水培生菜自动包装装置的设计与研究

发布时间：2020-11-05 18:33

　　 设施园艺的开展能够解决食物短缺、食品安全、果蔬季节性和地域性等难题。而生菜作为当下设施园艺种植最广的蔬菜品种,通过突破传统无土栽培的技术限制,采用新型水培方式栽培生菜的设施园艺生菜培育模式,已成为推动我国设施园艺产业发展与提升的源动力。由于水培生菜含水量高,质嫩易受损,且易受微生物影响而腐烂,表面特征受损对其商业价值影响较大。因此,合理的包装可使水培生菜在运输过程中保持良好的表面特征,并能够减少搬运过程中因水培生菜互相接触、摩擦、挤压而产生的机械损伤。但目前水培生菜在包装方面还存在很大问题,水培生菜在收获后存在“不包装或人工包装”的现象,传统的人工包装方法存在劳动成本过高,耗时费力,效率低下,工作枯燥乏味且包装质量不易保证等缺陷。因此,为了解决水培生菜货架期短,易损伤等问题,本文以水培生菜为研究对象,提出了一种包装盒包装方案,并研制了水培生菜自动包装装置,以下为主要研究内容与结论:(1)研究生菜挤压特性与保鲜薄膜力学特性。利用单因素试验方法,以水培奶油生菜为研究对象研究了生菜压缩率与生菜损伤之间的关系,通过数据分析得知水培生菜的极限压缩率为45%,此试验结果为包装盒的尺寸设计提供理论依据。保鲜薄膜具有较大的弹性,对薄膜冷切影响较大,所以使用电子万能试验仪进行了保鲜薄膜拉取与拉伸试验,试验结果表明保鲜薄膜拉取时的拉取力在2.199 N附近震荡,通过线性回归得到保鲜薄膜的弹性模量为56 MPa,弹性极限为7.27 MPa,抗拉强度为24.86 MPa,为水培生菜自动包装装置的设计提供依据。(2)确定自动包装装置的总体方案。为了实现水培生菜的输送、保鲜薄膜包裹、保鲜薄膜切割以及封口等功能,达到包装效率大于30 s/棵,货架期大于3天以及损伤程度低于5%的性能要求,分别提出了浅盘包装方案与包装盒包装方案,考虑到水培生菜的无损包装,最终选择了包装盒包装方案。自动包装装置由输送带机构、拉膜机构、切膜机构和封膜机构组成,对包装盒包装方案的拉膜机构、切膜机构和封膜机构进行了方案对比与分析,最后分别选择了楔形辊筒拉膜机构方案、分离式切膜机构方案以及圆盘毛刷封膜方案。最终确定了水培生菜自动包装装置的总体方案,并确定了总体方案的工作流程。(3)设计包装装置关键部件与控制系统。包装盒是水培生菜无损包装的关键,首先根据赫兹接触理论,确定了包装盒的截面形状为圆形;再根据生菜压缩率与生菜损伤之间的关系、生菜展开度的范围以及生菜的高度确定了包装盒为上底内径为215mm,下底内径为190 mm,高为220 mm的圆台形包装盒,并对包装盒进行了强度校核。分别对拉膜机构的楔形辊筒和压膜辊筒,切膜机构的纵向与横向切割机构,封膜机构进行了设计与选型。根据水培生菜自动包装装置的总体方案,确定控制系统的核心为单片机,控制系统还包括2个光电开关、1个霍尔传感器、2个步进电机及驱动器、3个继电器。根据包装装置的工作流程以及控制系统组成,设计了控制系统流程图与电路原理图,并基于C语言编写了控制程序。(4)试制自动包装装置样机并进行验证试验。根据水培生菜自动包装装置的总体方案以及机构与控制系统设计,对样机进行了试制与调试。通过正交试验、极差分析,确定了纵向切刀角度为30°,拉膜速度为300 mm/min,横向切膜速度为500 mm/min为最优切膜参数组合,验证试验得该参数组合下的切膜成功率为98.6%。对样机进行验证试验,试验结果表明包装装置样机的效率为18.6 s/棵,包装成功率为92%;试验样机包装后生菜的15天后失重率为1.8%;试验样机包装后的水培生菜经运输后,平均损伤程度0.094%。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S636.2;S226
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 果蔬保鲜方法研究
        1.2.2 蔬菜包装机械研究
        1.2.3 薄膜包装材料研究
    1.3 研究内容及技术路线
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 技术路线
第二章 生菜挤压特性与保鲜薄膜力学特性研究
    2.1 水培生菜挤压特性研究
        2.1.1 试验材料与仪器设备
        2.1.2 试验方法
        2.1.3 试验结果与分析
    2.2 保鲜薄膜拉取力学特性研究
        2.2.1 试验材料与仪器设备
        2.2.2 试验方法
        2.2.3 试验结果与分析
    2.3 保鲜薄膜拉伸力学特性研究
        2.3.1 试验材料与仪器设备
        2.3.2 试验方法
        2.3.3 结果与分析
    2.4 本章小结
第三章 自动包装装置总体方案设计
    3.1 自动包装装置的功能与性能要求
    3.2 浅盘包装方案
    3.3 包装盒包装方案
        3.3.1 拉膜机构
        3.3.2 切膜机构
        3.3.3 封膜机构
    3.4 总体方案的确定
    3.5 本章小结
第四章 关键部件与控制系统设计
    4.1 包装盒设计与静力学分析
        4.1.1 包装盒形状设计
        4.1.2 包装盒尺寸设计
        4.1.3 包装盒静力学分析
    4.2 拉膜机构设计
        4.2.1 楔形辊筒设计
        4.2.2 压膜辊筒设计
        4.2.3 拉膜机构整体设计
    4.3 切膜机构设计
        4.3.1 横向切割机构设计
        4.3.2 纵向切割机构设计
        4.3.3 切膜机构整体设计
    4.4 封膜机构设计
    4.5 气动回路设计
    4.6 控制系统
        4.6.1 控制系统总体功能
        4.6.2 硬件选型
        4.6.3 电气控制原理图与控制流程图
    4.7 本章小结
第五章 样机试制与试验
    5.1 包装装置试验试制及调试
        5.1.1 样机试制
        5.1.2 包装装置样机调试
    5.2 切膜机构参数优化试验
        5.2.1 试验材料与方法
        5.2.2 结果与分析
    5.3 验证试验
        5.3.1 切膜成功率
        5.3.2 包装成功率
        5.3.3 包装效率
        5.3.4 保鲜性能
        5.3.5 运输损伤
    5.4 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
附录A
致谢
个人简历

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本文编号：2872026