絞肉機螺旋軸輸送性能的數值模擬研究

童寶宏 許正華 宋 斌 孫 軍 劉元倩

（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.合肥工業大學機械工程博士后流動站，安徽 合肥 230009）

肉類食品加工用絞肉機通常由驅動電機、齒輪傳動機構、螺旋軸輸送機構、切割機構和其它輔助部分組成，圖1為某型絞肉機基本組成的三維模型圖。絞肉機工作時，螺旋軸在電機驅動下將喂入的肉料擠壓輸送到切割加工部位。螺旋軸的結構特征及絞肉過程中螺旋軸的轉速大小對絞肉加工的質量影響明顯。研究［1，2］表明，絞肉機螺旋軸的輸送效率并不是隨轉速增加而增加，當速度達到一定值以后，效率反而下降。并且，當速度過高時，物料摩擦生熱，出口處的壓力升高，易引起物料變性，從而影響絞肉質量。

圖1 絞肉機的基本組成Figure 1 Basic composition of meat grinder

螺旋輸送機構是絞肉機供料系統的核心組成，肉料在螺旋輸送通道內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狀況。螺旋輸送理論的相關研究成果［3，4］為開展絞肉機螺旋輸送機構優化設計提供了重要的理論基礎，而各種CAE 分析技術可為優化設計工作的實現提供有力支持。目前，各種計算流體力學（CFD）分析軟件如Fluent等已經廣泛應用于此類問題的研究中［5，6］。

在絞肉機螺旋軸的旋轉擠壓輸送過程中，肉料在絞筒內的流動情況十分復雜，其流動狀態不僅與肉料本身的物性因素相關，同時也與絞肉機的工況因素等有著緊密聯系。因此，精確模擬肉料在絞筒內的流動情況難度很大。考慮到試驗研究的重點目標是考察螺旋軸結構設計情況對其輸送性能的影響，因此對螺旋輸送流場模型進行簡化，選擇常規流體水為對象，結合兩種不同結構尺寸螺旋軸構建相應流場模型。通過流場仿真考察螺旋軸表面的流速分布特征，對多種工況下螺旋軸的輸送性能進行對比分析，并結合實測結果進行驗證。

1 流場分析的基本理論與控制方程

在前述假設條件下，流體在絞筒內部的流動特性可以通過連續性方程、動量方程和湍流模型構成的封閉控制方程組來描述。

1.1 連續性方程

式中：

ux、uy、uz—— 分別為3個方向的速度分量，m／s；

t—— 時間，s；

ρ—— 密度，kg／m3。

引入哈密頓微分算子：

則式（1）可表示為

1.2 動量方程

動量方程是動量守恒定律的數學表達形式，其本質是滿足牛頓第二定律，即對于一給定的流體微元，其動量對時間的變化率等于外界作用在微元體積上的各種力之和。據此，可以導出x、y 和z 3個方向的動量方程分別為：

這里，采用標準k－ε湍流模型與上述方程組構成封閉的方程組。

2 仿真模型的建立與分析

2.1 流場模型的建立與網格劃分

為了考察此處所采用的流場仿真分析方法是否合理，選擇兩種螺旋軸結構進行仿真對比分析，三維模型圖如圖2所示。這兩種螺旋軸都可以安裝在同一臺絞肉機上，其主要結構設計上的差別在于螺旋截面的形狀不同，其中，螺旋軸A的螺旋葉片稍薄于螺旋軸B的葉片。

圖2 螺旋軸結構設計模型Figure 2 Design models of screw shaft’s structure

圖3為根據兩種螺旋軸結構建立的流場分析模型。對流場模型進行網格劃分時，采用分塊劃分的網格劃分方法分別將流場模型分為3個部分，入口和出口段采用結構化六面體網格，螺旋軸區域采用非結構化四面體Tigrid網格劃分。方案A 模型一共劃分為1 567 515個網格，方案B模型一共劃分為1 462 222個網格。

圖3 流場模型的建立Figure 3 Modeling of flow field

2.2 邊界條件的定義

采用壓力入口邊界，在進口面處，給定入口壓力0.101 MPa；出口條件定義為壓力出口邊界，給定出口壓力0.1 MPa。所有計算的固壁面采用無滑移邊界條件。考慮到計算區域同時存在運動區域和靜止區域，這里采用動參考系（MRF）模型。

2.3 仿真結果與分析

圖4 方案A 旋軸表面的流速分布Figure 4 Flowing velocity distribution on screw shaft’s surface of model A

運行仿真模型，分別獲得兩種螺旋軸表面在不同轉速工況時的流速分布情況，見圖4和圖5。由圖4和圖5可知，在螺旋軸表面上的不同位置，流速的差異比較明顯。其中，流速較小部分多發生在流體入口段，該流段存在接近于流動死區的狀態，圖4（a）中的最小流速僅有4.76×10－4m／s。而流速較大部分主要發生在中段和出口附近，且多在螺旋軸外緣，圖4（c）中的最大流速可達1.35m／s。

轉速變化對流速影響明顯，在100，300，500r／min 3 種轉速下，方案A 螺旋軸表面的流速最大值分別為1.20，1.28，1.35 m／s，最小值分別為4.76×10－4，8.99×10－4，1.09×10－3m／s。而 采 用 螺 旋 軸B 時 這 兩 組 數 據 分 別 為1.09，1.15，1.21 m／s和2.96×10－4，1.41×10－3，1.41×10－3m／s。可見，隨著轉速的增加，兩種螺旋軸表面上流體的流速都有所上升，這表明螺旋軸隨著驅動轉速的增加輸送能力也會增加。

通過對比流速分布圖可以發現，方案B螺旋軸表面的流速最大值雖然都小于方案A 螺旋軸，但平均流速卻明顯高于方案A 螺旋軸。并且，方案A 螺旋軸表面流體流速的波動范圍明顯大于方案B螺旋軸，方案B螺旋軸表面的流速分布相對均勻。

為了考察兩種螺旋軸的實際應用情況，這里對這兩種螺旋軸實際絞肉效果進行了對比分析，如圖6所示。

圖5 方案B螺旋軸表面的流速分布Figure 5 Flowing velocity distribution on screw shaft’s surface of model B

圖6 試驗對比分析Figure 6 Comparing of tests

圖6（a）中，肉料經孔板擠出后呈泡沫或團絮狀，肉料流出的連續性不佳；而在圖6（b）中，肉料呈棒條狀被連續擠出孔板，流通性較好。對比可知，方案B 螺旋軸的絞肉效果要明顯好于方案A 螺旋軸。方案A 螺旋軸在絞肉過程中出現了堵塞現象，肉料在絞筒內因輸送不暢而受到反復擠磨，經切割加工擠出后質量較差，而方案B螺旋軸的絞肉效果明顯良好。分析可知，螺旋軸輸送的均勻性將直接影響絞肉加工的質量。

3 結論

為了考察絞肉機螺旋軸的輸送性能，采用簡化的流場分析方法，建立了相應的數值模擬模型。通過數值仿真對不同工況下兩種螺旋軸表面的流速分布情況進行了細致的對比分析。研究結果表明，螺旋軸的結構設計和轉速工況設計對螺旋軸的輸送性能影響明顯，兩種螺旋軸的實際應用效果也證明了這一點；可以通過改善螺旋軸表面速度分布的均勻性來提高絞肉加工的質量；精確模擬肉料在絞筒內的流動情況十分困難，可以間接利用流場數值模擬技術分析和評價絞肉機螺旋軸的輸送性能。

從另一個角度來看，考慮到螺旋軸的結構形式復雜，對螺旋軸結構進行優化設計思路可行，但實際應用中螺旋軸新產品的制造成本較高，不可能對所有結構形式進行實測對比。因此，在后期螺旋輸送系統的優化研究中，可以考慮從優化絞肉機的電機驅動轉速等方面入手［7］，通過專用實驗臺［8］開展試驗研究確定最佳輸送工況。

1 童寶宏，許正華，宋斌，等.影響絞肉機工作品質的產品設計因素分析［J］.食品與機械，2012，28（1）：112～114.

2 郝紅濤，趙改名，柳艷霞，等.肉類制品的質構特性及其研究進展［J］.食品與機械，2009，25（3）：125～128.

3 邱愛紅，龔曙光，謝桂蘭，等.變徑變螺距螺旋軸參數化模型及性能仿真［J］.機械工程學報，2008（5）：131～136.

4 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.

5 Li Q，Yu G C，Liu S L，et al.Application of computational fluid dynamics and fluid structure interaction techniques for calculating the 3Dtransient flow of journal bearings coupled with rotor systems［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2012，25（6）：926～932.

6 Luan Z G，Khonsari M M.Computational fluid dynamics analysis of turbulent flow within a mechanical seal chamber［J］.ASME J.Tribol.，2007，129（1）：120～128.

7 李蘭忖.多功能絞肉機智能控制系統［J］.食品與機械，2012，28（4）：157～160.

8 童寶宏，許正華，宋斌，等.絞肉機螺旋輸送機構性能測試的試驗臺：中國，201220051908.1［P］.2012－10－10.