一种燃气式滚筒型烤全羊机的设计

2018-04-09毛清风肉孜·阿木提史勇

湖北农业科学 2018年4期

毛清风肉孜·阿木提史勇

摘要：传统的烤全羊大多在土制馕坑里烤制，机械化程度低、热能损失严重，污染环境。针对这些问题，设计了一种以瓦斯红外线燃烧器为热源、以可旋转式滚筒为工作装置的烤全羊机。工作时，通过瓦斯红外线燃烧器加热滚筒，羊肉通过专用的串羊机构将其固定在滚筒内部，电机带动滚筒均匀旋转，从而实现了机械化烤制。装置内温度控制在250～260 ℃，50 min即可烤制出色泽金黄、外焦里嫩的烤全羊。

关键词：燃气式；滚筒；烤全羊；设计

中图分类号：TS972.21 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）04-0100-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.04.027

Design of A Gas-type & Drum-type Grilled Whole Sheep Machine

MAO Qing-feng1，ROUZI·Amuti1，2，SHI Yong1，2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China；

2.Xinjiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design Key Laboratory，Urumqi 830052，China）

Abstract： The traditional roasted whole sheep are mostly roasted in the Nang pit， and the degree of mechanization is low， the heat loss is serious， pollutes the environment. To deal with these problems，Designed a kind of gas infrared burner as a heat source， with rotary drum as the working device of the roasted sheep machine. In working，Through the infrared gas burner heating drum， so that the sheep fixed by the system through a special string in the drum，the drum driven by the motor and rotation， which realized the mechanized baking， the temperature is controlled at 250～260 ℃，50 minutes to bake out the golden color， outside the coke in the tender roasted sheep.

Key words： gas type； roller； roasted whole sheep； design

烤全羊在新疆有著悠久的历史，是穆斯林人民膳食的一种传统地方风味肉制品，也是当地的特色美食[1，2]。传统的烤全羊制作方式是将整只羊挂放置于馕坑中进行烤制，利用煤炭或树枝作为燃料进行加热[3]。传统的馕坑通常由羊毛和入黏土砌筑而成，上方留有开口，并且炭火在燃烧过程中会产生烟尘、CO、CO2和SO2等有害气体，工作环境非常恶劣，也不利于机械化操作，热能利用率低、操作者劳动强度大，容易造成烧伤、烫伤[4，5]。

随着生活水平的提高和科技的发展，用传统的方式来烤制烤全羊已经满足不了人们的消费需求[6，7]。近年来出现了不同类型的烤全羊机，其主要表现为不再使用传统的馕坑对羊进行烤制，而是采用专用电烤全羊机，实现对时间和温度进行精确控制[8]。刘波[9]发明了一种节能烤全羊炉，该装置改变了传统馕坑对全羊的烤制，利用铁板制成的炉体和炉架实现了烤全羊的机械化，但该装置无法实现烤全羊的自动旋转，而且该装置的热源采用传统的煤炭燃烧，易污染环境。刘明[10]发明了高效、节能、环保烤全羊炉，该装置采用远红外线加热管实现对整羊的加热，并且在加热过程中实现烤全羊的自动翻转，但所采用的电热丝的热效率较低，易产生热能损失，同时也无法实现温度的自动控制。朱德建等[11]发明了一种烤全羊机，该装置采用电机作为动力源，燃气作为热源，在加热过程中实现烤全羊的自动翻转，但无法实现温度的自动控制。

在烤全羊装置的开发中，使烧烤技术与中国传统加工方式巧妙结合，使加工趋于机械化、科学化，并在保持传统特色的前提下，降低生产成本、提高经济效益[12，13]。设计并研制一种以燃气为热源可旋转式烤全羊装置，对机器整体机构和原理进行阐述，并设计了关键零部件。该装置操作简单，机械化、自动化程度高，绿色节能，对推动新疆特色餐饮业以及新疆饮食文化的健康发展具有非常重要的意义[14]。

1 整机总体设计方案及工作原理

1.1 整机结构

燃气式滚筒型烤全羊装置的整体机构如图1。该装置主要由封闭式不锈钢炉体机构、可旋转式滚筒机构、传动系统、电气控制系统滴油盘机构、串羊工具及取羊工具6部分组成。该装置的核心部件——圆形滚筒位于炉体内部，由支撑滑轮支撑，工作时由传动系统带动其转动，以保证固定在滚筒内部的烤全羊受热均匀。滴油盘安装在滚筒内部正下方，一端通过不锈钢钢丝悬挂在滚筒一端的凸台上，另一端通过固定板固定在炉体上，主要收集烤全羊烘烤过程中滴落的油脂，防止油脂遇到明火燃烧产生致癌物质。装置的热源为一个红外线瓦斯燃烧器，安装在滚筒正下方，并且在燃烧器两边安装有集火板。为了保证机器的稳定性并减少噪声，传动系统由调速电机通过链条带动滚筒在滚珠轴承改装的支撑滑轮上转动。传动系统主要由链条和链轮组成，小链轮与电机连接，大链轮与滚筒后端的轴连接。

该装置的总体尺寸为1 020 mm×770 mm×1 100 mm，机架采用40 mm×40 mm和40 mm×60 mm规格304不锈钢方钢焊接而成，内部有效容积为1.12 m3，足够安装圆形滚筒，为了提高保温性能和提高热效率，在机架内部夹层之间填充有石棉材料。滚筒有效容积为0.47 m3，能够烤制一只7～10 kg的羔羊。

1.2 工作原理

烤制前，接通电源，打开燃气，先对装置进行预热，转动滚筒使滚筒受热均匀，提前用穿羊轴将羊羔穿好。当炉体内温度达到烤制最佳温度时（250 ℃），打开侧门，关闭电机，用取羊工具把穿羊轴放入滚筒中，并在滴油盘内注入适量的水，关上门，打开电机开始烤制。在烤制过程中，燃烧器加热滚筒，滚筒受热并对内部的羊焖烤，没有明火接触，而且滚筒转动能使羊受热均匀；滴油盘中有水，能使羊肉保持水分，又能使从羊肉上滴落的油不受热燃烧产生致癌物质。装置的侧门安装有钢化玻璃制成的观察口，用于观察烘烤过程中羊肉颜色的变化，当羊肉颜色达到要求时即可关闭电源，用取羊工具取出烤全羊，即完成烤制。装置的电气系统能对炉体内部的温度实时监测，在燃气不足时可以自动报警并在10 s后自动再次点火。由于炉体夹层里填充有保温材料，该机器的保温性能较好，在完成一只羊的烤制后可以继续烤制，不用重新加热，提高了装置的热效率和工作效率。

2 烤全羊机的设计

2.1 滚筒

滚筒结构如图2所示。根据烤制设计调节和炉体尺寸，设计滚筒直径为640 mm，长为940 mm，采用厚2 mm 304不锈钢制作。滚筒无端盖的一边在边缘位置焊接有一圈304不锈钢钢条，钢条放置在箱体内的承重滑轮上。在烤制过程中，滚筒内部温度上升较快，炉体内部有水蒸气生成，为防止水蒸气影响烤全羊的口感故在滚筒有端盖的一个面上开有6个洞，便于滚筒内烤制品的水气排出。滚筒另一端的外表面上有传动轴，材料为40Cr钢材，传动轴上安装有齿盘，齿盘通过链条与调速电机连接。滚筒内部有凸台（图2），材料为40Cr钢材，凸台上有固定串羊轴的连接键；凸台与滚筒之间有悬挂滴油盘的凹槽。

传动轴如图3所示。Ⅲ端面从炉体内部穿出，端面直径为30 mm，长60 mm，Ⅱ端面安装有滚珠轴承，与炉体上的2个支撐滑轮共同支撑着滚筒，轴承采用轴肩进行轴向定位，由轴产品目录表中选择滚珠轴承6205-2Z，其尺寸为d×D×T=25 mm×52 mm×15 mm，为方便安装拆卸设计Ⅱ端面长20 mm。

考虑到滚筒的受力状态，可以近似看成一个受扭矩的传动轴，现按扭转强度条件校核轴的方法来初步估计轴径，轴的扭转强度条件为：

？咨T=■≈■≤[？咨T]

式中，？咨T为扭转切应力，MPa；T为轴所受的扭矩，N·mm；WT为轴的抗扭截面系数，mm3；n为轴的转速，r/min；P为轴传递的功率，kW；d为截面处轴的直径，mm。

可得轴的直径为：

d≥■=■■=A0■

式中，A0=■，可查轴常用参数表得，取A0=112，把P=0.015 kW，n=30 r/min代入上式，得d≈9 mm，因为上面开有键槽，取实际d=10 mm。轴与齿盘采用平键连接，查参数表得平键b×h=3 mm×3 mm。Ⅰ段长度不固定，可根据工作需要自行设计。

2.2 滴油盘

滴油盘结构如图4所示。为解决在传统装置烤制过程中，滴落的油脂遇明火燃烧产生油烟和致癌物质的问题，设计了滴油盘，并在烤制过程中在滴油盘中装入适量的水，不仅可以解决这个问题，而且还可以保持烤制品的水分。

滴油盘前端底部开有2个排水孔，排水管与孔之间用螺纹连接。后端有2个钢丝孔，孔中穿有钢丝，钢丝挂在滚筒内部凸台上。前端焊接有固定板，固定板与炉体上滴油盘固定侧板通过螺栓连接固定。滴油盘挂在滚筒内部，但不随滚筒转动。

2.3 串羊轴

串羊轴结构如图5所示。传统的烤全羊都是固定在烧烤架上烤制的，烧烤架体积偏大。为了满足烤制需要，以传统烧烤架为模型，在不影响滚筒内部其他机构性能的前提下进行了优化设计，进一步缩小了尺寸[15]，使改进后的串羊轴能满足在滚筒内烤制的要求。

为满足烤制需求，串羊轴设计为长920 mm，主轴直径为20 mm，两侧轴的直径为10 mm，材料选择304不锈钢。串羊轴前端设计有键，该键与滚筒内部凸台上的键连接；轴后端有圆形限位凸台，安装在支撑架上。烤制过程中，串羊轴随滚筒一起转动，实现烤全羊的自动翻转，受热均匀。

2.4 取羊工具

烤全羊最佳的烤制温度为250～260 ℃，因此，烤制完成后，炉体内温度较高，为了提高热效率进行连续烤制，并避免烫伤，设计了专用取羊工具（图6）。

取羊工具比串羊轴略长，俩挂钩之间间隔900 mm。取羊时，先用工具勾住串羊轴，再打开固定架，取出穿羊轴，即完成一次烤制。

2.5 传动系统的设计

传动系统结构如图7所示，主要由调速电机、大小链轮、链条、支撑滑轮组成。工作时，调速电机带动小链轮转动，通过链条将运动传递到大链轮，实现滚筒的旋转。滚筒由焊接在炉体上的2个支撑滑轮和传动轴上的滚珠轴承支撑，滚筒的轮盘可在支撑滑轮的槽内转动。支撑轮内部有耐高温的滚珠轴承，可以在转动过程中尽可能减少摩擦，进而减少噪声提高传动效率。

3 控制系统的设计

3.1 控制系统

该系统主要由自动旋转系统和自动烘烤系统2部分组成。为实现烤全羊的自动旋转，设计了自动旋转系统，自动旋转系统主要由一个60 V的PWM直流电机控制器和一个50 W的齿轮减速电机组成。工作时，旋转控制台上的旋钮控制电机的转速和正反转，实现羊的自动旋转。为实现烤全羊的自动烘烤，设计了自动烘烤系统，自动烘烤系统主要由温度控制系统和燃气点火系统组成，点火系统由电磁阀和点火器等部分组成，温度控制系统主要由温控器和热敏电阻组成。工作时，先接通电源S，打开S2开关，点火器开始点火工作，并在温度控制器面板上输入温度参数，通常将温控器的上限值设为270 ℃，下限值设为250 ℃。打开S1开关，电机通过传动系统驱动滚筒旋转，实现烤全羊的机械翻转。当炉体内部温度达到260 ℃，即可进行烤制。当位于炉体内部的热敏电阻探测到温度高于270 ℃时，温控器控制燃烧器停止加热，装置进入保温状态。当炉体内温度逐渐降低并低于250 ℃时，点火器工作，点燃燃烧器，直到再次达到270 ℃（图8）。

3.2 自動烘烤系统

该系统由温度控制系统和燃气点火系统组成，燃气点火系统主要由1台红外线瓦斯燃烧器、1套高压点火器、1个电磁节流阀（两位两通式）。燃烧器的自动点火功能和燃气的通断，通过燃气点火系统实现。燃气管先接电磁阀的进气口，节流阀与电磁阀的出口相连接，节流阀的出口与红外线瓦斯燃烧器相连，电磁阀与温控器相连。工作时，点火器起着控制点火、状态灯的指示工作，由电磁节流阀控制燃气的进气量，温控器控制着电磁节流阀的通断，进而控制炉头是否进气，实现装置的自动烘烤。

3.3 装置安全系统

该系统主要通过PLC控制器和相应传感器控制蜂鸣器和红外线瓦斯燃烧器完成相关工作。该系统的具体工作原理是：接通电源后，PLC控制器控制电磁节流阀开启，点火器同时开始点火，此时点火指示灯亮。当燃烧器被点燃后，点火指示灯灭，燃烧指示灯亮。当燃气进气量不足或者点火针不工作时，PLC控制器会控制点火器再次点火，若燃烧器还没被点燃，则PLC控制器控制电磁阀关闭，燃烧器熄灭，蜂鸣器工作，同时报警指示灯亮，装置停止工作（图9）。

4 装置的性能试验

4.1 试验结果

2016年9月，在新疆农业大学农业工程装备创新设计重点实验室进行了烤全羊装置的预热试验。烤制试验的对象为3个甘薯，总重2 kg。试验时，先将装置的温度控制器最高温度设定为270 ℃，最低温度设定为250 ℃。放入甘薯，接通电源，打开燃气，关闭密封门，转动滚筒，大约6 min即可把甘薯烤熟，并针对预热试验中出现的问题和不足，进行了完善和改进。2016年11月，在新疆农业大学农业工程装备创新设计重点实验室进行了烤全羊试验，烤制对象为5 kg羊腿，羊腿事先腌制好，调料也抹匀。烤制前，先进行装置的预热，当内部温度达到260 ℃时，大约30～32 min，打开门，放入羊腿，并在滴油盘中注入适量的水，当水不再气化时，大约30 s，关上门，开始烤制，大约30 min，可以将羊腿烤7～8分熟。

4.2 试验分析

该装置与传统装置相比，该装置可以实现肉制品在烤制过程中的自动旋转加热，机械化、自动化程度较高，并且该装置的保温性能较好，与传统装置相比，更适合连续性烤制，提高了生产率和热效率，尤其对大体积的肉制品。此外，试验条件较为单一，还不能确定该装置烤制的效果与电机转速、烘烤温度以及烘烤时间等因素的关系。为了确定这种关系，还须进行正交试验，并且该装置在设计之初未考虑装置内部的通风换气，在以后的改进中将会进行内部优化设计。该装置的研制成功，改善了传统的烤制方式，减少了有害气体的排放，提高了热能利用率，符合绿色环保节能生活理念，具有一定的实用和推广价值。

5 小结

针对传统的烤全羊装置的问题，设计了一种以燃气为热源，可连续旋转烤羊的装置。以滚筒为主要工作机构，实现装置的机械化连续烘烤。该装置保温效果好、热利用率高、环境污染小。但是该装置加热时间过长，不利于小体积肉制品的快速烤制，而且内部未通风换气设计，在以后的改进试验中会逐步改进。

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