果蔬三維切丁機(jī)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(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

傳統(tǒng)果蔬切丁加工是手工進(jìn)行切片，然后再進(jìn)行縱向和橫向切割，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著果蔬加工生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)外先進(jìn)的果蔬加工機(jī)械采用了能實(shí)現(xiàn)連續(xù)喂料、分步連續(xù)切片、切絲、切丁的三維切割加工模式，如美國(guó)URSCHEL公司研制的G－A型果蔬切丁機(jī)，比利時(shí)FAM公司制造的 MCS－3D 型蔬菜三維切丁機(jī)［1，2］。近年來(lái)，中國(guó)通過(guò)自主研制開(kāi)發(fā)，在果蔬切丁加工技術(shù)方面也取得一定進(jìn)展［3－5］，如江蘇興化李工蔬菜機(jī)械公司研制的 LG－350型切丁機(jī)，采用離心切削滾筒送料切片、圓盤(pán)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(zhì)量。果蔬三維切丁機(jī)具有加工效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，但其切丁斷面始終存在傾斜不平現(xiàn)象，尤其在切大丁時(shí)更加明顯。本研究擬以 自制果蔬三 維 切 丁 機(jī) 為 研 究 對(duì) 象［3，4，6，7］，通 過(guò) 切 丁 成形機(jī)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(jī)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

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(jù)圖1所示切丁成型機(jī)理可知，物料經(jīng)過(guò)離心切片及切絲圓盤(pán)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)切丁刀刀尖隨著中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)切過(guò)物料將物料切成丁塊狀。切丁刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與物料自身下落運(yùn)動(dòng)使得切斷面為一曲線AEF，其坐標(biāo)方程即為切丁斷面曲線方程：

式中：

R1——離心切削滾筒內(nèi)徑，mm；

R3——切丁刀刀尖軌跡半徑，mm；

φ——切丁過(guò)程中切丁刀刀軸轉(zhuǎn)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(jù)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(nèi)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(zhuǎn)角速度之比ω1/ω3，以及切丁刀中心軸相對(duì)于被切物料底面距離h。其中，離心切削滾筒內(nèi)徑R1和切丁刀回轉(zhuǎn)半徑R3根據(jù)切丁機(jī)整體結(jié)構(gòu)來(lái)確定，而切丁刀中心軸相對(duì)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(shè)切丁厚度d一定，在切丁機(jī)結(jié)構(gòu)確定的情況下影響丁斷面形狀的主要因素包括：切丁機(jī)離心切削滾筒轉(zhuǎn)速與切丁刀轉(zhuǎn)速比n1/n3，切丁刀中心軸與離心切削滾筒中心間距Δx，見(jiàn)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(guò)程中產(chǎn)生。為此，利用運(yùn)動(dòng)倒置法，使切丁刀在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿切片刀向條狀物料運(yùn)動(dòng)反向移動(dòng)，得到切丁刀刀尖在物料橫截面上形成的軌跡線，通過(guò)對(duì)軌跡線的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)切丁斷面形狀偏差的仿真分析［6］。本試驗(yàn)仿真分析的切丁機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)：離心切削滾筒內(nèi)經(jīng)、切丁刀回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與切丁刀轉(zhuǎn)速比n1/n3在0.11～0.22可調(diào)。

圖2 切丁機(jī)結(jié)構(gòu)布置Figure 2 Structure distribution diagram of dicing machine

2.1 影響因素及水平

由于現(xiàn)有切丁機(jī)在切制大丁時(shí)易產(chǎn)生斷面質(zhì)量缺陷，且隨著切丁規(guī)格的增大，丁斷面質(zhì)量更加難以保證，所以首先應(yīng)使得20mm大丁切丁斷面質(zhì)量能夠滿足要求。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行雙因素方差分析，因素水平見(jiàn)表1。

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

2.2 丁斷面質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(duì)稱(chēng)傾斜和向右傾斜三類(lèi)，見(jiàn)圖3。為此，引入丁斷面偏差相對(duì)值η及傾斜度l作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。斷面偏差相對(duì)值η由式（2）來(lái)計(jì)算：

式中：

η——斷面偏差絕對(duì)值，mm；

δ——斷面偏差絕對(duì)值，mm；

d——切丁厚度，mm。

圖3 丁斷面形狀偏差分類(lèi)指標(biāo)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(jù)丁斷面形狀仿真結(jié)果，分別測(cè)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(zhuǎn)速比0.11～0.22條件下，切得的20mm丁斷面偏差絕對(duì)值O和傾斜角度l（見(jiàn)表2），并由式（2）計(jì)算出斷面偏差相對(duì)值η（見(jiàn)表3）。

對(duì)上述兩因素影響下得出的20mm丁斷面偏差相對(duì)值η進(jìn)行雙因素方差計(jì)算和分析［8］，結(jié)果見(jiàn)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(duì)值ηTable 3 Relative deviation of the 20mm－cross－section %

表4 20mm丁斷面偏差相對(duì)值η方差計(jì)算Table 4 The variance calculation for relative deviation of the 20mm－cross－section

表5 20mm丁斷面偏差相對(duì)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(xiàn)行＞F0.05，F(xiàn)行＞F0.01，行差異對(duì)于20mm丁斷面偏差相對(duì)值η有極顯著影響。而F列＜F0.05，列差異對(duì)相對(duì)斷面偏差η值影響不顯著。

同樣，對(duì)20mm丁斷面傾斜度l值進(jìn)行雙因素方差計(jì)算和分析，結(jié)果見(jiàn)表6、7。

由表7可知，F(xiàn)行＞F0.05，F(xiàn)行＞F0.01，行差異對(duì)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(duì)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(jì)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(shí)得到的丁斷面偏差相對(duì)值η、丁斷面傾斜度l值的平均值及方差最小（分別見(jiàn)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(yōu)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(zhuǎn)速比為0.15～0.17時(shí)，丁斷面偏差相對(duì)值η、丁斷面傾斜度l，指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)三維切丁機(jī)切削成形機(jī)理分析，建立了三維切丁機(jī)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(duì)偏差η、傾斜度l為評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(zhuǎn)速比對(duì)丁斷面質(zhì)量指標(biāo)的影響，通過(guò)雙因素方差分析，得到了上述兩因素對(duì)丁斷面相對(duì)偏差η及斷面傾斜度l影響的權(quán)重關(guān)系，據(jù)此優(yōu)選出離心切削滾筒與切丁條刀中心水平間距最優(yōu)值，以及離心切削滾筒和切丁條刀之間的轉(zhuǎn)速比的合理范圍，從而為切丁機(jī)參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

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

2 胡小松.中國(guó)果蔬加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)［J］.食品與機(jī)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(jī)的研制［J］.食品與機(jī)械，2012，28（3）：183～185.

4 胡建平，黃英颯，楊德勇.果蔬三維切丁機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（12）：353～357.

5 王益強(qiáng).多功能蔬菜加工機(jī)的研制［D］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

6 楊德勇，胡建平，許曉東，等.新型果蔬切丁機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（7）：25～27.

7 黃英颯.果蔬三維切丁機(jī)設(shè)計(jì)及成形機(jī)理研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011.

8 王式安.數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1995：110～116.