超高壓純水射流切割羊胴體試驗

曲玉棟 韋志超 張 的 蘇吉鑫 陳正文 李 欣

(合肥通用機械研究院有限公司,安徽 合肥 230031)

中國是肉類食品生產消費大國,其中羊肉因具有低脂高蛋白等特點而深受人們喜愛[1-3]。羊胴體分割是生羊屠宰的一項重要工藝,是生產優質羊肉產品的重要步驟。目前,中國在羊胴體切割機械化方面已有相關研究[3-4],但由于技術不成熟,機械化分割的規模很小,仍以人工分割為主[5-6]。機械化分割應用較少的一個重要原因是現有刀具在切割羊胴體時,羊肉的損耗太大[7]。

通過高壓水發生裝置將水加壓后通過噴嘴噴射出去,形成極細的具有打擊力的射流,即超高壓水射流。利用超高壓水射流進行切割作業,即水射流切割,俗稱“水刀”。水射流切割技術對材料的無選擇性在很多領域嶄露頭角。國外已有利用水射流甚至冰射流進行食物加工[8]的技術,用于切割牛胴體[9]、無骨雞胸肉[10]、帶骨畜牧肉[11]、魚片[12]等,并對此進行了大量的試驗,給出了詳細的切割工藝參數。中國在這一領域的研究較少,鮮見相關試驗及論著。研究擬用超高壓水射流為刀具進行羊肉切割分塊,針對羊胴體不同部位進行試驗,分析結果并給出有生產意義的切割參數,驗證利用水射流切縫細小的特性來減少羊肉切割損耗的可行性。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

1.1.1 超高壓水射流機理 典型水射流形態結構包括初始段、轉折段、基本段及消散段等階段。如圖1所示:初始段和轉折段的流速和能量密度很高,從轉折段開始,基本段和消散段的射流形狀開始向外擴散,射流流度降低。因而用于水射流切割的主要為初始段[13]。

圖1 典型水射流形態結構

1.1.2 超高壓水射流切割設備 超高壓水射流切割試驗裝置主要由龍門式水射流切割機床、超高壓發生裝置、控制臺及供水裝置組成。經過濾、軟化的純凈水通過超高壓發生裝置升壓,通過管路連接到龍門機床上的五軸水切割刀頭。切割試驗設備的主要性能參數為:最大壓力450 MPa,流量3 L/min,噴嘴直徑3 mm。

1.2 羊胴體切割試驗方案

羊胴體切割不同于一般工業材料的切割,肉類切割更強調高效、低損耗,而不是強調切縫質量,快速、整齊、低損耗是主要目標。主要的試驗項目包括:無骨羊肉切割、羊排切割、羊脊柱切割、羊腿切割、羊頸部切割和剔骨取肉6項,試驗將分別探究適于這些項目切割的水射流參數,并最終對水射流切割羊胴體的可行性給出結論。

1.2.1 射流型式的確定 純水射流對材料無選擇性且不帶來新的污染源,因此有廣泛的適應性。但純水射流對壓力要求高、而效率低,所以常常在射流中引入磨料來提高水射流的作用效果。由于試驗材料為食用類的羊肉,為保證羊肉的食品安全,避免磨料等產生污染,因此采用純水射流方案。

1.2.2 噴嘴型式的確定 磨料射流噴嘴在水噴嘴后多具有一耐磨的砂噴嘴用來噴射磨料射流,該類噴嘴因水通過水噴嘴噴射后射流與砂噴嘴摩擦會產生大量的熱量,在切割肉類時會部分燙熟,因此不宜采用。而帶骨羊肉(如羊排)有較大凹陷或凸起結構,為避免在切割凹陷處羊肉時、噴嘴移動過程中噴嘴固定機構碰到周圍凸起的羊肉,故在動物胴體切割中,選用帶有長直壓力段的水噴嘴型式為宜(見圖2)。

圖2 帶有長直壓力段的水噴嘴結構

1.3 試驗參數的確定

除射流型式、噴嘴型式外,影響水射流羊胴體切割效率的參數還有:切割壓力、流量(噴嘴直徑)、切割靶距、切割速度、被切割物(羊肉)的特性等。

1.3.1 切割壓力 先通過試驗找出切割羊肉的最低壓力(即門限壓力),再明確壓力對羊肉切割的影響,確定合適的切割壓力參數。

1.3.2 噴嘴直徑 由如式(1)所示的噴嘴直徑與射流壓力及射流流量的關系式計算得出:

(1)

式中:

d——噴嘴直徑,mm;

q——射流流量,L/min;

μ——噴嘴流量系數,按噴嘴型式選取μ=0.82;

p——射流壓力,MPa。

1.3.3 切割靶距 水射流切割的最佳靶距一般為5～15 mm,由于試驗要求為整齊切斷即可,不十分強調切縫質量,故切割靶距可以適當放寬。而且對于一定的切割速度,切割靶距越高可以切割羊肉的厚度越大,意味著同一設備、同一參數可以適用不同規格的羊肉而不必頻繁調整,因此,適宜切割速度下的最大切割靶距也是試驗關注的一個重要參數。

1.3.4 切割速度 根據實際經驗,切割速度太慢會影響效率;切割速度太快一是不易實現,二是容易產生人身及設備安全問題。對比現有羊肉切分機械刀具進給速度800～1 200 mm/min[14]50-52[15]10,30-31,50,選取1 000～2 000 mm/min為試驗速度區間。

2 試驗結果分析

2.1 無骨肉切割

試驗表明,在壓力50 MPa、距肉靶距5 mm時,即可以800～1 000 mm/min的速度切割50 mm厚的羊肉。但由于羊肉并非均勻材料,且在水流的沖擊下羊肉的不同組織會產生不同程度的形變,遠離夾具直接夾持部位的羊肉組織會隨著水流的沖擊擺動、震顫,因此水射流在切透羊肉從羊肉組織穿出時,會產生大范圍大幅度的紊流,使得羊肉底部的切口很不整齊,產生類似于“碎布頭”一樣部分切斷、部分粘連的羊肉組織,形成感官極差的“爛肉”。同時,搖擺、震顫的羊肉組織也會消耗水射流的能量,大幅降低切割效率。提高射流壓力可以提高切割速度,但對于切口的整齊性,沒有太大作用。

因為冷凍羊肉較常溫羊肉堅硬很多,對超高壓水射流而言,水流在穿過冷凍羊肉時,羊肉組織被凍住固定因此不會受到大的干擾,能量損失較小,不但速度更快,且切口干凈整潔,切割效果不但較切割常溫羊肉好很多,也比現有機械切割和人工切割的效果好很多。因此,采用水射流切割羊肉,較適合切割冷凍羊肉。

以厚度為50 mm的冷凍羊肉為試驗對象,保持射流型式、噴嘴型式、噴嘴直徑、切割靶距(5 mm)不變,改變切割壓力,測試不同壓力下,切透冷凍羊肉所能達到的最大速度,其結果如圖3所示。

圖3 不同壓力下的最大切割速度

由圖3可知,達到門限壓力50 MPa以后,切透羊肉的最大切割速度與切割壓力成正比,即壓力越大,速度越高。考慮到市場上水刀設備的工作壓力多為380,420 MPa,故選取試驗切割壓力為350 MPa。由于降低壓力會降低切割速度,因此在后面的試驗中,將以350 MPa為試驗壓力[由式(1)得噴嘴直徑d=0.3 mm],討論在切割不同的羊酮體部位時,切割靶距與切割速度之間的關系。

對于60 mm厚度的無骨羊肉,在壓力350 MPa、距肉靶距5 mm時,切割速度可達到2 500 mm/min以上。壓力350 MPa、距肉靶距180 mm時,切割速度仍然可達到1 600 mm/min。

350 MPa下,靶距為5,15,30,50,80,100 mm的羊肉切割質量趨于一致,切面光滑,邊緣清晰完整。靶距達到100 mm以上時,羊肉切面依然光滑,與低靶距下效果相當,但羊肉邊緣特別是上表面附近,切口開始毛糙、局部羊肉有擠壓現象。因此,羊胴體切割靶距應盡量保持在100 mm以內。

由于羊的個體偏小,很難找到更厚的無骨羊肉,但就切割的切口質量及射流穿出羊肉后的射流形狀來看,在350 MPa壓力下,可以輕松切透200 mm甚至更厚的無骨羊肉。可以說,在冷凍羊肉的切割中,無骨羊肉不是影響切割效率的主要因素。

2.2 羊排切割

對于骨厚度6～10 mm、總厚度約35 mm的羊排,在350 MPa壓力下,近脊端羊排內側朝上(距骨靶距5 mm)時,速度最高可達2 300 mm/min。而羊排外側朝上(距骨靶距35 mm)時,速度最高僅能到達2 000 mm/min。這是因為羊排的羊肉大多附著在羊排骨外側,羊排骨內側僅一層筋膜。羊排內側朝上,水射流噴頭距羊排骨的靶距可以更近,水流在抵達羊排骨時能量損失小,切割速度快、效率高。但是水射流切透羊排骨后水流紊亂,會將附著在羊排骨上的羊肉撕裂扯碎,導致羊排骨切口整齊而羊肉切口不齊。反之,羊排外側朝上,雖然由于羊肉阻隔,水射流噴嘴距羊排骨的靶距增大,切割速度有所下降,但羊肉和羊排的切口都非常整齊,更有實際應用價值。由于羊骨是切割速度的主要限制因素,因此在后續試驗中將距肉靶距改為距骨靶距。

通過試驗發現:羊排骨在不同位置的硬度、厚度、結構組織不同。遠脊端(遠離脊柱的一端)羊骨的硬度遠大于近脊端(接近脊柱的一端),這導致羊排骨在近脊端和遠脊端的切割難度不同,在相同的條件下,水射流切透近脊端羊排的靶距遠大于切透遠脊端的。當壓力為350 MPa、速度為2 000 mm/min時,水射流切透近脊端羊排的距骨靶距最大可以達到80 mm。而同一塊羊排的遠脊端,距骨靶距超過35 mm即無法切透。當壓力為350 MPa、速度為1 600 mm/min時,水射流切透近脊端羊排的距骨靶距最大可以達到120 mm。而遠脊端在距骨靶距超過60 mm時即無法切透。這意味著在相同速度下,切割近脊端可以切割更厚的羊排,而在同樣的厚度下,切割近脊端可以獲得更快的切割速度。

試驗測得切透羊排近脊端、遠脊端的最大靶距與速度關系如圖4所示。

圖4 羊排切割距骨靶距與切割速度關系圖

由于羊肉不是限制切割速度的主要因素,因此對于更厚的羊排,只要羊骨的厚度與試驗材料相當,那么富余的距骨靶距范圍內,水射流完全可以完成多出的純羊肉的切割。因此可以據圖4得出結論,不論近脊端還是遠脊端,對于厚度不超過80 mm羊排,在350 MPa壓力下的切割速度大致可以達到1 600 mm/min,已可滿足實際生產需要。從提高效率的角度,選擇切割路徑時應優先選擇近脊端。

2.3 羊脊柱切割

羊脊柱處厚度60 mm,大約是羊排厚度的2倍,其中脊柱直徑約20 mm。當壓力為350 MPa、速度為1 200 mm/min時,水射流切透羊脊柱的距骨靶距最大可以達到120 mm,比同條件下的羊排近脊端切割最大距骨靶距140 mm略低。當速度為1 600 mm/min時,水射流切透羊脊柱的距骨靶距最大可以達到100 mm,仍然與同條件下的羊排近脊端切割最大距骨靶距120 mm接近(圖5)。這是因為羊脊柱的表面硬度與羊排相近,雖然羊脊柱的骨頭厚度較羊排的厚很多,但是羊脊柱內部組織卻比羊排的軟,而且羊脊柱內部細密的小孔狀結構相較羊排骨內部的蜂窩狀結構而言,對水射流的分散影響更小,在切割過程中水射流更加集中,能量損耗更小。因此,雖然羊脊柱更厚,但并不更加難以切割,相同切割速度下最大距骨靶距與切割羊排近脊端時大致相近。

圖5 羊脊柱切割與羊排切割的靶距比較

值得注意的是,羊脊柱的結構復雜,不同斷面的性質差別較大,因此選擇結構簡單、骨截面積小的切割路徑對提高切割速度有很大幫助。

2.4 羊腿骨切割

羊腿骨是比較硬的部位,切割難度較大。骨直徑20 mm、總厚度60 mm的羊腿,在壓力350 MPa、距骨靶距10 mm時,切透的最大速度僅為100 mm/min。而如果只要求切透羊腿骨的上半圈,同樣壓力靶距條件下,切割速度可以到達500 mm/min。水射流切斷羊腿骨上半圈后,水流即呈扇形散射,無法集中成一條直線對下半圈的羊腿骨形成有效切割力量。通過水射流切割羊腿骨后的水流形狀不難判斷,水射流切斷羊腿骨效率低的主要原因在于:水射流切透上層腿骨進入腿骨中空部位后,射流靶距突然增大,同時部分射流沿腿骨形成漩渦,水射流變為淹沒射流[16](圖6)。此時切割腿骨下層的水射流速度降低,能量衰減過大,無法完成切割任務。

圖6 水射流切割羊腿骨模型

從試驗結果看,水射流切割羊腿骨只能采取兩面切割相結合的辦法,即切割完半圈羊腿骨再將羊肉翻轉180°后切割另外半圈,只有這樣切割速度才有保證。但這種方式,切割的長度會增加一倍,翻轉、找正的操作也費時費力。因此,水射流不適于羊腿的切割。

2.5 羊頸部切割

面對硬度相似而中空結構更加復雜多樣的羊頸部,水射流切割顯得更加無力。羊頸部直徑50 mm、總直徑100 mm的羊頸部,在壓力350 MPa、距骨靶距10 mm、切割速度10 mm/min時,仍然無法切透,只能切穿15～20 mm深的骨頭。且由于水流在羊頸部的中空結構內四處反濺,附著在羊頸部上的羊肉也被撕爛扯碎。水射流不能勝任羊頸部的切割工作。

2.6 羊腿剔骨取肉

由于羊肉和羊骨的硬度不同,找到一定組合參數可以將羊肉切除而不傷及羊骨,即實現剔骨取肉操作。通過試驗,在羊腿骨的剔骨取肉方面,水射流取得了很好的效果。在合適的壓力、靶距、速度配合下,水射流可以切開羊肉而不傷及羊骨,切開羊肉觸及羊骨后,水流受到羊骨阻擋四面散射又正好楔入羊肉與羊骨的縫隙,促使羊肉與羊骨更快地分離,大多數情況下甚至不需要將羊腿翻轉180°進行另一面的剔骨操作,就能完全分離羊骨和羊肉。試驗中剔骨操作后的羊骨光滑如鏡,切下的羊肉僅切縫處有撕裂現象,其他部位仍然完整,效果良好。

剔骨的壓力、靶距、速度參數有多種,其中一組數據為120 MPa、180～200 mm、3 000 mm/min。如降低壓力,縮小靶距,也可實現較好的剔骨效果,例如50 MPa、50～60 mm、2 000 mm/min,但由于遠靶距可以實現更大范圍的剔骨取肉,因而大壓力遠靶距的參數相較于低壓力近靶距參數而言,效率更高,實際生產意義更大。

2.7 切縫與羊肉切割損耗分析

如文獻[14]47-50中,采用6 mm的三棱銑刀進行羊肉切割,考慮到羊肉粘連及羊骨碎裂,羊肉損耗寬度應在10 mm以上。對于銑刀類刀具,即便采用直徑更小的刀具,其損耗寬度也在厘米級別。文獻[15]46-49中,采用65 mm圓盤鋸進行羊肉切割,計算得羊肉損耗率為1.53%。試驗中水射流采用0.3 mm直徑水噴嘴,取切割羊腿骨試驗后的樣本在顯微鏡下測量,切縫為0.3～0.4 mm。通過對不同部位切分前后測重,得出純羊肉切割損耗率為0.19%,羊排切割損耗為0.23%,羊脊柱切割損耗為0.22%;損耗可忽略不計,遠遠小于普通機械刀具切割的羊肉損耗,說明了對水射流切割冷凍肉胴體有進一步研究的價值。

3 結論

(1) 對于冷凍狀態的羊胴體,超高壓純水射流在切割無骨羊肉、羊排、羊脊柱和剔骨取肉方面較現有方法有優勢,速度快、效果好、羊肉損耗小。在壓力350 MPa下,以1 600 mm/min速度可以切割厚度200 mm以下的無骨羊肉和厚度80 mm以下的羊排、羊脊柱,完全可以替代現有機械刀具。在壓力120 MPa、距骨靶距180～200 mm、刀頭速度3 000 mm/min參數下可以較好地完成剔骨取肉工作。

(2) 超高壓純水射流在切割羊腿、羊頸部方面難以勝任。考慮到食材切割的特殊性,在今后的研究中,可以考慮冰射流或鹽射流切割,依靠冰粒、鹽粒提高水射流切割的效率,再進行羊腿骨、羊頸部的切割試驗。