超高壓純水射流切割羊胴體試驗(yàn)

曲玉棟 韋志超 張 的 蘇吉鑫 陳正文 李 欣

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司,安徽 合肥 230031)

中國是肉類食品生產(chǎn)消費(fèi)大國,其中羊肉因具有低脂高蛋白等特點(diǎn)而深受人們喜愛[1-3]。羊胴體分割是生羊屠宰的一項(xiàng)重要工藝,是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)羊肉產(chǎn)品的重要步驟。目前,中國在羊胴體切割機(jī)械化方面已有相關(guān)研究[3-4],但由于技術(shù)不成熟,機(jī)械化分割的規(guī)模很小,仍以人工分割為主[5-6]。機(jī)械化分割應(yīng)用較少的一個(gè)重要原因是現(xiàn)有刀具在切割羊胴體時(shí),羊肉的損耗太大[7]。

通過高壓水發(fā)生裝置將水加壓后通過噴嘴噴射出去,形成極細(xì)的具有打擊力的射流,即超高壓水射流。利用超高壓水射流進(jìn)行切割作業(yè),即水射流切割,俗稱“水刀”。水射流切割技術(shù)對材料的無選擇性在很多領(lǐng)域嶄露頭角。國外已有利用水射流甚至冰射流進(jìn)行食物加工[8]的技術(shù),用于切割牛胴體[9]、無骨雞胸肉[10]、帶骨畜牧肉[11]、魚片[12]等,并對此進(jìn)行了大量的試驗(yàn),給出了詳細(xì)的切割工藝參數(shù)。中國在這一領(lǐng)域的研究較少,鮮見相關(guān)試驗(yàn)及論著。研究擬用超高壓水射流為刀具進(jìn)行羊肉切割分塊,針對羊胴體不同部位進(jìn)行試驗(yàn),分析結(jié)果并給出有生產(chǎn)意義的切割參數(shù),驗(yàn)證利用水射流切縫細(xì)小的特性來減少羊肉切割損耗的可行性。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 超高壓水射流機(jī)理 典型水射流形態(tài)結(jié)構(gòu)包括初始段、轉(zhuǎn)折段、基本段及消散段等階段。如圖1所示:初始段和轉(zhuǎn)折段的流速和能量密度很高,從轉(zhuǎn)折段開始,基本段和消散段的射流形狀開始向外擴(kuò)散,射流流度降低。因而用于水射流切割的主要為初始段[13]。

圖1 典型水射流形態(tài)結(jié)構(gòu)

1.1.2 超高壓水射流切割設(shè)備 超高壓水射流切割試驗(yàn)裝置主要由龍門式水射流切割機(jī)床、超高壓發(fā)生裝置、控制臺及供水裝置組成。經(jīng)過濾、軟化的純凈水通過超高壓發(fā)生裝置升壓,通過管路連接到龍門機(jī)床上的五軸水切割刀頭。切割試驗(yàn)設(shè)備的主要性能參數(shù)為:最大壓力450 MPa,流量3 L/min,噴嘴直徑3 mm。

1.2 羊胴體切割試驗(yàn)方案

羊胴體切割不同于一般工業(yè)材料的切割,肉類切割更強(qiáng)調(diào)高效、低損耗,而不是強(qiáng)調(diào)切縫質(zhì)量,快速、整齊、低損耗是主要目標(biāo)。主要的試驗(yàn)項(xiàng)目包括:無骨羊肉切割、羊排切割、羊脊柱切割、羊腿切割、羊頸部切割和剔骨取肉6項(xiàng),試驗(yàn)將分別探究適于這些項(xiàng)目切割的水射流參數(shù),并最終對水射流切割羊胴體的可行性給出結(jié)論。

1.2.1 射流型式的確定 純水射流對材料無選擇性且不帶來新的污染源,因此有廣泛的適應(yīng)性。但純水射流對壓力要求高、而效率低,所以常常在射流中引入磨料來提高水射流的作用效果。由于試驗(yàn)材料為食用類的羊肉,為保證羊肉的食品安全,避免磨料等產(chǎn)生污染,因此采用純水射流方案。

1.2.2 噴嘴型式的確定 磨料射流噴嘴在水噴嘴后多具有一耐磨的砂噴嘴用來噴射磨料射流,該類噴嘴因水通過水噴嘴噴射后射流與砂噴嘴摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量,在切割肉類時(shí)會部分燙熟,因此不宜采用。而帶骨羊肉(如羊排)有較大凹陷或凸起結(jié)構(gòu),為避免在切割凹陷處羊肉時(shí)、噴嘴移動過程中噴嘴固定機(jī)構(gòu)碰到周圍凸起的羊肉,故在動物胴體切割中,選用帶有長直壓力段的水噴嘴型式為宜(見圖2)。

圖2 帶有長直壓力段的水噴嘴結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)參數(shù)的確定

除射流型式、噴嘴型式外,影響水射流羊胴體切割效率的參數(shù)還有:切割壓力、流量(噴嘴直徑)、切割靶距、切割速度、被切割物(羊肉)的特性等。

1.3.1 切割壓力 先通過試驗(yàn)找出切割羊肉的最低壓力(即門限壓力),再明確壓力對羊肉切割的影響,確定合適的切割壓力參數(shù)。

1.3.2 噴嘴直徑 由如式(1)所示的噴嘴直徑與射流壓力及射流流量的關(guān)系式計(jì)算得出:

(1)

式中:

d——噴嘴直徑,mm;

q——射流流量,L/min;

μ——噴嘴流量系數(shù),按噴嘴型式選取μ=0.82;

p——射流壓力,MPa。

1.3.3 切割靶距 水射流切割的最佳靶距一般為5～15 mm,由于試驗(yàn)要求為整齊切斷即可,不十分強(qiáng)調(diào)切縫質(zhì)量,故切割靶距可以適當(dāng)放寬。而且對于一定的切割速度,切割靶距越高可以切割羊肉的厚度越大,意味著同一設(shè)備、同一參數(shù)可以適用不同規(guī)格的羊肉而不必頻繁調(diào)整,因此,適宜切割速度下的最大切割靶距也是試驗(yàn)關(guān)注的一個(gè)重要參數(shù)。

1.3.4 切割速度 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),切割速度太慢會影響效率;切割速度太快一是不易實(shí)現(xiàn),二是容易產(chǎn)生人身及設(shè)備安全問題。對比現(xiàn)有羊肉切分機(jī)械刀具進(jìn)給速度800～1 200 mm/min[14]50-52[15]10,30-31,50,選取1 000～2 000 mm/min為試驗(yàn)速度區(qū)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無骨肉切割

試驗(yàn)表明,在壓力50 MPa、距肉靶距5 mm時(shí),即可以800～1 000 mm/min的速度切割50 mm厚的羊肉。但由于羊肉并非均勻材料,且在水流的沖擊下羊肉的不同組織會產(chǎn)生不同程度的形變,遠(yuǎn)離夾具直接夾持部位的羊肉組織會隨著水流的沖擊擺動、震顫,因此水射流在切透羊肉從羊肉組織穿出時(shí),會產(chǎn)生大范圍大幅度的紊流,使得羊肉底部的切口很不整齊,產(chǎn)生類似于“碎布頭”一樣部分切斷、部分粘連的羊肉組織,形成感官極差的“爛肉”。同時(shí),搖擺、震顫的羊肉組織也會消耗水射流的能量,大幅降低切割效率。提高射流壓力可以提高切割速度,但對于切口的整齊性,沒有太大作用。

因?yàn)槔鋬鲅蛉廨^常溫羊肉堅(jiān)硬很多,對超高壓水射流而言,水流在穿過冷凍羊肉時(shí),羊肉組織被凍住固定因此不會受到大的干擾,能量損失較小,不但速度更快,且切口干凈整潔,切割效果不但較切割常溫羊肉好很多,也比現(xiàn)有機(jī)械切割和人工切割的效果好很多。因此,采用水射流切割羊肉,較適合切割冷凍羊肉。

以厚度為50 mm的冷凍羊肉為試驗(yàn)對象,保持射流型式、噴嘴型式、噴嘴直徑、切割靶距(5 mm)不變,改變切割壓力,測試不同壓力下,切透冷凍羊肉所能達(dá)到的最大速度,其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同壓力下的最大切割速度

由圖3可知,達(dá)到門限壓力50 MPa以后,切透羊肉的最大切割速度與切割壓力成正比,即壓力越大,速度越高?？紤]到市場上水刀設(shè)備的工作壓力多為380,420 MPa,故選取試驗(yàn)切割壓力為350 MPa。由于降低壓力會降低切割速度,因此在后面的試驗(yàn)中,將以350 MPa為試驗(yàn)壓力[由式(1)得噴嘴直徑d=0.3 mm],討論在切割不同的羊酮體部位時(shí),切割靶距與切割速度之間的關(guān)系。

對于60 mm厚度的無骨羊肉,在壓力350 MPa、距肉靶距5 mm時(shí),切割速度可達(dá)到2 500 mm/min以上。壓力350 MPa、距肉靶距180 mm時(shí),切割速度仍然可達(dá)到1 600 mm/min。

350 MPa下,靶距為5,15,30,50,80,100 mm的羊肉切割質(zhì)量趨于一致,切面光滑,邊緣清晰完整。靶距達(dá)到100 mm以上時(shí),羊肉切面依然光滑,與低靶距下效果相當(dāng),但羊肉邊緣特別是上表面附近,切口開始毛糙、局部羊肉有擠壓現(xiàn)象。因此,羊胴體切割靶距應(yīng)盡量保持在100 mm以內(nèi)。

由于羊的個(gè)體偏小,很難找到更厚的無骨羊肉,但就切割的切口質(zhì)量及射流穿出羊肉后的射流形狀來看,在350 MPa壓力下,可以輕松切透200 mm甚至更厚的無骨羊肉。可以說,在冷凍羊肉的切割中,無骨羊肉不是影響切割效率的主要因素。

2.2 羊排切割

對于骨厚度6～10 mm、總厚度約35 mm的羊排,在350 MPa壓力下,近脊端羊排內(nèi)側(cè)朝上(距骨靶距5 mm)時(shí),速度最高可達(dá)2 300 mm/min。而羊排外側(cè)朝上(距骨靶距35 mm)時(shí),速度最高僅能到達(dá)2 000 mm/min。這是因?yàn)檠蚺诺难蛉獯蠖喔街谘蚺殴峭鈧?cè),羊排骨內(nèi)側(cè)僅一層筋膜。羊排內(nèi)側(cè)朝上,水射流噴頭距羊排骨的靶距可以更近,水流在抵達(dá)羊排骨時(shí)能量損失小,切割速度快、效率高。但是水射流切透羊排骨后水流紊亂,會將附著在羊排骨上的羊肉撕裂扯碎,導(dǎo)致羊排骨切口整齊而羊肉切口不齊。反之,羊排外側(cè)朝上,雖然由于羊肉阻隔,水射流噴嘴距羊排骨的靶距增大,切割速度有所下降,但羊肉和羊排的切口都非常整齊,更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于羊骨是切割速度的主要限制因素,因此在后續(xù)試驗(yàn)中將距肉靶距改為距骨靶距。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):羊排骨在不同位置的硬度、厚度、結(jié)構(gòu)組織不同。遠(yuǎn)脊端(遠(yuǎn)離脊柱的一端)羊骨的硬度遠(yuǎn)大于近脊端(接近脊柱的一端),這導(dǎo)致羊排骨在近脊端和遠(yuǎn)脊端的切割難度不同,在相同的條件下,水射流切透近脊端羊排的靶距遠(yuǎn)大于切透遠(yuǎn)脊端的。當(dāng)壓力為350 MPa、速度為2 000 mm/min時(shí),水射流切透近脊端羊排的距骨靶距最大可以達(dá)到80 mm。而同一塊羊排的遠(yuǎn)脊端,距骨靶距超過35 mm即無法切透。當(dāng)壓力為350 MPa、速度為1 600 mm/min時(shí),水射流切透近脊端羊排的距骨靶距最大可以達(dá)到120 mm。而遠(yuǎn)脊端在距骨靶距超過60 mm時(shí)即無法切透。這意味著在相同速度下,切割近脊端可以切割更厚的羊排,而在同樣的厚度下,切割近脊端可以獲得更快的切割速度。

試驗(yàn)測得切透羊排近脊端、遠(yuǎn)脊端的最大靶距與速度關(guān)系如圖4所示。

圖4 羊排切割距骨靶距與切割速度關(guān)系圖

由于羊肉不是限制切割速度的主要因素,因此對于更厚的羊排,只要羊骨的厚度與試驗(yàn)材料相當(dāng),那么富余的距骨靶距范圍內(nèi),水射流完全可以完成多出的純羊肉的切割。因此可以據(jù)圖4得出結(jié)論,不論近脊端還是遠(yuǎn)脊端,對于厚度不超過80 mm羊排,在350 MPa壓力下的切割速度大致可以達(dá)到1 600 mm/min,已可滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。從提高效率的角度,選擇切割路徑時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇近脊端。

2.3 羊脊柱切割

羊脊柱處厚度60 mm,大約是羊排厚度的2倍,其中脊柱直徑約20 mm。當(dāng)壓力為350 MPa、速度為1 200 mm/min時(shí),水射流切透羊脊柱的距骨靶距最大可以達(dá)到120 mm,比同條件下的羊排近脊端切割最大距骨靶距140 mm略低。當(dāng)速度為1 600 mm/min時(shí),水射流切透羊脊柱的距骨靶距最大可以達(dá)到100 mm,仍然與同條件下的羊排近脊端切割最大距骨靶距120 mm接近(圖5)。這是因?yàn)檠蚣怪谋砻嬗捕扰c羊排相近,雖然羊脊柱的骨頭厚度較羊排的厚很多,但是羊脊柱內(nèi)部組織卻比羊排的軟,而且羊脊柱內(nèi)部細(xì)密的小孔狀結(jié)構(gòu)相較羊排骨內(nèi)部的蜂窩狀結(jié)構(gòu)而言,對水射流的分散影響更小,在切割過程中水射流更加集中,能量損耗更小。因此,雖然羊脊柱更厚,但并不更加難以切割,相同切割速度下最大距骨靶距與切割羊排近脊端時(shí)大致相近。

圖5 羊脊柱切割與羊排切割的靶距比較

值得注意的是,羊脊柱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同斷面的性質(zhì)差別較大,因此選擇結(jié)構(gòu)簡單、骨截面積小的切割路徑對提高切割速度有很大幫助。

2.4 羊腿骨切割

羊腿骨是比較硬的部位,切割難度較大。骨直徑20 mm、總厚度60 mm的羊腿,在壓力350 MPa、距骨靶距10 mm時(shí),切透的最大速度僅為100 mm/min。而如果只要求切透羊腿骨的上半圈,同樣壓力靶距條件下,切割速度可以到達(dá)500 mm/min。水射流切斷羊腿骨上半圈后,水流即呈扇形散射,無法集中成一條直線對下半圈的羊腿骨形成有效切割力量。通過水射流切割羊腿骨后的水流形狀不難判斷,水射流切斷羊腿骨效率低的主要原因在于:水射流切透上層腿骨進(jìn)入腿骨中空部位后,射流靶距突然增大,同時(shí)部分射流沿腿骨形成漩渦,水射流變?yōu)檠蜎]射流[16](圖6)。此時(shí)切割腿骨下層的水射流速度降低,能量衰減過大,無法完成切割任務(wù)。

圖6 水射流切割羊腿骨模型

從試驗(yàn)結(jié)果看,水射流切割羊腿骨只能采取兩面切割相結(jié)合的辦法,即切割完半圈羊腿骨再將羊肉翻轉(zhuǎn)180°后切割另外半圈,只有這樣切割速度才有保證。但這種方式,切割的長度會增加一倍,翻轉(zhuǎn)、找正的操作也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此,水射流不適于羊腿的切割。

2.5 羊頸部切割

面對硬度相似而中空結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多樣的羊頸部,水射流切割顯得更加無力。羊頸部直徑50 mm、總直徑100 mm的羊頸部,在壓力350 MPa、距骨靶距10 mm、切割速度10 mm/min時(shí),仍然無法切透,只能切穿15～20 mm深的骨頭。且由于水流在羊頸部的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)四處反濺,附著在羊頸部上的羊肉也被撕爛扯碎。水射流不能勝任羊頸部的切割工作。

2.6 羊腿剔骨取肉

由于羊肉和羊骨的硬度不同,找到一定組合參數(shù)可以將羊肉切除而不傷及羊骨,即實(shí)現(xiàn)剔骨取肉操作。通過試驗(yàn),在羊腿骨的剔骨取肉方面,水射流取得了很好的效果。在合適的壓力、靶距、速度配合下,水射流可以切開羊肉而不傷及羊骨,切開羊肉觸及羊骨后,水流受到羊骨阻擋四面散射又正好楔入羊肉與羊骨的縫隙,促使羊肉與羊骨更快地分離,大多數(shù)情況下甚至不需要將羊腿翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行另一面的剔骨操作,就能完全分離羊骨和羊肉。試驗(yàn)中剔骨操作后的羊骨光滑如鏡,切下的羊肉僅切縫處有撕裂現(xiàn)象,其他部位仍然完整,效果良好。

剔骨的壓力、靶距、速度參數(shù)有多種,其中一組數(shù)據(jù)為120 MPa、180～200 mm、3 000 mm/min。如降低壓力,縮小靶距,也可實(shí)現(xiàn)較好的剔骨效果,例如50 MPa、50～60 mm、2 000 mm/min,但由于遠(yuǎn)靶距可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的剔骨取肉,因而大壓力遠(yuǎn)靶距的參數(shù)相較于低壓力近靶距參數(shù)而言,效率更高,實(shí)際生產(chǎn)意義更大。

2.7 切縫與羊肉切割損耗分析

如文獻(xiàn)[14]47-50中,采用6 mm的三棱銑刀進(jìn)行羊肉切割,考慮到羊肉粘連及羊骨碎裂,羊肉損耗寬度應(yīng)在10 mm以上。對于銑刀類刀具,即便采用直徑更小的刀具,其損耗寬度也在厘米級別。文獻(xiàn)[15]46-49中,采用65 mm圓盤鋸進(jìn)行羊肉切割,計(jì)算得羊肉損耗率為1.53%。試驗(yàn)中水射流采用0.3 mm直徑水噴嘴,取切割羊腿骨試驗(yàn)后的樣本在顯微鏡下測量,切縫為0.3～0.4 mm。通過對不同部位切分前后測重,得出純羊肉切割損耗率為0.19%,羊排切割損耗為0.23%,羊脊柱切割損耗為0.22%;損耗可忽略不計(jì),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通機(jī)械刀具切割的羊肉損耗,說明了對水射流切割冷凍肉胴體有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

3 結(jié)論

(1) 對于冷凍狀態(tài)的羊胴體,超高壓純水射流在切割無骨羊肉、羊排、羊脊柱和剔骨取肉方面較現(xiàn)有方法有優(yōu)勢,速度快、效果好、羊肉損耗小。在壓力350 MPa下,以1 600 mm/min速度可以切割厚度200 mm以下的無骨羊肉和厚度80 mm以下的羊排、羊脊柱,完全可以替代現(xiàn)有機(jī)械刀具。在壓力120 MPa、距骨靶距180～200 mm、刀頭速度3 000 mm/min參數(shù)下可以較好地完成剔骨取肉工作。

(2) 超高壓純水射流在切割羊腿、羊頸部方面難以勝任。考慮到食材切割的特殊性,在今后的研究中,可以考慮冰射流或鹽射流切割,依靠冰粒、鹽粒提高水射流切割的效率,再進(jìn)行羊腿骨、羊頸部的切割試驗(yàn)。