新型食品机械开发与结构设计

2013-09-05付宏生张景黎梁凯

食品研究与开发 2013年1期

付宏生，张景黎，梁凯

（北京电子科技职业学院，北京 100029）

世界各国对快餐食品——薄饼都很喜爱。例如：法国薄饼，法国薄饼起源于法国北部一个叫布列塔尼的地方。就像在中国过春节就要吃饺子一样，每逢重要的传统节日或在祈福时，法国家庭的餐桌上都少不了薄饼的身影；墨西哥人很喜欢吃墨西哥薄饼鸡蛋卷，在准备好馅料和酱的情况下，做墨西哥卷的一切步骤竟然比在中国做春卷还要简单；意达利的意式薄饼味道很美，发现里面的馅料一定要填得越丰富越出彩。中国的薄饼种类也很多，例如：荷叶饼，春饼，烤鸭饼以及煎饼，各种煎饼的种类也有很多，南北方、各地区的煎饼口味也有不同。

国内外的薄饼的种类很多，各国各地区薄饼的口味也不同。生产薄饼用的设备也有所不同，随着社会生产的发展，科技的进步，薄饼制作技术不断更新，从传统的手工制作薄饼向半自动化、自动化制作发展。由于国内外薄饼的需求量很大，并不断上升，制作薄饼的设备产量也不断上升，产品的种类也不断的变化。我们对国内调研，得到了生产薄饼设备的需求表。

国内市场薄饼机需求分布走向，见图1。到2015年的几年中薄饼机的需求是不断增加的，见图2。从以上分析，可以看出，开发新型薄饼设备市场是很大的，尤其，是功能独特的专利产品会有美好的前景的。

图1 薄饼机项目产品渠道市场竞争格局分析Fig.1 Pancake machine project product channel market competition analysis

图2 薄饼机产品产量预测Fig.2 Pancake machine product yield prediction

薄饼是中国人和外国人都非常喜欢的食品。在国内，薄饼（煎饼）生产制作方法，大多数以手工操作为主，生产过程存在着环保和卫生问题。经过对几十个国内大、中型城市调研，开发一种新型的薄饼机械，是很有必要。并能够为我国餐饮行业增加一种绿色环保的新型快餐食品。

1 研制新型薄饼机总体构思

1.1 研制目标

1）符合国内外人们的口味。制定适合中国人口味的薄饼的配方和适合外国人口味西式薄饼的配方。

2）薄饼要热气腾腾刚出锅的，立等可取。作为快餐食品，解决中国快餐食品种类单一的问题。

3）设备操作方便，便于携带。

1.2 研制思路

为了达到以上设备研发的3个目标，我们首先要制定两种薄饼的配方即：中式和西式薄饼的配方。

1.2.1 面糊的流变性能

根据配方测定面糊的黏度和流变速率，从而确定配料机构的行走速度和薄饼的成形时间。根据以上的参数和变量，确定配料机构卸料板之间的夹角、尺寸以及薄饼机的整体结构和薄饼机的电控装置。

1.2.2 面糊的调制[1]

面糊如何调制和搅拌均匀，在设计薄饼机的料斗和搅拌器结构方案中解决。

1.2.3 面糊流量[2]

面糊流到饼铛的流量的问题，在设计配料机构的结构时，考虑用连杆结构解决控制流量问题。薄饼的厚度的控制，在设计配料机构的卸料板缝隙调整时，考虑解决。

1.2.4 成型温度和速度

薄饼的成型温度和成形速度问题，在设备整体设计和电控加热调温元件设计中解决。

1.2.5 整体造型设计

薄饼机的整体造型设计，要考虑操作方便、绿色环保、造型美观，给城市留下一道亮丽的风景线。

2 面糊的流动性分析[3]

面糊的流动性能是薄饼机加工薄饼的基本保证。黏度是度量流体流动性能的基本物理参数，是剪切应力与剪切应变速率的比值，对于牛顿流体（比如水），此比值为恒定值，即不随剪切应力的变化而变化。对于非牛顿流体，黏度将随剪切应力的变化而变化，是一变值，因此也称谓表观黏度。面糊的基本流变性能遵循非牛顿流变特性，是一非牛顿流体。

面糊的流动和流变性就是研究面糊的组成与黏度的关系，在不太难测定出剪切速率下粘度变化以及面糊的流量。其研究结果可知道面糊流量与配料机构行走速度的关系。

2.1 试验用面糊

2.1.1 配方

普通面粉60g，绿豆面60g，黄豆面30g，清水257g，盐少许。

2.1.2 配制方法

将以上3种面粉与清水混合、搅拌，形成面糊。

2.2 工艺参数的确定

2.2.1 面糊的比重测试

a.面粉的密度是0.52 g/mL；

b.面糊比重（d）按下列公式计算

式中：W1为试样重量，g；W2为与试样同体积的水的重量，g；

W2=V·d水。

式中：d水为水的密度，近似取1 g/mL；

c.测试结果：

面糊的比重为0.81 g/cm3；

2.2.2 面糊的黏度测试

a.测试设备

NDJ一1型黏度计仪器。

b.测试温度

黏度测定时环境温度为21℃。

c.测试结果

面糊黏度为：1770（mPa·s）。

2.2.3 面糊的流量

a.计算每张薄饼所需面糊体积流量（容积）

式中：W为重量流量；ρ为面糊的比重。

设计尺寸：（a）饼铛工作长度为：68 cm；（b）配料机构的固定板和活动板之间的缝隙宽度为：16.7 cm；（c）设面糊厚度为0.3 cm；（d）面糊的比重ρ为：0.81 g/cm3；（e）计算结果：计算每张薄饼所需面糊体积流量V为：340.68 cm3。

b.测定面糊的体积流

环境温度为 21 ℃，面糊黏度为：1770（mPa·s）；测量设备管径Φ25 mm。

测试结果：面糊的重量流量Qw为：5.26×104g/10 min（87.62 g/s），经过计算孔口出流的面糊体积流量Vs=108.16 cm3/s。

c.计算注入面糊时间

面糊是从配料机构的固定板和活动板之间的缝隙，靠自重流到饼铛上。由流体力学中能量守恒的柏努利方程式，导出计算注入面糊时间计算公式：

式中：V为每张薄饼所需面糊体积流量；Vs为测试孔口出流的面糊体积流量。

结论：薄饼机的配料机构需要3.15 s，完成铺面糊的工作即：680×167×3 mm的薄饼面糊均匀铺到饼铛。

3 新型薄饼机整体结构[4]

3.1 设计方法

这种新型的薄饼机采用电加热（传感器和温控仪控制温度），饼铛设计成长方形的，并附着不粘锅涂层。长边两侧设置轨道，供配料机构行走。配料机构采用铝合金材料，通过手柄、手柄连接架连接着后活动板。通过控制手柄，使前固定板与后活动板产生缝隙，并使面糊流到饼铛上。手柄上设有调节螺钉，通过调节螺钉调节后活动板打开的缝隙，控制面糊的流量和薄饼的厚度。配料机构纵向和横向安放8个小车轮（小车轮采用聚四氟乙烯材料制作），保证配料车在饼铛的轨道上平稳移动。

3.2 整体结构[5]

这种食品机械是一种加工薄饼的食品机械，见图3。

图3 新型薄饼机装配图Fig.3 New pancake machine assembly drawing

薄饼机设备结构紧凑，操作工艺简单，携带方便。新型薄饼机是由料斗1、搅拌器2、配料机构3、饼铛4以及电加热棒以及温控仪、传感器和指示灯等。

4 配料机构结构设计[6]

4.1 配料机构作用

当饼铛温度达到薄饼加工所需的要求时，面糊充满配料机构车仓，操作者握住手柄用连杆机构，打开闸门；使面糊流到饼铛上，打开闸门的缝隙的大小，决定面糊的流量和薄饼的厚度。与此同时，操作者推动配料机构沿饼铛两侧的轨道前行，在重力的作用下，饼铛上就会均匀地铺满一层面糊，待几秒钟后，薄饼烙熟，加上作料，起锅装盘。当饼铛上均匀地铺满一层面糊后，操作者放松闸门在扭簧作用下，使闸门关闭。从而阻止车仓中面糊泄漏流出。

4.2 配料机构的结构组成与连接

配料机构的结构，见图4。

图4 配料机构装配图Fig.4 The ingredients assembled figure

前固定板3、侧固定板4（2件）与横梁1（2件）螺钉固定连接；横梁1（2件）连接着导向轮10和车轮2；手柄连接架12（2件）一端与侧固定板4（2件）固定连接，另一端与手柄6螺钉固定连接；手柄6与闸门控制连杆7铰链连接，闸门控制连杆7与（三角形）拉杆8铰链连接；拉杆8另两角与后活动板5连接；料斗支架座11与侧固定板4螺钉固定连接；扭簧9穿入扭簧固定梁13孔中，并用螺钉固定；在扭簧9的作用下，保证后活动板4与前固定板3闸门关闭。闸门控制连杆7、拉杆8和后活动板4形成一个双摇杆机构，控制后活动板4与前固定板3打开缝隙的大小。

4.3 配料机构的卸料配件结构特点

4.3.1 拉杆结构特点

如图4所示，拉杆6是用一根2 mm钢丝制成三角形，中间（90°弯穿在闸门控制连杆7的小孔中，两个角（每个头长度为5mm，弯成45°）穿入在后活动板5的小孔中，并用螺钉固定。拉杆6设计成三角形结构，利用三角形的稳定性，确保闸门控制连杆7通过拉杆6平稳地把后活动板5拉动（转动一个角度），并与前固定板3形成一定缝隙。缝隙大小由闸门控制连杆7上控制缝隙大小的螺钉控制，确保薄饼制作的厚度与质量。

4.3.2 车仓前后板夹角

由于加工薄饼的面糊要靠地心引力的作用均匀地从配料机构卸料板的缝隙中流到饼铛上，形成长方形的薄饼。面糊的黏度不是常数，属于非牛顿流体。为了保障面糊均匀地流到饼铛上，形成长方形的薄饼，经过计算和实验，确定前固定板3与后活动板5夹角为60°，确保面糊流量、配料机构移动工作时间以及薄饼质量。

4.3.3 车轮的结构

配料机构下面设计了4个车轮和4个导向轮，车轮支撑配料车在饼铛行走，导向轮保障配料车在轨道上，不偏离轨道。由于饼铛温度比较高，配料机构的车轮和导向轮材料为聚四氟乙烯。由于聚四氟乙烯材料耐高温，强度较高，所以我们采用聚四氟乙烯材料作为配料机构的车轮。

5 饼铛结构设计[7]

5.1 饼铛结构

由于，铝合金材料有传热性能好，重量轻等特点，饼铛材料选为铝合金材料。饼铛上下两部分组成，并采用长方形，饼铛上下两面沿长度方向均布四条沟槽（截面为圆形）沟槽中布置4根电加热棒；上饼铛表面均匀镀着不粘锅镀层（特氟龙材料）；下饼铛设有4个可调节4的垫块。饼铛设有不锈钢材料的外壳，外壳上设有电源开关、调温器以及散热窗。饼铛外壳长边设有配料车的轨道，两边设计了漏料盒，防止配料机构不工作时的遗撒。

通过调温器调节饼铛的工作温度，使饼铛下面设置的加热棒工作，达到所需的温度。温度的高低是通过温度传感器反馈控制饼铛表面的温度，保障加工薄饼过程的温度平衡。

5.2 电控元件设计

饼铛表面的工作温度采用电加热，饼铛上下面，设计了4根1千瓦的加热棒。加热棒的温度由温度传感器、温控仪、指示灯、温控表以及转换器等组成。当设施温控仪设置好工作温度后，通过电热棒加热，温度到达后，指示灯表示，到达温度，温控仪指示温度数值。工作温度超过设定温度，由温度传感器反馈信号，自动调节工作温度，保障工作温度保持设定温度值。

6 市场分析

据调查北京、天津以及山东等地区城镇和乡村到处都有卖煎饼的摊点，大都数作为早餐，也有作为午餐和晚餐食品，煎饼作为快餐食品、热乎可口、立等可取，受到广大人群的喜欢。但是，制作煎饼的卫生，令人担忧。如果新型薄饼机问世，会很快地占领市场，特别是学校和公司白领人群。对于新型食品适应快，并会带动广大人群改变观念，品尝新型薄饼，最终达到离不开新型薄饼。可以在全国建立品牌店和连锁店，也可设置流动车方便于人们吃到热乎、美味、可口的方便快餐食品。

第一代产品可以采用电加热的新型薄饼机，此薄饼机可以用在有电源的场合。我们计划开发第二代野炊型薄饼机，野炊型薄饼机是用木炭加热的，方便于自驾游的人群在旅游过程中，制作热乎乎煎饼。另外，这种野炊型薄饼机还可以烤肉，薄饼夹烤肉，可在野外吃上饭馆烹饪的美味佳肴。所以说，新型薄饼机发展前景是美好的，将成为人们喜爱的一种食品机械。