腐竹切割刀具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

代安南，徐可可，劉 洋，許良元*，江 慶，方梁菲

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,合肥230036）

0 引言

食用腐竹的連續(xù)切割作業(yè)是腐竹生產(chǎn)加工過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在腐竹后續(xù)切割分離方面依然主要采用手工剪切。雖然已經(jīng)研發(fā)出不少腐竹連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備，但是對(duì)腐竹后續(xù)切割分離方面的研究較少，大多數(shù)生產(chǎn)設(shè)備存在腐竹切割仍需要人工切割的局面，能耗大，生產(chǎn)效率不高，腐竹切割效果不好的缺點(diǎn)較為突出。因此,研制出一臺(tái)連續(xù)自動(dòng)化腐竹切割裝置，既能夠代替人工剪切或半機(jī)械化切割，又能解決當(dāng)前腐竹切割過(guò)程中切割效果差的相關(guān)亟待解決技術(shù)難題[1-3]。

由于現(xiàn)存的腐竹的切割刀具的切割效果較差，本文設(shè)計(jì)出兩種新型的腐竹切割刀具。通過(guò)對(duì)圓形切刀和直刃平刀進(jìn)行力學(xué)分析，得出直刃平刀的切割裝置均優(yōu)于圓形切刀的切割裝置。最后從腐竹的含水量，冷藏時(shí)間，不同工作氣壓，兩種刀具的對(duì)比及切割后平整度四個(gè)方面進(jìn)行分析，探索出影響腐竹切割的因素[4-5]。

1 腐竹高速切割裝置樣機(jī)的設(shè)計(jì)及原理

1.1 腐竹裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腐竹切割裝置主要由機(jī)架、切割刀具、導(dǎo)軌、夾持機(jī)構(gòu)、切割臺(tái)和控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用氣泵產(chǎn)生具有一定壓力的壓縮空氣，通過(guò)氣路電磁閥開閉，使得氣體流入到活塞腔體內(nèi)部，通過(guò)鏈接桿驅(qū)動(dòng)氣缸雙向往復(fù)切割，將氣體的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊麠U往復(fù)切割的動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腐竹的高效切割生產(chǎn)[8]。

圖1 腐竹切割機(jī)具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 切割裝置的工作原理

腐竹切割裝置的工作原理是腐竹以一定的速度在輸送帶上運(yùn)送。當(dāng)對(duì)腐竹進(jìn)行斬切時(shí)，導(dǎo)軌對(duì)切割刀座起支撐和導(dǎo)向作用，使得切刀在氣動(dòng)壓力的推動(dòng)下，能夠沿預(yù)先設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)腐竹的切割。

1.3 切割刀具的設(shè)計(jì)

刀具形狀對(duì)腐竹切割具有非常重要影響，也限制了與之匹配切割裝置的設(shè)計(jì)，直刃平刀和圓形切刀的三維圖如圖2所示。刀具采用高硬度和耐磨性的65MnMoTi4鋼材料。

2 切割刀具的力學(xué)分析

2.1 腐竹刀具靜力學(xué)分析

2.1.1 圓形切刀靜力學(xué)分析

在圓形切刀中心固定處施加固定約束。圓形切刀在進(jìn)行腐竹切割時(shí)，刃口處與腐竹表面和輸送帶淺表面相接觸的狀態(tài)為正切刃口，因此施加作用力的邊界條件為:正切刃處以及全切刃施加垂直于刃口方向300 N的力[9]，添加總變形和應(yīng)力兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行求解。

單獨(dú)加載在正切刃面的平均壓力為

圖3 圓形切刀靜力學(xué)分析圖

從圖3(a)可以看出當(dāng)載荷作用于整個(gè)刃口面時(shí)最大應(yīng)力為1.608e+001MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料屈服應(yīng)力620MPa，它所受到的應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，其變形比例為6 578.21。圖3（b）可以看出最大應(yīng)變?yōu)?.528e-005mm，應(yīng)變圖可以看出最大應(yīng)變產(chǎn)生于圓形切刀的刀柄處，并向刀尖處依次呈遞減狀態(tài)。圖（c）可以看出最大位移量為4.563e-004mm，圖中可以看出最大位移量產(chǎn)生于刀柄處，并向刀尖處依次呈遞減狀態(tài)。

2.1.2 直刃平刀靜力學(xué)分析

直刃平刀的靜力學(xué)分析過(guò)程與圓形切刀相同，不同的是切割方式，在其刃口結(jié)構(gòu)上采用了斬切的切割方式，為了準(zhǔn)確地分析切割刃口處的受力應(yīng)力、變形情況，在刃口處與刀面固定處要采用不同的網(wǎng)格劃分尺寸，進(jìn)行分別劃分[10]。

單獨(dú)加載在正切刃面的平均壓力為：

圖4 直刃平刀靜力學(xué)分析

從圖4（a）可以看出當(dāng)載荷作用于整個(gè)刃口面時(shí)最大應(yīng)力為2.490e+003MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料屈服應(yīng)力6.204e+008MPa，它所受到的應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，其變形比例為8.49081e+006。由圖4（b）位移圖可看出最大位移量為1.239e-006mm，圖中可以看出最大位移量產(chǎn)生于直刃平刀的刀尖處，并向刀柄處依次呈遞減狀態(tài)。圖（c）可以看出最大應(yīng)變?yōu)?.870e-008mm，圖中可以看出最大應(yīng)變產(chǎn)生于直刃平刀的刀柄處，并向刀尖處依次呈遞減狀態(tài)。

2.1.3 刀具指標(biāo)對(duì)比分析

表1 刀具的數(shù)值對(duì)比分析

從上表1我們可以看出直刃平刀優(yōu)勢(shì)較為明顯，刀具垂直正切割的變形比例大大降低。當(dāng)?shù)毒邔?duì)腐竹和輸送帶進(jìn)行切割時(shí)，所承受的應(yīng)變量是整個(gè)切割過(guò)程中的最大值，直刃平刀應(yīng)變量在一定程度上有很大的降低，使其刀具在切割的過(guò)程中穩(wěn)定性有很大的提高。腐竹在移動(dòng)過(guò)切刀時(shí)，切刀在氣動(dòng)泵的推動(dòng)下快速對(duì)腐竹和輸送帶進(jìn)行斬?cái)嗲懈?，此時(shí)刀片切入斬?cái)喔駥?duì)輸送帶表面也進(jìn)行了切割，而垂直切割的情況下主要為全切刃，然而全切刃是切割過(guò)程中的最大應(yīng)力數(shù)值，所以應(yīng)力值的大幅度降低對(duì)于減小刀身固定點(diǎn)處的厚度，對(duì)切割刀具的穩(wěn)定性以及刀具使用周期的延長(zhǎng)具有非常重要的意義。

2.2 腐竹刀具的模態(tài)分析

2.2.1 圓形切刀刀具模態(tài)分析

依照繪制的Solidworks模型，針對(duì)刀具工作時(shí)的振動(dòng)情況，進(jìn)行圓形切刀的網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行模態(tài)分析，由于圓形切刀面較為復(fù)雜，因此對(duì)刀具采用四面體劃分網(wǎng)格方式，盡量采用較小的網(wǎng)格尺寸，以獲得更為精確的數(shù)據(jù)參數(shù)。

圖5 圓形切刀五階變形云圖

從圖5（a）（b）二階變形云圖中可以看出，當(dāng)給予固定力的約束時(shí)，圓形刀的最大共振頻率為7 060Hz，最大的共振頻率產(chǎn)生于割刀外沿向割刀的固定點(diǎn)處依次減小，刀的固定點(diǎn)處變化量最小，最小共振頻率為0Hz。

2.2.2 直刃平刀刀具模態(tài)分析

圖6 直刃平刀五階變形云圖

從圖6（a）（b）二階變形云圖中可以看出，當(dāng)給予固定力的約束時(shí)，切刀的最大共振頻率為3 054.9Hz，最大的共振頻率產(chǎn)生于割刀外沿向割刀的固定點(diǎn)處依次減小，刀的固定點(diǎn)處變化量最小，最小共振頻率為0Hz。

2.2.3 刀具模態(tài)云圖對(duì)比分析

圓形切刀與直刃平刀數(shù)值對(duì)比分析。兩種刀具數(shù)值對(duì)比分析如表2所示。

表2 兩種刀具數(shù)值對(duì)比分析

我們可以看出直刃平刀優(yōu)勢(shì)較為明顯，當(dāng)對(duì)刀具進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析時(shí)，直刃型刀具最大頻率為2 048Hz，應(yīng)力1.608e+001MPa,相比于圓形刀具的頻率、應(yīng)力的影響都有很大程度降低。使其刀具在切割的過(guò)程中穩(wěn)定性有很大提高。輸送帶和腐竹移動(dòng)通過(guò)切刀時(shí)，切刀在氣動(dòng)泵的推動(dòng)下快速斬?cái)喔?，此時(shí)刀片切斷腐竹和輸送帶表面進(jìn)行切割，在直刃平刀垂直切割的一瞬間，應(yīng)力和頻率切割過(guò)程中的最大應(yīng)力數(shù)值達(dá)到最大。因此，頻率的大幅度降低對(duì)于減小切刀的穩(wěn)定性，以及刀具規(guī)定時(shí)間內(nèi)的使用壽命具有非常重要的意義。

3 腐竹切割裝置的影響因素

3.1 試驗(yàn)的目的

根據(jù)腐竹切斷面的平整度感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3，由7人組成感官食品評(píng)定小組，此次腐竹切割試驗(yàn)共分10組，對(duì)每一組腐竹斬切后的切斷面效果進(jìn)行感官評(píng)分，取每組的平均值，作為最終感官評(píng)定得分及衡量切斷面切割效果的重要指標(biāo)。

表3 感官評(píng)分表

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容與分析

3.2.1 冷藏時(shí)間對(duì)試驗(yàn)的影響

腐竹剪切的刀具采用自行設(shè)計(jì)的直刃平刀及對(duì)應(yīng)的腐竹切割裝置，將腐竹放置在冰箱中低溫若干時(shí)間冷藏后，冷藏時(shí)間為：0h、6h、12h、18h、24h五個(gè)階段，分階段取出并放置在設(shè)計(jì)的腐竹切割裝置上面，設(shè)定工作氣壓為0.5Mpa、切割間隔時(shí)間為3s，將冰凍腐竹進(jìn)行斬切切割試驗(yàn)，然后根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制出腐竹抗剪切力及位移曲線，對(duì)應(yīng)地記錄最大斬切力的數(shù)值及切斷面的感官評(píng)分，每次剪切重復(fù)試驗(yàn)5次，測(cè)得冷藏時(shí)間、割切力以及感官評(píng)分之間的關(guān)系圖。如圖7所示。

圖7 冷藏時(shí)間對(duì)剪切力及感官評(píng)分的影響

由圖7分析可知:隨著冷藏時(shí)間的增加，腐竹斬剪切阻力的數(shù)值在開始0～6h的時(shí)間里，呈緩慢下降的趨勢(shì)，切口橫斷面也越來(lái)越光滑，當(dāng)冷藏時(shí)間超過(guò)6h后，剪切力值又呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。

3.2.2 腐竹含水量對(duì)切割試驗(yàn)的影響

按公式：腐竹含水量（%）＝（原腐竹質(zhì)量-烘干質(zhì)量）/烘干質(zhì)量×100%＝（水質(zhì)量/烘干質(zhì)量）×100%計(jì)算。

測(cè)試數(shù)據(jù)如下表4所示：

表4 腐竹含水率測(cè)試表

3.2.3 不同工作氣壓對(duì)腐竹切割效果的影響

試驗(yàn)中選取直刃平刀切割腐竹，把已準(zhǔn)備好切割的腐竹放置在電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上，分別調(diào)整切割為氣壓p=0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa三個(gè)階段。對(duì)比工作氣壓對(duì)腐竹切割效果的影響，每個(gè)階段重復(fù)5次，并測(cè)算各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，確定切割樣機(jī)的工作氣壓與各試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)伴隨著切割氣壓的不斷上升，切割速度的不斷加快，切斷面顯得更光滑，整條腐竹切割所用的的時(shí)間也越來(lái)越短，如圖8所示。

圖8 工作氣壓與感官評(píng)分

3.2.4 切割時(shí)間、切割長(zhǎng)度、與輸出時(shí)間對(duì)切割效果的影響試驗(yàn)

通過(guò)設(shè)備控制系統(tǒng)表面參數(shù)如：輸出頻率、設(shè)定頻率、切割周期、切割時(shí)間、自動(dòng)切割線、禁用切刀等，并根據(jù)已提示內(nèi)容，制定出相應(yīng)的設(shè)定值，經(jīng)過(guò)以上數(shù)據(jù)的反復(fù)試驗(yàn)，并繪制出腐竹切割長(zhǎng)度與時(shí)間和輸出頻率與時(shí)間的關(guān)系。如圖9和10所示。

由以上統(tǒng)計(jì)表可以得出：在頻率不變的情況下，隨著切割用時(shí)的增加，腐竹切割的長(zhǎng)度也在增加。在長(zhǎng)度不變的情況下，隨著輸出頻率的增加，切割所需要的時(shí)間慢慢變短。

圖9 切割長(zhǎng)度與時(shí)間

圖10 輸出頻率與時(shí)間

4 結(jié)論

1）本文設(shè)計(jì)出了腐竹裝置的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)腐竹生產(chǎn)裝備中的切割裝置部分進(jìn)行外形參數(shù)測(cè)量、采集，利用企業(yè)提供的電子控制系統(tǒng)，對(duì)腐竹切割樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，切割刀具實(shí)現(xiàn)往復(fù)滑切或斬切，對(duì)腐竹進(jìn)行切割加工。

2）對(duì)圓形切刀和直刃平刀建立樣機(jī)模型并進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，得出:直刃切刀的最大頻率為3 054.9Hz，應(yīng)力2.490e+003MPa，圓形刀具的最大共振頻率為7 060Hz，應(yīng)力為3.012e+001Mpa，頻率和應(yīng)力變化率分別達(dá)到89.79%和92.00%，通過(guò)分析對(duì)比，無(wú)論在最大應(yīng)力、模態(tài)震動(dòng)量等方面直刃平刀及其切割裝置均優(yōu)于圓形切刀及其切割裝置。

3）通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，探究影響腐竹切割裝置的因素，試驗(yàn)連續(xù)切割腐竹時(shí)間為72小時(shí)，切割頻率為16Hz，切割間隔時(shí)間為6.0s,切割長(zhǎng)度為100mm，72h連續(xù)切割43 000根腐竹，腐竹中含有的污染物值為0.07g，低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762-2017）。