绞肉机螺旋轴输送性能的数值模拟研究

童宝宏 许正华 宋 斌 孙 军 刘元倩

（1.安徽华菱西厨装备股份有限公司博士后科研工作站，安徽 马鞍山 243131；2.合肥工业大学机械工程博士后流动站，安徽 合肥 230009）

肉类食品加工用绞肉机通常由驱动电机、齿轮传动机构、螺旋轴输送机构、切割机构和其它辅助部分组成，图1为某型绞肉机基本组成的三维模型图。绞肉机工作时，螺旋轴在电机驱动下将喂入的肉料挤压输送到切割加工部位。螺旋轴的结构特征及绞肉过程中螺旋轴的转速大小对绞肉加工的质量影响明显。研究［1，2］表明，绞肉机螺旋轴的输送效率并不是随转速增加而增加，当速度达到一定值以后，效率反而下降。并且，当速度过高时，物料摩擦生热，出口处的压力升高，易引起物料变性，从而影响绞肉质量。

图1 绞肉机的基本组成Figure 1 Basic composition of meat grinder

螺旋输送机构是绞肉机供料系统的核心组成，肉料在螺旋输送通道内的流动情况决定了绞肉机的切割加工效率和肉制品加工后的品质状况。螺旋输送理论的相关研究成果［3，4］为开展绞肉机螺旋输送机构优化设计提供了重要的理论基础，而各种CAE 分析技术可为优化设计工作的实现提供有力支持。目前，各种计算流体力学（CFD）分析软件如Fluent等已经广泛应用于此类问题的研究中［5，6］。

在绞肉机螺旋轴的旋转挤压输送过程中，肉料在绞筒内的流动情况十分复杂，其流动状态不仅与肉料本身的物性因素相关，同时也与绞肉机的工况因素等有着紧密联系。因此，精确模拟肉料在绞筒内的流动情况难度很大。考虑到试验研究的重点目标是考察螺旋轴结构设计情况对其输送性能的影响，因此对螺旋输送流场模型进行简化，选择常规流体水为对象，结合两种不同结构尺寸螺旋轴构建相应流场模型。通过流场仿真考察螺旋轴表面的流速分布特征，对多种工况下螺旋轴的输送性能进行对比分析，并结合实测结果进行验证。

1 流场分析的基本理论与控制方程

在前述假设条件下，流体在绞筒内部的流动特性可以通过连续性方程、动量方程和湍流模型构成的封闭控制方程组来描述。

1.1 连续性方程

式中：

ux、uy、uz—— 分别为3个方向的速度分量，m／s；

t—— 时间，s；

ρ—— 密度，kg／m3。

引入哈密顿微分算子：

则式（1）可表示为

1.2 动量方程

动量方程是动量守恒定律的数学表达形式，其本质是满足牛顿第二定律，即对于一给定的流体微元，其动量对时间的变化率等于外界作用在微元体积上的各种力之和。据此，可以导出x、y 和z 3个方向的动量方程分别为：

这里，采用标准k－ε湍流模型与上述方程组构成封闭的方程组。

2 仿真模型的建立与分析

2.1 流场模型的建立与网格划分

为了考察此处所采用的流场仿真分析方法是否合理，选择两种螺旋轴结构进行仿真对比分析，三维模型图如图2所示。这两种螺旋轴都可以安装在同一台绞肉机上，其主要结构设计上的差别在于螺旋截面的形状不同，其中，螺旋轴A的螺旋叶片稍薄于螺旋轴B的叶片。

图2 螺旋轴结构设计模型Figure 2 Design models of screw shaft’s structure

图3为根据两种螺旋轴结构建立的流场分析模型。对流场模型进行网格划分时，采用分块划分的网格划分方法分别将流场模型分为3个部分，入口和出口段采用结构化六面体网格，螺旋轴区域采用非结构化四面体Tigrid网格划分。方案A 模型一共划分为1 567 515个网格，方案B模型一共划分为1 462 222个网格。

图3 流场模型的建立Figure 3 Modeling of flow field

2.2 边界条件的定义

采用压力入口边界，在进口面处，给定入口压力0.101 MPa；出口条件定义为压力出口边界，给定出口压力0.1 MPa。所有计算的固壁面采用无滑移边界条件。考虑到计算区域同时存在运动区域和静止区域，这里采用动参考系（MRF）模型。

2.3 仿真结果与分析

图4 方案A 旋轴表面的流速分布Figure 4 Flowing velocity distribution on screw shaft’s surface of model A

运行仿真模型，分别获得两种螺旋轴表面在不同转速工况时的流速分布情况，见图4和图5。由图4和图5可知，在螺旋轴表面上的不同位置，流速的差异比较明显。其中，流速较小部分多发生在流体入口段，该流段存在接近于流动死区的状态，图4（a）中的最小流速仅有4.76×10－4m／s。而流速较大部分主要发生在中段和出口附近，且多在螺旋轴外缘，图4（c）中的最大流速可达1.35m／s。

转速变化对流速影响明显，在100，300，500r／min 3 种转速下，方案A 螺旋轴表面的流速最大值分别为1.20，1.28，1.35 m／s，最小值分别为4.76×10－4，8.99×10－4，1.09×10－3m／s。而 采 用 螺 旋 轴B 时 这 两 组 数 据 分 别 为1.09，1.15，1.21 m／s和2.96×10－4，1.41×10－3，1.41×10－3m／s。可见，随着转速的增加，两种螺旋轴表面上流体的流速都有所上升，这表明螺旋轴随着驱动转速的增加输送能力也会增加。

通过对比流速分布图可以发现，方案B螺旋轴表面的流速最大值虽然都小于方案A 螺旋轴，但平均流速却明显高于方案A 螺旋轴。并且，方案A 螺旋轴表面流体流速的波动范围明显大于方案B螺旋轴，方案B螺旋轴表面的流速分布相对均匀。

为了考察两种螺旋轴的实际应用情况，这里对这两种螺旋轴实际绞肉效果进行了对比分析，如图6所示。

图5 方案B螺旋轴表面的流速分布Figure 5 Flowing velocity distribution on screw shaft’s surface of model B

图6 试验对比分析Figure 6 Comparing of tests

图6（a）中，肉料经孔板挤出后呈泡沫或团絮状，肉料流出的连续性不佳；而在图6（b）中，肉料呈棒条状被连续挤出孔板，流通性较好。对比可知，方案B 螺旋轴的绞肉效果要明显好于方案A 螺旋轴。方案A 螺旋轴在绞肉过程中出现了堵塞现象，肉料在绞筒内因输送不畅而受到反复挤磨，经切割加工挤出后质量较差，而方案B螺旋轴的绞肉效果明显良好。分析可知，螺旋轴输送的均匀性将直接影响绞肉加工的质量。

3 结论

为了考察绞肉机螺旋轴的输送性能，采用简化的流场分析方法，建立了相应的数值模拟模型。通过数值仿真对不同工况下两种螺旋轴表面的流速分布情况进行了细致的对比分析。研究结果表明，螺旋轴的结构设计和转速工况设计对螺旋轴的输送性能影响明显，两种螺旋轴的实际应用效果也证明了这一点；可以通过改善螺旋轴表面速度分布的均匀性来提高绞肉加工的质量；精确模拟肉料在绞筒内的流动情况十分困难，可以间接利用流场数值模拟技术分析和评价绞肉机螺旋轴的输送性能。

从另一个角度来看，考虑到螺旋轴的结构形式复杂，对螺旋轴结构进行优化设计思路可行，但实际应用中螺旋轴新产品的制造成本较高，不可能对所有结构形式进行实测对比。因此，在后期螺旋输送系统的优化研究中，可以考虑从优化绞肉机的电机驱动转速等方面入手［7］，通过专用实验台［8］开展试验研究确定最佳输送工况。

1 童宝宏，许正华，宋斌，等.影响绞肉机工作品质的产品设计因素分析［J］.食品与机械，2012，28（1）：112～114.

2 郝红涛，赵改名，柳艳霞，等.肉类制品的质构特性及其研究进展［J］.食品与机械，2009，25（3）：125～128.

3 邱爱红，龚曙光，谢桂兰，等.变径变螺距螺旋轴参数化模型及性能仿真［J］.机械工程学报，2008（5）：131～136.

4 许岚.变径变螺距螺旋输送机的理论研究与实验分析及仿真［D］.湘潭：湘潭大学，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 李兰忖.多功能绞肉机智能控制系统［J］.食品与机械，2012，28（4）：157～160.

8 童宝宏，许正华，宋斌，等.绞肉机螺旋输送机构性能测试的试验台：中国，201220051908.1［P］.2012－10－10.