果蔬三维切丁机切丁断面形状偏差分析

胡建平 杨丽红 杨德勇 黄英飒

（江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013）

传统果蔬切丁加工是手工进行切片，然后再进行纵向和横向切割，工作效率低、劳动强度大。随着果蔬加工生产规模的不断扩大，国外先进的果蔬加工机械采用了能实现连续喂料、分步连续切片、切丝、切丁的三维切割加工模式，如美国URSCHEL公司研制的G－A型果蔬切丁机，比利时FAM公司制造的 MCS－3D 型蔬菜三维切丁机［1，2］。近年来，中国通过自主研制开发，在果蔬切丁加工技术方面也取得一定进展［3－5］，如江苏兴化李工蔬菜机械公司研制的 LG－350型切丁机，采用离心切削滚筒送料切片、圆盘刀切丝、条刀切丁的加工模式，大大提高了加工效率和加工质量。果蔬三维切丁机具有加工效率高、结构紧凑、不易堵塞等优点，但其切丁断面始终存在倾斜不平现象，尤其在切大丁时更加明显。本研究拟以 自制果蔬三 维 切 丁 机 为 研 究 对 象［3，4，6，7］，通 过 切 丁 成形机理分析和丁断面形状偏差分析，确定影响丁断面形状偏差的主要因素及合理取值范围，从而为切丁机参数优化提供依据。

1 丁断面形状曲线方程及影响因素分析

1.1 丁断面形状曲线方程的建立

根据图1所示切丁成型机理可知，物料经过离心切片及切丝圆盘刀切丝之后，被切得的条状物料在自身重力的作用下沿切片刀片向下运动，同时切丁刀刀尖随着中心轴的转动切过物料将物料切成丁块状。切丁刀的旋转运动与物料自身下落运动使得切断面为一曲线AEF，其坐标方程即为切丁断面曲线方程：

式中：

R1——离心切削滚筒内径，mm；

R3——切丁刀刀尖轨迹半径，mm；

φ——切丁过程中切丁刀刀轴转角，rad；

ω1——离心切削滚筒角速度，rad/s；

ω3——切丁刀中心轴角速度，rad/s；

图1 切丁断面成型示意图Figure 1 Schematic diagram of cross－sectional shape

1.2 影响丁断面形状的主要因素

根据丁断面曲线方程，可知影响切丁断面形状的有：离心切削滚筒内径R1、切丁刀刀尖轨迹半径R3、被切削物料的厚度d、离心切削滚筒和切丁刀的旋转角速度之比ω1/ω3，以及切丁刀中心轴相对于被切物料底面距离h。其中，离心切削滚筒内径R1和切丁刀回转半径R3根据切丁机整体结构来确定，而切丁刀中心轴相对于被切物料底面距离h，则由切丁刀中心轴与离心切削滚筒中心间距Δx确定。假设切丁厚度d一定，在切丁机结构确定的情况下影响丁断面形状的主要因素包括：切丁机离心切削滚筒转速与切丁刀转速比n1/n3，切丁刀中心轴与离心切削滚筒中心间距Δx，见图2。

2 切丁断面形状偏差仿真分析

丁断面不平整缺陷主要在切丁刀切丁过程中产生。为此，利用运动倒置法，使切丁刀在逆时针旋转的同时沿切片刀向条状物料运动反向移动，得到切丁刀刀尖在物料横截面上形成的轨迹线，通过对轨迹线的处理，实现对切丁断面形状偏差的仿真分析［6］。本试验仿真分析的切丁机结构参数：离心切削滚筒内经、切丁刀回转半径、离心切削滚筒与切丁刀中心垂直距离，离心切削滚筒与切丁刀中心水平距离，离心切削滚筒转速与切丁刀转速比n1/n3在0.11～0.22可调。

图2 切丁机结构布置Figure 2 Structure distribution diagram of dicing machine

2.1 影响因素及水平

由于现有切丁机在切制大丁时易产生断面质量缺陷，且随着切丁规格的增大，丁断面质量更加难以保证，所以首先应使得20mm大丁切丁断面质量能够满足要求。对仿真结果进行双因素方差分析，因素水平见表1。

表1 中心间距和转速比试验因素水平表Table 1 Factors and levels for horizontal spacing and speed ratio text

2.2 丁断面质量评价指标

由不同因素水平下的断面形状仿真分析得知［6］，丁断面形状大致分为向左倾斜、两边对称倾斜和向右倾斜三类，见图3。为此，引入丁断面偏差相对值η及倾斜度l作为评价指标。断面偏差相对值η由式（2）来计算：

式中：

η——断面偏差绝对值，mm；

δ——断面偏差绝对值，mm；

d——切丁厚度，mm。

图3 丁断面形状偏差分类指标示意图Figure 3 Schematic diagram of deviation of the cross－section index

2.3 丁断面形状偏差影响因素显著性分析

根据丁断面形状仿真结果，分别测量出离心切削滚筒中心轴与切丁刀中心轴水平间距260～310mm、离心切削滚筒和切丁刀轴之间的转速比0.11～0.22条件下，切得的20mm丁断面偏差绝对值O和倾斜角度l（见表2），并由式（2）计算出断面偏差相对值η（见表3）。

对上述两因素影响下得出的20mm丁断面偏差相对值η进行双因素方差计算和分析［8］，结果见表4、5。

表2 20mm丁断面倾斜度l值Table 2 Gradient of the cross－section of the 20mm－cross－section （°）

表3 20mm丁断面偏差相对值ηTable 3 Relative deviation of the 20mm－cross－section %

表4 20mm丁断面偏差相对值η方差计算Table 4 The variance calculation for relative deviation of the 20mm－cross－section

表5 20mm丁断面偏差相对值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，行差异对于20mm丁断面偏差相对值η有极显著影响。而F列＜F0.05，列差异对相对断面偏差η值影响不显著。

同样，对20mm丁断面倾斜度l值进行双因素方差计算和分析，结果见表6、7。

由表7可知，F行＞F0.05，F行＞F0.01，行差异对于20mm丁断面倾斜角度l值有极显著影响。F列＜F0.05，列差异对20mm丁断面倾斜角度l值影响不显著。

表6 20mm丁断面倾斜角度l值方差计算Table 6 The variance calculation for gradient of the cross－section of the 20mm－cross－section

表7 20mm丁断面倾斜角度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：离心切削滚筒与切丁刀中心之间的水平间距Δx＝290mm时得到的丁断面偏差相对值η、丁断面倾斜度l值的平均值及方差最小（分别见表4、6第7行），所以离心切削滚筒与切丁刀中心水平间距优选290mm；由表2、3可知，在290mm中心间距下，离心切削滚筒和切丁刀之间的转速比为0.15～0.17时，丁断面偏差相对值η、丁断面倾斜度l，指标达到了国际同类产品标准。

3 结论

本研究通过对三维切丁机切削成形机理分析，建立了三维切丁机切割果蔬断面曲线方程，分析了影响丁断面形状的主要因素；以丁断面相对偏差η、倾斜度l为评价指标，仿真分析了不同离心切削滚筒与切丁条刀中心水平间距、离心切削滚筒与切丁条刀转速比对丁断面质量指标的影响，通过双因素方差分析，得到了上述两因素对丁断面相对偏差η及断面倾斜度l影响的权重关系，据此优选出离心切削滚筒与切丁条刀中心水平间距最优值，以及离心切削滚筒和切丁条刀之间的转速比的合理范围，从而为切丁机参数优化提供了依据。

1 祁景瑞，胡文忠，姜爱丽，等.果蔬切割加工与保鲜技术研究进展［J］.保鲜与加工，2005，5（4）：7～9.

2 胡小松.中国果蔬加工产业现状与发展态势［J］.食品与机械，2005，21（3）：4～9.

3 杨德勇，胡建平，许晓东，等.多功能果蔬鲜切机的研制［J］.食品与机械，2012，28（3）：183～185.

4 胡建平，黄英飒，杨德勇.果蔬三维切丁机设计与试验［J］.农业工程学报，2011，27（12）：353～357.

5 王益强.多功能蔬菜加工机的研制［D］.北京：中国农业大学，2007.

6 杨德勇，胡建平，许晓东，等.新型果蔬切丁机的设计［J］.机械设计与制造，2012（7）：25～27.

7 黄英飒.果蔬三维切丁机设计及成形机理研究［D］.镇江：江苏大学，2011.

8 王式安.数理统计［M］.北京：北京理工大学出版社，1995：110～116.