吳黃懿, 曾紹峰,2, 羅敏峰,2

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州 350118; 2.福建省數(shù)字化裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350118)

自動(dòng)包餡魚丸機(jī)切邊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

吳黃懿1, 曾紹峰1,2, 羅敏峰1,2

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州 350118; 2.福建省數(shù)字化裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350118)

從自動(dòng)包餡魚丸機(jī)切邊機(jī)構(gòu)入手，分別對(duì)壓桿裝置和切刀分離裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以切邊機(jī)構(gòu)的速度和加速度曲線為優(yōu)化參數(shù)，對(duì)壓桿裝置進(jìn)行形狀拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)并提升了機(jī)械的傳動(dòng)精度，結(jié)果表明，連桿尺寸在132～142 mm，壓桿裝置的力學(xué)性能最好。此外，對(duì)切刀分離裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證切刀分離裝置性能的前提條件下，使刀盤的質(zhì)量減少21%。

魚丸機(jī)； 自動(dòng)包餡； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

魚丸，又名“水丸”，古時(shí)稱“氽魚丸”，是浙閩粵一帶經(jīng)常烹制的傳統(tǒng)風(fēng)味食品。這一地域的魚丸習(xí)慣包餡，但傳統(tǒng)人工包餡魚丸生產(chǎn)效率較低,不利于批量外銷。自動(dòng)包餡魚丸機(jī)解決了魚丸批量化生產(chǎn)的問(wèn)題，但存在餡小、破餡、變形和留尾等問(wèn)題，魚丸質(zhì)量與純手工制作存在一定差距。

許多學(xué)者對(duì)魚丸的配方制作工藝進(jìn)行研究。常志娟等[1]將紅薯加入魚肉，以凝膠強(qiáng)度數(shù)值為評(píng)價(jià)參數(shù)，得到 “每20 g的魚肉中添加紅薯3 g，口感最佳”的結(jié)論。何潔等[2]嘗試將豆渣加入魚肉，通過(guò)添加低于15%的豆渣改善魚丸品質(zhì)，得到彈性較好的米白色魚丸。申碩等[3]研制了香菇魚丸的工藝，得到香菇含量9%、豬肥肉含量5%、馬鈴薯含量10%的配方。楊明舉等[4]以土豆和魚肉為原料制作土豆魚丸，經(jīng)質(zhì)量測(cè)評(píng)，收到較好效果。當(dāng)前，魚丸制作工藝的研究主要集中在配方工藝方面，關(guān)于自動(dòng)魚丸加工機(jī)械的研究較少。

本文以自動(dòng)包餡魚丸機(jī)為研究分析對(duì)象，對(duì)于批量自動(dòng)化生產(chǎn)魚丸存在的破餡、變形、留尾等問(wèn)題，從自動(dòng)包餡魚丸機(jī)的切邊機(jī)構(gòu)入手，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法和手段，得到自動(dòng)包餡魚丸機(jī)的切邊機(jī)構(gòu)的特性參數(shù)，為今后進(jìn)行類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和分析打下基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)包餡魚丸機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖1，自動(dòng)包餡魚丸機(jī)主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)、成型輸送機(jī)構(gòu)、切刀機(jī)構(gòu)等。成型輸送機(jī)構(gòu)由魚丸皮輸送機(jī)構(gòu)和魚丸餡輸送機(jī)構(gòu)組成，雙機(jī)構(gòu)均包括漿料螺旋機(jī)構(gòu)和攪拌葉片。出口連接偏心柱塞泵，柱塞頂部連接擺動(dòng)桿，而擺動(dòng)桿軸心與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。在前一顆魚丸完成切邊動(dòng)作之前，送漿料斗暫停送漿，等待成型輸送機(jī)構(gòu)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)；等前一顆魚丸完成切制動(dòng)作之后，送漿料斗收到成型輸送機(jī)構(gòu)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)，下一顆魚丸立即進(jìn)入制作流程。

1.切刀機(jī)構(gòu) 2.丸皮送料斗 3.電機(jī) 4.成型輸送機(jī)構(gòu) 5.傳動(dòng)系統(tǒng)圖1 自動(dòng)包餡魚丸機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of automatic filling fishball machine

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的大致思想是采用優(yōu)化理論把問(wèn)題歸結(jié)為一個(gè)或者多個(gè)自變量的優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以使結(jié)構(gòu)的性能更加穩(wěn)定、材料最少或者造價(jià)最低，優(yōu)化的約束條件則是滿足設(shè)計(jì)及性能等各方面的要求，而且映射出的結(jié)構(gòu)不允許超過(guò)許用的范圍。針對(duì)自動(dòng)包餡魚丸機(jī)存在餡小、破餡、變形、留尾等問(wèn)題，需要對(duì)切邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的核心零部件則是壓桿裝置和切刀分離裝置。

2 壓桿裝置的優(yōu)化分析

壓桿裝置尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 362.2 mm×1 117.6 mm×1 117.6 mm，對(duì)建立好的參數(shù)化模型建模，網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行施加載荷與約束，最后求解。魚丸的模型分離裝置采用不銹鋼材料，楊氏模量為2×108MPa,泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。

按原有魚丸機(jī)30°的裝配角度施加約束模擬運(yùn)動(dòng)仿真分析，在壓桿裝置的加速度(圖2(a))與速度(圖2(b))運(yùn)動(dòng)節(jié)拍圖中，加速度的曲線在2 s周期內(nèi)的1、3、5 s處曲率都存在變形點(diǎn),使得曲線不連續(xù)變化,且根據(jù)物理學(xué)牛頓第二定律分析(不考慮阻力因素)得出處于變加速運(yùn)動(dòng)，加速度的變化會(huì)導(dǎo)致速度時(shí)大時(shí)小，周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，加速度與速度不斷的變化會(huì)引起力的變化從而導(dǎo)致壓感裝置工作過(guò)程的振動(dòng)，降低了自動(dòng)包餡魚丸機(jī)切邊裝置的傳動(dòng)精度。

(a)加速度曲線

(b)速度曲線圖2 優(yōu)化前的數(shù)據(jù)Fig.2 The velocity and acceleration curves of automatic filling fishball machine before optimization

通過(guò)Ansys Workbench軟件進(jìn)行形狀優(yōu)化(如圖3)。將Pro/e的三維模型導(dǎo)入，然后在Ansys Workbench的Rigid Dynamics模塊中，通過(guò)設(shè)置各個(gè)部件間的運(yùn)動(dòng)副及固定約束進(jìn)行求解，通過(guò)觀察機(jī)構(gòu)間節(jié)拍的曲線(如圖4)，改善機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度，切邊機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性能提升。表1是連桿尺寸從146 mm減小到124 mm過(guò)程中，壓桿裝置的數(shù)據(jù)變化，當(dāng)尺寸減少，速度與加速度開始變化比較大，在132～142 mm時(shí)，加速度與速度的變化比較平穩(wěn)，當(dāng)桿長(zhǎng)繼續(xù)下降，曲線發(fā)生較大的變化，從而性能逐漸下降，因此其最佳的尺寸為132～142 mm。

圖3 形狀優(yōu)化設(shè)置Fig.3 Shape optimization setting

(a)加速度曲線

(b)速度曲線 圖4 優(yōu)化后的數(shù)據(jù)Fig.4 Velocity and acceleration curves of automatic filling fishball machine after optimization

表1 連桿尺寸變化對(duì)壓桿裝置的影響

Tab.1 The change of linking rod size on the press rod (compressive bar) device

參數(shù)連桿尺寸/mm146142138132128124加速度/(mm·s-2)1．231．091．814．552．492．31速度/(mm·s-1)2．842．784．5611．68 6．095．66

3 切刀分離裝置的優(yōu)化分析

切刀分離裝置總裝尺寸5 486.44 mm×4 521.2 mm×254 mm，底板厚度200 mm，切刀厚度54 mm，總質(zhì)量15.1 kg，材料的楊氏模量為2×1011Pa,泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。

在Ansys Workbench的model模塊進(jìn)行模態(tài)分析，得出其1～6階的固有頻率順序?yàn)?.648、15.289、28.472、64.85、194.19和231.19 Hz。切刀分離裝置在工作過(guò)程激振頻率2.167 Hz，計(jì)算出來(lái)的最大激振頻率小于一階固有頻率6.648 Hz，因而在切刀分離裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生共振。而機(jī)器產(chǎn)生餡小、破餡、變形、留尾等問(wèn)題，主要還是形狀和部件尺寸的問(wèn)題。利用Ansys Workbench中的形狀最優(yōu)化(shape optimization)模塊，對(duì)切刀分離裝置劃分網(wǎng)格，施加機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)間的約束及載荷，進(jìn)行運(yùn)算求解。在Ansys Workbench的DM模塊中不斷修改模型參數(shù)，采用梯度的求解過(guò)程，然后在shape optimization模塊中求得最佳優(yōu)化值。通過(guò)5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖得出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，如表2。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，經(jīng)過(guò)形狀優(yōu)化、去除材料后的刀片分離裝置總質(zhì)量減少21%，而其強(qiáng)度仍較好。修改后的方案，不僅提高了機(jī)器的傳動(dòng)精度，而且使核心部件在減少重量的同時(shí)，還提升了工作性能。

表2 形狀變化對(duì)切刀分離裝置的影響

Tab.2 The influence of the shape of press rod on cutter separation device

底板厚度/mm最大位移/mm最大等效應(yīng)力/MPa頻率/Hz質(zhì)量/kg2160．004473．4483．3915．12120．004683．6523．4314．52080．004553．9484．5113．62040．004184．6524．6513．12000．004557．4155．2012．7

4 結(jié)論

1)利用Ansys優(yōu)化模塊對(duì)壓桿裝置進(jìn)行優(yōu)化仿真。通過(guò)設(shè)定連接桿的長(zhǎng)度參數(shù)，在減少振動(dòng)的同時(shí)，提升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2)提高了壓桿的傳動(dòng)精度,實(shí)驗(yàn)得出連桿尺寸在132～142 mm時(shí)壓桿裝置的力學(xué)性能最好。

3) 對(duì)于切刀分離裝置的優(yōu)化，不僅提升了性能而且減少底板的質(zhì)量，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

[1] 常志娟，張培旗,劉永玲.紅薯魚丸的加工工藝研究[J].食品科技,2015,40(7):126-131.

[2] 何潔，陳軍，蘇鍵.豆渣魚丸的研制[J]. 輕工科技，2013(9)：7-9.

[3] 申碩，萬(wàn)國(guó)棟，萬(wàn)剛. 香菇保健魚丸的加工工藝研究[J].肉類工業(yè)，2011(4):31-33.

[4] 楊明舉，趙鳳，吳丹，等.土豆魚丸的制作工藝[J].貴州畜牧獸醫(yī)，2016(4):51-53.

(責(zé)任編輯： 陳雯)

Optimization of the cutting mechanism of automatic filling fishball machine

Wu Huangyi1, Zeng Shaofeng1,2, Luo Mingfeng1,2

(1. College of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology， Fuzhou 350118, China； 2. Fujian Key Laboratory of Digitalized Equipment, Fuzhou 350118, China)

Starting from the margin-cutting mechanism, the design of the press rod and cutter separation device of automatic-filling fishball machine was optimized. The velocity and acceleration curves of the margin-cutting mechanism were taken as the optimized parameters. The shape of the press rod was topologically optimized and the mechanical transmission precision of the fishball machine was improved. The results indicate that the mechanical performance of the press rod reaches the best when the size of the linking rod is 132～134 mm. In addition, a structural optimization of the cutter separation device was performed on the prerequisite of ensuring the performance of the device to reduce the mass of the blade by 21%.

fishball machine; automatic filling; optimization design

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.009

2017-03-15

福建省自然科學(xué)基金(2014J01168)；福建工程學(xué)院青年基金(GY-Z13008)

吳黃懿(1981-)，女，福建福州人，助理研究員，碩士，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

TG502.14

A

1672-4348(2017)03-0243-04