新型食品機(jī)械開(kāi)發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

付宏生，張景黎，梁凱

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100029）

世界各國(guó)對(duì)快餐食品——薄餅都很喜愛(ài)。例如：法國(guó)薄餅，法國(guó)薄餅起源于法國(guó)北部一個(gè)叫布列塔尼的地方。就像在中國(guó)過(guò)春節(jié)就要吃餃子一樣，每逢重要的傳統(tǒng)節(jié)日或在祈福時(shí)，法國(guó)家庭的餐桌上都少不了薄餅的身影；墨西哥人很喜歡吃墨西哥薄餅雞蛋卷，在準(zhǔn)備好餡料和醬的情況下，做墨西哥卷的一切步驟竟然比在中國(guó)做春卷還要簡(jiǎn)單；意達(dá)利的意式薄餅味道很美，發(fā)現(xiàn)里面的餡料一定要填得越豐富越出彩。中國(guó)的薄餅種類也很多，例如：荷葉餅，春餅，烤鴨餅以及煎餅，各種煎餅的種類也有很多，南北方、各地區(qū)的煎餅口味也有不同。

國(guó)內(nèi)外的薄餅的種類很多，各國(guó)各地區(qū)薄餅的口味也不同。生產(chǎn)薄餅用的設(shè)備也有所不同，隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，薄餅制作技術(shù)不斷更新，從傳統(tǒng)的手工制作薄餅向半自動(dòng)化、自動(dòng)化制作發(fā)展。由于國(guó)內(nèi)外薄餅的需求量很大，并不斷上升，制作薄餅的設(shè)備產(chǎn)量也不斷上升，產(chǎn)品的種類也不斷的變化。我們對(duì)國(guó)內(nèi)調(diào)研，得到了生產(chǎn)薄餅設(shè)備的需求表。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)薄餅機(jī)需求分布走向，見(jiàn)圖1。到2015年的幾年中薄餅機(jī)的需求是不斷增加的，見(jiàn)圖2。從以上分析，可以看出，開(kāi)發(fā)新型薄餅設(shè)備市場(chǎng)是很大的，尤其，是功能獨(dú)特的專利產(chǎn)品會(huì)有美好的前景的。

圖1 薄餅機(jī)項(xiàng)目產(chǎn)品渠道市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析Fig.1 Pancake machine project product channel market competition analysis

圖2 薄餅機(jī)產(chǎn)品產(chǎn)量預(yù)測(cè)Fig.2 Pancake machine product yield prediction

薄餅是中國(guó)人和外國(guó)人都非常喜歡的食品。在國(guó)內(nèi)，薄餅（煎餅）生產(chǎn)制作方法，大多數(shù)以手工操作為主，生產(chǎn)過(guò)程存在著環(huán)保和衛(wèi)生問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)幾十個(gè)國(guó)內(nèi)大、中型城市調(diào)研，開(kāi)發(fā)一種新型的薄餅機(jī)械，是很有必要。并能夠?yàn)槲覈?guó)餐飲行業(yè)增加一種綠色環(huán)保的新型快餐食品。

1 研制新型薄餅機(jī)總體構(gòu)思

1.1 研制目標(biāo)

1）符合國(guó)內(nèi)外人們的口味。制定適合中國(guó)人口味的薄餅的配方和適合外國(guó)人口味西式薄餅的配方。

2）薄餅要熱氣騰騰剛出鍋的，立等可取。作為快餐食品，解決中國(guó)快餐食品種類單一的問(wèn)題。

3）設(shè)備操作方便，便于攜帶。

1.2 研制思路

為了達(dá)到以上設(shè)備研發(fā)的3個(gè)目標(biāo)，我們首先要制定兩種薄餅的配方即：中式和西式薄餅的配方。

1.2.1 面糊的流變性能

根據(jù)配方測(cè)定面糊的黏度和流變速率，從而確定配料機(jī)構(gòu)的行走速度和薄餅的成形時(shí)間。根據(jù)以上的參數(shù)和變量，確定配料機(jī)構(gòu)卸料板之間的夾角、尺寸以及薄餅機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和薄餅機(jī)的電控裝置。

1.2.2 面糊的調(diào)制[1]

面糊如何調(diào)制和攪拌均勻，在設(shè)計(jì)薄餅機(jī)的料斗和攪拌器結(jié)構(gòu)方案中解決。

1.2.3 面糊流量[2]

面糊流到餅鐺的流量的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)配料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮用連桿結(jié)構(gòu)解決控制流量問(wèn)題。薄餅的厚度的控制，在設(shè)計(jì)配料機(jī)構(gòu)的卸料板縫隙調(diào)整時(shí)，考慮解決。

1.2.4 成型溫度和速度

薄餅的成型溫度和成形速度問(wèn)題，在設(shè)備整體設(shè)計(jì)和電控加熱調(diào)溫元件設(shè)計(jì)中解決。

1.2.5 整體造型設(shè)計(jì)

薄餅機(jī)的整體造型設(shè)計(jì)，要考慮操作方便、綠色環(huán)保、造型美觀，給城市留下一道亮麗的風(fēng)景線。

2 面糊的流動(dòng)性分析[3]

面糊的流動(dòng)性能是薄餅機(jī)加工薄餅的基本保證。黏度是度量流體流動(dòng)性能的基本物理參數(shù)，是剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變速率的比值，對(duì)于牛頓流體（比如水），此比值為恒定值，即不隨剪切應(yīng)力的變化而變化。對(duì)于非牛頓流體，黏度將隨剪切應(yīng)力的變化而變化，是一變值，因此也稱謂表觀黏度。面糊的基本流變性能遵循非牛頓流變特性，是一非牛頓流體。

面糊的流動(dòng)和流變性就是研究面糊的組成與黏度的關(guān)系，在不太難測(cè)定出剪切速率下粘度變化以及面糊的流量。其研究結(jié)果可知道面糊流量與配料機(jī)構(gòu)行走速度的關(guān)系。

2.1 試驗(yàn)用面糊

2.1.1 配方

普通面粉60g，綠豆面60g，黃豆面30g，清水257g，鹽少許。

2.1.2 配制方法

將以上3種面粉與清水混合、攪拌，形成面糊。

2.2 工藝參數(shù)的確定

2.2.1 面糊的比重測(cè)試

a.面粉的密度是0.52 g/mL；

b.面糊比重（d）按下列公式計(jì)算

式中：W1為試樣重量，g；W2為與試樣同體積的水的重量，g；

W2=V·d水。

式中：d水為水的密度，近似取1 g/mL；

c.測(cè)試結(jié)果：

面糊的比重為0.81 g/cm3；

2.2.2 面糊的黏度測(cè)試

a.測(cè)試設(shè)備

NDJ一1型黏度計(jì)儀器。

b.測(cè)試溫度

黏度測(cè)定時(shí)環(huán)境溫度為21℃。

c.測(cè)試結(jié)果

面糊黏度為：1770（mPa·s）。

2.2.3 面糊的流量

a.計(jì)算每張薄餅所需面糊體積流量（容積）

式中：W為重量流量；ρ為面糊的比重。

設(shè)計(jì)尺寸：（a）餅鐺工作長(zhǎng)度為：68 cm；（b）配料機(jī)構(gòu)的固定板和活動(dòng)板之間的縫隙寬度為：16.7 cm；（c）設(shè)面糊厚度為0.3 cm；（d）面糊的比重ρ為：0.81 g/cm3；（e）計(jì)算結(jié)果：計(jì)算每張薄餅所需面糊體積流量V為：340.68 cm3。

b.測(cè)定面糊的體積流

環(huán)境溫度為 21 ℃，面糊黏度為：1770（mPa·s）；測(cè)量設(shè)備管徑Φ25 mm。

測(cè)試結(jié)果：面糊的重量流量Qw為：5.26×104g/10 min（87.62 g/s），經(jīng)過(guò)計(jì)算孔口出流的面糊體積流量Vs=108.16 cm3/s。

c.計(jì)算注入面糊時(shí)間

面糊是從配料機(jī)構(gòu)的固定板和活動(dòng)板之間的縫隙，靠自重流到餅鐺上。由流體力學(xué)中能量守恒的柏努利方程式，導(dǎo)出計(jì)算注入面糊時(shí)間計(jì)算公式：

式中：V為每張薄餅所需面糊體積流量；Vs為測(cè)試孔口出流的面糊體積流量。

結(jié)論：薄餅機(jī)的配料機(jī)構(gòu)需要3.15 s，完成鋪面糊的工作即：680×167×3 mm的薄餅面糊均勻鋪到餅鐺。

3 新型薄餅機(jī)整體結(jié)構(gòu)[4]

3.1 設(shè)計(jì)方法

這種新型的薄餅機(jī)采用電加熱（傳感器和溫控儀控制溫度），餅鐺設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形的，并附著不粘鍋涂層。長(zhǎng)邊兩側(cè)設(shè)置軌道，供配料機(jī)構(gòu)行走。配料機(jī)構(gòu)采用鋁合金材料，通過(guò)手柄、手柄連接架連接著后活動(dòng)板。通過(guò)控制手柄，使前固定板與后活動(dòng)板產(chǎn)生縫隙，并使面糊流到餅鐺上。手柄上設(shè)有調(diào)節(jié)螺釘，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)后活動(dòng)板打開(kāi)的縫隙，控制面糊的流量和薄餅的厚度。配料機(jī)構(gòu)縱向和橫向安放8個(gè)小車輪（小車輪采用聚四氟乙烯材料制作），保證配料車在餅鐺的軌道上平穩(wěn)移動(dòng)。

3.2 整體結(jié)構(gòu)[5]

這種食品機(jī)械是一種加工薄餅的食品機(jī)械，見(jiàn)圖3。

圖3 新型薄餅機(jī)裝配圖Fig.3 New pancake machine assembly drawing

薄餅機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，操作工藝簡(jiǎn)單，攜帶方便。新型薄餅機(jī)是由料斗1、攪拌器2、配料機(jī)構(gòu)3、餅鐺4以及電加熱棒以及溫控儀、傳感器和指示燈等。

4 配料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]

4.1 配料機(jī)構(gòu)作用

當(dāng)餅鐺溫度達(dá)到薄餅加工所需的要求時(shí)，面糊充滿配料機(jī)構(gòu)車倉(cāng)，操作者握住手柄用連桿機(jī)構(gòu)，打開(kāi)閘門；使面糊流到餅鐺上，打開(kāi)閘門的縫隙的大小，決定面糊的流量和薄餅的厚度。與此同時(shí)，操作者推動(dòng)配料機(jī)構(gòu)沿餅鐺兩側(cè)的軌道前行，在重力的作用下，餅鐺上就會(huì)均勻地鋪滿一層面糊，待幾秒鐘后，薄餅烙熟，加上作料，起鍋裝盤。當(dāng)餅鐺上均勻地鋪滿一層面糊后，操作者放松閘門在扭簧作用下，使閘門關(guān)閉。從而阻止車倉(cāng)中面糊泄漏流出。

4.2 配料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成與連接

配料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。

圖4 配料機(jī)構(gòu)裝配圖Fig.4 The ingredients assembled figure

前固定板3、側(cè)固定板4（2件）與橫梁1（2件）螺釘固定連接；橫梁1（2件）連接著導(dǎo)向輪10和車輪2；手柄連接架12（2件）一端與側(cè)固定板4（2件）固定連接，另一端與手柄6螺釘固定連接；手柄6與閘門控制連桿7鉸鏈連接，閘門控制連桿7與（三角形）拉桿8鉸鏈連接；拉桿8另兩角與后活動(dòng)板5連接；料斗支架座11與側(cè)固定板4螺釘固定連接；扭簧9穿入扭簧固定梁13孔中，并用螺釘固定；在扭簧9的作用下，保證后活動(dòng)板4與前固定板3閘門關(guān)閉。閘門控制連桿7、拉桿8和后活動(dòng)板4形成一個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)，控制后活動(dòng)板4與前固定板3打開(kāi)縫隙的大小。

4.3 配料機(jī)構(gòu)的卸料配件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.3.1 拉桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖4所示，拉桿6是用一根2 mm鋼絲制成三角形，中間（90°彎穿在閘門控制連桿7的小孔中，兩個(gè)角（每個(gè)頭長(zhǎng)度為5mm，彎成45°）穿入在后活動(dòng)板5的小孔中，并用螺釘固定。拉桿6設(shè)計(jì)成三角形結(jié)構(gòu)，利用三角形的穩(wěn)定性，確保閘門控制連桿7通過(guò)拉桿6平穩(wěn)地把后活動(dòng)板5拉動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度），并與前固定板3形成一定縫隙?？p隙大小由閘門控制連桿7上控制縫隙大小的螺釘控制，確保薄餅制作的厚度與質(zhì)量。

4.3.2 車倉(cāng)前后板夾角

由于加工薄餅的面糊要靠地心引力的作用均勻地從配料機(jī)構(gòu)卸料板的縫隙中流到餅鐺上，形成長(zhǎng)方形的薄餅。面糊的黏度不是常數(shù)，屬于非牛頓流體。為了保障面糊均勻地流到餅鐺上，形成長(zhǎng)方形的薄餅，經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，確定前固定板3與后活動(dòng)板5夾角為60°，確保面糊流量、配料機(jī)構(gòu)移動(dòng)工作時(shí)間以及薄餅質(zhì)量。

4.3.3 車輪的結(jié)構(gòu)

配料機(jī)構(gòu)下面設(shè)計(jì)了4個(gè)車輪和4個(gè)導(dǎo)向輪，車輪支撐配料車在餅鐺行走，導(dǎo)向輪保障配料車在軌道上，不偏離軌道。由于餅鐺溫度比較高，配料機(jī)構(gòu)的車輪和導(dǎo)向輪材料為聚四氟乙烯。由于聚四氟乙烯材料耐高溫，強(qiáng)度較高，所以我們采用聚四氟乙烯材料作為配料機(jī)構(gòu)的車輪。

5 餅鐺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]

5.1 餅鐺結(jié)構(gòu)

由于，鋁合金材料有傳熱性能好，重量輕等特點(diǎn)，餅鐺材料選為鋁合金材料。餅鐺上下兩部分組成，并采用長(zhǎng)方形，餅鐺上下兩面沿長(zhǎng)度方向均布四條溝槽（截面為圓形）溝槽中布置4根電加熱棒；上餅鐺表面均勻鍍著不粘鍋鍍層（特氟龍材料）；下餅鐺設(shè)有4個(gè)可調(diào)節(jié)4的墊塊。餅鐺設(shè)有不銹鋼材料的外殼，外殼上設(shè)有電源開(kāi)關(guān)、調(diào)溫器以及散熱窗。餅鐺外殼長(zhǎng)邊設(shè)有配料車的軌道，兩邊設(shè)計(jì)了漏料盒，防止配料機(jī)構(gòu)不工作時(shí)的遺撒。

通過(guò)調(diào)溫器調(diào)節(jié)餅鐺的工作溫度，使餅鐺下面設(shè)置的加熱棒工作，達(dá)到所需的溫度。溫度的高低是通過(guò)溫度傳感器反饋控制餅鐺表面的溫度，保障加工薄餅過(guò)程的溫度平衡。

5.2 電控元件設(shè)計(jì)

餅鐺表面的工作溫度采用電加熱，餅鐺上下面，設(shè)計(jì)了4根1千瓦的加熱棒。加熱棒的溫度由溫度傳感器、溫控儀、指示燈、溫控表以及轉(zhuǎn)換器等組成。當(dāng)設(shè)施溫控儀設(shè)置好工作溫度后，通過(guò)電熱棒加熱，溫度到達(dá)后，指示燈表示，到達(dá)溫度，溫控儀指示溫度數(shù)值。工作溫度超過(guò)設(shè)定溫度，由溫度傳感器反饋信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作溫度，保障工作溫度保持設(shè)定溫度值。

6 市場(chǎng)分析

據(jù)調(diào)查北京、天津以及山東等地區(qū)城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村到處都有賣煎餅的攤點(diǎn)，大都數(shù)作為早餐，也有作為午餐和晚餐食品，煎餅作為快餐食品、熱乎可口、立等可取，受到廣大人群的喜歡。但是，制作煎餅的衛(wèi)生，令人擔(dān)憂。如果新型薄餅機(jī)問(wèn)世，會(huì)很快地占領(lǐng)市場(chǎng)，特別是學(xué)校和公司白領(lǐng)人群。對(duì)于新型食品適應(yīng)快，并會(huì)帶動(dòng)廣大人群改變觀念，品嘗新型薄餅，最終達(dá)到離不開(kāi)新型薄餅。可以在全國(guó)建立品牌店和連鎖店，也可設(shè)置流動(dòng)車方便于人們吃到熱乎、美味、可口的方便快餐食品。

第一代產(chǎn)品可以采用電加熱的新型薄餅機(jī)，此薄餅機(jī)可以用在有電源的場(chǎng)合。我們計(jì)劃開(kāi)發(fā)第二代野炊型薄餅機(jī)，野炊型薄餅機(jī)是用木炭加熱的，方便于自駕游的人群在旅游過(guò)程中，制作熱乎乎煎餅。另外，這種野炊型薄餅機(jī)還可以烤肉，薄餅夾烤肉，可在野外吃上飯館烹飪的美味佳肴。所以說(shuō)，新型薄餅機(jī)發(fā)展前景是美好的，將成為人們喜愛(ài)的一種食品機(jī)械。

7 結(jié)束語(yǔ)

新型薄餅機(jī)已經(jīng)申報(bào)國(guó)家專利（專利申請(qǐng)?zhí)枺?012 200 28005，1），它的出現(xiàn)將改變傳統(tǒng)煎餅機(jī)生產(chǎn)工藝，操作方便、綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)合理、美觀科學(xué)。將會(huì)引領(lǐng)快餐食品新方向。適應(yīng)于我國(guó)大、中、小城市中，并會(huì)給城市增添一道亮麗的風(fēng)景線。

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