果蔬三維切丁機切丁斷面形狀偏差分析

胡建平 楊麗紅 楊德勇 黃英颯

（江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013）

傳統果蔬切丁加工是手工進行切片，然后再進行縱向和橫向切割，工作效率低、勞動強度大。隨著果蔬加工生產規模的不斷擴大，國外先進的果蔬加工機械采用了能實現連續喂料、分步連續切片、切絲、切丁的三維切割加工模式，如美國URSCHEL公司研制的G－A型果蔬切丁機，比利時FAM公司制造的 MCS－3D 型蔬菜三維切丁機［1，2］。近年來，中國通過自主研制開發，在果蔬切丁加工技術方面也取得一定進展［3－5］，如江蘇興化李工蔬菜機械公司研制的 LG－350型切丁機，采用離心切削滾筒送料切片、圓盤刀切絲、條刀切丁的加工模式，大大提高了加工效率和加工質量。果蔬三維切丁機具有加工效率高、結構緊湊、不易堵塞等優點，但其切丁斷面始終存在傾斜不平現象，尤其在切大丁時更加明顯。本研究擬以 自制果蔬三 維 切 丁 機 為 研 究 對 象［3，4，6，7］，通 過 切 丁 成形機理分析和丁斷面形狀偏差分析，確定影響丁斷面形狀偏差的主要因素及合理取值范圍，從而為切丁機參數優化提供依據。

1 丁斷面形狀曲線方程及影響因素分析

1.1 丁斷面形狀曲線方程的建立

根據圖1所示切丁成型機理可知，物料經過離心切片及切絲圓盤刀切絲之后，被切得的條狀物料在自身重力的作用下沿切片刀片向下運動，同時切丁刀刀尖隨著中心軸的轉動切過物料將物料切成丁塊狀。切丁刀的旋轉運動與物料自身下落運動使得切斷面為一曲線AEF，其坐標方程即為切丁斷面曲線方程：

式中：

R1——離心切削滾筒內徑，mm；

R3——切丁刀刀尖軌跡半徑，mm；

φ——切丁過程中切丁刀刀軸轉角，rad；

ω1——離心切削滾筒角速度，rad/s；

ω3——切丁刀中心軸角速度，rad/s；

圖1 切丁斷面成型示意圖Figure 1 Schematic diagram of cross－sectional shape

1.2 影響丁斷面形狀的主要因素

根據丁斷面曲線方程，可知影響切丁斷面形狀的有：離心切削滾筒內徑R1、切丁刀刀尖軌跡半徑R3、被切削物料的厚度d、離心切削滾筒和切丁刀的旋轉角速度之比ω1/ω3，以及切丁刀中心軸相對于被切物料底面距離h。其中，離心切削滾筒內徑R1和切丁刀回轉半徑R3根據切丁機整體結構來確定，而切丁刀中心軸相對于被切物料底面距離h，則由切丁刀中心軸與離心切削滾筒中心間距Δx確定。假設切丁厚度d一定，在切丁機結構確定的情況下影響丁斷面形狀的主要因素包括：切丁機離心切削滾筒轉速與切丁刀轉速比n1/n3，切丁刀中心軸與離心切削滾筒中心間距Δx，見圖2。

2 切丁斷面形狀偏差仿真分析

丁斷面不平整缺陷主要在切丁刀切丁過程中產生。為此，利用運動倒置法，使切丁刀在逆時針旋轉的同時沿切片刀向條狀物料運動反向移動，得到切丁刀刀尖在物料橫截面上形成的軌跡線，通過對軌跡線的處理，實現對切丁斷面形狀偏差的仿真分析［6］。本試驗仿真分析的切丁機結構參數：離心切削滾筒內經、切丁刀回轉半徑、離心切削滾筒與切丁刀中心垂直距離，離心切削滾筒與切丁刀中心水平距離，離心切削滾筒轉速與切丁刀轉速比n1/n3在0.11～0.22可調。

圖2 切丁機結構布置Figure 2 Structure distribution diagram of dicing machine

2.1 影響因素及水平

由于現有切丁機在切制大丁時易產生斷面質量缺陷，且隨著切丁規格的增大，丁斷面質量更加難以保證，所以首先應使得20mm大丁切丁斷面質量能夠滿足要求。對仿真結果進行雙因素方差分析，因素水平見表1。

表1 中心間距和轉速比試驗因素水平表Table 1 Factors and levels for horizontal spacing and speed ratio text

2.2 丁斷面質量評價指標

由不同因素水平下的斷面形狀仿真分析得知［6］，丁斷面形狀大致分為向左傾斜、兩邊對稱傾斜和向右傾斜三類，見圖3。為此，引入丁斷面偏差相對值η及傾斜度l作為評價指標。斷面偏差相對值η由式（2）來計算：

式中：

η——斷面偏差絕對值，mm；

δ——斷面偏差絕對值，mm；

d——切丁厚度，mm。

圖3 丁斷面形狀偏差分類指標示意圖Figure 3 Schematic diagram of deviation of the cross－section index

2.3 丁斷面形狀偏差影響因素顯著性分析

根據丁斷面形狀仿真結果，分別測量出離心切削滾筒中心軸與切丁刀中心軸水平間距260～310mm、離心切削滾筒和切丁刀軸之間的轉速比0.11～0.22條件下，切得的20mm丁斷面偏差絕對值O和傾斜角度l（見表2），并由式（2）計算出斷面偏差相對值η（見表3）。

對上述兩因素影響下得出的20mm丁斷面偏差相對值η進行雙因素方差計算和分析［8］，結果見表4、5。

表2 20mm丁斷面傾斜度l值Table 2 Gradient of the cross－section of the 20mm－cross－section （°）

表3 20mm丁斷面偏差相對值ηTable 3 Relative deviation of the 20mm－cross－section %

表4 20mm丁斷面偏差相對值η方差計算Table 4 The variance calculation for relative deviation of the 20mm－cross－section

表5 20mm丁斷面偏差相對值η方差分析Table 5 The variance analysis for relative deviation of the 20mm－cross－section

由表5可知，F行＞F0.05，F行＞F0.01，行差異對于20mm丁斷面偏差相對值η有極顯著影響。而F列＜F0.05，列差異對相對斷面偏差η值影響不顯著。

同樣，對20mm丁斷面傾斜度l值進行雙因素方差計算和分析，結果見表6、7。

由表7可知，F行＞F0.05，F行＞F0.01，行差異對于20mm丁斷面傾斜角度l值有極顯著影響。F列＜F0.05，列差異對20mm丁斷面傾斜角度l值影響不顯著。

表6 20mm丁斷面傾斜角度l值方差計算Table 6 The variance calculation for gradient of the cross－section of the 20mm－cross－section

表7 20mm丁斷面傾斜角度l值方差分析Table 7 The variance analysis for gradient of the cross－section of the 20mm－cross－section

又由方差分析可知：離心切削滾筒與切丁刀中心之間的水平間距Δx＝290mm時得到的丁斷面偏差相對值η、丁斷面傾斜度l值的平均值及方差最小（分別見表4、6第7行），所以離心切削滾筒與切丁刀中心水平間距優選290mm；由表2、3可知，在290mm中心間距下，離心切削滾筒和切丁刀之間的轉速比為0.15～0.17時，丁斷面偏差相對值η、丁斷面傾斜度l，指標達到了國際同類產品標準。

3 結論

本研究通過對三維切丁機切削成形機理分析，建立了三維切丁機切割果蔬斷面曲線方程，分析了影響丁斷面形狀的主要因素；以丁斷面相對偏差η、傾斜度l為評價指標，仿真分析了不同離心切削滾筒與切丁條刀中心水平間距、離心切削滾筒與切丁條刀轉速比對丁斷面質量指標的影響，通過雙因素方差分析，得到了上述兩因素對丁斷面相對偏差η及斷面傾斜度l影響的權重關系，據此優選出離心切削滾筒與切丁條刀中心水平間距最優值，以及離心切削滾筒和切丁條刀之間的轉速比的合理范圍，從而為切丁機參數優化提供了依據。

1 祁景瑞，胡文忠，姜愛麗，等.果蔬切割加工與保鮮技術研究進展［J］.保鮮與加工，2005，5（4）：7～9.

2 胡小松.中國果蔬加工產業現狀與發展態勢［J］.食品與機械，2005，21（3）：4～9.

3 楊德勇，胡建平，許曉東，等.多功能果蔬鮮切機的研制［J］.食品與機械，2012，28（3）：183～185.

4 胡建平，黃英颯，楊德勇.果蔬三維切丁機設計與試驗［J］.農業工程學報，2011，27（12）：353～357.

5 王益強.多功能蔬菜加工機的研制［D］.北京：中國農業大學，2007.

6 楊德勇，胡建平，許曉東，等.新型果蔬切丁機的設計［J］.機械設計與制造，2012（7）：25～27.

7 黃英颯.果蔬三維切丁機設計及成形機理研究［D］.鎮江：江蘇大學，2011.

8 王式安.數理統計［M］.北京：北京理工大學出版社，1995：110～116.