童宝宏许正华宋 斌刘元倩孙 军

（1.安徽华菱西厨装备股份有限公司博士后科研工作站，安徽 马鞍山 243131；2.合肥工业大学机械工程博士后流动站，安徽 合肥 230009）

影响绞肉机工作品质的产品设计因素分析

童宝宏1，2许正华1宋 斌1刘元倩1孙 军2

（1.安徽华菱西厨装备股份有限公司博士后科研工作站，安徽 马鞍山 243131；2.合肥工业大学机械工程博士后流动站，安徽 合肥 230009）

为提高绞肉机产品的综合工作性能，从设备自身的工作效能和肉制品加工的质量两方面出发，考察相关产品设计因素对绞肉机工作品质影响的情况。结合绞肉机产品的实际结构特征，分别从驱动机构设计、供料机构设计、切割机构设计和通风散热结构设计等方面入手，分析目前的设计特点及其对绞肉机工作品质的影响情况，指出产品设计环节存在的问题并对相应的解决方案进行探讨，以期为绞肉机或同类食品机械产品优化设计提供参考。

绞肉机；产品设计；因素分析

同其他食品加工一样，肉类食品经过绞肉加工后，其自身的品质状况与食品质地属性的变化情况密切相关，这些特性多是通过触觉等来感知，与食品的变形、分解和在力的作用下的流动等性质有关。

以往的研究也多是通过考察肉类食品经过加工后的状况来对绞肉机产品及其绞肉加工工艺进行评价的，因而，研究重点多是集中在考察影响绞肉加工质量的工艺因素或肉制品自身的物性因素。胡阳等［1］介绍了几种有代表性的肉制品加工工艺，概述了肉制品加工中的关键控制点，并为肉制品生产中的安全和质量控制提出了新的要求。黄莉等［2］指出肉及肉制品在加工和贮藏过程中品质会下降，而肉品质的降低与肉中含有的主要成分肌红蛋白、肌原纤维蛋白和脂肪的氧化有关，探讨在加工贮藏过程中可能引起氧化的因素。郝红涛等［3］对肉制品的质构特性及其影响因素进行综述，针对中国肉制品质构研究存在的问题，提出质构参数标准化研究的必要性，建议用肉制品质构指标取代感官评价方法指导肉制品研发工作。李贺等［4］综述了低温肉制品色素的形成及测定方法，从加工等方面，对影响色素稳定和低温肉制品褪色的因素进行了总结。

对绞肉机工作品质进行综合评价时，单从肉料加工后的成品质量状况进行评价是不全面的。绞肉机工作品质的综合性能情况还包含绞肉机产品自身的工作特性，如工作效率与节能特性、振动与噪声等性能状况。绞肉机各组成部件的设计既影响机器本身的工作性能，同时也对肉类等加工对象的品质状况有着重要影响。文章从这两个方面出发，详细综述了绞肉机几个关键组成的设计对绞肉机工作品质的影响情况，以期为同类食品机械的产品优化设计提供参考。

1 关键组成部件设计对绞肉机工作品质的影响

1.1 驱动机构设计的影响

绞肉机的驱动机构主要由电机、齿轮传动或带传动等核心部件组成。现有的绞肉机产品在工作时，绞笼一般只有一种工作转速，即从电动机至绞笼的传动路线为定比传动，其总的传动比可通过带传动或齿轮传动等机构逐级减速后得到。驱动机构的输出转速与绞笼的生产效率密切相关，但该设计转速不宜太高，因为输送能力并不是随转速增加而增加。当速度达到一定值以后，效率反而下降，且速度过高，物料摩擦生热，出口处的压力升高，易引起物料变性，影响绞肉加工中肉制品的质量。

在设计绞肉机驱动机构时，另一个需要考虑的重要因素就是系统的能耗，也就是电机功率。与电机功率有直接关系的是螺旋轴上承受并输出的扭矩。螺杆上承受的扭矩主要由物料和螺旋轴之间的剪切力引起。而目前在驱动机构设计过程中，电机的选型多是根据绞肉机额定工况需求来确定的。而绞肉机在实际工作过程中工况多变，在空载或部分载荷作用下时，由于电机转速升高而会产生一定的能量损失和噪音，从而降低驱动机构的工作效率，影响绞肉机的工作品质。针对这一不足，周文洪［5］提出了一种改进设计方案，即在绞肉机壳体内侧设置一交流电机转速控制电路，当绞肉机空载或低载时，该交流电机转速控制电路可通过调节可控硅导通角调整电机输入电压，降低电机转速并使电机恒速旋转，进而降低绞肉机空载时的能耗与噪音，改善绞肉机工作品质。

1.2 供料系统设计的影响

绞肉机供料系统主要由喂料装置和螺旋输送装置组成，这两部分的设计同样也会对绞肉机的工作效率和肉制品加工质量产生明显影响。

现有产品设计中，绞肉机的肉料喂入机构采用的设计方案多是使螺杆和喂入通道形成的两个侧隙相等，旋转的螺杆绞芯相对于筒体中垂面一半为下卷动作，另一半为上卷动作。投入喂入通道的大块肉料由于螺杆的转动只能从下卷一侧进入，而肉料在处于上卷一侧会不断地上翻打转，有时还会被绞入但还未进入筒体内的物料再次翻动，从而影响给料效率。因此，喂料机构需要根据最佳的物料进入方式进行改进和优化设计。

为了使喂入通道投入的肉料能迅速地被卷入螺杆与挤出筒壁之间的间隙，提高绞肉的工作效率，陈谦瑞［6］提出了一种将螺杆与喂入筒内壁形成大小不一的侧隙空间的设计方案。该方案中，较大侧隙空间为肉料的卷入侧，这样可以使投入喂入通道的大块肉料充分地被卷入挤出筒空腔内。赵巧宝［7］在原有喂料机构设计基础上（图1（a）），提出将料斗和喂料口偏置于筒体中垂面的一侧，往螺杆绞芯下卷一侧偏置的设计方案（图1（b）），减少螺杆绞芯上卷一侧暴露在喂料口，使物料更容易进入挤压筒体内，大大提高给料效率，也能改善筒体内的挤压环境。

螺旋输送装置是供料系统的核心部件，其主要功用是将从喂料口喂入的肉料挤压输送到孔板处进行切割加工。螺旋输送通道的结构设计也直接影响着肉制品在输送过程中的质量，如果螺旋结构设计不合理，容易在局部位置形成流动死区，物料在该区域容易结块而堵塞，从而使输送机构的功耗增加，同时也会对肉料产生不必要的挤压磨耗，改变肉制品组织成分进而影响肉制品加工质量。解决该设计缺陷的方法是采用变径变螺距输送轴的设计方案［8］，但方案的实施需要结合具体产品开展相应的理论和试验研究。

图1 绞肉机喂料机构设计新旧方案对比Figure 1 Comparing of the designs of meat grinder’s feeding mechanism

1.3 切割机构设计的影响

绞肉机切割机构主要由格板和绞刀组成，其主要功用是对挤压进入格板孔中的肉料进行切割。格板孔眼规格有多种，可根据不同的工艺要求随时进行更换。

绞刀的几何参数对所绞出肉的颗粒度以及产品质量有着很大的影响。绞肉时，绞肉机的十字刀片作旋转运动，在转速一定的条件下，刀刃离旋转中心点越远，则绞肉线速度越快。并且，在进料速度也一定的条件下，假定绞肉时刀片所消耗的功全部转化为热能，绞肉的线速度越快，则所产生的热量也越大，因此绞肉的线速度不能很高。

在刀片旋转速度以及螺杆进料速度都一定的情况下，前角大，切割肉所需的力和切割肉所产生的热都小。但当前角很大时，因刀具散热体积小会使切割肉时所产生的温度不能很快冷却，从而影响肉制品的质量。合理设计刀刃后角，一方面可以减小后刀面与格板表面的摩擦，另一方面可以在前角不变的情况下，增大后角能使刀刃锋利，降低在绞肉过程中肉料的变形能和产生的热量。

格板孔眼的大小一方面影响加工肉料的粒度大小，另一方面也影响绞肉机工作的生产能力。因此，在设计绞肉机切割机构时，既要考虑切割机构本身对肉料切割成型的影响情况，也要综合考虑驱动转速和螺旋输送挤压力等因素对切割机构设计的影响情况。这样才可能实现在保证肉制品加工质量的情况下尽可能提高生产效率。

1.4 通风散热装置设计的影响

绞肉机在工作过程中，电机的长时间运转以及运动部件之间的接触摩擦，均会产生大量的热从而使绞肉机机体的温度升高。如果绞肉机通风散热结构设计不好，会降低绞肉机内电子元器件和部分机械零部件的使用寿命，从而影响绞肉机产品的工作品质。另一方面，当螺旋输送等与肉料接触部件温度升高以后，会使肉制品在加工工过程中组织成分发生变化，影响肉料加工后的品质。

2 提高绞肉机工作品质的设计方案分析与展望

现有绞肉机产品各组成机构的设计在理论上和实践应用中都存在很多基础性问题难以解决，以往的设计大多是借鉴成功的设计经验。绞肉加工是一个十分复杂的过程，肉制品在螺旋输送以及切割环节的状态始终在发生变化，影响肉制品最终质量和绞肉机工作效率的因素众多，需要根据绞肉机产品各部分组成的特征及功能需求开展基础性研究，从而为产品的综合性能开发提供理论依据。文章通过对上述影响绞肉机工作品质的产品设计因素总结分析，认为可以重点从以下几方面入手开展相关零部件的设计研究。

2.1 新型驱动方案的设计

现有绞肉机的驱动方案多是采用普通电机驱动外加减速机构的设计方案，这一方案的主要缺点是，功能单一且能耗较高，对传动机构设计要求较高。新型调速驱动技术的发展和成熟为这一问题的解决提供了契机，如采用开关磁阻调速电机的驱动方案［9－12］。这种驱动方式的优点之一是，具有很好的低速特性，相关产品可以在100～1 500 r／min转速下保持较大的恒转矩，而且在长期低速运转阶段电机发热很小。这一特性使得该系统可以被用于取代现有的绞肉机驱动结构设计方案，从而可以去除现有的减速传动机构，简化驱动系统设计。

此外，开关磁阻调速电动机在全调速范围内均保持了较高的效率，能有效的保持各种转速所需的节能效果。而且，该类驱动系统在设计时充分考虑到各种设备自动化控制的需求，提供的各类自动化控制的接口，可以根据产品工作需求实现驱动系统的智能调速。这对于开发节能型、智能型绞肉机产品提供了极大的方便，使绞肉机能够满足不同工况下的使用要求，并确保较高的工作品质。

目前，将该项技术应用于绞肉机驱动机构的开发设计时，主要问题是如何实现系统的功能匹配，以及控制产品的制造成本。这需要在后续的研究中不断完善和修正。

2.2 螺旋输送机构的优化设计

螺旋输送机构是绞肉机供料机构的核心组成，肉料在螺旋输送机构内的流动情况决定了绞肉机的切割加工效率和肉制品加工后的品质状况。螺旋输送理论的相关研究成果［13－16］为开展绞肉机螺旋输送机构优化设计提供了的重要理论基础，而各种CAE分析技术为优化设计工作的实现提供了有力的支持。目前，各种计算流体力学（CFD）分析软件如Fluent等已经广泛应用于此类问题的研究中。

对于绞肉机螺旋供料系统，可以通过对流道内三维流场进行数值模拟研究，考察螺旋轴主要结构参数如螺距、螺旋的外径、内径、螺旋叶片厚度等对流场压力分布和速度分布的影响情况。这些参数可以是定值，也可以是变量，其数值大小都会对肉料的输送及加工质量产生影响。通过对比分析数值模拟结果并结合试验研究，可以对螺旋输送机构各个设计参数进行优化匹配。

需要说明的是，考虑到肉料这一流动介质的特殊性以及其在螺旋输送机构内流动的复杂性，在进行CAE模拟分析时需要对部分属性参数进行必要简化，重点对考察的参量进行定性分析，最后结合试验研究结果进行总结并应用于绞肉机产品指导设计实践。

2.3 肉料的挤压特性与其加工质量的关系

肉料在挤压输送和切割加工过程中，要不断受到来自金属表面的挤压、摩擦和剪切作用。肉料与金属表面之间的接触行为对肉料的输送和切割加工必然产生影响。相关研究［17］表明，鸡肉在不同的压力作用下后，其压力特性曲线与其新鲜度状况密切相关。因此，通过试验手段考察肉——金属表面之间的摩擦学特性，考察工况参数如挤压力、相对运动速度、金属表面参数如粗糙度以及肉制品几何参数等对接触表面间接触行为的影响情况，掌握肉料的挤压特性与其加工质量之间的关系；研究不同螺旋挤压工况作用下肉制品质量的变化情况，获取绞肉加工过程中螺旋输送部件的动力学行为对肉制品加工质量的影响规律，可以为绞肉机产品的精细化设计提供有力的技术支持。

3 结论

影响绞肉机产品综合工作性能的因素众多，文章重点从机械产品设计角度出发，系统分析了绞肉机驱动机构设计、供料机构设计、切割机构设计和通风散热机构设计等关键组成目前的设计特点，并探讨了这些部件设计对绞肉机工作品质的影响情况，指出产品设计环节存在的问题。文章通过对相关问题的分析总结，对相应的解决方案进行了初步探讨，并从新型绞肉机驱动机构设计、螺旋输送机构的优化设计和肉料的挤压特性与其加工质量的关系研究方面入手，提出相应的设计研究思路，可以为绞肉机或同类食品机械产品的精细化设计和综合性能优化提供参考。

1 胡阳，李思廷.肉制品的加工工艺及加工中的关键控制点［J］.农业工程技术，2007（3）：29～33.

2 黄莉，孔保华，李菁，等.氧化引起肉及肉制品品质劣变的机理及影响因素［J］.食品科学，2011，32（9）：319～323.

3 郝红涛，赵改名，柳艳霞，等.肉类制品的质构特性及其研究进展［J］.食品与机械，2009，25（3）：125～128.

4 李贺，徐幸莲，周光宏.影响低温肉制品褪色因素研究进展［J］.食品科学，2011，32（9）：307～311.

5 周文洪.绞肉机：中国，200520062554.0［P］.2006－08－23.

6 陈谦瑞.绞肉机的肉料喂入机构：中国，02220112.2［P］.2003－03－05.

7 赵巧宝.绞肉机给料机构：中国，200720006681.8［P］.2008－01－16.

8 邱爱红，龚曙光，谢桂兰，等.变径变螺距螺旋轴参数化模型及性能仿真［J］.机械工程学报，2008（5）：131～136.

9 葛宝明，王祥珩，苏鹏声，等.开关磁阻电机控制策略综述［J］.电气传动，2001（2）：8～13.

10 高金行，陈峥，林辉.基于DSP的开关磁阻电机调速控制器研究［J］.微电机，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 宋亚英.变螺距螺旋结构参数的理论研究［J］.苏州大学学报，1996，12（4）：96～100.

14 许岚.变径变螺距螺旋输送机的理论研究与实验分析及仿真［D］.湘潭：湘潭大学，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，陈东辉，石志标，等.鸡肉的压力特性曲线与其新鲜度的关系［J］.吉林大学学报（工学版），2010（2）：491～495.

Analysis of factors affecting meat grinder’s performance in product design

TONG Bao－hong1，2XU Zheng－hua1SONG 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

童宝宏（1978－），男，安徽工业大学副教授，在读博士后。E－mail：bh＿tong＠163.com

2011－10－15