净菜切根包装一体机设计与试验

吕凤玉，贺成柱，贾永静，薛红睿

（1.甘肃省机械科学研究院有限责任公司，兰州 730030；2.甘肃金科峰农业装备工程有限责任公司，兰州 730070；3.甘肃省先进设计与制造技术工程实验室，兰州 730030）

我国连续多年蔬菜总产量居世界第一，是世界第一大蔬菜生产国。茎叶类蔬菜是我国种植面积最广、品种最多、消费量最大的一类蔬菜，其特点是耗损最大、价格波动最大，具有季节性强、易破损、不易储存等特点。据统计，我国蔬菜腐烂损失率高达30%左右，而发达国家采收后利用率高达97%，损失在5%以下[1]。净菜产品可食率高，是适应高效快捷现代社会发展的必然需求，对于减少城市垃圾、疏解城市功能起到重要作用[2]。近几年，国内净菜及鲜切产品市场逐步形成规模，是我国未来果蔬行业的发展方向。由于国内现有净菜加工装备落后、适用性差、自动化程度低、去杂难、易损伤蔬菜等问题，制约了蔬菜净菜加工市场的发展[3]。

为解决上述问题，文献[4]设计研发了甘蓝双盘切根装置，可快速拆装、易清洗和输送防漏料，但不具备拣选、包装等后端处理功能；文献[5]提出的气柱袋式全自动包装机设计方案，实现对球形水果的无损包装，但对于形态各异、品类繁多的蔬菜包装适用性不强。为实现袋式包装参数随果蔬形态自由调整，文献[6]基于PLC 控制系统设计了三伺服枕式包装机，实现了包装袋的宽度和高度可进行不定长设置。为提高包装机的用户体验感，文献[7]通过增加产品计数、称重贴标等功能，极大降低了人员的劳动强度。由于上述切制和包装设备在净菜加工过程中独立工作，产生蔬菜转运劳动强度大、原料损失大、半成品与废弃物交叉堆放致微生物和细菌总数超标等问题[8]。因此，提出净菜切根包装一体机设计，对西部地区及中国蔬菜加工有着更深更广的意义[9-10]。

1 整体结构

净菜切根包装一体机主要由切制模块、废料回收模块、拣选模块、包装模块、动力系统和电控系统等组成，整机设备如图1 所示。蔬菜切制模块将放置于蔬菜切制传输带上的蔬菜原料运送至切根刀处，同时按压固定蔬菜防止发生大幅度的位移，切刀在传送带旁飞速旋转将蔬菜根部切下。蔬菜在切根后会掺杂废叶、烂叶等杂物，需经过拣选模块将杂物等去除，并将品质合格蔬菜传运至包装模块。蔬菜包装模块自动化程度最高，主要实现送料、送膜、打孔和包装等功能。废料回收主要对蔬菜切制下的根部和拣选出的杂质进行收集运输。

图1 整机模型Fig.1 Model of the whole machine

2 工作原理

一体机以未切除根茎的茎叶类蔬菜作为原料，经过蔬菜切制、传输、拣选、计数包装、贴标、转运入库，同时完成加工废弃物收集输送，实现净菜切制包装一体化加工。整机工作过程：先将茎叶类蔬菜放置于蔬菜切制传输带上，由蔬菜切制输送带将蔬菜运送至切刀处，圆形切刀在传送带一侧飞速旋转将蔬菜根部切下，传送带上方的蔬菜压制机构，对蔬菜给予一定的压力进行固定防止蔬菜发生大幅度的位移。经过切制后的蔬菜传输至蔬菜拣选皮带上，此时两模块的连接装置将蔬菜前进方向旋转90°，在蔬菜拣选皮带传输过程中，将不满足要求的废弃物放置废料拣选至传输皮带上，拣选合格的蔬菜按间隔20 mm 距离在拣选皮带上排列整齐，传运至蔬菜包装模块。在切制及拣选过程中产生的废根和废叶等通过废料回收输送带传输至指定回收箱内。满足包装要求的蔬菜传输至光电检测装置处，光电传感器感应蔬菜尺寸及进料状态，将信号反馈至送膜机构，送膜部件开始对膜进行打孔作业并送膜。同时蔬菜入料口处的拉膜牵引机构将薄膜两侧折起，纵封机构将膜夹紧并拖拽，温控机构包装袋进行塑封，端封插角机构为包装袋折出插角，横封切刀将包装袋切开，成品蔬菜从出料口运出。

3 关键零部件设计

3.1 切制设备

蔬菜收获后首先要进行切除蔬菜根部等处理，现在国内大多企业仍采用人工拿切菜刀切除蔬菜根部的模式，此模式人工劳动强度大、生产效率低，且易损伤蔬菜。切制设备主要由切制输送皮带、圆盘切刀、压制机构、机架和驱动装置等部分组成，结构如图2 所示。为保证根部细小茎叶蓬松的蔬菜在切制过程中不发生偏移，设计了可仿形的皮带压制机构。

图2 切制设备Fig.2 Cutting equipment

可调式蔬菜切制设备通过输送板带动物料前行，蔬菜经过固定位置的切刀后，蔬菜根部被切除，从废料口排出，保留的蔬菜则向前输送。可自动调节蔬菜根部的切割距离，切根后的蔬菜有序收集。

3.2 包装设备

随着蔬菜商品化程度的不断提高，对蔬菜包装的要求也日益迫切。合理的包装可减少蔬菜在贮运过程中的机械损伤，减少病害扩散，减少水分蒸发，使商品品质得到保证。包装材料以塑料薄膜为主，一般透气性较差的薄膜包装，为了减少蔬菜腐烂，要打些内外气体交换的小孔。蔬菜包装设备主要由送膜装置、中封机构、横封机构、光电检测装置、热熔热电偶、切膜气缸和切刀组成，如图3 所示。送膜装置由引输送装置、支撑部件和导向机构组成，支撑部件将薄膜卷成筒状材料。滚筒式拉膜牵引机构设计在纵封辊前端，以保证包裹膜的不间断供送。中封装置将平展的薄膜通过两滚轮的夹紧制成筒状，并对筒状薄膜纵边进行封合。横封机构对经过中封热封后的筒状包材进行横向封口，气缸带动其运动，光电检测机构判断出每包蔬菜的长度，通过内嵌的切刀将包装膜截断。热电偶与插角装置 在包装袋末端压制出相应花纹。

图3 包装设备Fig.3 Packaging equipment

当包装设备停止运行后，横封机构上端气缸带动中封辊轮、端封滑块自动脱离，包装材料横向与纵向粘合处立即自动分离。设备恢复正常后，气缸反向运动，使中封和横封装置自动闭合并持续工作。包装薄膜在输送过程中，上下整理带一边抚平整理包装袋，一边保证继续向前传递薄膜到横封横切处，以保持膜在运送过程中不皱折、不拉长。由于某些原因，在供料过程中卷筒状包材会受影响，因瞬时变速会发生时松时紧的现象，通过设计张紧机构，减少包装薄膜在输送过程中产生摇摆、跑偏等现象，使其保持适度的牵拉和拉紧。

4 试验

蔬菜切根包装一体机设计技术参数：功率4.5 kW、电源220 V/50 Hz、整机重量980 kg、产量1000～1800 kg/h、切割长度0～140 mm 可调、薄膜宽度320～600 mm、制袋长度120 mm～无限长、制袋宽度145～285 mm、产品最大高度110 mm、包装速度30～150 袋/min、整机机体及外壳采用304 不锈钢，符合国际卫生标准。采用四伺服控制，切根速度、包装蔬菜长宽高范围、包装速度及包装薄膜厚度等均可调，光电检测装置自动跟踪识别物料制袋，可自动打码贴标，适用于土豆、小白菜、胡萝卜、白菜、豆角等蔬菜包装。为验证净菜切根包装一体机各项性能是否满足设计要求，对胡萝卜、菠菜、小白菜和茼蒿进行了包装生产试验，试验数据如表1 所示。

表1 试验记录表Tab.1 Test record

通过对纯工作小时生产率、切根合格率和包装合格率3 个参数进行分析，纯工作小时生产率因蔬菜物理特性不同有差异，切根合格率均在95%以上，包装合格率均在90%以上，各项性能指标符合设计预期，降低劳动者参与程度，减少加工成本，是未来净菜加工的发展方向之一。

5 结语

净菜切根包装一体机对蔬菜进行二次加工，将拣选、切制、包装和贴标等环节集成于一体，解决了蔬菜转运劳动强度大、原料损失大、半成品与废弃物交叉堆放致微生物和细菌总数超标等问题，为后续净菜加工设备研发提供设计基础。试验表明，一体机各工序配合顺畅，执行机构运转顺畅协调，整机切根、拣选、包装作业效果良好，节约大量人力。目前在拣选环节此设备主要依靠人工拣选出不符合包装要求的蔬菜与杂质，人工参与度高，后续引入视觉识别、深度学习与机械手等人工智能技术手段可解决此问题。