呂鳳玉，賀成柱，賈永靜，薛紅睿

（1.甘肅省機(jī)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(jì)與制造技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730030）

我國(guó)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(guó)。莖葉類蔬菜是我國(guó)種植面積最廣、品種最多、消費(fèi)量最大的一類蔬菜，其特點(diǎn)是耗損最大、價(jià)格波動(dòng)最大，具有季節(jié)性強(qiáng)、易破損、不易儲(chǔ)存等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)蔬菜腐爛損失率高達(dá)30%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)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(huì)發(fā)展的必然需求，對(duì)于減少城市垃圾、疏解城市功能起到重要作用[2]。近幾年，國(guó)內(nèi)凈菜及鮮切產(chǎn)品市場(chǎng)逐步形成規(guī)模，是我國(guó)未來果蔬行業(yè)的發(fā)展方向。由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有凈菜加工裝備落后、適用性差、自動(dòng)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(chǎng)的發(fā)展[3]。

為解決上述問題，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)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(dòng)包裝機(jī)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形水果的無(wú)損包裝，但對(duì)于形態(tài)各異、品類繁多的蔬菜包裝適用性不強(qiáng)。為實(shí)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(jì)了三伺服枕式包裝機(jī)，實(shí)現(xiàn)了包裝袋的寬度和高度可進(jìn)行不定長(zhǎng)設(shè)置。為提高包裝機(jī)的用戶體驗(yàn)感，文獻(xiàn)[7]通過增加產(chǎn)品計(jì)數(shù)、稱重貼標(biāo)等功能，極大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于上述切制和包裝設(shè)備在凈菜加工過程中獨(dú)立工作，產(chǎn)生蔬菜轉(zhuǎn)運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)西部地區(qū)及中國(guó)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(jī)主要由切制模塊、廢料回收模塊、揀選模塊、包裝模塊、動(dòng)力系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，整機(jī)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(yùn)送至切根刀處，同時(shí)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(huì)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(yùn)至包裝模塊。蔬菜包裝模塊自動(dòng)化程度最高，主要實(shí)現(xiàn)送料、送膜、打孔和包裝等功能。廢料回收主要對(duì)蔬菜切制下的根部和揀選出的雜質(zhì)進(jìn)行收集運(yùn)輸。

圖1 整機(jī)模型Fig.1 Model of the whole machine

2 工作原理

一體機(jī)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(jì)數(shù)包裝、貼標(biāo)、轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)，同時(shí)完成加工廢棄物收集輸送，實(shí)現(xiàn)凈菜切制包裝一體化加工。整機(jī)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(yùn)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(jī)構(gòu)，對(duì)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(shí)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(yùn)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(cè)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(hào)反饋至送膜機(jī)構(gòu)，送膜部件開始對(duì)膜進(jìn)行打孔作業(yè)并送膜。同時(shí)蔬菜入料口處的拉膜牽引機(jī)構(gòu)將薄膜兩側(cè)折起，縱封機(jī)構(gòu)將膜夾緊并拖拽，溫控機(jī)構(gòu)包裝袋進(jìn)行塑封，端封插角機(jī)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(yùn)出。

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

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(guó)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(dòng)強(qiáng)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(jī)構(gòu)、機(jī)架和驅(qū)動(dòng)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(jì)了可仿形的皮帶壓制機(jī)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(dòng)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?？勺詣?dòng)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(duì)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(yùn)過程中的機(jī)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(jī)構(gòu)、橫封機(jī)構(gòu)、光電檢測(cè)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(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)筒狀薄膜縱邊進(jìn)行封合。橫封機(jī)構(gòu)對(duì)經(jīng)過中封熱封后的筒狀包材進(jìn)行橫向封口，氣缸帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，光電檢測(cè)機(jī)構(gòu)判斷出每包蔬菜的長(zhǎng)度，通過內(nèi)嵌的切刀將包裝膜截?cái)?。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(yùn)行后，橫封機(jī)構(gòu)上端氣缸帶動(dòng)中封輥輪、端封滑塊自動(dòng)脫離，包裝材料橫向與縱向粘合處立即自動(dòng)分離。設(shè)備恢復(fù)正常后，氣缸反向運(yùn)動(dòng)，使中封和橫封裝置自動(dòng)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(yùn)送過程中不皺折、不拉長(zhǎng)。由于某些原因，在供料過程中卷筒狀包材會(huì)受影響，因瞬時(shí)變速會(huì)發(fā)生時(shí)松時(shí)緊的現(xiàn)象，通過設(shè)計(jì)張緊機(jī)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(yàn)

蔬菜切根包裝一體機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：功率4.5 kW、電源220 V/50 Hz、整機(jī)重量980 kg、產(chǎn)量1000～1800 kg/h、切割長(zhǎng)度0～140 mm 可調(diào)、薄膜寬度320～600 mm、制袋長(zhǎng)度120 mm～無(wú)限長(zhǎng)、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(jī)機(jī)體及外殼采用304 不銹鋼，符合國(guó)際衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。采用四伺服控制，切根速度、包裝蔬菜長(zhǎng)寬高范圍、包裝速度及包裝薄膜厚度等均可調(diào)，光電檢測(cè)裝置自動(dòng)跟蹤識(shí)別物料制袋，可自動(dòng)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(yàn)證凈菜切根包裝一體機(jī)各項(xiàng)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)胡蘿卜、菠菜、小白菜和茼蒿進(jìn)行了包裝生產(chǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)記錄表Tab.1 Test record

通過對(duì)純工作小時(shí)生產(chǎn)率、切根合格率和包裝合格率3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，純工作小時(shí)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(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，降低勞動(dòng)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(yǔ)

凈菜切根包裝一體機(jī)對(duì)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(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)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(jì)基礎(chǔ)。試驗(yàn)表明，一體機(jī)各工序配合順暢，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢協(xié)調(diào)，整機(jī)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(shí)別、深度學(xué)習(xí)與機(jī)械手等人工智能技術(shù)手段可解決此問題。