絞肉機(jī)螺旋軸輸送性能的數(shù)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(yè)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站，安徽 合肥 230009）

肉類食品加工用絞肉機(jī)通常由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺旋軸輸送機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)和其它輔助部分組成，圖1為某型絞肉機(jī)基本組成的三維模型圖。絞肉機(jī)工作時(shí)，螺旋軸在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下將喂入的肉料擠壓輸送到切割加工部位。螺旋軸的結(jié)構(gòu)特征及絞肉過程中螺旋軸的轉(zhuǎn)速大小對絞肉加工的質(zhì)量影響明顯。研究［1，2］表明，絞肉機(jī)螺旋軸的輸送效率并不是隨轉(zhuǎn)速增加而增加，當(dāng)速度達(dá)到一定值以后，效率反而下降。并且，當(dāng)速度過高時(shí)，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(zhì)量。

圖1 絞肉機(jī)的基本組成Figure 1 Basic composition of meat grinder

螺旋輸送機(jī)構(gòu)是絞肉機(jī)供料系統(tǒng)的核心組成，肉料在螺旋輸送通道內(nèi)的流動(dòng)情況決定了絞肉機(jī)的切割加工效率和肉制品加工后的品質(zhì)狀況。螺旋輸送理論的相關(guān)研究成果［3，4］為開展絞肉機(jī)螺旋輸送機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)，而各種CAE 分析技術(shù)可為優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的實(shí)現(xiàn)提供有力支持。目前，各種計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析軟件如Fluent等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于此類問題的研究中［5，6］。

在絞肉機(jī)螺旋軸的旋轉(zhuǎn)擠壓輸送過程中，肉料在絞筒內(nèi)的流動(dòng)情況十分復(fù)雜，其流動(dòng)狀態(tài)不僅與肉料本身的物性因素相關(guān)，同時(shí)也與絞肉機(jī)的工況因素等有著緊密聯(lián)系。因此，精確模擬肉料在絞筒內(nèi)的流動(dòng)情況難度很大?？紤]到試驗(yàn)研究的重點(diǎn)目標(biāo)是考察螺旋軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況對其輸送性能的影響，因此對螺旋輸送流場模型進(jìn)行簡化，選擇常規(guī)流體水為對象，結(jié)合兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸螺旋軸構(gòu)建相應(yīng)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(jìn)行對比分析，并結(jié)合實(shí)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 流場分析的基本理論與控制方程

在前述假設(shè)條件下，流體在絞筒內(nèi)部的流動(dòng)特性可以通過連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流模型構(gòu)成的封閉控制方程組來描述。

1.1 連續(xù)性方程

式中：

ux、uy、uz—— 分別為3個(gè)方向的速度分量，m／s；

t—— 時(shí)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(dòng)量方程

動(dòng)量方程是動(dòng)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，其本質(zhì)是滿足牛頓第二定律，即對于一給定的流體微元，其動(dòng)量對時(shí)間的變化率等于外界作用在微元體積上的各種力之和。據(jù)此，可以導(dǎo)出x、y 和z 3個(gè)方向的動(dòng)量方程分別為：

這里，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型與上述方程組構(gòu)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(wǎng)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(tái)絞肉機(jī)上，其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型Figure 2 Design models of screw shaft’s structure

圖3為根據(jù)兩種螺旋軸結(jié)構(gòu)建立的流場分析模型。對流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用分塊劃分的網(wǎng)格劃分方法分別將流場模型分為3個(gè)部分，入口和出口段采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，螺旋軸區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四面體Tigrid網(wǎng)格劃分。方案A 模型一共劃分為1 567 515個(gè)網(wǎng)格，方案B模型一共劃分為1 462 222個(gè)網(wǎng)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(jìn)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(jì)算的固壁面采用無滑移邊界條件?？紤]到計(jì)算區(qū)域同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域，這里采用動(dòng)參考系（MRF）模型。

2.3 仿真結(jié)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(yùn)行仿真模型，分別獲得兩種螺旋軸表面在不同轉(zhuǎn)速工況時(shí)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(fā)生在流體入口段，該流段存在接近于流動(dòng)死區(qū)的狀態(tài)，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(fā)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(dá)1.35m／s。

轉(zhuǎn)速變化對流速影響明顯，在100，300，500r／min 3 種轉(zhuǎn)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(shí) 這 兩 組 數(shù) 據(jù) 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(zhuǎn)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(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的增加輸送能力也會(huì)增加。

通過對比流速分布圖可以發(fā)現(xiàn)，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(dòng)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(shí)際應(yīng)用情況，這里對這兩種螺旋軸實(shí)際絞肉效果進(jìn)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(yàn)對比分析Figure 6 Comparing of tests

圖6（a）中，肉料經(jīng)孔板擠出后呈泡沫或團(tuán)絮狀，肉料流出的連續(xù)性不佳；而在圖6（b）中，肉料呈棒條狀被連續(xù)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(xiàn)了堵塞現(xiàn)象，肉料在絞筒內(nèi)因輸送不暢而受到反復(fù)擠磨，經(jīng)切割加工擠出后質(zhì)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(zhì)量。

3 結(jié)論

為了考察絞肉機(jī)螺旋軸的輸送性能，采用簡化的流場分析方法，建立了相應(yīng)的數(shù)值模擬模型。通過數(shù)值仿真對不同工況下兩種螺旋軸表面的流速分布情況進(jìn)行了細(xì)致的對比分析。研究結(jié)果表明，螺旋軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速工況設(shè)計(jì)對螺旋軸的輸送性能影響明顯，兩種螺旋軸的實(shí)際應(yīng)用效果也證明了這一點(diǎn)；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(zhì)量；精確模擬肉料在絞筒內(nèi)的流動(dòng)情況十分困難，可以間接利用流場數(shù)值模擬技術(shù)分析和評價(jià)絞肉機(jī)螺旋軸的輸送性能。

從另一個(gè)角度來看，考慮到螺旋軸的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，對螺旋軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可行，但實(shí)際應(yīng)用中螺旋軸新產(chǎn)品的制造成本較高，不可能對所有結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行實(shí)測對比。因此，在后期螺旋輸送系統(tǒng)的優(yōu)化研究中，可以考慮從優(yōu)化絞肉機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速等方面入手［7］，通過專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)［8］開展試驗(yàn)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(jī)工作品質(zhì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)因素分析［J］.食品與機(jī)械，2012，28（1）：112～114.

2 郝紅濤，趙改名，柳艷霞，等.肉類制品的質(zhì)構(gòu)特性及其研究進(jìn)展［J］.食品與機(jī)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(shù)化模型及性能仿真［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008（5）：131～136.

4 許嵐.變徑變螺距螺旋輸送機(jī)的理論研究與實(shí)驗(yàn)分析及仿真［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，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(jī)智能控制系統(tǒng)［J］.食品與機(jī)械，2012，28（4）：157～160.

8 童寶宏，許正華，宋斌，等.絞肉機(jī)螺旋輸送機(jī)構(gòu)性能測試的試驗(yàn)臺(tái)：中國，201220051908.1［P］.2012－10－10.