挂浆肉块分离机设计_刘晓阳.pdf

MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师挂浆肉块分离机设计刘晓阳，范雨婷，张元祥（衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州 324000）0引言随着“懒宅经济”兴起，“预制菜”凭借方便、快捷、健康、美味等特点逐渐发展，出现在大众视野当中。在市场需求和资本青睐的双重驱动下,预制菜品作为高增长的新兴赛道,产业规模已达1000亿元,深刻影响了人群的生活方式1-3。小酥肉、鸡米花等挂浆油炸类产品作为常见的小吃深受人们喜爱，但现如今食品生产线上，它们的制作主要依靠人工来实现。在制作步骤中，上浆是制作它们的关键工艺环节，肉条经过挂浆，油炸后不仅可以留住肉中水分，还使得成品外酥里嫩、金黄香脆、酥脆可口4，但是这也使得肉块入锅前需要增加分离的步骤使得加工难度增加，因为员工需要一块块地将带面糊的肉块从面浆中取出放入油锅，如果一起放入会使得肉块全部粘在一起。这不仅给员工带来繁重的体力劳动,而且由于疲劳、注意力分散将会造成一定的危险发生。要将小酥肉、鸡米花等小吃做成大批量生产的预制菜，最重要的就是入油锅前挂浆肉块的分离工作。现如今的挂浆肉块类产品自动化生产线，基本是半人工半自动化生产，人工主要体现在肉块的分离中，其存在最明显的问题是如何实现肉块分离。人工抓取肉块分离虽然存在费时费力问题，但是其抓取可靠，基本可以满足准确抓取的生产要求。自动化分离能够最大化解决效率问题，但生产研发上最大的问题是容易造成肉块堵塞，由于肉块输出上大小、密度等各种因素的差异，很难实现准确对应的分离，会增加生产的时间成本等，并且，因为单一步骤上的问题，也易导致后续生产不能正常运行等系列生产障碍。目前，市场上挂浆肉块自动分离的生产机械装备在食品生产线上应用较少，本文以挂浆肉块分离为研究对象，对挂浆肉块自动化分离装置进行设计，实现生产效率不低于300 个/min的肉块自动化分离，并且保证分离肉块的成功率不低于90%，且使得肉块保持均匀完整，由此降低生产成本，增加厂家在市场中的占有率，使其更有市场竞争力。1挂浆肉块分离机的工作原理通过对挂浆肉块的特点进行分析，确定了挂浆肉块分离机的工作原理并设计出了挂浆肉块分离机的三维模型，如图1所示。摘要：小酥肉、鸡米花等挂浆肉块类预制菜产品深受人们喜爱，目前主要依靠人工来生产，尤其是挂浆肉块入油锅前的分离工作，生产效率低，人工成本高。文中基于限流、错位、差速和分流等方法设计了一种挂浆肉块分离机，并介绍了这一装置的进料装置、第一级传送装置、第二级传送装置和油炸装置，以及一些的重要装置的参数。该设备能够实现挂浆肉块的自动化分离与炸制，大大节省了生产成本，同时也提高了这类预制菜产品的生产效率。关键词：预制菜；机械设计；自动化中图分类号:S 375文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08007604Design of the Separator for Hanging Pulp Meat PiecesLIU Xiaoyang,FAN Yuting,ZHANG Yuanxiang(College ofMechanical Engineering,Quzhou University,Quzhou 324000,China)Abstract:Prefabricated dishes products such as crispy pork and popcorn chicken are very popular.At present,theymainly rely on manual production in the food production line,especially the separation work before the meat is put intothe oil pan,which leads to low production efficiency and high labor cost.In this regard,based on current limiting,dislocation,differential and diversion methods,a pulp hanging meat separator is designed.This paper introduces thefeeding module,the first stage conveyor,the second stage conveyor and the frying device of this device,as well as thefinite element analysis of some important mechanisms.This equipment can realize the automatic separation and frying ofmeat pieces with pulp hanging,which greatly saves the production cost and improves the production efficiency of this kindof prefabricated dishes products.Keywords:prefabricated dishes;machine design;automation图 1挂浆肉块分离机1.进料装置 2.第一级传送装置 3.第二级传送装置 4.油炸装置432176MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师该装置全长约为6.5 m，宽约为1 m，通过进料装置中搅拌棒的搅动和出料口收窄限流对肉块进行初步的分离，使肉块以列的形式进入第一级传送装置。由于进料装置的出料口与第一级传送装置传送带之间设置了高度差，因此前后相互粘连的肉块落到第一级传送带时，前面先触碰到传送带的肉块，会与传送带产生摩擦，在传送带的带动下获得一个水平初速度，由此实现肉块的前后分离（此时肉块实现了前后分离，左右之间的肉块还 存 在 粘 连 现象），如图2所示。第二级传送装置用于实现相邻肉块之间的左右分离，其设有挡板并且与第一级传送装置之间有一定的角度错位（45），此设计目的是为了使得肉块从第一级传送装置传出后，下落至第二级传送装置的传送带时，由于肉块与挡板呈45角，左右相互粘连的肉块被挡板隔开，由此使得肉块左右分散得更加彻底，如图3所示。第二级传送装置输出后肉块进入油炸装置进行炸制并出锅。2挂浆肉块分离机的结构设计2.1进料装置进料装置如图4所示。进料装置采用机械自动进料，通过对进料量以及进料速度进行控制，将肉块以单列的形式传递到后面的装置上，以便于装置后续的分离和油炸操作。该装置主要利用物体自重实现自动进料，同时设有搅拌轴用于控制进料速度与进料量，其旋转速度具有一定的要求，过慢会导致面浆的流失，过快会导致肉块堆积堵塞在进料箱的出口。为了使肉块能在进料箱短暂滞留，不会全部进入腔体下部，腔体上部设计为圆弧形状。根据实验得出，在圆弧半径R800 mm时，能满足要求。为了将肉块挤出腔体，出口宽度约为5 cm，大于一个肉块宽度并小于两个肉块宽度，同时还可以对肉块进行一定的物理分离。为了防止出口堵塞，进料箱出口下方设有一对分离轴5，由两个传送比为1的齿轮和一对滚花辊组成，如图5所示。通过齿轮传动使滚花辊对向旋转，由于滚花辊上布满了突起小丘，肉块经过时会增加接触摩擦力，促进肉块下落，避免肉块在箱体内堵塞。2.2第一级传送装置第一级传送装置如图6所示。由于进料装置的分离轴与本装置的传送带间隔180 mm，使得肉块掉落到传送带上有一定的时间间隔，传送带可以因此通过一定的传送速度带动先落下的肉块运动，使得每次下料的肉块之间具有一定的间距，由此用于实现肉块的第二次分离并且将肉块运输到下一级装置。传送带两端的滚轮，通过在运动轴上套上橡胶筒，增加传动摩擦力，防止打滑，如图7所示。在满足刚度和强度的要求下，运动轴直径d1选择为40 mm，橡胶筒外直径d2为100 mm。由于带传动需要张紧，且张紧需要在安装完毕后进行，为此在传送带中部两侧设计两块可拆卸的钢板，用普通螺栓连接在机架上，安装时先将宽松的皮带装好，然后调节张紧轴安装板使皮带张紧。变速箱用于调节电动机的输出速度，由此来改变第一级传送装置的传送带速度，用于保证每次进料装置输出的肉块之间具有合适的间距，并且可以通过调节传送带速度来分离裹有不同黏稠度面浆的肉块。2.3第二级传送装置第二级传送装置如图8所示。此装置用于实现肉块的第三次分离并且将肉块传送至油炸装置进行炸制。由于第二级传送装置与地面之间具有一定的倾角，传送带需要更大的拉力，因此第二级传送装置的传送带输入轴处的尺寸半径应比第一级传送装置的大，在满足刚度和强度的要求下，此传送带输入轴处的直径为200 mm。第二级传送装置的传送带设有挡板6并且与第一级传送装置产生45角的位错，是为了实现肉块下落到第二图2第一级传送装置肉块分离示意图左右后前图3第二级传送装置肉块分离示意图图4进料装置4567321981.进料箱 2.搅拌轴 3.轴承座4.支撑架 5.滚花辊 6.传送齿轮7.带轮 8.皮带 9.进料电动机图5滚花辊图6第一级传送装置1.张紧轮 2.传送带 3.支撑架 4.变速箱 5.皮带轮 6.电动机345216图7传送带滚轮R50图8第二级传送装置345211.传送带 2.电动机 3.收集箱4.冲洗装置 5.支撑架77MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师（下转第81页）级传送装置时，通过挡板分隔肉块来实现肉块之间的左右分离，同时挡板还有方便肉块运输的作用。挡板之间的宽度设置保证只有一个肉块可以进入，并且为防止肉块滑落，其高度应近似于肉块高度，由此确定为30 mm。因为传送带涉及面糊结块、空间狭窄等因素,造成传送带清理维护困难,人工清理方式不能方便地对其进行清理7-9。传送带下设有清洗装置，冲洗残留面糊。水管一侧为封闭结构，水由另外一侧进入，通过清洗装置的小孔借助水压喷出，由此来冲洗传送带，在整个机构下方也设置了废水的收集装置。2.4油炸装置油炸装置如图9所示。此装置主要用于肉块的炸制工作。油炸装置的传送带由不锈钢材质的链板组成10，用以承受油锅的高温，每块链板之间留有一定的空隙以防热膨胀产生的影响。链板上设有小孔，利于出锅时沥掉残留的油。传送带上的挡板主要用于带动肉块在油锅运动，确保熟肉块能够出锅。3主要零部件设计3.1进料装置皮带轮直径进料装置选择定制双层的带轮进行传动，通过电动机输出同时驱动搅拌器和滚轴转动。搅拌器与电动机的传动比i1=1:2，滚花辊与电动机的传动比i2=1:3。定制双层带轮直径D带轮=40 mm，搅拌器处带轮直径D搅=80 mm，滚花辊处带轮直径D滚=120 mm。各带轮的宽度均为x皮带轮=40 mm。3.2滚花辊与搅拌轴的转速结合传送带速度和实际搅拌效果，选择搅拌轴转速n1=10 r/min。根据实际情况实验得出，搅拌器和滚轴的速度配比接近1:1.5最佳，最终确定两滚轴转速n2=15 r/min。3.3滚花辊的选择根据设计使用需要两滚轴间距离需略小于肉块宽度，这样才能有足够的压力与摩擦力促使肉块下落，根据实验结果得出，滚轴中心线距离s为46 mm时，下肉效果最好。在满足刚度和强度要求的前提下，选择滚轴直径为20 mm。由于两轴需要等速对转，故带动两轴旋转的齿轮传动比为1，由于两轴对称分布，所以滚轮中心线的距离就是齿轮的中心距离，由于传动比为1，所以两个齿轮的模数与齿数是相同的，如此中心距的计算公式可以转化为a=（z1+z2）m2=mz1。（1）式中，a为齿轮的中心距，46 mm。经过实验测试，最终选用模数m为2、齿数z为23的直齿齿轮来满足使用需要。3.4传送带速度在第一级传送装置向第二级传送装置运输的过程中，为防止肉块堆积，两装置的传送带需要有一定的速度差11。已知每列肉块基本有6个左右，每个肉块的大小基本为30 mm30 mm40 mm，若设置每分钟需要360个肉块下油锅，则传送带需前进1800 mm,但由于每列的肉块个数不确定，可能会少于6个，故因此提供300 mm的余量，由此可得第二级传送装置的电动机角速度应为=sD t。（2）式中：s为传送带的运行距离，2100 mm；D为第二级传送装置的滚轮直径，200 mm；t为运行时间，60 s。计算得=3.34 r/min。由于第一级传送装置的滚轮直径为第二级传送装置的一半，故可得第一级传送装置的传送带的角速度应设为6.68 r/min。3.5第二级传送装置的传送带宽度由于第一级传送装置与第二级传送装置之间有45角的错位，肉块从第一级传送装置传出可以视为平抛运动，为使肉块平抛后可以全落在第二级传送装置的传送带上，则此传送带需要加宽。首先需要得知肉块的下落时间t，计算公式为t=2h/g。（3）式中：h为肉块平抛下落的高度差，300 mm；g为地球重力加速度，9.8 m/s2。计算得t=7.82 s。所以肉块的水平位移x为x=v t。（4）式中：v为第一级传送装置的传送带线速度，11.13 mm/s，t为肉块的下落时间，7.82 s。计算得x=87.04 mm。由以上所得，第二级传送装置需加宽的长度b为b=2 x。（5）式中：x为肉块的水平位移，87.04 mm。计算得b=123.09 mm。5结语通过对挂浆肉块分离机的工作原理进行分析，并根据挂浆肉块在分离时存在的难点，设计了合理的挂浆肉块分离装置，并确定了主要零部件的尺寸及功能。通过模拟测试，所设计的挂浆肉块分离机结构稳定、运行平稳，完全实现了自动化生产，机器可以融入制作流水线，分离肉块成功率高于90%，且肉块均匀完整，并且工作效率高，能够超过3个工人的工作效率，可成功解决人工分离效率低、工作环境对人体造成损害等弊端，同时降低生产成本，满足了大批量生产的要求。参考文献1ZHANG B L,RUAN H R,ZENG Q X,et al.Current Situationsand Future Directions:a Brief Analysis of Prefabricated DishesIndustriesJ.Frontiers in Economics and Management,2022,3(5):480-485.图9油炸装置342151.传送带 2.皮带轮 3.电动机4.油箱 5.支撑架78MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师（上接第78页）2王金虎,刘畅,张建军.预制菜开启餐饮消费新模式J.中国食品工业,2022(8):51-52.3王娟,高群玉,娄文勇.我国预制菜行业的发展现状及趋势J.现代食品科技,2023,39(2):99-103.4刘雅宁,张莹,袁波,等.不同淀粉浆配方对小酥肉产品的影响研究J.肉类工业,2021(8):42-47.5ARUDE V,DESHMUKH S P,PATIL P G,et al.Application ofRSM to Optimise Single Locking Cotton Feeder for EnhancingGinning Efficiency of Double Roller GinJ.Indian Journal ofFibre and Textile Research,2019,44(1):16-23.6王东文.一种链条驱动橡胶传送带卸货的特殊结构半挂车技术研究J.专用汽车,2021(11):54-57.7王振国,刘勇,吴泉兰.链板输送带自动清洁进给装置J.轻工科技,2019,35(2):60-61.8Anon.Martin Engineering Debuts Automated Conveyor BeltCleanerJ.Rock Products,2021,124(4):36.9张学勇,金晓龙,王增利.链板输送机挡料板优化设计J.工程机械,2021,52(5):30-32.10沈永松.链板-链条输送机的设计及推广应用J.轻工机械,2006(1):129-131.11ZENG F,YAN C,WU Q,et al.Dynamic Behaviour of a ConveyorBelt Considering Non-Uniform Bulk Material Distribution forSpeed ControlJ.Applied Sciences,2020,10(13).（编辑邵明涛）作者简介：刘晓阳（2002）,男,本科生,机械设计制造及其自动化专业；范雨婷（2002）,女,本科生,机械电子工程专业；张元祥（1982）,男,博士,教授,硕士生导师，主要研究方向为机械设计。收稿日期：2022-08-23图6距燃烧器出口3 mm位置速度云图（a）燃烧器（无炉头）（b）燃烧器及炉头1（c）燃烧器及炉头2降，燃气压力能转换为燃气动能8-9。由图6可以得出，燃烧器不安装炉头时，内部存在较大范围的负压区域，最小静压约为-150 Pa；安装炉头1时，轴线处的静压均大于0 Pa；安装炉头2时，轴线处的最小静压约为-15 Pa。高压燃气射入燃烧器，由于压力势能转换为动能，静压最小值均出现在燃烧器收缩段的喉口位置。然后，静压又逐渐上升。由于安装炉头，增加了燃气流动阻力，使得燃烧器出口压力大于0 Pa，能够有效避免外部气体回流，在实际燃烧反应过程中，可以降低回火风险。与炉头2相比，炉头1有较小的通流面积，导致安装有炉头1的燃烧器内部压力较高。3结论本文通过仿真模拟的手段分析了燃烧器引射性能以及两种不同结构炉头对燃烧器流场的影响，为相类似燃烧器的选型设计提供了一定经验分析，总结如下：1）介绍了现有的燃烧器的流场情况；2）对比分析了两种不同结构炉头对燃烧器的引射性能以及燃气流动的影响，炉头的存在能够优化燃气分布；炉头1的通流面积比炉头2小，会导致引射系数减小，但能够使甲烷与空气混合更均匀。为改进燃烧器结构提供一定的借鉴参考。不同结构型式的炉头影响燃烧器引射性能，进而影响火焰燃烧。在选取燃烧器时，要综合各方面因素，尽可能使燃气混合充分，燃烧器处于最佳工作状态。参考文献1同济大学,重庆大学,哈尔滨工业大学,等.燃气燃烧与应用M.北京:中国建筑工业出版社,2011.2赵静野,孙厚钧,高军.引射器基本工作原理及其应用J.北京建筑工程学院学报,2001(3):12-15.3金志刚.燃气应用理论与实践M.北京:中国建筑工业出版社,2011.4王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用M.北京:清华大学出版社,2004.5倪娟娟,张海军.大气式燃烧器内引射器的数值模拟与实验研究J.上海煤气,2012(2):22-25.6尚阳,王跃社.单喷嘴低压引射器的结构设计与数值分析J.化工进展,2017,36(增刊1):107-114.7方媛媛,郭全,傅忠诚.低压大气式燃烧器中引射器的数值模拟J.北京建筑工程学院学报,2006,22(4):55-58.8冯良,刘鲲,韩国园,等.大气式燃气燃烧器引射器的CFD研究J.上海煤气,2003(2):13-16.9钟芬,高乃平,魏敦崧,等.大气式浓淡燃烧器低压引射器的设计与研究J.上海煤气,2015(4):28-33.（编辑邵明涛）作者简介：郝振东（1993）,男,硕士,助理工程师,研究方向为动力工程。收稿日期：2022-09-01图7轴线位置压力分布情况静压/Pa-2000-100-50-150501001502002503002.3112.093.775.457.238.920.6喷嘴至出口距离/mm燃烧器（无炉头）燃烧器及炉头1燃烧器及炉头281