三維果蔬切制技術(shù)發(fā)展與問題分析

梅 松，蔣清海

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014）

0 引言

我國已成為世界上最大的果蔬產(chǎn)品加工國，產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅次于糧食產(chǎn)業(yè)。果蔬產(chǎn)業(yè)已為第二大農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)[1]，成為我國廣大農(nóng)村和農(nóng)民最主要的收入來源和農(nóng)村經(jīng)濟的重要增長點，已經(jīng)成為我國農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)中具有明顯優(yōu)勢和國際競爭力的行業(yè)[2]。同時，隨著國民生活水平的提高以及生活節(jié)奏的不斷加快，大家對果蔬的日常需求量也在不斷增加，果蔬切制機應(yīng)運而生。鮮切果蔬由于具有新鮮、營養(yǎng)衛(wèi)生和使用方便等特點，在國內(nèi)外深受消費者的喜愛，已被廣泛應(yīng)用于胡蘿卜、芹菜、馬鈴薯、蘋果、桃、草莓等果蔬的加工[3，4，5]。果蔬切制加工包括對果蔬進行切片、切絲或切丁，并且根據(jù)形狀、美觀、用戶需求等提出不同片厚、絲寬和丁長加工參數(shù)要求，對不同配套尺寸進行相應(yīng)要求，即對果蔬切制機加工精度提出高標(biāo)準(zhǔn)要求。

果蔬切丁加工，傳統(tǒng)方法是采用人工對切片后的果蔬制品進行縱向和橫向切割，工作效率低、勞動強度大，大小尺寸難以保證，不適合規(guī)?；a(chǎn)[6，7]。針對手工作業(yè)缺點，首先出現(xiàn)了利用機械刀片實現(xiàn)果蔬的橫向和縱向切割的二維切割方式，這種方式的工作效率相較手工作業(yè)有了較大提高，但在加工過程中不能實現(xiàn)連續(xù)送料、連續(xù)切削，而且需對切割果蔬進行特別的夾持，從而影響了加工效率和適應(yīng)范圍[8，9]。隨著果蔬加工生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的二維果蔬加工機械難以適應(yīng)大產(chǎn)量的需求，因此國內(nèi)外先進的果蔬切丁機械逐漸拋棄了二維切割方式，從而開展了以三維加工模式為主的切丁機研制開發(fā)工作。三維切丁機采用了能實現(xiàn)連續(xù)喂料、分步連續(xù)切削加工作業(yè)成型的三維切割加工模式，即：從3個方向分別對果蔬進行加工，實現(xiàn)切片、切絲、切丁，大大提高了果蔬加工效率，同時也保證了果蔬的加工質(zhì)量和果蔬的原有風(fēng)味[10]。

1 三維果蔬切制技術(shù)簡述

1.1 三維果蔬切丁機結(jié)構(gòu)分類

通過對國內(nèi)外的三維果蔬切丁機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分類，可以得到切丁機主要分為三種類型。平面輸送分序切丁結(jié)構(gòu)，可能在切制條狀果蔬時，保證相當(dāng)?shù)木?，但是可切出的果蔬的形狀受機器的設(shè)計所限制，只能夠切成丁和條狀的形狀。且該機器采用的是氣缸的方式，該種方法相比于使用帶傳動或齒輪傳動的機械結(jié)構(gòu)物料的處理速度慢。

立體三維規(guī)格切丁結(jié)構(gòu)相比于平面輸送分序切丁能夠處理所有形狀的果蔬，且能夠在確保加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)物料的快速處理，但是該種方法在加工果蔬片/條時候可能會因為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的緣故出現(xiàn)相對滑移，而影響最終的切丁精度；輔助送料立體三維規(guī)格切丁結(jié)構(gòu)添加了輔助物料輸送裝置，同時對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，提高了物料加工精度。

綜合上述切丁機結(jié)構(gòu)特征，將其歸納如表1。

表1 三維果蔬切丁機結(jié)構(gòu)比較

綜上所述，當(dāng)前立體三維規(guī)格切丁結(jié)構(gòu)的三維果蔬切丁機應(yīng)用較普遍，而關(guān)于壓料輔助輸送的三維果蔬規(guī)格切丁機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，而下文將對結(jié)構(gòu)及原理做具體介紹，并就當(dāng)前存在問題進行深入分析，提出改進方案。

1.2 立體三維果蔬切丁機關(guān)鍵部件

現(xiàn)有立體三維果蔬切丁機的通用設(shè)計如圖1所示，組成整機的核心結(jié)構(gòu)包括：離心切片推進器，圓盤刀，橫切刀[11]。

圖1 三維果蔬切丁機結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，作業(yè)時，將果蔬丟入滾筒，一側(cè)電機驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，使得推進器推動果蔬高速轉(zhuǎn)動，將果蔬推至固定切片刀具位置，進行切片，切片果蔬以一定初速度進入切條界面，在切條刀具和重力以及受相應(yīng)摩擦聯(lián)合作用下，進行果蔬切條；最后切條果蔬在出料口受到切丁刀具作用，被切丁。其中，切片、切條和切丁的動力源于三相交流異步電機，變頻器控制轉(zhuǎn)速；利用齒帶將切片軸、切條軸和切丁軸端齒輪以及電機輸出端齒輪鏈接，齒輪大小分配轉(zhuǎn)速傳動比。切削速比根據(jù)設(shè)計三維切制尺寸要求，進行計算。

1.2.1 離心切片推進器。離心切片推進器主要由推進器、滾筒、切片刀和切片厚度調(diào)節(jié)裝置組成，如圖2所示。為保證三維果蔬切丁機的產(chǎn)量及果蔬適用范圍，可將推進器外徑可設(shè)計成通用尺寸，或為高效的切制特定品類的果蔬，將推進器外徑設(shè)計成專用尺寸。擋板數(shù)量一般為6個，也可以根據(jù)具體果蔬特征對擋板（推進器）數(shù)量做適當(dāng)調(diào)整，從而改變物料進給速度。另外，調(diào)節(jié)筒徑尺寸，利用擋板支撐果蔬，改變果蔬與靜態(tài)切片刀具的相對切片速度；滾筒內(nèi)壁與推進器相配合，因此滾筒內(nèi)徑與推進器外徑相同，寬度可根據(jù)需要進行設(shè)計，擋板距外壁邊緣距離應(yīng)設(shè)計合適，以免不能完全切滿果蔬。滾筒通過螺栓與機架固定連接。

圖2 離心切片推進器

1.2.2 圓盤刀。三維果蔬切丁機的圓盤刀實現(xiàn)將片狀果蔬切成絲狀，圓盤刀結(jié)構(gòu)安裝后圓盤刀嵌入在切片刀的凹槽中以便能切穿果蔬。為實現(xiàn)多種果蔬的切丁且切片需求，需設(shè)計出直徑足夠大的專用圓盤刀。工作時，通過改變圓盤刀片之間的間距，可以調(diào)整切絲的大小。為使圓盤刀結(jié)構(gòu)能方便地拆裝調(diào)整，將圓盤刀結(jié)構(gòu)套在連接軸上，連接軸通過螺紋連接與圓盤刀軸相連，圓盤刀結(jié)構(gòu)與圓盤刀軸通過鍵連接的方式傳遞動力，圓盤刀結(jié)構(gòu)與刀座的連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 圓盤刀總成

1.2.3 橫切刀。高速旋轉(zhuǎn)的橫切刀結(jié)構(gòu)將絲狀果蔬切割成果蔬丁?？紤]到三維果蔬切丁機的生產(chǎn)效率和加工品質(zhì)，橫切刀結(jié)構(gòu)的外徑需要合理設(shè)計。果蔬丁的大小可以通過改變橫切刀的數(shù)量實現(xiàn)。為了方便增減橫切刀的數(shù)量，設(shè)計的橫切刀和刀架兩側(cè)分別開“V”型槽，配合的端蓋一側(cè)有“V”字形的凸起，如圖4所示。

圖4 切丁橫切刀結(jié)構(gòu)

根據(jù)切片、切條和切丁要求，對上述三套切制部件進行組合。

2 三維果蔬切丁機存在的問題與切制精度提升分析

2.1 存在的問題

目前，三維果蔬切丁機的核心技術(shù)主要集中在對切丁大小和質(zhì)量的控制上，而對切丁大小和質(zhì)量的控制主要依賴果蔬材料進給速度、切刀轉(zhuǎn)速、切刀形狀等各個參數(shù)的合理配合。近年來，國內(nèi)外三維果蔬切丁機取得了較大的進步，然而，國內(nèi)外對三維切丁機的研究主要集中在切削部件工作時刀片刃型（即正切、滑切）對切片性能和切刀壽命的影響、切削過程中切刀的受力情況以及切削機械的動力學(xué)等方面的研究。由于三維切丁機參數(shù)不匹配問題，導(dǎo)致切丁斷面始終存在傾斜不平現(xiàn)象，尤其在切大丁時更加明顯。因此只能較好的切出 10 mm以下小丁，而在切制10 mm以上大丁如：馬鈴薯丁、胡蘿卜丁時普遍存在斷面不平整的缺陷。

果蔬經(jīng)過切片、切絲之后得到的條狀物料沿切片刀刀面向下運動，旋轉(zhuǎn)的條刀刀尖將物料切成丁狀。切丁獲得的斷面形狀可歸結(jié)為3種，如圖5所示。圖5a、圖5c為傾斜偏置形，圖5b為對稱形。設(shè)為丁斷面曲線最高點和最低點的偏差，顯然圖5a、圖5c所示切丁斷面形狀的斷面偏差值較大，得到的切丁斷面形狀不理想。而圖5b所示切丁斷面偏差值最小，切丁斷面形狀較理想。隨著切丁長度的增大，斷面偏差值也隨之增大，丁斷面形狀不理想。

圖5 丁斷面形狀示意圖

為了提高三維果蔬切丁機切制精度，就必須解決大丁斷面問題，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了較多的研究。

胡建平[13]為了提高國產(chǎn)三維切丁機的切制質(zhì)量和切制效率，設(shè)計了一種新型三維果蔬切丁機，通過對所切果蔬材料丁斷面曲線方程進行分析，得出切丁斷面具有3種不同形狀，對不同離心切削滾筒與切丁條刀轉(zhuǎn)速比條件下的切丁斷面形狀及偏差進行比較，得出其最佳速比為0.17。樣機切削性能試驗表明：切出的15 mm×15 mm×15 mm和20 mm×20 mm×20 mm馬鈴薯立方塊形狀規(guī)整，其相對偏差均小于15%，達到了預(yù)期目標(biāo)，為新型果蔬三維切丁機的研制提供了參考。

通過上述研究可知，切丁成形機理分析，是通過建立丁斷面曲線方程，分析現(xiàn)有切丁機切出的大丁斷面不平整的問題。并得到出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是推進器與條刀的角速度比不匹配和條刀中心軸與滾筒不合理布置。通過對果蔬切丁機進行分析優(yōu)化，獲得理想丁斷面對應(yīng)的最佳參數(shù)組合，可以為提升切丁機的切丁質(zhì)量提供理論依據(jù)。

另一方面，由于受立體三維規(guī)格切制結(jié)構(gòu)限制，切丁長度穩(wěn)定性較差，下文將就精度提升作具體分析。

2.2 三維切制精度提升分析

2.2.1 切片精度分析。由圖1可知，切片刀具與導(dǎo)料板另一側(cè)間留有一定間隙，且間隙可調(diào)，該間隙即設(shè)定的切片厚度尺寸，而在推進器和滾筒內(nèi)壁雙重作用下，果蔬與切片會發(fā)生相對移動，使得被切片分離的果蔬沿著間隙出料，圓筒內(nèi)壁是弧狀，而理想切片為直線，推進器與滾筒作用的接觸位置不一致，導(dǎo)致切片物料兩面不能完全平行，且可能曲線變化；另一方面，出料間隙設(shè)定，所出切片果蔬厚度尺寸小于或等于間隙厚度。國內(nèi)外學(xué)者針對上述結(jié)構(gòu)帶來的誤差尚沒有較好的解決辦法，但為了使作業(yè)質(zhì)量最佳，需要控制滾筒轉(zhuǎn)速，提高果蔬所受離心力，避免果蔬松動，產(chǎn)生更大誤差。

2.2.2 切絲精度分析。由圖1可知，切片物料順著出料通道沿著斜面向下滑移，物料即受到重力、反向摩擦力和圓盤切絲刀具作用的向下摩擦力，而切絲尺寸設(shè)計，只是受到圓盤刀片間隙布置影響，因此，通過調(diào)節(jié)刀片間隙，實現(xiàn)切絲尺寸控制。從結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律分析，切絲的系統(tǒng)誤差非常小，可忽略。因此，切絲尺寸理論上非常接近圓盤刀片間隙，而切片物料的兩端的絲狀果蔬的尺寸則不可控，其受果蔬形狀影響，屬于來自果蔬的不可控誤差，不在考慮范圍內(nèi)（針對該類切制果蔬的成品，可以考慮剔除）。

2.2.3 切丁精度分析。上文2.1節(jié)分析了切丁斷面形狀受果蔬材料進給速度﹑橫切刀轉(zhuǎn)速﹑切刀形狀等各個參數(shù)的影響。通過建立切丁斷面曲線方程，使得切丁斷面曲線呈對稱型，結(jié)合圓筒轉(zhuǎn)速、圓盤刀切絲轉(zhuǎn)速，從而確定橫切刀轉(zhuǎn)速。

但是，通過實驗發(fā)現(xiàn)，切丁尺寸實際誤差較大，根據(jù)相關(guān)參考資料發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)人員只研究了斷面尺寸降低曲線底部到端部誤差，而關(guān)于整個切丁長度未作具體分析，導(dǎo)致實際尺寸大于理論設(shè)計值。根據(jù)斷面方程發(fā)現(xiàn)物料進給速度為切片的物料輸出速度，而實際物料是做加速運動，其在切絲刀具作用沿斜坡向下絲狀果蔬受到切絲刀具兩邊沿斜面向下摩擦力，同時受到重力和沿斜面運動方向反向摩擦力。因此，筆者認為需要進一步對從切片出料的初始位置到切丁的終點位置的運動狀態(tài)進行分析，將得出新的切丁初速度代入切丁斷面曲線方程中，進一步優(yōu)化橫切刀轉(zhuǎn)速，提高切丁精度。

由于獲取速度的難度大，且僅依靠分析過于復(fù)雜，可在出料下側(cè)安裝激光位移傳感器，高效測算果蔬輸出速度，以此代入切丁斷面曲線方程，優(yōu)化橫切刀轉(zhuǎn)速。更進一步，可以利用多傳感器設(shè)計橫切刀轉(zhuǎn)速實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將切丁斷面曲線方程轉(zhuǎn)換成算子，輸入檢測實時出料速度，通過該算子，對橫切刀轉(zhuǎn)速進行實時控制，以此實現(xiàn)提高切丁精度的目的。

3 結(jié)語

本文對國內(nèi)三維果蔬切丁機的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點進行比對分析，并針對常用立體三維切丁進行原理與部件介紹，進而提出存在的問題，并介紹了現(xiàn)有的解決思路，最后，對三維果蔬切丁機切片、切絲和切丁精度進行了分析，針對切丁尺寸控制不足，提出物料移動速度檢測，并對切丁刀具進行轉(zhuǎn)速補償?shù)难芯克悸罚瑸檫M一步提高切丁尺寸和斷面形狀精度提供理論依據(jù)，可助其提高作業(yè)質(zhì)量。