氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的設(shè)計

摘要：蔬菜清洗機的主要作用是洗掉蔬菜上殘留的農(nóng)藥、化肥、泥土及蟲子，使蔬菜保持一定的清潔度，從而滿足市場對凈菜的供應(yīng)需求。目前大部分蔬菜清洗機采用的工作原理是利用水與蔬菜、蔬菜與蔬菜之間的摩擦作用進行清洗，導(dǎo)致蔬菜破損率較高。利用正壓氣體在水中的爆氣原理，設(shè)計一種氣壓攪水式自動蔬菜清洗機，增加水流對蔬菜的柔性，減少蔬菜與蔬菜之間的硬性摩擦。試驗表明，該機生產(chǎn)率高，對蔬菜破壞作用小，洗凈率高。

關(guān)鍵詞：蔬菜清洗機； 氣壓； 攪水； 爆氣； 洗凈率

中圖分類號：S226 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0063-03

我國是世界第一蔬菜生產(chǎn)大國，常年蔬菜產(chǎn)量占世界蔬菜總產(chǎn)量的50%以上。黑龍江省蔬菜資源非常豐富，2022年秋白菜、大蔥、土豆、蘿卜等秋菜種植面積213 800 hm2，總產(chǎn)量1 015 萬t，同比分別增長2.3%和3.5%，人均占有量超過550 kg。

“十四五”以來，隨著我國城市化進程不斷推進，城市居民的生活節(jié)奏加快，生活質(zhì)量不斷提高，對于凈菜的需求也越來越大。清洗是蔬菜加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對品質(zhì)至關(guān)重要[1]。洗菜能夠去除蔬菜表面的細沙、泥土、蟲卵、毛發(fā)等雜質(zhì)和殘留的化肥、農(nóng)藥，為直接食用或后續(xù)深加工提供優(yōu)質(zhì)、干凈的菜源。對采摘后的蔬菜進行清洗，不僅能延長保質(zhì)期，而且能增加農(nóng)產(chǎn)品附加值。傳統(tǒng)的蔬菜清洗設(shè)備主要有滾筒式、毛刷式、水流式等，通過摩擦、水流等與物料之間的耦合作用來去除蔬菜表面的雜質(zhì)[2-3]。手工進行的小批量蔬菜清洗不僅勞動條件差、浪費水資源，而且對蔬菜的破壞性較大。此外，手工清洗的生產(chǎn)規(guī)模較小、生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致凈菜供應(yīng)量少，清洗質(zhì)量也得不到保證，無法滿足市場需求。部分機械化蔬菜清洗機僅依照機械原理進行工作，雖然能夠提高清洗效率并減少對人力的依賴，但對蔬菜的破壞性也相對較大，且主要適用于清洗瓜果類蔬菜，而不適用于清洗葉菜。因此，高效、智能、節(jié)能且兼具果菜葉菜清洗功能的設(shè)備發(fā)展前景十分廣闊。針對這種情況，設(shè)計一種小型氣壓攪水式自動蔬菜清洗機。

1 設(shè)計方案與方法

根據(jù)氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的工作原理，使其仿照人工清洗蔬菜的動作來確定機器結(jié)構(gòu)，設(shè)計工作部件，設(shè)定各類技術(shù)參數(shù)，選擇配套設(shè)備，進行整機試驗，最后進行經(jīng)濟技術(shù)分析。

2 氣壓攪水式自動蔬菜清洗機工作原理

氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的工作原理如圖1所示。

儲水裝置（水槽）底部通過3條裝有電磁閥的輸氣主管道與儲氣裝置（儲氣罐）連接。輸氣主管道進入水槽后分別與3條氣孔管道連接。氣孔管道的頂部開有排氣孔，正壓氣體通過時在水槽底部形成3組規(guī)律分布的垂直氣流通道。蔬菜清洗機啟動后，空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣并輸送到儲氣罐進行暫時儲存，此時3個電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，以保持儲氣罐的壓力。

當(dāng)氣壓達到規(guī)定的工作壓力值時，進氣電磁閥在可編程邏輯控制器（PLC）的控制下自動開啟，隨后壓縮空氣從氣孔噴嘴噴出，在水槽底部形成氣泡柱，氣泡柱在浮力的作用下垂直上升，隨著水中壓力的逐漸減小，氣泡體積迅速增大，并不斷破開水槽內(nèi)的水體；當(dāng)氣泡遇到阻力或露出水面時，氣泡爆裂，產(chǎn)生高速微射流和沖擊力，從而起到清洗蔬菜表面污物的作用。

同時，氣流、水流和蔬菜共同形成一個具有規(guī)律的氣—液—固三相流動體，在水槽內(nèi)往復(fù)運動。為實現(xiàn)全面清洗和防止運動趨穩(wěn)，需要不斷改變爆氣部位和方向。采用3 組氣孔輪流間歇爆氣模式，即3組進氣電磁閥在PLC的控制下2組同時開啟，剩余1組關(guān)閉，蔬菜、氣流和水流在氣壓作用下開始爆氣清洗，期間可延時（1～30 s可調(diào)）。每筐蔬菜清洗需要爆氣3次，60～90 s即可清洗干凈。

3 氣壓攪水式自動蔬菜清洗機結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣壓攪水式自動蔬菜清洗機由供氣裝置、水槽系統(tǒng)、蔬菜筐、升降裝置、噴淋裝置和自動控制系統(tǒng)組成。

氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的工作流程如圖3所示。

氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的操作包括手動和自動兩種控制狀態(tài)[4]。手動打開注水閥門和放水閥門，接通電源，在自動模式下進水電磁閥開啟，加水至設(shè)定水位后停止注水，此時水泵啟動，空氣壓縮機自動運行將壓縮空氣輸入儲氣罐，之后抬高結(jié)構(gòu)將蔬菜筐托架提升至工作位，將蔬菜筐放置在托架上，按下清洗啟動按鈕，托架下降，撞塊觸碰降位微動開關(guān)，進氣電磁閥開啟，高壓氣體輸出，蔬菜清洗動作自動開始。過程持續(xù)60 s左右，在PLC的控制下，電磁閥關(guān)閉，氣力系統(tǒng)停止工作，撞塊觸碰升位微動開關(guān)，蔬菜筐停在水槽頂面，噴淋裝置開啟噴淋，持續(xù)30 s后，噴淋結(jié)束，取出蔬菜筐，清洗結(jié)束。

4 氣壓攪水式自動蔬菜清洗機主要技術(shù)參數(shù)

4.1 爆氣水位高度的確定

不規(guī)則形狀的果蔬由于其表面凹凸不平，清洗起來較為困難，特別是窩眼和縫隙處容易藏匿微生物和殘留農(nóng)藥。因此，確定合理的爆氣水位高度至關(guān)重要[5]。

在水槽中，從水面到氣孔支管上表面的距離，即氣泡由產(chǎn)生到爆裂并發(fā)揮擾動作用的空間，稱為爆氣水位。如果爆氣水位設(shè)定過低，氣泡從生成到破裂的時間較短，上升距離有限，雖然破裂時產(chǎn)生的微射流沖擊力較大，但影響范圍因氣泡體積小而受限。相反，如果爆氣水位設(shè)定過高，雖然影響范圍擴大，但氣泡破裂時產(chǎn)生的微射流沖擊力會減小。試驗得出結(jié)論，爆氣水位在600～900 mm范圍內(nèi)的蔬菜清洗效果最好。

綜合考慮蔬菜清洗機的生產(chǎn)成本、性價比、操作方便性和配套設(shè)備等因素，設(shè)計最佳的爆氣水位高度為700 mm。清洗機水槽的規(guī)格（長×寬×高）為1 200 mm×900 mm×900 mm。

4.2 空氣壓縮機的選用

爆氣水位和水槽規(guī)格確定后，分別按照爆氣時間占清洗總時間的40%、50%、60%和通氣量10、15、20 m3/h做清洗效果對比正交試驗。結(jié)果顯示，氣量在15 m3/h（0.8 MPa）時不僅可以滿足連續(xù)清洗要求，而且洗凈率高，破損率低，工作效率高。選用V-0.25/8 型風(fēng)冷移動式單級壓縮機，電機功率為2.2 kW，額定排氣量為0.25 m3/min，額定排氣壓力為0.8 MPa，儲氣罐容積為0.1 m3。

4.3 氣孔分布的設(shè)計

在爆氣水位700 mm、選用V-0.25/8型風(fēng)冷移動式單級壓縮機的工況下，進行不同氣孔數(shù)（12、14、16、18、20、24個）和不同氣孔直徑（1、2、3、4 mm）的正交試驗。結(jié)果顯示，當(dāng)氣孔數(shù)量為20個、氣孔直徑為2 mm時，氣泡爆裂效果最佳，氣流、水流運動均勻無死角，洗凈率高，葉菜破損率低。氣孔分布如圖4所示。

4.4 水泵、電機等其他設(shè)備的選用

水泵：40ZBF-30型自吸泵；最大流量為6.3 m3/h；最高揚程為30 m；功率為4 kW；效率為48%；汽蝕余量為3 m；數(shù)量1臺。

電機：100YSCJ180-3型電動機；頻率為60 Hz；輸出功率為180 W；額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；額定扭矩為1 470 N·m；電壓為220 V；數(shù)量1臺。

噴嘴：1/2PZ27078F型噴嘴；壓力為0.1 MPa；流量為16 L/min；噴射角為80°；孔徑為2 mm；材質(zhì)為聚氯乙烯（PVC）；數(shù)量20個，按照5排排布，每排4個，噴灑重疊度大于50％。

升降減速機：WPS50-80-1/10-D型減速機；升降高度為450 mm，升降過程完成時間為10 s；減速為1/10；卷筒半徑為30 mm；數(shù)量1臺。

5 氣壓攪水式自動蔬菜清洗機工作效果

多批次、不同品種葉菜和果菜清洗試驗結(jié)果表明，氣壓攪水式自動蔬菜清洗機效率高，清洗葉菜生產(chǎn)率為60 kg/h，洗凈率95％以上，破損率低于1％；清洗果菜生產(chǎn)率為90 kg/h，洗凈率98％以上，破損率低于0.5％。

6 結(jié)語

批量推廣使用氣壓攪水式蔬菜清洗機可以顯著提高超市凈菜的供應(yīng)能力和品質(zhì)，降低菜農(nóng)勞動強度，促進農(nóng)業(yè)人口結(jié)構(gòu)調(diào)整，助力鄉(xiāng)村振興，加速城市“菜籃子”工程建設(shè)，進而為構(gòu)建高質(zhì)量、可持續(xù)的蔬菜安全保障體系提供支持。

參考文獻

[1] 杜彥生，許海寧，代春華，等.多頻超聲波清洗機在葉類蔬菜清洗中的應(yīng)用[J].保鮮與加工，2021，21（9）：64-69.

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[4] 魏麗娜，吳玉茜，張艷，等.表面不規(guī)則的難清洗果蔬清洗技術(shù)研究進展[J].食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報，2023，14（14）：175-183.