農業(yè)物料定向輸送預處理技術研究進展

張兆順 王應彪 李帥奇 顏旭

摘要：農業(yè)物料定向輸送預處理技術是提高農產品加工自動化程度的重要手段，在農業(yè)物料進行加工之前進行姿態(tài)的固定，可以有效減少農產品加工過程的損傷率，提高農產品的加工效率。為此，分析國內農業(yè)物料定向輸送預處理技術的研究進展，圍繞對輥定向輸送、振動定向輸送、傳動帶定向輸送等方法進行對比分析，闡明其定向機理及裝備應用場合。通過對比分析可以看出當前我國農業(yè)物料定向預處理技術不夠成熟，相關定向輸送裝置標準化程度低，適應性差，以及相關基礎研究不足的問題。針對以上問題未來需要加強農產品物理特性研究，提高定向輸送裝置的適應性，同時采取多種定向輸送預處理技術聯(lián)合定向，提高農產品加工過程中定向的成功率。

關鍵詞：農業(yè)物料；定向輸送技術； 定向輸送裝置；定向原理

中圖分類號：S226.9

文獻標識碼：A

文章編號：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

國內農業(yè)機械化不斷提高，使得各種農產品的加工產業(yè)規(guī)模在逐年擴大，農產品加工生產線逐漸由中小型、人工化向大型化、自動化和智能化發(fā)展，隨著農產品加工生產線整體設施的研究力度加大，各個模塊的研發(fā)也取得較大進展，農產品定向輸送裝置作為農產品加工生產線上一個重要組成部分，國內學者不斷進行研究，研發(fā)創(chuàng)新定向輸送裝置，大力推動定向輸送模塊從人工擺放到機械化、智能化發(fā)展，以此提升定向輸送裝置的適應性、可靠性。在農產品加工設備高質量發(fā)展的同時，進行定向輸送裝置的研究與開發(fā)，對提升農產品加工效率低，提升加工生產線自動化程度和降低農產品損傷率有重要意義。

本文針對近年來國內農產品定向輸送裝置的研究現(xiàn)狀進行綜述，總結各類型定向輸送裝置存在的問題及不足，以期為農業(yè)物料定向輸送預處理技術提供參考，促進農產品精深加工高質量發(fā)展［1］。

1 主要定向輸送預處理裝置及原理

1.1 對輥定向輸送預處理裝置及原理

通過對輥對農產品物料進行定向輸送預處理是目前研究較多的定向方式，適用范圍較廣，從對蝦、辣椒等截面為梯形的農產品到牛油果、甘藍和禽蛋等近似球體的農產品均可以通過對輥來完成定向［2-5］。對輥定向輸送裝置主要利用對輥自身旋轉與物料產生的摩擦力使物料姿態(tài)發(fā)生變化，當物料姿態(tài)滿足對輥所形成的空間時，物料會趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在摩擦力、自身重力以及輔助裝置作用下繼續(xù)向前運動完成定向輸送，通過改變對輥樣式、間距以及旋轉速度來使不同品種農產品完成定向輸送，對輥樣式主要有水平圓柱式、雙錐型鏈式和棱柱式三種［6-9］。

熊師等［10］設計了一種水平圓柱對輥式對蝦定向輸送裝置，在相向運動的對輥作用下，對蝦會產生一個圍繞與對輥接觸位置旋轉的力矩，直到對蝦重心位置與接觸位置的連線為豎直方向時，對蝦趨近于穩(wěn)定狀態(tài)完成頭尾定向，定向成功率高，中型蝦和大型蝦成功率為97.3%和94.7%。

崔功佩等［11］在圓柱式對輥的基礎上進行改進設計了一款更加符合甘藍外觀特征的雙錐式鏈輥定向裝置。采后甘藍以隨機姿態(tài)掉入由4個錐形輥組成的間隙中；在傳動鏈的帶動下，錐形輥進行等速、同向的旋轉運動，提供給甘藍摩擦力和支持力使其進行旋轉運動，并因其轉動慣量特性最終達到中心軸與錐形輥軸線平行并保持穩(wěn)定，最終完成定向，甘藍定向成功率為95.17%，單通道作業(yè)效率可達1 004 kg/h。

萬鵬等［12］相較于傳統(tǒng)對輥定向裝置設計了一款豎立式的對輥魚體定向裝置，利用傳送帶把魚體輸送到八棱柱型對輥間隙處，通過由內向外轉動的對輥對魚體腹、背部施加不同方向的作用力使其產生翻轉，完成魚體腹背定向，定向成功率為100%，定向時間為0.55 s。

綜上，對輥類型的特點及適用性如表1所示。

1.2 振動定向輸送預處理裝置及原理

振動給料技術由于其結構簡單、維修方便、效率高等優(yōu)點已經廣泛應用于冶金、煤礦、建材、化工等行業(yè)，并取得了良好的應用效果；為了更好的發(fā)展農業(yè)機械化、提高農產品加工效率，振動技術也逐漸的應用到農產品的加工設備當中［13］。振動定向輸送預處理技術的基本原理是利用激振力使物料產生小幅度滑動，當物料在激振力的作用下產生位移時，由于物料自身的重心位置、外觀形狀和摩擦系數等因素會產生姿態(tài)上的變化，從而達到定向輸送的效果［14-16］。

目前振動定向輸送裝置實現(xiàn)農業(yè)物料的定向輸送一部分是基于農業(yè)物料的外觀不規(guī)則、質心位置與型心位置并不重合，物料在輸送過程中產生的力矩會使其圍繞重心旋轉從而達到定向目的［17-18］；一部分是基于物料各個部位的摩擦系數不同或者在農產品不同接觸位置使用不同摩擦系數的材料，從而使農產品因為所受到的摩擦力不同產生旋轉、移動完成定向。

王應彪等［19］設計了一種電磁振動式玉米種子定向裝置，利用電磁鐵吸附線圈使振動板產生振動，提供給玉米種子一個激振力而使其發(fā)生位移，定向通道設有臺階，玉米種子胚乳端朝前和尖端朝前兩種姿態(tài)在通過臺階處時由于重心位置偏向胚乳端所以產生的翻轉幾率不同從而達到玉米種子的有序定向。

倪洋等［20］采用機械振動的方法設計了一款厚殼貽貝頭尾定向裝置，其工作原理是通過偏心電機對裝置施加一個激振力，使貽貝產生運動的趨勢，在運動過程中由于貽貝會因為自身重心位置與型心位置并不重合貽貝會產生一個圍繞自身重心位置旋轉的合力，從而發(fā)生旋轉完成定向。

萬鵬等［21］通過研究魚體在不同表面結構的輸送帶上的摩擦特性，發(fā)現(xiàn)淡水魚的順鱗反向和逆鱗的方向摩擦系數存在明顯差異，以此提出了一種淡水魚水平往復振動頭尾定向輸送方法。通過傳送帶高頻率水平往復運動所產生的激振力，使魚體根據順、逆鱗摩擦系數不同分為兩個方向運動從而完成魚體的頭尾定向。

根據激振類型分為機械振動、電磁振動和傳送帶水平往復振動，它們的特點及適應性如表2所示，可以看出各個激振類型的定向輸送裝置的最佳定向參數、優(yōu)缺點各不相同，由于振動定向輸送裝置定向成功率高、適用性強、不易損壞農產品以及維修成本低的特點，符合農產品自動化和綠色生產，未來研究人員可以通過針對農業(yè)物料不同的結構特性對裝置進行更精準的優(yōu)化創(chuàng)新、提高裝置使用壽命以及設計合適的入料口、出料口，以期實現(xiàn)農產品生產的自動化、高效化和綠色化。

1.3 傳送帶定向輸送預處理裝置及原理

目前對傳送帶定向輸送技術的研究相對較少，大部分裝置的設計都是基于最小作用量原理，通過2條或多條傳送帶的夾持下使農業(yè)物料根據自身物理特性進行姿態(tài)上的變換，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)完成定向。其中劉向東等［22］根據鮮杏三徑尺寸差異明顯且沿縫合線對稱的外觀特性提出了一種利用多條具有速度差的傳送帶來進行鮮杏定向的方法，其工作原理為鮮杏在定向通道輸送過程中，由于自身的物理特性以及差速帶提供的摩擦力會產生旋轉，在夾持帶形成的具有夾緊力的通道里，基于最小作用量原理鮮杏會逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)以此完成定向，經試驗證明，定向帶與夾持帶速比為6.52，夾持間隙為15 mm時，該裝置可達到87.4%的定向成功率。劉海江等［23］提出了一種通過夾持帶實現(xiàn)核桃定向的裝置，該裝置原理與上述鮮杏定向裝置相似，核桃在通道進行輸送的過程中，側面帶提供的摩擦力會根據核桃的重心位置以及核桃與側面帶接觸面積的大小進行變化，核桃因此可以產生一個促使其旋轉的合力，最終達成核桃橫軸垂直底面的穩(wěn)定姿態(tài)完成定向。相較于其他的機械定向方式，傳送帶定向裝置相對復雜、成本較高、維修復雜，適合應用于硬度較高、不易損壞的橢圓形農產品［22-23］。

1.4 基于機器視覺的定向輸送預處理裝置及原理

隨著智能化的發(fā)展，從最開始的農產品的無損檢測和品質分級裝置到農產品的定位采摘裝置以及定向輸送裝置，機器視覺技術在農業(yè)生產裝備領域中應用愈加普遍，其中基于機器視覺的定向輸送裝置是一種結合機器視覺技術與傳統(tǒng)機械定向輸送技術的新型裝置［24-25］?；跈C器視覺的定向輸送方法的原理是按照農產品獨有特性提取農產品的外形尺寸、外觀特征和顏色深度等數字特征，采用智能方法進行區(qū)分、計算，配合特制的機械裝置來對農產品的姿態(tài)進行調整，達到理想的姿態(tài)，從而完成農產品的定向預處理。農產品在經過拍攝區(qū)時，由力學傳感器或光學傳感器感應并發(fā)送信號使攝像頭進行圖像采集，計算機對攝像頭所采集的圖片進行處理分析，當計算機識別到農產品的特征時，通過圖像處理分析，確定此時農產品的空間姿態(tài)，并把數字信號輸出給定向裝置，由定向裝置完成最終定向。

尚志軍等［26］根據枳殼外表顏色和果梗這一明顯特征設計了一款基于機器視覺的枳殼自動定向裝置。該裝置通過提取枳殼表面顏色特征和果梗位置特征進行計算確定枳殼的空間模型，特定的杯型定向裝置根據圖像識別結果把枳殼調整到理想姿態(tài)，試驗結果表明該方法識別成功率達到93.3%。

單慧勇等［27］設計了一款魚加工生產線頭尾定向裝置，其工作原理是通過測量光幕掃描魚體生成數字信號傳遞給計算機，一次生成魚體輪廓圖像判別頭尾朝向，魚體頭部朝前則經調整平板輸送出去完成定向，若魚體尾部朝前，則調整平板向前推移，魚體掉入弧形滑倒，在掉落過程中頭部先進入弧形滑倒完成定向。經試驗識別率為95%，頭尾定向成功率為90%。

艾正茂等［28］設計了一款基于機器視覺的魚體定向整理裝置，魚體在傳送帶輸送過程中觸發(fā)光電傳感器時，攝像機拍攝當前魚體姿態(tài)圖片傳至PC端通過卷積神經網絡判別魚體頭尾朝向、通過圖像的灰度值大小判別魚體的腹背朝向，根據所判別的不同姿態(tài)給后續(xù)的相應推桿發(fā)送信號從而完成定向，經試驗該裝置定向成功率為93.3%，平均每條魚定向耗時3.725 s。

機器視覺配合機械裝置定向這種方式對農產品的識別精度、圖像處理的準確度、各機構的控制配合有極高要求；同時該方式成本高、結構復雜，相較于傳統(tǒng)的純機械式定向成功率高，但效率較低，因此基于計算機視覺識別的自動定向關鍵技術仍需進一步研究。

1.5 其他定向輸送預處理裝置

由于農產品種類繁多，個體性差異大，除了上述幾種主要的農產品物料定向預處理技術以外，也有學者根據農產品所獨有的特性進行定向輸送預處理技術的研究［29-31］。曹勁草等［32］針對紅棗的外觀形狀設計了一種槽輪式紅棗去核機，該裝置通過一種特制的棗杯使紅棗完成豎直方向的定向，并用傳動鏈輪帶動棗杯進行定向輸送，在去核處由沖針完成去核的操作，大大挺高了紅棗去核的效率。李杰［33］通過柑橘果柄的這一特征設計了一款旋轉式柑橘定向輸送裝置，利用果柄調整裝置調整柑橘果柄的位置朝上，然后在曲柄滑塊的推動下柑橘輸送到旋轉加持機構，夾持機構90°旋轉，完成柑橘的側向定向。博潤澤等［34］利用小龍蝦蝦螯先接觸捕捉網會被纏住這一特點設計了一種捕捉網式小龍蝦頭尾定向裝置，該裝置通過捕捉網捕捉住頭下尾上的小龍蝦，而頭上尾下的小龍蝦順利落入上輸送帶，頭下尾上的小龍蝦隨定向槽繼續(xù)運動完成豎直方向上的掉頭從而在重力作用下落入下輸送帶完成頭上尾下的定向，經試驗證明該裝置在捕捉網角度55°、定向槽寬4 cm、捕捉網網孔大小12 mm時，小龍蝦頭朝下捕獲率將近100%，尾朝下通過率為88%。

目前我國雖然開始逐步重視農產品定向輸送預處理環(huán)節(jié)，但仍處在研究試驗階段，市場上尚無真正成熟的農產品定向輸送裝置。在農產品定向輸送預處理技術研究及應用方面，綜合比較國內各種類型定向輸送預處理技術研究現(xiàn)狀，如表3所示。

無論是對輥式、振動式還是傳送帶式等定向輸送預處理技術，其在定向成功率、輸送效率方面都取得了較大突破，但在關鍵技術方面仍需要進一步改善。

2 存在問題

1） 由于農產品種類繁多，外觀形狀不規(guī)則存在著明顯的個體性差異，因此對農業(yè)物料定向裝置的設計提出了極高的要求。

2） 與提高農產品加工效率相比，降低農產品的損傷率也尤為重要，農產品在定向過程中，可能會出現(xiàn)一定的損傷乃至污染，因此，若采用的定向輸送預處理技術不符合物料的物理特性，加工后的產品在外觀和營養(yǎng)成分上不符合消費者的外觀選擇或營養(yǎng)要求，難以進行大規(guī)模推廣。

3） 目前，農業(yè)物料定向裝置的研發(fā)仍處于基礎研究階段，相關結構往往依據經驗進行設計，缺乏對農產品物理特性及相關的基礎理論的深入研究，在基礎數據計算統(tǒng)計方面尚不完善。

4） 農產品加工企業(yè)規(guī)模大小不一，對農業(yè)物料定向輸送預處理的需求程度存在差別。因此，根據企業(yè)的生產線選定合適的農產品定向輸送預處理裝置極為重要。

3 發(fā)展建議

目前我國農業(yè)物料定向輸送預處理技術主要集中在機械定向，同時與機器視覺等技術的聯(lián)合也是研究的重點方向。這與目前智能化、自動化的主要發(fā)展趨勢相吻合，即一方面通過對輥定向輸送、振動定向輸送和傳送帶定向輸送等傳統(tǒng)機械輸送方式實現(xiàn)定向輸送;另一方面通過機器識別等計算機技術對農業(yè)物料進行姿態(tài)上的檢測分析，提高定向的成功率，同時也可對農產品的質量進行篩選，剔除不合格物料。目前在定向輸送預處理技術方法、生產工藝仍存在一些有待提高的方面。

1） 提高定向輸送裝置的適應性，減少農產品定向過程中的損傷程度。在設計時，應考慮農產品個體的差異性，選擇最適合的定向方式，完善并提高設計與研發(fā)標準，實現(xiàn)定向裝置關鍵部件可調，滿足定向不同農產品時所需的參數組合，提高定向輸送裝置適應性、可靠性，降低了農產品加工過程中的損傷率，使加工作業(yè)更加高效。

2） 加強農產品物理特性研究。農產品獨特的物理特性是研發(fā)設計定向輸送裝置的重要參考依據，對農產品的物理特性進行測量、分析，為農產品定向裝置的研發(fā)及關鍵部位的設計提供理論支撐，設計制造出適合農產品物理特性的高效、精密定向裝置，提高定向成功率。

3） 聯(lián)合定向可以實現(xiàn)多種定向輸送預處理技術的優(yōu)勢互補。多種機械定向輸送聯(lián)合機器視覺技術，可以實現(xiàn)農產品加工過程中定向的高成功率，針對各類農產品物料的物理特性以及加工要求，適時發(fā)展傳統(tǒng)機械定向輸送與機器視覺技術的聯(lián)合，是實現(xiàn)農產品物料在生產加工過程中優(yōu)質、高效定向的有效手段。因此，未來農產品物料定向輸送預處理技術的發(fā)展將是通過多級機械定向輸送模式與機器視覺技術的優(yōu)化組合，實現(xiàn)高效、低耗和環(huán)保的定向處理。

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