童寶宏許正華宋 斌劉元倩孫 軍

（1.安徽華菱西廚裝備股份有限公司博士后科研工作站，安徽 馬鞍山 243131；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動站，安徽 合肥 230009）

影響絞肉機(jī)工作品質(zhì)的產(chǎn)品設(shè)計因素分析

童寶宏1，2許正華1宋 斌1劉元倩1孫 軍2

（1.安徽華菱西廚裝備股份有限公司博士后科研工作站，安徽 馬鞍山 243131；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動站，安徽 合肥 230009）

為提高絞肉機(jī)產(chǎn)品的綜合工作性能，從設(shè)備自身的工作效能和肉制品加工的質(zhì)量兩方面出發(fā)，考察相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計因素對絞肉機(jī)工作品質(zhì)影響的情況。結(jié)合絞肉機(jī)產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)特征，分別從驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計、供料機(jī)構(gòu)設(shè)計、切割機(jī)構(gòu)設(shè)計和通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面入手，分析目前的設(shè)計特點及其對絞肉機(jī)工作品質(zhì)的影響情況，指出產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)存在的問題并對相應(yīng)的解決方案進(jìn)行探討，以期為絞肉機(jī)或同類食品機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計提供參考。

絞肉機(jī)；產(chǎn)品設(shè)計；因素分析

同其他食品加工一樣，肉類食品經(jīng)過絞肉加工后，其自身的品質(zhì)狀況與食品質(zhì)地屬性的變化情況密切相關(guān)，這些特性多是通過觸覺等來感知，與食品的變形、分解和在力的作用下的流動等性質(zhì)有關(guān)。

以往的研究也多是通過考察肉類食品經(jīng)過加工后的狀況來對絞肉機(jī)產(chǎn)品及其絞肉加工工藝進(jìn)行評價的，因而，研究重點多是集中在考察影響絞肉加工質(zhì)量的工藝因素或肉制品自身的物性因素。胡陽等［1］介紹了幾種有代表性的肉制品加工工藝，概述了肉制品加工中的關(guān)鍵控制點，并為肉制品生產(chǎn)中的安全和質(zhì)量控制提出了新的要求。黃莉等［2］指出肉及肉制品在加工和貯藏過程中品質(zhì)會下降，而肉品質(zhì)的降低與肉中含有的主要成分肌紅蛋白、肌原纖維蛋白和脂肪的氧化有關(guān)，探討在加工貯藏過程中可能引起氧化的因素。郝紅濤等［3］對肉制品的質(zhì)構(gòu)特性及其影響因素進(jìn)行綜述，針對中國肉制品質(zhì)構(gòu)研究存在的問題，提出質(zhì)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究的必要性，建議用肉制品質(zhì)構(gòu)指標(biāo)取代感官評價方法指導(dǎo)肉制品研發(fā)工作。李賀等［4］綜述了低溫肉制品色素的形成及測定方法，從加工等方面，對影響色素穩(wěn)定和低溫肉制品褪色的因素進(jìn)行了總結(jié)。

對絞肉機(jī)工作品質(zhì)進(jìn)行綜合評價時，單從肉料加工后的成品質(zhì)量狀況進(jìn)行評價是不全面的。絞肉機(jī)工作品質(zhì)的綜合性能情況還包含絞肉機(jī)產(chǎn)品自身的工作特性，如工作效率與節(jié)能特性、振動與噪聲等性能狀況。絞肉機(jī)各組成部件的設(shè)計既影響機(jī)器本身的工作性能，同時也對肉類等加工對象的品質(zhì)狀況有著重要影響。文章從這兩個方面出發(fā)，詳細(xì)綜述了絞肉機(jī)幾個關(guān)鍵組成的設(shè)計對絞肉機(jī)工作品質(zhì)的影響情況，以期為同類食品機(jī)械的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 關(guān)鍵組成部件設(shè)計對絞肉機(jī)工作品質(zhì)的影響

1.1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計的影響

絞肉機(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、齒輪傳動或帶傳動等核心部件組成。現(xiàn)有的絞肉機(jī)產(chǎn)品在工作時，絞籠一般只有一種工作轉(zhuǎn)速，即從電動機(jī)至絞籠的傳動路線為定比傳動，其總的傳動比可通過帶傳動或齒輪傳動等機(jī)構(gòu)逐級減速后得到。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速與絞籠的生產(chǎn)效率密切相關(guān)，但該設(shè)計轉(zhuǎn)速不宜太高，因為輸送能力并不是隨轉(zhuǎn)速增加而增加。當(dāng)速度達(dá)到一定值以后，效率反而下降，且速度過高，物料摩擦生熱，出口處的壓力升高，易引起物料變性，影響絞肉加工中肉制品的質(zhì)量。

在設(shè)計絞肉機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)時，另一個需要考慮的重要因素就是系統(tǒng)的能耗，也就是電機(jī)功率。與電機(jī)功率有直接關(guān)系的是螺旋軸上承受并輸出的扭矩。螺桿上承受的扭矩主要由物料和螺旋軸之間的剪切力引起。而目前在驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中，電機(jī)的選型多是根據(jù)絞肉機(jī)額定工況需求來確定的。而絞肉機(jī)在實際工作過程中工況多變，在空載或部分載荷作用下時，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而會產(chǎn)生一定的能量損失和噪音，從而降低驅(qū)動機(jī)構(gòu)的工作效率，影響絞肉機(jī)的工作品質(zhì)。針對這一不足，周文洪［5］提出了一種改進(jìn)設(shè)計方案，即在絞肉機(jī)殼體內(nèi)側(cè)設(shè)置一交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路，當(dāng)絞肉機(jī)空載或低載時，該交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路可通過調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角調(diào)整電機(jī)輸入電壓，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速并使電機(jī)恒速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而降低絞肉機(jī)空載時的能耗與噪音，改善絞肉機(jī)工作品質(zhì)。

1.2 供料系統(tǒng)設(shè)計的影響

絞肉機(jī)供料系統(tǒng)主要由喂料裝置和螺旋輸送裝置組成，這兩部分的設(shè)計同樣也會對絞肉機(jī)的工作效率和肉制品加工質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計中，絞肉機(jī)的肉料喂入機(jī)構(gòu)采用的設(shè)計方案多是使螺桿和喂入通道形成的兩個側(cè)隙相等，旋轉(zhuǎn)的螺桿絞芯相對于筒體中垂面一半為下卷動作，另一半為上卷動作。投入喂入通道的大塊肉料由于螺桿的轉(zhuǎn)動只能從下卷一側(cè)進(jìn)入，而肉料在處于上卷一側(cè)會不斷地上翻打轉(zhuǎn)，有時還會被絞入但還未進(jìn)入筒體內(nèi)的物料再次翻動，從而影響給料效率。因此，喂料機(jī)構(gòu)需要根據(jù)最佳的物料進(jìn)入方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計。

為了使喂入通道投入的肉料能迅速地被卷入螺桿與擠出筒壁之間的間隙，提高絞肉的工作效率，陳謙瑞［6］提出了一種將螺桿與喂入筒內(nèi)壁形成大小不一的側(cè)隙空間的設(shè)計方案。該方案中，較大側(cè)隙空間為肉料的卷入側(cè)，這樣可以使投入喂入通道的大塊肉料充分地被卷入擠出筒空腔內(nèi)。趙巧寶［7］在原有喂料機(jī)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上（圖1（a）），提出將料斗和喂料口偏置于筒體中垂面的一側(cè)，往螺桿絞芯下卷一側(cè)偏置的設(shè)計方案（圖1（b）），減少螺桿絞芯上卷一側(cè)暴露在喂料口，使物料更容易進(jìn)入擠壓筒體內(nèi)，大大提高給料效率，也能改善筒體內(nèi)的擠壓環(huán)境。

螺旋輸送裝置是供料系統(tǒng)的核心部件，其主要功用是將從喂料口喂入的肉料擠壓輸送到孔板處進(jìn)行切割加工。螺旋輸送通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計也直接影響著肉制品在輸送過程中的質(zhì)量，如果螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，容易在局部位置形成流動死區(qū)，物料在該區(qū)域容易結(jié)塊而堵塞，從而使輸送機(jī)構(gòu)的功耗增加，同時也會對肉料產(chǎn)生不必要的擠壓磨耗，改變?nèi)庵破方M織成分進(jìn)而影響肉制品加工質(zhì)量。解決該設(shè)計缺陷的方法是采用變徑變螺距輸送軸的設(shè)計方案［8］，但方案的實施需要結(jié)合具體產(chǎn)品開展相應(yīng)的理論和試驗研究。

圖1 絞肉機(jī)喂料機(jī)構(gòu)設(shè)計新舊方案對比Figure 1 Comparing of the designs of meat grinder’s feeding mechanism

1.3 切割機(jī)構(gòu)設(shè)計的影響

絞肉機(jī)切割機(jī)構(gòu)主要由格板和絞刀組成，其主要功用是對擠壓進(jìn)入格板孔中的肉料進(jìn)行切割。格板孔眼規(guī)格有多種，可根據(jù)不同的工藝要求隨時進(jìn)行更換。

絞刀的幾何參數(shù)對所絞出肉的顆粒度以及產(chǎn)品質(zhì)量有著很大的影響。絞肉時，絞肉機(jī)的十字刀片作旋轉(zhuǎn)運動，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，刀刃離旋轉(zhuǎn)中心點越遠(yuǎn)，則絞肉線速度越快。并且，在進(jìn)料速度也一定的條件下，假定絞肉時刀片所消耗的功全部轉(zhuǎn)化為熱能，絞肉的線速度越快，則所產(chǎn)生的熱量也越大，因此絞肉的線速度不能很高。

在刀片旋轉(zhuǎn)速度以及螺桿進(jìn)料速度都一定的情況下，前角大，切割肉所需的力和切割肉所產(chǎn)生的熱都小。但當(dāng)前角很大時，因刀具散熱體積小會使切割肉時所產(chǎn)生的溫度不能很快冷卻，從而影響肉制品的質(zhì)量。合理設(shè)計刀刃后角，一方面可以減小后刀面與格板表面的摩擦，另一方面可以在前角不變的情況下，增大后角能使刀刃鋒利，降低在絞肉過程中肉料的變形能和產(chǎn)生的熱量。

格板孔眼的大小一方面影響加工肉料的粒度大小，另一方面也影響絞肉機(jī)工作的生產(chǎn)能力。因此，在設(shè)計絞肉機(jī)切割機(jī)構(gòu)時，既要考慮切割機(jī)構(gòu)本身對肉料切割成型的影響情況，也要綜合考慮驅(qū)動轉(zhuǎn)速和螺旋輸送擠壓力等因素對切割機(jī)構(gòu)設(shè)計的影響情況。這樣才可能實現(xiàn)在保證肉制品加工質(zhì)量的情況下盡可能提高生產(chǎn)效率。

1.4 通風(fēng)散熱裝置設(shè)計的影響

絞肉機(jī)在工作過程中，電機(jī)的長時間運轉(zhuǎn)以及運動部件之間的接觸摩擦，均會產(chǎn)生大量的熱從而使絞肉機(jī)機(jī)體的溫度升高。如果絞肉機(jī)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計不好，會降低絞肉機(jī)內(nèi)電子元器件和部分機(jī)械零部件的使用壽命，從而影響絞肉機(jī)產(chǎn)品的工作品質(zhì)。另一方面，當(dāng)螺旋輸送等與肉料接觸部件溫度升高以后，會使肉制品在加工工過程中組織成分發(fā)生變化，影響肉料加工后的品質(zhì)。

2 提高絞肉機(jī)工作品質(zhì)的設(shè)計方案分析與展望

現(xiàn)有絞肉機(jī)產(chǎn)品各組成機(jī)構(gòu)的設(shè)計在理論上和實踐應(yīng)用中都存在很多基礎(chǔ)性問題難以解決，以往的設(shè)計大多是借鑒成功的設(shè)計經(jīng)驗。絞肉加工是一個十分復(fù)雜的過程，肉制品在螺旋輸送以及切割環(huán)節(jié)的狀態(tài)始終在發(fā)生變化，影響肉制品最終質(zhì)量和絞肉機(jī)工作效率的因素眾多，需要根據(jù)絞肉機(jī)產(chǎn)品各部分組成的特征及功能需求開展基礎(chǔ)性研究，從而為產(chǎn)品的綜合性能開發(fā)提供理論依據(jù)。文章通過對上述影響絞肉機(jī)工作品質(zhì)的產(chǎn)品設(shè)計因素總結(jié)分析，認(rèn)為可以重點從以下幾方面入手開展相關(guān)零部件的設(shè)計研究。

2.1 新型驅(qū)動方案的設(shè)計

現(xiàn)有絞肉機(jī)的驅(qū)動方案多是采用普通電機(jī)驅(qū)動外加減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案，這一方案的主要缺點是，功能單一且能耗較高，對傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計要求較高。新型調(diào)速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展和成熟為這一問題的解決提供了契機(jī)，如采用開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)的驅(qū)動方案［9－12］。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點之一是，具有很好的低速特性，相關(guān)產(chǎn)品可以在100～1 500 r／min轉(zhuǎn)速下保持較大的恒轉(zhuǎn)矩，而且在長期低速運轉(zhuǎn)階段電機(jī)發(fā)熱很小。這一特性使得該系統(tǒng)可以被用于取代現(xiàn)有的絞肉機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從而可以去除現(xiàn)有的減速傳動機(jī)構(gòu)，簡化驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。

此外，開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)在全調(diào)速范圍內(nèi)均保持了較高的效率，能有效的保持各種轉(zhuǎn)速所需的節(jié)能效果。而且，該類驅(qū)動系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮到各種設(shè)備自動化控制的需求，提供的各類自動化控制的接口，可以根據(jù)產(chǎn)品工作需求實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的智能調(diào)速。這對于開發(fā)節(jié)能型、智能型絞肉機(jī)產(chǎn)品提供了極大的方便，使絞肉機(jī)能夠滿足不同工況下的使用要求，并確保較高的工作品質(zhì)。

目前，將該項技術(shù)應(yīng)用于絞肉機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計時，主要問題是如何實現(xiàn)系統(tǒng)的功能匹配，以及控制產(chǎn)品的制造成本。這需要在后續(xù)的研究中不斷完善和修正。

2.2 螺旋輸送機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

螺旋輸送機(jī)構(gòu)是絞肉機(jī)供料機(jī)構(gòu)的核心組成，肉料在螺旋輸送機(jī)構(gòu)內(nèi)的流動情況決定了絞肉機(jī)的切割加工效率和肉制品加工后的品質(zhì)狀況。螺旋輸送理論的相關(guān)研究成果［13－16］為開展絞肉機(jī)螺旋輸送機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了的重要理論基礎(chǔ)，而各種CAE分析技術(shù)為優(yōu)化設(shè)計工作的實現(xiàn)提供了有力的支持。目前，各種計算流體力學(xué)（CFD）分析軟件如Fluent等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于此類問題的研究中。

對于絞肉機(jī)螺旋供料系統(tǒng)，可以通過對流道內(nèi)三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，考察螺旋軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如螺距、螺旋的外徑、內(nèi)徑、螺旋葉片厚度等對流場壓力分布和速度分布的影響情況。這些參數(shù)可以是定值，也可以是變量，其數(shù)值大小都會對肉料的輸送及加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。通過對比分析數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合試驗研究，可以對螺旋輸送機(jī)構(gòu)各個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配。

需要說明的是，考慮到肉料這一流動介質(zhì)的特殊性以及其在螺旋輸送機(jī)構(gòu)內(nèi)流動的復(fù)雜性，在進(jìn)行CAE模擬分析時需要對部分屬性參數(shù)進(jìn)行必要簡化，重點對考察的參量進(jìn)行定性分析，最后結(jié)合試驗研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)并應(yīng)用于絞肉機(jī)產(chǎn)品指導(dǎo)設(shè)計實踐。

2.3 肉料的擠壓特性與其加工質(zhì)量的關(guān)系

肉料在擠壓輸送和切割加工過程中，要不斷受到來自金屬表面的擠壓、摩擦和剪切作用。肉料與金屬表面之間的接觸行為對肉料的輸送和切割加工必然產(chǎn)生影響。相關(guān)研究［17］表明，雞肉在不同的壓力作用下后，其壓力特性曲線與其新鮮度狀況密切相關(guān)。因此，通過試驗手段考察肉——金屬表面之間的摩擦學(xué)特性，考察工況參數(shù)如擠壓力、相對運動速度、金屬表面參數(shù)如粗糙度以及肉制品幾何參數(shù)等對接觸表面間接觸行為的影響情況，掌握肉料的擠壓特性與其加工質(zhì)量之間的關(guān)系；研究不同螺旋擠壓工況作用下肉制品質(zhì)量的變化情況，獲取絞肉加工過程中螺旋輸送部件的動力學(xué)行為對肉制品加工質(zhì)量的影響規(guī)律，可以為絞肉機(jī)產(chǎn)品的精細(xì)化設(shè)計提供有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)論

影響絞肉機(jī)產(chǎn)品綜合工作性能的因素眾多，文章重點從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計角度出發(fā)，系統(tǒng)分析了絞肉機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計、供料機(jī)構(gòu)設(shè)計、切割機(jī)構(gòu)設(shè)計和通風(fēng)散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計等關(guān)鍵組成目前的設(shè)計特點，并探討了這些部件設(shè)計對絞肉機(jī)工作品質(zhì)的影響情況，指出產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)存在的問題。文章通過對相關(guān)問題的分析總結(jié)，對相應(yīng)的解決方案進(jìn)行了初步探討，并從新型絞肉機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計、螺旋輸送機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和肉料的擠壓特性與其加工質(zhì)量的關(guān)系研究方面入手，提出相應(yīng)的設(shè)計研究思路，可以為絞肉機(jī)或同類食品機(jī)械產(chǎn)品的精細(xì)化設(shè)計和綜合性能優(yōu)化提供參考。

1 胡陽，李思廷.肉制品的加工工藝及加工中的關(guān)鍵控制點［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2007（3）：29～33.

2 黃莉，孔保華，李菁，等.氧化引起肉及肉制品品質(zhì)劣變的機(jī)理及影響因素［J］.食品科學(xué)，2011，32（9）：319～323.

3 郝紅濤，趙改名，柳艷霞，等.肉類制品的質(zhì)構(gòu)特性及其研究進(jìn)展［J］.食品與機(jī)械，2009，25（3）：125～128.

4 李賀，徐幸蓮，周光宏.影響低溫肉制品褪色因素研究進(jìn)展［J］.食品科學(xué)，2011，32（9）：307～311.

5 周文洪.絞肉機(jī)：中國，200520062554.0［P］.2006－08－23.

6 陳謙瑞.絞肉機(jī)的肉料喂入機(jī)構(gòu)：中國，02220112.2［P］.2003－03－05.

7 趙巧寶.絞肉機(jī)給料機(jī)構(gòu)：中國，200720006681.8［P］.2008－01－16.

8 邱愛紅，龔曙光，謝桂蘭，等.變徑變螺距螺旋軸參數(shù)化模型及性能仿真［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2008（5）：131～136.

9 葛寶明，王祥珩，蘇鵬聲，等.開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略綜述［J］.電氣傳動，2001（2）：8～13.

10 高金行，陳崢，林輝.基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制器研究［J］.微電機(jī)，2008，41（1）：85～87.

11 Horacio V，Joey K.A new simplified mathematical model for a switched reluctance motor in a variable speed pumping application［J］.Mechatronics，2004（14）：1 055～1 068.

12 David C，Hoang L H.Design and optimization of a torque controller for a switched reluctance motor drive for electric vehicles by simulation［J］.Mathematics and Computers in Simulation，2006（71）：333～344.

13 宋亞英.變螺距螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論研究［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報，1996，12（4）：96～100.

14 許嵐.變徑變螺距螺旋輸送機(jī)的理論研究與實驗分析及仿真［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，2006.

15 Khayat R E，Huneault M A，Duquette R.A boundary element analysis of planar drop deformation in the screw channel of a mixing extruder［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，1998，21（1）：155～168.

16 Kwon H T，Joo W J，Kim J S.Kinematics and deformation characteristics as a mixing measure in the screw extrusion process［J］.Polymer Engineering and Science，1994，34（1）：174～189.

17 佟月英，陳東輝，石志標(biāo)，等.雞肉的壓力特性曲線與其新鮮度的關(guān)系［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010（2）：491～495.

Analysis of factors affecting meat grinder’s performance in product design

TONG Bao－h(huán)ong1，2XU Zheng－h(huán)ua1SONG Bin1LIU Yuan－qian1SUN Jun2

（1.Post－doctoral Research Station of Anhui Hualing Kitchen Equipment Co.，Ltd.，Maanshan，Anhui243131，China；2.Mobile Post－doctoral Station of Mechanical Engineering of Hefei University of Technology，Hefei，Anhui230009，China）

Factors of product design that affecting meat grinder performance were got analyzed carefully in the aspect of machine’s efficiencies and meat’s quality in order to improve the comprehensive performance of meat grinder.Combining with the true structures of product，influencing factors from designs of drive mechanism，feeding mechanism，cutting mechanism and heat dissipation structure were discussed separately.And some useful suggestions for improving the produce design were also put forward.Researches were expected to give helpful references for optimization design of meat grinder or other food machinery.

meet grinder；product design；analysis of factors

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.028

童寶宏（1978－），男，安徽工業(yè)大學(xué)副教授，在讀博士后。E－mail：bh＿tong＠163.com

2011－10－15