影響絞肉機工作品質(zhì)的產(chǎn)品設計因素分析

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)大學機械工程博士后流動站，安徽 合肥 230009）

影響絞肉機工作品質(zhì)的產(chǎn)品設計因素分析

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)大學機械工程博士后流動站，安徽 合肥 230009）

為提高絞肉機產(chǎn)品的綜合工作性能，從設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)品設計因素對絞肉機工作品質(zhì)影響的情況。結(jié)合絞肉機產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)特征，分別從驅(qū)動機構(gòu)設計、供料機構(gòu)設計、切割機構(gòu)設計和通風散熱結(jié)構(gòu)設計等方面入手，分析目前的設計特點及其對絞肉機工作品質(zhì)的影響情況，指出產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)存在的問題并對相應的解決方案進行探討，以期為絞肉機或同類食品機械產(chǎn)品優(yōu)化設計提供參考。

絞肉機；產(chǎn)品設計；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產(chǎn)品及其絞肉加工工藝進行評價的，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)標準化研究的必要性，建議用肉制品質(zhì)構(gòu)指標取代感官評價方法指導肉制品研發(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行了總結(jié)。

對絞肉機工作品質(zhì)進行綜合評價時，單從肉料加工后的成品質(zhì)量狀況進行評價是不全面的。絞肉機工作品質(zhì)的綜合性能情況還包含絞肉機產(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。絞肉機各組成部件的設計既影響機器本身的工作性能，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)，詳細綜述了絞肉機幾個關(guān)鍵組成的設計對絞肉機工作品質(zhì)的影響情況，以期為同類食品機械的產(chǎn)品優(yōu)化設計提供參考。

1 關(guān)鍵組成部件設計對絞肉機工作品質(zhì)的影響

1.1 驅(qū)動機構(gòu)設計的影響

絞肉機的驅(qū)動機構(gòu)主要由電機、齒輪傳動或帶傳動等核心部件組成。現(xiàn)有的絞肉機產(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構(gòu)逐級減速后得到。驅(qū)動機構(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。當速度達到一定值以后，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。

在設計絞肉機驅(qū)動機構(gòu)時，另一個需要考慮的重要因素就是系統(tǒng)的能耗，也就是電機功率。與電機功率有直接關(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)動機構(gòu)設計過程中，電機的選型多是根據(jù)絞肉機額定工況需求來確定的。而絞肉機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)動機構(gòu)的工作效率，影響絞肉機的工作品質(zhì)。針對這一不足，周文洪［5］提出了一種改進設計方案，即在絞肉機殼體內(nèi)側(cè)設置一交流電機轉(zhuǎn)速控制電路，當絞肉機空載或低載時，該交流電機轉(zhuǎn)速控制電路可通過調(diào)節(jié)可控硅導通角調(diào)整電機輸入電壓，降低電機轉(zhuǎn)速并使電機恒速旋轉(zhuǎn)，進而降低絞肉機空載時的能耗與噪音，改善絞肉機工作品質(zhì)。

1.2 供料系統(tǒng)設計的影響

絞肉機供料系統(tǒng)主要由喂料裝置和螺旋輸送裝置組成，這兩部分的設計同樣也會對絞肉機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)品設計中，絞肉機的肉料喂入機構(gòu)采用的設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，喂料機構(gòu)需要根據(jù)最佳的物料進入方式進行改進和優(yōu)化設計。

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］在原有喂料機構(gòu)設計基礎(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行切割加工。螺旋輸送通道的結(jié)構(gòu)設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織成分進而影響肉制品加工質(zhì)量。解決該設計缺陷的方法是采用變徑變螺距輸送軸的設計方案［8］，但方案的實施需要結(jié)合具體產(chǎn)品開展相應的理論和試驗研究。

圖1 絞肉機喂料機構(gòu)設計新舊方案對比Figure 1 Comparing of the designs of meat grinder’s feeding mechanism

1.3 切割機構(gòu)設計的影響

絞肉機切割機構(gòu)主要由格板和絞刀組成，其主要功用是對擠壓進入格板孔中的肉料進行切割。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，則絞肉線速度越快。并且，在進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工作的生產(chǎn)能力。因此，在設計絞肉機切割機構(gòu)時，既要考慮切割機構(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構(gòu)設計的影響情況。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 通風散熱裝置設計的影響

絞肉機在工作過程中，電機的長時間運轉(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機體的溫度升高。如果絞肉機通風散熱結(jié)構(gòu)設計不好，會降低絞肉機內(nèi)電子元器件和部分機械零部件的使用壽命，從而影響絞肉機產(chǎn)品的工作品質(zhì)。另一方面，當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 提高絞肉機工作品質(zhì)的設計方案分析與展望

現(xiàn)有絞肉機產(chǎn)品各組成機構(gòu)的設計在理論上和實踐應用中都存在很多基礎(chǔ)性問題難以解決，以往的設計大多是借鑒成功的設計經(jīng)驗。絞肉加工是一個十分復雜的過程，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)量和絞肉機工作效率的因素眾多，需要根據(jù)絞肉機產(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工作品質(zhì)的產(chǎn)品設計因素總結(jié)分析，認為可以重點從以下幾方面入手開展相關(guān)零部件的設計研究。

2.1 新型驅(qū)動方案的設計

現(xiàn)有絞肉機的驅(qū)動方案多是采用普通電機驅(qū)動外加減速機構(gòu)的設計方案，這一方案的主要缺點是，功能單一且能耗較高，對傳動機構(gòu)設計要求較高。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，如采用開關(guān)磁阻調(diào)速電機的驅(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)有的絞肉機驅(qū)動結(jié)構(gòu)設計方案，從而可以去除現(xiàn)有的減速傳動機構(gòu)，簡化驅(qū)動系統(tǒng)設計。

此外，開關(guān)磁阻調(diào)速電動機在全調(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)在設計時充分考慮到各種設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、智能型絞肉機產(chǎn)品提供了極大的方便，使絞肉機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)應用于絞肉機驅(qū)動機構(gòu)的開發(fā)設計時，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 螺旋輸送機構(gòu)的優(yōu)化設計

螺旋輸送機構(gòu)是絞肉機供料機構(gòu)的核心組成，肉料在螺旋輸送機構(gòu)內(nèi)的流動情況決定了絞肉機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］為開展絞肉機螺旋輸送機構(gòu)優(yōu)化設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（CFD）分析軟件如Fluent等已經(jīng)廣泛應用于此類問題的研究中。

對于絞肉機螺旋供料系統(tǒng)，可以通過對流道內(nèi)三維流場進行數(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，可以對螺旋輸送機構(gòu)各個設計參數(shù)進行優(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構(gòu)內(nèi)流動的復雜性，在進行CAE模擬分析時需要對部分屬性參數(shù)進行必要簡化，重點對考察的參量進行定性分析，最后結(jié)合試驗研究結(jié)果進行總結(jié)并應用于絞肉機產(chǎn)品指導設計實踐。

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行為對肉制品加工質(zhì)量的影響規(guī)律，可以為絞肉機產(chǎn)品的精細化設計提供有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)論

影響絞肉機產(chǎn)品綜合工作性能的因素眾多，文章重點從機械產(chǎn)品設計角度出發(fā)，系統(tǒng)分析了絞肉機驅(qū)動機構(gòu)設計、供料機構(gòu)設計、切割機構(gòu)設計和通風散熱機構(gòu)設計等關(guān)鍵組成目前的設計特點，并探討了這些部件設計對絞肉機工作品質(zhì)的影響情況，指出產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)存在的問題。文章通過對相關(guān)問題的分析總結(jié)，對相應的解決方案進行了初步探討，并從新型絞肉機驅(qū)動機構(gòu)設計、螺旋輸送機構(gòu)的優(yōu)化設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，提出相應的設計研究思路，可以為絞肉機或同類食品機械產(chǎn)品的精細化設計和綜合性能優(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)劣變的機理及影響因素［J］.食品科學，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)特性及其研究進展［J］.食品與機械，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展［J］.食品科學，2011，32（9）：307～311.

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

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

7 趙巧寶.絞肉機給料機構(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］.機械工程學報，2008（5）：131～136.

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

10 高金行，陳崢，林輝.基于DSP的開關(guān)磁阻電機調(diào)速控制器研究［J］.微電機，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］.蘇州大學學報，1996，12（4）：96～100.

14 許嵐.變徑變螺距螺旋輸送機的理論研究與實驗分析及仿真［D］.湘潭：湘潭大學，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，等.雞肉的壓力特性曲線與其新鮮度的關(guān)系［J］.吉林大學學報（工學版），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)大學副教授，在讀博士后。E－mail：bh＿tong＠163.com

2011－10－15