农业物料定向输送预处理技术研究进展

张兆顺 王应彪 李帅奇 颜旭

摘要：农业物料定向输送预处理技术是提高农产品加工自动化程度的重要手段，在农业物料进行加工之前进行姿态的固定，可以有效减少农产品加工过程的损伤率，提高农产品的加工效率。为此，分析国内农业物料定向输送预处理技术的研究进展，围绕对辊定向输送、振动定向输送、传动带定向输送等方法进行对比分析，阐明其定向机理及装备应用场合。通过对比分析可以看出当前我国农业物料定向预处理技术不够成熟，相关定向输送装置标准化程度低，适应性差，以及相关基础研究不足的问题。针对以上问题未来需要加强农产品物理特性研究，提高定向输送装置的适应性，同时采取多种定向输送预处理技术联合定向，提高农产品加工过程中定向的成功率。

关键词：农业物料；定向输送技术； 定向输送装置；定向原理

中圖分类号：S226.9

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 04-0083-06

Abstract： Agricultural materials directional transportation pretreatment technology is an important means to improve the degree of automation of agricultural product processing， and the fixed posture before the processing of agricultural materials can effectively reduce the damage rate of agricultural products processing and improve the processing efficiency of agricultural products. Therefore， the research progress of domestic agricultural material directional transportation pretreatment technology is analyzed， and the methods of directional conveying of rolls， vibration directional conveying and directional conveying of transmission belts are compared and analyzed to clarify their orientation mechanism and equipment applications. Through comparative analysis， it can be seen that the current directional pretreatment technology of agricultural materials in China is not mature enough， the standardization degree of related directional conveying devices is low， the adaptability is poor， and the relevant basic research is insufficient. In view of the above problems， the research on the physical characteristics of agricultural products should be strengthened in the future， the adaptability of the directional conveying device should be improved， and a variety of directional conveying pretreatment technologies should be adopted to improve the success rate of orientation in the processing of agricultural products.

Keywords：  agricultural materials; directional conveying technology; directional conveying device; orientation principle

0 引言

国内农业机械化不断提高，使得各种农产品的加工产业规模在逐年扩大，农产品加工生产线逐渐由中小型、人工化向大型化、自动化和智能化发展，随着农产品加工生产线整体设施的研究力度加大，各个模块的研发也取得较大进展，农产品定向输送装置作为农产品加工生产线上一个重要组成部分，国内学者不断进行研究，研发创新定向输送装置，大力推动定向输送模块从人工摆放到机械化、智能化发展，以此提升定向输送装置的适应性、可靠性。在农产品加工设备高质量发展的同时，进行定向输送装置的研究与开发，对提升农产品加工效率低，提升加工生产线自动化程度和降低农产品损伤率有重要意义。

本文针对近年来国内农产品定向输送装置的研究现状进行综述，总结各类型定向输送装置存在的问题及不足，以期为农业物料定向输送预处理技术提供参考，促进农产品精深加工高质量发展［1］。

1 主要定向输送预处理装置及原理

1.1 对辊定向输送预处理装置及原理

通过对辊对农产品物料进行定向输送预处理是目前研究较多的定向方式，适用范围较广，从对虾、辣椒等截面为梯形的农产品到牛油果、甘蓝和禽蛋等近似球体的农产品均可以通过对辊来完成定向［2-5］。对辊定向输送装置主要利用对辊自身旋转与物料产生的摩擦力使物料姿态发生变化，当物料姿态满足对辊所形成的空间时，物料会趋于稳定状态，在摩擦力、自身重力以及辅助装置作用下继续向前运动完成定向输送，通过改变对辊样式、间距以及旋转速度来使不同品种农产品完成定向输送，对辊样式主要有水平圆柱式、双锥型链式和棱柱式三种［6-9］。

熊师等［10］设计了一种水平圆柱对辊式对虾定向输送装置，在相向运动的对辊作用下，对虾会产生一个围绕与对辊接触位置旋转的力矩，直到对虾重心位置与接触位置的连线为竖直方向时，对虾趋近于稳定状态完成头尾定向，定向成功率高，中型虾和大型虾成功率为97.3%和94.7%。

崔功佩等［11］在圆柱式对辊的基础上进行改进设计了一款更加符合甘蓝外观特征的双锥式链辊定向装置。采后甘蓝以随机姿态掉入由4个锥形辊组成的间隙中；在传动链的带动下，锥形辊进行等速、同向的旋转运动，提供给甘蓝摩擦力和支持力使其进行旋转运动，并因其转动惯量特性最终达到中心轴与锥形辊轴线平行并保持稳定，最终完成定向，甘蓝定向成功率为95.17%，单通道作业效率可达1 004 kg/h。

萬鹏等［12］相较于传统对辊定向装置设计了一款竖立式的对辊鱼体定向装置，利用传送带把鱼体输送到八棱柱型对辊间隙处，通过由内向外转动的对辊对鱼体腹、背部施加不同方向的作用力使其产生翻转，完成鱼体腹背定向，定向成功率为100%，定向时间为0.55 s。

综上，对辊类型的特点及适用性如表1所示。

1.2 振动定向输送预处理装置及原理

振动给料技术由于其结构简单、维修方便、效率高等优点已经广泛应用于冶金、煤矿、建材、化工等行业，并取得了良好的应用效果；为了更好的发展农业机械化、提高农产品加工效率，振动技术也逐渐的应用到农产品的加工设备当中［13］。振动定向输送预处理技术的基本原理是利用激振力使物料产生小幅度滑动，当物料在激振力的作用下产生位移时，由于物料自身的重心位置、外观形状和摩擦系数等因素会产生姿态上的变化，从而达到定向输送的效果［14-16］。

目前振动定向输送装置实现农业物料的定向输送一部分是基于农业物料的外观不规则、质心位置与型心位置并不重合，物料在输送过程中产生的力矩会使其围绕重心旋转从而达到定向目的［17-18］；一部分是基于物料各个部位的摩擦系数不同或者在农产品不同接触位置使用不同摩擦系数的材料，从而使农产品因为所受到的摩擦力不同产生旋转、移动完成定向。

王应彪等［19］设计了一种电磁振动式玉米种子定向装置，利用电磁铁吸附线圈使振动板产生振动，提供给玉米种子一个激振力而使其发生位移，定向通道设有台阶，玉米种子胚乳端朝前和尖端朝前两种姿态在通过台阶处时由于重心位置偏向胚乳端所以产生的翻转几率不同从而达到玉米种子的有序定向。

倪洋等［20］采用机械振动的方法设计了一款厚壳贻贝头尾定向装置，其工作原理是通过偏心电机对装置施加一个激振力，使贻贝产生运动的趋势，在运动过程中由于贻贝会因为自身重心位置与型心位置并不重合贻贝会产生一个围绕自身重心位置旋转的合力，从而发生旋转完成定向。

万鹏等［21］通过研究鱼体在不同表面结构的输送带上的摩擦特性，发现淡水鱼的顺鳞反向和逆鳞的方向摩擦系数存在明显差异，以此提出了一种淡水鱼水平往复振动头尾定向输送方法。通过传送带高频率水平往复运动所产生的激振力，使鱼体根据顺、逆鳞摩擦系数不同分为两个方向运动从而完成鱼体的头尾定向。

根据激振类型分为机械振动、电磁振动和传送带水平往复振动，它们的特点及适应性如表2所示，可以看出各个激振类型的定向输送装置的最佳定向参数、优缺点各不相同，由于振动定向输送装置定向成功率高、适用性强、不易损坏农产品以及维修成本低的特点，符合农产品自动化和绿色生产，未来研究人员可以通过针对农业物料不同的结构特性对装置进行更精准的优化创新、提高装置使用寿命以及设计合适的入料口、出料口，以期实现农产品生产的自动化、高效化和绿色化。

1.3 传送带定向输送预处理装置及原理

目前对传送带定向输送技术的研究相对较少，大部分装置的设计都是基于最小作用量原理，通过2条或多条传送带的夹持下使农业物料根据自身物理特性进行姿态上的变换，最终达到稳定状态完成定向。其中刘向东等［22］根据鲜杏三径尺寸差异明显且沿缝合线对称的外观特性提出了一种利用多条具有速度差的传送带来进行鲜杏定向的方法，其工作原理为鲜杏在定向通道输送过程中，由于自身的物理特性以及差速带提供的摩擦力会产生旋转，在夹持带形成的具有夹紧力的通道里，基于最小作用量原理鲜杏会逐渐趋于稳定的状态以此完成定向，经试验证明，定向带与夹持带速比为6.52，夹持间隙为15 mm时，该装置可达到87.4%的定向成功率。刘海江等［23］提出了一种通过夹持带实现核桃定向的装置，该装置原理与上述鲜杏定向装置相似，核桃在通道进行输送的过程中，侧面带提供的摩擦力会根据核桃的重心位置以及核桃与侧面带接触面积的大小进行变化，核桃因此可以产生一个促使其旋转的合力，最终达成核桃横轴垂直底面的稳定姿态完成定向。相较于其他的机械定向方式，传送带定向装置相对复杂、成本较高、维修复杂，适合应用于硬度较高、不易损坏的椭圆形农产品［22-23］。

1.4 基于机器视觉的定向输送预处理装置及原理

随着智能化的发展，从最开始的农产品的无损检测和品质分级装置到农产品的定位采摘装置以及定向输送装置，机器视觉技术在农业生产装备领域中应用愈加普遍，其中基于机器视觉的定向输送装置是一种结合机器视觉技术与传统机械定向输送技术的新型装置［24-25］。基于机器视觉的定向输送方法的原理是按照农产品独有特性提取农产品的外形尺寸、外观特征和颜色深度等数字特征，采用智能方法进行区分、计算，配合特制的机械装置来对农产品的姿态进行调整，达到理想的姿态，从而完成农产品的定向预处理。农产品在经过拍摄区时，由力学传感器或光学传感器感应并发送信号使摄像头进行图像采集，计算机对摄像头所采集的图片进行处理分析，当计算机识别到农产品的特征时，通过图像处理分析，确定此时农产品的空间姿态，并把数字信号输出给定向装置，由定向装置完成最终定向。

尚志军等［26］根据枳壳外表颜色和果梗这一明显特征设计了一款基于机器视觉的枳壳自动定向装置。该装置通过提取枳壳表面颜色特征和果梗位置特征进行计算确定枳壳的空间模型，特定的杯型定向装置根据图像识别结果把枳壳调整到理想姿态，试验结果表明该方法识别成功率达到93.3%。

单慧勇等［27］设计了一款鱼加工生产线头尾定向装置，其工作原理是通过测量光幕扫描鱼体生成数字信号传递给计算机，一次生成鱼体轮廓图像判别头尾朝向，鱼体头部朝前则经调整平板输送出去完成定向，若鱼体尾部朝前，则调整平板向前推移，鱼体掉入弧形滑倒，在掉落过程中头部先进入弧形滑倒完成定向。经试验识别率为95%，头尾定向成功率为90%。

艾正茂等［28］设计了一款基于机器视觉的鱼体定向整理装置，鱼体在传送带输送过程中触发光电传感器时，摄像机拍摄当前鱼体姿态图片传至PC端通过卷积神经网络判别鱼体头尾朝向、通过图像的灰度值大小判别鱼体的腹背朝向，根据所判别的不同姿态给后续的相应推杆发送信号从而完成定向，经试验该装置定向成功率为93.3%，平均每条鱼定向耗时3.725 s。

机器视觉配合机械装置定向这种方式对农产品的识别精度、图像处理的准确度、各机构的控制配合有极高要求；同时该方式成本高、结构复杂，相较于传统的纯机械式定向成功率高，但效率较低，因此基于计算机视觉识别的自动定向关键技术仍需进一步研究。

1.5 其他定向输送预处理装置

由于农产品种类繁多，个体性差异大，除了上述几种主要的农产品物料定向预处理技术以外，也有学者根据农产品所独有的特性进行定向输送预处理技术的研究［29-31］。曹劲草等［32］针对红枣的外观形状设计了一种槽轮式红枣去核机，该装置通过一种特制的枣杯使红枣完成竖直方向的定向，并用传动链轮带动枣杯进行定向输送，在去核处由冲针完成去核的操作，大大挺高了红枣去核的效率。李杰［33］通过柑橘果柄的这一特征设计了一款旋转式柑橘定向输送装置，利用果柄调整装置调整柑橘果柄的位置朝上，然后在曲柄滑块的推动下柑橘输送到旋转加持机构，夹持机构90°旋转，完成柑橘的侧向定向。博润泽等［34］利用小龙虾虾螯先接触捕捉网会被缠住这一特点设计了一种捕捉网式小龙虾头尾定向装置，该装置通过捕捉网捕捉住头下尾上的小龙虾，而头上尾下的小龙虾顺利落入上输送带，头下尾上的小龙虾随定向槽继续运动完成竖直方向上的掉头从而在重力作用下落入下输送带完成头上尾下的定向，经试验证明该装置在捕捉网角度55°、定向槽宽4 cm、捕捉网网孔大小12 mm时，小龙虾头朝下捕获率将近100%，尾朝下通过率为88%。

目前我国虽然开始逐步重视农产品定向输送预处理环节，但仍处在研究试验阶段，市场上尚无真正成熟的农产品定向输送装置。在农产品定向输送预处理技术研究及应用方面，综合比较国内各种类型定向输送预处理技术研究现状，如表3所示。

无论是对辊式、振动式还是传送带式等定向输送预处理技术，其在定向成功率、输送效率方面都取得了较大突破，但在关键技术方面仍需要进一步改善。

2 存在问题

1） 由于农产品种类繁多，外观形状不规则存在着明显的个体性差异，因此对农业物料定向装置的设计提出了極高的要求。

2） 与提高农产品加工效率相比，降低农产品的损伤率也尤为重要，农产品在定向过程中，可能会出现一定的损伤乃至污染，因此，若采用的定向输送预处理技术不符合物料的物理特性，加工后的产品在外观和营养成分上不符合消费者的外观选择或营养要求，难以进行大规模推广。

3） 目前，农业物料定向装置的研发仍处于基础研究阶段，相关结构往往依据经验进行设计，缺乏对农产品物理特性及相关的基础理论的深入研究，在基础数据计算统计方面尚不完善。

4） 农产品加工企业规模大小不一，对农业物料定向输送预处理的需求程度存在差别。因此，根据企业的生产线选定合适的农产品定向输送预处理装置极为重要。

3 发展建议

目前我国农业物料定向输送预处理技术主要集中在机械定向，同时与机器视觉等技术的联合也是研究的重点方向。这与目前智能化、自动化的主要发展趋势相吻合，即一方面通过对辊定向输送、振动定向输送和传送带定向输送等传统机械输送方式实现定向输送;另一方面通过机器识别等计算机技术对农业物料进行姿态上的检测分析，提高定向的成功率，同时也可对农产品的质量进行筛选，剔除不合格物料。目前在定向输送预处理技术方法、生产工艺仍存在一些有待提高的方面。

1） 提高定向输送装置的适应性，减少农产品定向过程中的损伤程度。在设计时，应考虑农产品个体的差异性，选择最适合的定向方式，完善并提高设计与研发标准，实现定向装置关键部件可调，满足定向不同农产品时所需的参数组合，提高定向输送装置适应性、可靠性，降低了农产品加工过程中的损伤率，使加工作业更加高效。

2） 加强农产品物理特性研究。农产品独特的物理特性是研发设计定向输送装置的重要参考依据，对农产品的物理特性进行测量、分析，为农产品定向装置的研发及关键部位的设计提供理论支撑，设计制造出适合农产品物理特性的高效、精密定向装置，提高定向成功率。

3） 联合定向可以实现多种定向输送预处理技术的优势互补。多种机械定向输送联合机器视觉技术，可以实现农产品加工过程中定向的高成功率，针对各类农产品物料的物理特性以及加工要求，适时发展传统机械定向输送与机器视觉技术的联合，是实现农产品物料在生产加工过程中优质、高效定向的有效手段。因此，未来农产品物料定向输送预处理技术的发展将是通过多级机械定向输送模式与机器视觉技术的优化组合，实现高效、低耗和环保的定向处理。

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