氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的設計

摘要：蔬菜清洗機的主要作用是洗掉蔬菜上殘留的農藥、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，導致蔬菜破損率較高。利用正壓氣體在水中的爆氣原理，設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，該機生產率高，對蔬菜破壞作用小，洗凈率高。

關鍵詞：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大國，常年蔬菜產量占世界蔬菜總產量的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，城市居民的生活節奏加快，生活質量不斷提高，對于凈菜的需求也越來越大。清洗是蔬菜加工的關鍵環節，對品質至關重要[1]。洗菜能夠去除蔬菜表面的細沙、泥土、蟲卵、毛發等雜質和殘留的化肥、農藥，為直接食用或后續深加工提供優質、干凈的菜源。對采摘后的蔬菜進行清洗，不僅能延長保質期，而且能增加農產品附加值。傳統的蔬菜清洗設備主要有滾筒式、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[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，手工清洗的生產規模較小、生產效率低，導致凈菜供應量少，清洗質量也得不到保證，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、節能且兼具果菜葉菜清洗功能的設備發展前景十分廣闊。針對這種情況，設計一種小型氣壓攪水式自動蔬菜清洗機。

1 設計方案與方法

根據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構，設計工作部件，設定各類技術參數，選擇配套設備，進行整機試驗，最后進行經濟技術分析。

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組規律分布的垂直氣流通道。蔬菜清洗機啟動后，空氣壓縮機產生壓縮空氣并輸送到儲氣罐進行暫時儲存，此時3個電磁閥處于關閉狀態，以保持儲氣罐的壓力。

當氣壓達到規定的工作壓力值時，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，并不斷破開水槽內的水體；當氣泡遇到阻力或露出水面時，氣泡爆裂，產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律的氣—液—固三相流動體，在水槽內往復運動。為實現全面清洗和防止運動趨穩，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）。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構設計

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

氣壓攪水式自動蔬菜清洗機的結構如圖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[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，之后抬高結構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，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60 s左右，在PLC的控制下，電磁閥關閉，氣力系統停止工作，撞塊觸碰升位微動開關，蔬菜筐停在水槽頂面，噴淋裝置開啟噴淋，持續30 s后，噴淋結束，取出蔬菜筐，清洗結束。

4 氣壓攪水式自動蔬菜清洗機主要技術參數

4.1 爆氣水位高度的確定

不規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藥。因此，確定合理的爆氣水位高度至關重要[5]。

在水槽中，從水面到氣孔支管上表面的距離，即氣泡由產生到爆裂并發揮擾動作用的空間，稱為爆氣水位。如果爆氣水位設定過低，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，如果爆氣水位設定過高，雖然影響范圍擴大，但氣泡破裂時產生的微射流沖擊力會減小。試驗得出結論，爆氣水位在600～900 mm范圍內的蔬菜清洗效果最好。

綜合考慮蔬菜清洗機的生產成本、性價比、操作方便性和配套設備等因素，設計最佳的爆氣水位高度為700 mm。清洗機水槽的規格（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。結果顯示，氣量在15 m3/h（0.8 MPa）時不僅可以滿足連續清洗要求，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 氣孔分布的設計

在爆氣水位700 mm、選用V-0.25/8型風冷移動式單級壓縮機的工況下，進行不同氣孔數（12、14、16、18、20、24個）和不同氣孔直徑（1、2、3、4 mm）的正交試驗。結果顯示，當氣孔數量為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；額定轉速為1 500 r/min；額定扭矩為1 470 N·m；電壓為220 V；數量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；材質為聚氯乙烯（PVC）；數量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果表明，氣壓攪水式自動蔬菜清洗機效率高，清洗葉菜生產率為60 kg/h，洗凈率95％以上，破損率低于1％；清洗果菜生產率為90 kg/h，洗凈率98％以上，破損率低于0.5％。

6 結語

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能力和品質，降低菜農勞動強度，促進農業人口結構調整，助力鄉村振興，加速城市“菜籃子”工程建設，進而為構建高質量、可持續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用[J].保鮮與加工，2021，21（9）：64-69.

[2] 張會娟，吳峰，謝煥雄，等.塊根塊莖類蔬菜清洗設備現狀與展望[J].中國農機化學報，2018，39（9）：38-41.

[3] 馬雪飛，杜志龍，馬季威，等.整葉類蔬菜清洗機設計與試驗[J].農業機械學報，2018，49（S1）：419-425.

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