蔬菜类包装机械化的初步设想—基于大学生创新视角的探索

一、研究背景与意义

（一）蔬菜产业发展现状

我国作为世界最大的蔬菜生产国，2022 年蔬菜总产量突破8 亿吨，占全球产量的 50% 以上。然而在采后处理环节，特别是中小型生产基地仍普遍依赖人工包装，存在三大痛点：

1. 人工成本占比高：包装环节人工成本约占蔬菜总成本的 15%. -20% ，且面临劳动力短缺问题

2. 效率瓶颈突出：熟练工人日均包装量仅 300-500kg ，无法满足集 中上市期需求

3. 标准化程度低：人工包装存在重量误差大（ ±10% ）、外观整齐度差等问题，影响商品价值

（二）现有解决方案局限

当前大型企业虽已采用自动化包装线，但存在设备投入高（单套50 万元以上）、占地面积大、操作复杂等问题，难以在中小基地推广。作为农业工程学院学生，我们在暑期实践中发现，许多农户仍在使用简易台秤 + 手工封口机的原始包装方式，这与现代农业发展趋势严重脱节。

（三）大学生创新视角的价值

结合机械设计、自动化控制等专业知识，我们尝试提出符合以下特点的解决方案：

- 低成本：设备造价控制在5 万元以内- 易操作：适合文化程度有限的农户使用- 模块化：可根据不同蔬菜类型灵活调整- 节能环保：采用清洁能源与可降解包装材料

二、设计思路与技术方案

（一）整体架构设计

采用" 基础平台 + 功能模块" 的架构（图1），主要包括：

1. 输送分选模块：振动筛 + 滚筒式分级装置

2. 计量装袋模块：电子秤重 + 漏斗式导流结构

3. 封口包装模块：热封 / 扎带双模式可选

4. 智能控制单元：STM32 单片机 + 触摸屏界面

（二）关键技术创新点

1. 自适应包装机构

设计可调节的 V 型导槽，通过步进电机控制开口尺寸（ 50-300mm 可调），满足叶菜类（菠菜、油菜）与果菜类（番茄、辣椒）等不同形态蔬菜的包装需求。实验表明，该结构可使包装适应率提升至 85% 以上。

2. 动态称重补偿系统

开发基于PID算法的称重补偿程序，通过测试不同蔬菜的下落曲线，建立重量- 时间关系模型。实测数据显示，可将称重误差从人工包装的±10% 降低到 ±3% 以内。

3. 环保包装解决方案

联合材料学院团队研发淀粉基可降解包装膜，在成本增加不超过20% 的前提下，实现 6 个月内自然降解率 ⩾90% 。目前已通过实验室降解测试。

（三）典型工作流程

1. 蔬菜经提升机送入分级滚筒，按直径 / 长度初步分选

2. 合格品进入称重台，达到设定重量后触发挡板开关

3. 蔬菜沿导槽滑入预置包装袋

4. 封口机构完成热封或扎带作业

5. 成品输送至收集区

三、可行性分析

（一）技术可行性验证

通过 SolidWorks 建模与 Adams 动力学仿真，确认关键机构在转速30r/min 工况下运行稳定。样机测试数据显示：

- 包装效率： 800-1200kg/8 小时（视蔬菜品种）- 故障率： <3 次/ 班次（主要集中于袋装环节）- 操作培训时间：2 小时可掌握基本操作

（二）经济性评估对比三种方案的经济指标：

| 方案类型 | 设备成本 | 人工需求 | 效率值 | 投资回收期 || 传统人工包装 | 0.3 万元 | 3 人 / 班 ∣300kg/h | 10 年 || 本设计方案 | 4.8 万元 | 1 人 / 班 | 150kg/h | 8-10 个月 || 全自动包装线 | 50 万元 | 自动运行 | 500kg/h | 3 年以上 |

（三）推广应用价值

1. 适合年产量 200-1000 吨的中小型基地

2. 可降低包装环节人工成本 40% 以上

3. 提高商品化率，预计助农增收 15%-20%

四、实施计划与展望

（一）阶段推进计划

1. 原型机开发阶段（6 个月）- 完成机械结构优化- 开发控制程序 V1.0 版本- 建立 3 种蔬菜的包装参数数据库

2. 田间测试阶段（3 个月）- 选择 2-3 个合作基地实地测试- 收集操作便捷性、故障率等数据

3. 产品迭代阶段（3 个月）- 根据反馈改进人机交互界面- 增强设备防尘防潮性能

（二）未来优化方向

1. 引入机器视觉实现品质分级

2. 开发太阳能供电版本

3. 建立云端运维监控系统

（三）社会效益预期

本项目实施后，预计可达到：

- 单台设备年节省人工成本约4 万元- 减少蔬菜采后损耗 5%-8% - 推动至少100 家中小基地技术升级

五、结语

作为农业工程专业学生，我们深刻认识到" 小设备解决大问题" 的现实意义。本文提出的模块化包装机械方案，既是对课堂知识的实践应用，也是响应乡村振兴战略的具体行动。尽管在技术成熟度和商业推广方面仍需完善，但这种" 高校研发 + 基地试用 + 企业转化" 的创新模式，为农产品加工装备升级提供了新思路。我们期待通过持续优化，让更多农户用得上、用得起、用得好机械化包装设备，真正实现 " 减负增收 "的目标。

参考文献

[1] 农业农村部 .2023 年全国农产品加工技术需求报告 [R ].2023.

[2] 李 强 等 . 蔬 菜 采 后 处 理 技 术 研 究 进 展 [J]. 农 业 工 程 学报 ,2022,38(5):1- 10.

[3] W ang L. Design of Modular Packaging Machinery[M]. Springer, 2021.

[4] 全国大学生机械创新大赛优秀作品集 [C].2023:45- 48.