏料，但不具備揀選、包裝等后端處理功能；文獻(xiàn)[5]提出的氣柱袋式全自動包裝機設(shè)計方案，實現(xiàn)對球形水果的無損包裝，但對于形態(tài)各異、品類繁多的蔬菜包裝適用性不強。為實現(xiàn)袋式包裝參數(shù)隨果蔬形態(tài)自由調(diào)整，文獻(xiàn)[6]基于PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計了三伺服枕式包裝機，實現(xiàn)了包裝袋的寬度和高度可進(jìn)行不定長設(shè)置。為提高包裝機的用戶體驗感，文獻(xiàn)[7]通過增加產(chǎn)品計數(shù)、稱重貼標(biāo)等功能，極大降低了人員的勞動強度。由于上述切制和包裝設(shè)備在凈菜加工過程中獨立工作，產(chǎn)生蔬菜轉(zhuǎn)運勞動強度大、原料損失大、半成品與廢棄物交叉堆放致微生物和細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)等問題[8]。因此，提出凈菜切根包裝一體機設(shè)計，對西部地區(qū)及中國蔬菜加工有著更深更廣的意義[9-10]。

1 整體結(jié)構(gòu)

凈菜切根包裝一體機主要由切制模塊、廢料回收模塊、揀選模塊、包裝模塊、動力系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，整機設(shè)備如圖1 所示。蔬菜切制模塊將放置于蔬菜切制傳輸帶上的蔬菜原料運送至切根刀處，同時按壓固定蔬菜防止發(fā)生大幅度的位移，切刀在傳送帶旁飛速旋轉(zhuǎn)將蔬菜根部切下。蔬菜在切根后會摻雜廢葉、爛葉等雜物，需經(jīng)過揀選模塊將雜物等去除，并將品質(zhì)合格蔬菜傳運至包裝模塊。蔬菜包裝模塊自動化程度最高，主要實現(xiàn)送料、送膜、打孔和包裝等功能。廢料回收主要對蔬菜切制下的根部和揀選出的雜質(zhì)進(jìn)行收集運輸。

圖1 整機模型Fig.1 Model of the whole machine

2 工作原理

一體機以未切除根莖的莖葉類蔬菜作為原料，經(jīng)過蔬菜切制、傳輸、揀選、計數(shù)包裝、貼標(biāo)、轉(zhuǎn)運入庫，同時完成加工廢棄物收集輸送，實現(xiàn)凈菜切制包裝一體化加工。整機工作過程：先將莖葉類蔬菜放置于蔬菜切制傳輸帶上，由蔬菜切制輸送帶將蔬菜運送至切刀處，圓形切刀在傳送帶一側(cè)飛速旋轉(zhuǎn)將蔬菜根部切下，傳送帶上方的蔬菜壓制機構(gòu)，對蔬菜給予一定的壓力進(jìn)行固定防止蔬菜發(fā)生大幅度的位移。經(jīng)過切制后的蔬菜傳輸至蔬菜揀選皮帶上，此時兩模塊的連接裝置將蔬菜前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)90°，在蔬菜揀選皮帶傳輸過程中，將不滿足要求的廢棄物放置廢料揀選至傳輸皮帶上，揀選合格的蔬菜按間隔20 mm 距離在揀選皮帶上排列整齊，傳運至蔬菜包裝模塊。在切制及揀選過程中產(chǎn)生的廢根和廢葉等通過廢料回收輸送帶傳輸至指定回收箱內(nèi)。滿足包裝要求的蔬菜傳輸至光電檢測裝置處，光電傳感器感應(yīng)蔬菜尺寸及進(jìn)料狀態(tài)，將信號反饋至送膜機構(gòu)，送膜部件開始對膜進(jìn)行打孔作業(yè)并送膜。同時蔬菜入料口處的拉膜牽引機構(gòu)將薄膜兩側(cè)折起，縱封機構(gòu)將膜夾緊并拖拽，溫控機構(gòu)包裝袋進(jìn)行塑封，端封插角機構(gòu)為包裝袋折出插角，橫封切刀將包裝袋切開，成品蔬菜從出料口運出。

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計

3.1 切制設(shè)備

蔬菜收獲后首先要進(jìn)行切除蔬菜根部等處理，現(xiàn)在國內(nèi)大多企業(yè)仍采用人工拿切菜刀切除蔬菜根部的模式，此模式人工勞動強度大、生產(chǎn)效率低，且易損傷蔬菜。切制設(shè)備主要由切制輸送皮帶、圓盤切刀、壓制機構(gòu)、機架和驅(qū)動裝置等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。為保證根部細(xì)小莖葉蓬松的蔬菜在切制過程中不發(fā)生偏移，設(shè)計了可仿形的皮帶壓制機構(gòu)。

圖2 切制設(shè)備Fig.2 Cutting equipment

可調(diào)式蔬菜切制設(shè)備通過輸送板帶動物料前行，蔬菜經(jīng)過固定位置的切刀后，蔬菜根部被切除，從廢料口排出，保留的蔬菜則向前輸送。可自動調(diào)節(jié)蔬菜根部的切割距離，切根后的蔬菜有序收集。

3.2 包裝設(shè)備

隨著蔬菜商品化程度的不斷提高，對蔬菜包裝的要求也日益迫切。合理的包裝可減少蔬菜在貯運過程中的機械損傷，減少病害擴(kuò)散，減少水分蒸發(fā)，使商品品質(zhì)得到保證。包裝材料以塑料薄膜為主，一般透氣性較差的薄膜包裝，為了減少蔬菜腐爛，要打些內(nèi)外氣體交換的小孔。蔬菜包裝設(shè)備主要由送膜裝置、中封機構(gòu)、橫封機構(gòu)、光電檢測裝置、熱熔熱電偶、切膜氣缸和切刀組成，如圖3 所示。送膜裝置由引輸送裝置、支撐部件和導(dǎo)向機構(gòu)組成，支撐部件將薄膜卷成筒狀材料。滾筒式拉膜牽引機構(gòu)設(shè)計在縱封輥前端，以保證包裹膜的不間斷供送。中封裝置將平展的薄膜通過兩滾輪的夾緊制成筒狀，并對筒狀薄膜縱邊進(jìn)行封合。橫封機構(gòu)對經(jīng)過中封熱封后的筒狀包材進(jìn)行橫向封口，氣缸帶動其運動，光電檢測機構(gòu)判斷出每包蔬菜的長度，通過內(nèi)嵌的切刀將包裝膜截斷。熱電偶與插角裝置 在包裝袋末端壓制出相應(yīng)花紋。

圖3 包裝設(shè)備Fig.3 Packaging equipment

當(dāng)包裝設(shè)備停止運行后，橫封機構(gòu)上端氣缸帶動中封輥輪、端封滑塊自動脫離，包裝材料橫向與縱向粘合處立即自動分離。設(shè)備恢復(fù)正常后，氣缸反向運動，使中封和橫封裝置自動閉合并持續(xù)工作。包裝薄膜在輸送過程中，上下整理帶一邊撫平整理包裝袋，一邊保證繼續(xù)向前傳遞薄膜到橫封橫切處，以保持膜在運送過程中不皺折、不拉長。由于某些原因，在供料過程中卷筒狀包材會受影響，因瞬時變速會發(fā)生時松時緊的現(xiàn)象，通過設(shè)計張緊機構(gòu)，減少包裝薄膜在輸送過程中產(chǎn)生搖擺、跑偏等現(xiàn)象，使其保持適度的牽拉和拉緊。

4 試驗

蔬菜切根包裝一體機設(shè)計技術(shù)參數(shù)：功率4.5 kW、電源220 V/50 Hz、整機重量980 kg、產(chǎn)量1000～1800 kg/h、切割長度0～140 mm 可調(diào)、薄膜寬度320～600 mm、制袋長度120 mm～無限長、制袋寬度145～285 mm、產(chǎn)品最大高度110 mm、包裝速度30～150 袋/min、整機機體及外殼采用304 不銹鋼，符合國際衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。采用四伺服控制，切根速度、包裝蔬菜長寬高范圍、包裝速度及包裝薄膜厚度等均可調(diào)，光電檢測裝置自動跟蹤識別物料制袋，可自動打碼貼標(biāo)，適用于土豆、小白菜、胡蘿卜、白菜、豆角等蔬菜包裝。為驗證凈菜切根包裝一體機各項性能是否滿足設(shè)計要求，對胡蘿卜、菠菜、小白菜和茼蒿進(jìn)行了包裝生產(chǎn)試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 試驗記錄表Tab.1 Test record

通過對純工作小時生產(chǎn)率、切根合格率和包裝合格率3 個參數(shù)進(jìn)行分析，純工作小時生產(chǎn)率因蔬菜物理特性不同有差異，切根合格率均在95%以上，包裝合格率均在90%以上，各項性能指標(biāo)符合設(shè)計預(yù)期，降低勞動者參與程度，減少加工成本，是未來凈菜加工的發(fā)展方向之一。

5 結(jié)語

凈菜切根包裝一體機對蔬菜進(jìn)行二次加工，將揀選、切制、包裝和貼標(biāo)等環(huán)節(jié)集成于一體，解決了蔬菜轉(zhuǎn)運勞動強度大、原料損失大、半成品與廢棄物交叉堆放致微生物和細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)等問題，為后續(xù)凈菜加工設(shè)備研發(fā)提供設(shè)計基礎(chǔ)。試驗表明，一體機各工序配合順暢，執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn)順暢協(xié)調(diào)，整機切根、揀選、包裝作業(yè)效果良好，節(jié)約大量人力。目前在揀選環(huán)節(jié)此設(shè)備主要依靠人工揀選出不符合包裝要求的蔬菜與雜質(zhì)，人工參與度高，后續(xù)引入視覺識別、深度學(xué)習(xí)與機械手等人工智能技術(shù)手段可解決此問題。