三维果蔬切制技术发展与问题分析

梅 松，蒋清海

（农业农村部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014）

0 引言

我国已成为世界上最大的果蔬产品加工国，产业规模仅次于粮食产业。果蔬产业已为第二大农业支柱产业[1]，成为我国广大农村和农民最主要的收入来源和农村经济的重要增长点，已经成为我国农产品加工业中具有明显优势和国际竞争力的行业[2]。同时，随着国民生活水平的提高以及生活节奏的不断加快，大家对果蔬的日常需求量也在不断增加，果蔬切制机应运而生。鲜切果蔬由于具有新鲜、营养卫生和使用方便等特点，在国内外深受消费者的喜爱，已被广泛应用于胡萝卜、芹菜、马铃薯、苹果、桃、草莓等果蔬的加工[3，4，5]。果蔬切制加工包括对果蔬进行切片、切丝或切丁，并且根据形状、美观、用户需求等提出不同片厚、丝宽和丁长加工参数要求，对不同配套尺寸进行相应要求，即对果蔬切制机加工精度提出高标准要求。

果蔬切丁加工，传统方法是采用人工对切片后的果蔬制品进行纵向和横向切割，工作效率低、劳动强度大，大小尺寸难以保证，不适合规模化生产[6，7]。针对手工作业缺点，首先出现了利用机械刀片实现果蔬的横向和纵向切割的二维切割方式，这种方式的工作效率相较手工作业有了较大提高，但在加工过程中不能实现连续送料、连续切削，而且需对切割果蔬进行特别的夹持，从而影响了加工效率和适应范围[8，9]。随着果蔬加工生产规模的不断扩大，传统的二维果蔬加工机械难以适应大产量的需求，因此国内外先进的果蔬切丁机械逐渐抛弃了二维切割方式，从而开展了以三维加工模式为主的切丁机研制开发工作。三维切丁机采用了能实现连续喂料、分步连续切削加工作业成型的三维切割加工模式，即：从3个方向分别对果蔬进行加工，实现切片、切丝、切丁，大大提高了果蔬加工效率，同时也保证了果蔬的加工质量和果蔬的原有风味[10]。

1 三维果蔬切制技术简述

1.1 三维果蔬切丁机结构分类

通过对国内外的三维果蔬切丁机的内部结构进行分类，可以得到切丁机主要分为三种类型。平面输送分序切丁结构，可能在切制条状果蔬时，保证相当的精度，但是可切出的果蔬的形状受机器的设计所限制，只能够切成丁和条状的形状。且该机器采用的是气缸的方式，该种方法相比于使用带传动或齿轮传动的机械结构物料的处理速度慢。

立体三维规格切丁结构相比于平面输送分序切丁能够处理所有形状的果蔬，且能够在确保加工质量的基础上实现物料的快速处理，但是该种方法在加工果蔬片/条时候可能会因为旋转机构的缘故出现相对滑移，而影响最终的切丁精度；辅助送料立体三维规格切丁结构添加了辅助物料输送装置，同时对结构进行调整，提高了物料加工精度。

综合上述切丁机结构特征，将其归纳如表1。

表1 三维果蔬切丁机结构比较

综上所述，当前立体三维规格切丁结构的三维果蔬切丁机应用较普遍，而关于压料辅助输送的三维果蔬规格切丁机结构较为复杂，成本较高，而下文将对结构及原理做具体介绍，并就当前存在问题进行深入分析，提出改进方案。

1.2 立体三维果蔬切丁机关键部件

现有立体三维果蔬切丁机的通用设计如图1所示，组成整机的核心结构包括：离心切片推进器，圆盘刀，横切刀[11]。

图1 三维果蔬切丁机结构图

如图1所示，作业时，将果蔬丢入滚筒，一侧电机驱动滚筒转动，使得推进器推动果蔬高速转动，将果蔬推至固定切片刀具位置，进行切片，切片果蔬以一定初速度进入切条界面，在切条刀具和重力以及受相应摩擦联合作用下，进行果蔬切条；最后切条果蔬在出料口受到切丁刀具作用，被切丁。其中，切片、切条和切丁的动力源于三相交流异步电机，变频器控制转速；利用齿带将切片轴、切条轴和切丁轴端齿轮以及电机输出端齿轮链接，齿轮大小分配转速传动比。切削速比根据设计三维切制尺寸要求，进行计算。

1.2.1 离心切片推进器。离心切片推进器主要由推进器、滚筒、切片刀和切片厚度调节装置组成，如图2所示。为保证三维果蔬切丁机的产量及果蔬适用范围，可将推进器外径可设计成通用尺寸，或为高效的切制特定品类的果蔬，将推进器外径设计成专用尺寸。挡板数量一般为6个，也可以根据具体果蔬特征对挡板（推进器）数量做适当调整，从而改变物料进给速度。另外，调节筒径尺寸，利用挡板支撑果蔬，改变果蔬与静态切片刀具的相对切片速度；滚筒内壁与推进器相配合，因此滚筒内径与推进器外径相同，宽度可根据需要进行设计，挡板距外壁边缘距离应设计合适，以免不能完全切满果蔬。滚筒通过螺栓与机架固定连接。

图2 离心切片推进器

1.2.2 圆盘刀。三维果蔬切丁机的圆盘刀实现将片状果蔬切成丝状，圆盘刀结构安装后圆盘刀嵌入在切片刀的凹槽中以便能切穿果蔬。为实现多种果蔬的切丁且切片需求，需设计出直径足够大的专用圆盘刀。工作时，通过改变圆盘刀片之间的间距，可以调整切丝的大小。为使圆盘刀结构能方便地拆装调整，将圆盘刀结构套在连接轴上，连接轴通过螺纹连接与圆盘刀轴相连，圆盘刀结构与圆盘刀轴通过键连接的方式传递动力，圆盘刀结构与刀座的连接结构如图3所示。

图3 圆盘刀总成

1.2.3 横切刀。高速旋转的横切刀结构将丝状果蔬切割成果蔬丁。考虑到三维果蔬切丁机的生产效率和加工品质，横切刀结构的外径需要合理设计。果蔬丁的大小可以通过改变横切刀的数量实现。为了方便增减横切刀的数量，设计的横切刀和刀架两侧分别开“V”型槽，配合的端盖一侧有“V”字形的凸起，如图4所示。

图4 切丁横切刀结构

根据切片、切条和切丁要求，对上述三套切制部件进行组合。

2 三维果蔬切丁机存在的问题与切制精度提升分析

2.1 存在的问题

目前，三维果蔬切丁机的核心技术主要集中在对切丁大小和质量的控制上，而对切丁大小和质量的控制主要依赖果蔬材料进给速度、切刀转速、切刀形状等各个参数的合理配合。近年来，国内外三维果蔬切丁机取得了较大的进步，然而，国内外对三维切丁机的研究主要集中在切削部件工作时刀片刃型（即正切、滑切）对切片性能和切刀寿命的影响、切削过程中切刀的受力情况以及切削机械的动力学等方面的研究。由于三维切丁机参数不匹配问题，导致切丁断面始终存在倾斜不平现象，尤其在切大丁时更加明显。因此只能较好的切出 10 mm以下小丁，而在切制10 mm以上大丁如：马铃薯丁、胡萝卜丁时普遍存在断面不平整的缺陷。

果蔬经过切片、切丝之后得到的条状物料沿切片刀刀面向下运动，旋转的条刀刀尖将物料切成丁状。切丁获得的断面形状可归结为3种，如图5所示。图5a、图5c为倾斜偏置形，图5b为对称形。设为丁断面曲线最高点和最低点的偏差，显然图5a、图5c所示切丁断面形状的断面偏差值较大，得到的切丁断面形状不理想。而图5b所示切丁断面偏差值最小，切丁断面形状较理想。随着切丁长度的增大，断面偏差值也随之增大，丁断面形状不理想。

图5 丁断面形状示意图

为了提高三维果蔬切丁机切制精度，就必须解决大丁断面问题，国内学者已经做了较多的研究。

胡建平[13]为了提高国产三维切丁机的切制质量和切制效率，设计了一种新型三维果蔬切丁机，通过对所切果蔬材料丁断面曲线方程进行分析，得出切丁断面具有3种不同形状，对不同离心切削滚筒与切丁条刀转速比条件下的切丁断面形状及偏差进行比较，得出其最佳速比为0.17。样机切削性能试验表明：切出的15 mm×15 mm×15 mm和20 mm×20 mm×20 mm马铃薯立方块形状规整，其相对偏差均小于15%，达到了预期目标，为新型果蔬三维切丁机的研制提供了参考。

通过上述研究可知，切丁成形机理分析，是通过建立丁断面曲线方程，分析现有切丁机切出的大丁断面不平整的问题。并得到出现该现象的主要原因是推进器与条刀的角速度比不匹配和条刀中心轴与滚筒不合理布置。通过对果蔬切丁机进行分析优化，获得理想丁断面对应的最佳参数组合，可以为提升切丁机的切丁质量提供理论依据。

另一方面，由于受立体三维规格切制结构限制，切丁长度稳定性较差，下文将就精度提升作具体分析。

2.2 三维切制精度提升分析

2.2.1 切片精度分析。由图1可知，切片刀具与导料板另一侧间留有一定间隙，且间隙可调，该间隙即设定的切片厚度尺寸，而在推进器和滚筒内壁双重作用下，果蔬与切片会发生相对移动，使得被切片分离的果蔬沿着间隙出料，圆筒内壁是弧状，而理想切片为直线，推进器与滚筒作用的接触位置不一致，导致切片物料两面不能完全平行，且可能曲线变化；另一方面，出料间隙设定，所出切片果蔬厚度尺寸小于或等于间隙厚度。国内外学者针对上述结构带来的误差尚没有较好的解决办法，但为了使作业质量最佳，需要控制滚筒转速，提高果蔬所受离心力，避免果蔬松动，产生更大误差。

2.2.2 切丝精度分析。由图1可知，切片物料顺着出料通道沿着斜面向下滑移，物料即受到重力、反向摩擦力和圆盘切丝刀具作用的向下摩擦力，而切丝尺寸设计，只是受到圆盘刀片间隙布置影响，因此，通过调节刀片间隙，实现切丝尺寸控制。从结构和运动规律分析，切丝的系统误差非常小，可忽略。因此，切丝尺寸理论上非常接近圆盘刀片间隙，而切片物料的两端的丝状果蔬的尺寸则不可控，其受果蔬形状影响，属于来自果蔬的不可控误差，不在考虑范围内（针对该类切制果蔬的成品，可以考虑剔除）。

2.2.3 切丁精度分析。上文2.1节分析了切丁断面形状受果蔬材料进给速度﹑横切刀转速﹑切刀形状等各个参数的影响。通过建立切丁断面曲线方程，使得切丁断面曲线呈对称型，结合圆筒转速、圆盘刀切丝转速，从而确定横切刀转速。

但是，通过实验发现，切丁尺寸实际误差较大，根据相关参考资料发现现有技术人员只研究了断面尺寸降低曲线底部到端部误差，而关于整个切丁长度未作具体分析，导致实际尺寸大于理论设计值。根据断面方程发现物料进给速度为切片的物料输出速度，而实际物料是做加速运动，其在切丝刀具作用沿斜坡向下丝状果蔬受到切丝刀具两边沿斜面向下摩擦力，同时受到重力和沿斜面运动方向反向摩擦力。因此，笔者认为需要进一步对从切片出料的初始位置到切丁的终点位置的运动状态进行分析，将得出新的切丁初速度代入切丁断面曲线方程中，进一步优化横切刀转速，提高切丁精度。

由于获取速度的难度大，且仅依靠分析过于复杂，可在出料下侧安装激光位移传感器，高效测算果蔬输出速度，以此代入切丁断面曲线方程，优化横切刀转速。更进一步，可以利用多传感器设计横切刀转速实时调节系统，将切丁断面曲线方程转换成算子，输入检测实时出料速度，通过该算子，对横切刀转速进行实时控制，以此实现提高切丁精度的目的。

3 结语

本文对国内三维果蔬切丁机的结构优缺点进行比对分析，并针对常用立体三维切丁进行原理与部件介绍，进而提出存在的问题，并介绍了现有的解决思路，最后，对三维果蔬切丁机切片、切丝和切丁精度进行了分析，针对切丁尺寸控制不足，提出物料移动速度检测，并对切丁刀具进行转速补偿的研究思路，为进一步提高切丁尺寸和断面形状精度提供理论依据，可助其提高作业质量。