新型食品機械開發與結構設計

付宏生，張景黎，梁凱

（北京電子科技職業學院，北京 100029）

世界各國對快餐食品——薄餅都很喜愛。例如：法國薄餅，法國薄餅起源于法國北部一個叫布列塔尼的地方。就像在中國過春節就要吃餃子一樣，每逢重要的傳統節日或在祈福時，法國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做春卷還要簡單；意達利的意式薄餅味道很美，發現里面的餡料一定要填得越豐富越出彩。中國的薄餅種類也很多，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、各地區的煎餅口味也有不同。

國內外的薄餅的種類很多，各國各地區薄餅的口味也不同。生產薄餅用的設備也有所不同，隨著社會生產的發展，科技的進步，薄餅制作技術不斷更新，從傳統的手工制作薄餅向半自動化、自動化制作發展。由于國內外薄餅的需求量很大，并不斷上升，制作薄餅的設備產量也不斷上升，產品的種類也不斷的變化。我們對國內調研，得到了生產薄餅設備的需求表。

國內市場薄餅機需求分布走向，見圖1。到2015年的幾年中薄餅機的需求是不斷增加的，見圖2。從以上分析，可以看出，開發新型薄餅設備市場是很大的，尤其，是功能獨特的專利產品會有美好的前景的。

圖1 薄餅機項目產品渠道市場競爭格局分析Fig.1 Pancake machine project product channel market competition analysis

圖2 薄餅機產品產量預測Fig.2 Pancake machine product yield prediction

薄餅是中國人和外國人都非常喜歡的食品。在國內，薄餅（煎餅）生產制作方法，大多數以手工操作為主，生產過程存在著環保和衛生問題。經過對幾十個國內大、中型城市調研，開發一種新型的薄餅機械，是很有必要。并能夠為我國餐飲行業增加一種綠色環保的新型快餐食品。

1 研制新型薄餅機總體構思

1.1 研制目標

1）符合國內外人們的口味。制定適合中國人口味的薄餅的配方和適合外國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，解決中國快餐食品種類單一的問題。

3）設備操作方便，便于攜帶。

1.2 研制思路

為了達到以上設備研發的3個目標，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

根據配方測定面糊的黏度和流變速率，從而確定配料機構的行走速度和薄餅的成形時間。根據以上的參數和變量，確定配料機構卸料板之間的夾角、尺寸以及薄餅機的整體結構和薄餅機的電控裝置。

1.2.2 面糊的調制[1]

面糊如何調制和攪拌均勻，在設計薄餅機的料斗和攪拌器結構方案中解決。

1.2.3 面糊流量[2]

面糊流到餅鐺的流量的問題，在設計配料機構的結構時，考慮用連桿結構解決控制流量問題。薄餅的厚度的控制，在設計配料機構的卸料板縫隙調整時，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題，在設備整體設計和電控加熱調溫元件設計中解決。

1.2.5 整體造型設計

薄餅機的整體造型設計，要考慮操作方便、綠色環保、造型美觀，給城市留下一道亮麗的風景線。

2 面糊的流動性分析[3]

面糊的流動性能是薄餅機加工薄餅的基本保證。黏度是度量流體流動性能的基本物理參數，是剪切應力與剪切應變速率的比值，對于牛頓流體（比如水），此比值為恒定值，即不隨剪切應力的變化而變化。對于非牛頓流體，黏度將隨剪切應力的變化而變化，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。

面糊的流動和流變性就是研究面糊的組成與黏度的關系，在不太難測定出剪切速率下粘度變化以及面糊的流量。其研究結果可知道面糊流量與配料機構行走速度的關系。

2.1 試驗用面糊

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 工藝參數的確定

2.2.1 面糊的比重測試

a.面粉的密度是0.52 g/mL；

b.面糊比重（d）按下列公式計算

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.測試結果：

面糊的比重為0.81 g/cm3；

2.2.2 面糊的黏度測試

a.測試設備

NDJ一1型黏度計儀器。

b.測試溫度

黏度測定時環境溫度為21℃。

c.測試結果

面糊黏度為：1770（mPa·s）。

2.2.3 面糊的流量

a.計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。

設計尺寸：（a）餅鐺工作長度為：68 cm；（b）配料機構的固定板和活動板之間的縫隙寬度為：16.7 cm；（c）設面糊厚度為0.3 cm；（d）面糊的比重ρ為：0.81 g/cm3；（e）計算結果：計算每張薄餅所需面糊體積流量V為：340.68 cm3。

b.測定面糊的體積流

環境溫度為 21 ℃，面糊黏度為：1770（mPa·s）；測量設備管徑Φ25 mm。

測試結果：面糊的重量流量Qw為：5.26×104g/10 min（87.62 g/s），經過計算孔口出流的面糊體積流量Vs=108.16 cm3/s。

c.計算注入面糊時間

面糊是從配料機構的固定板和活動板之間的縫隙，靠自重流到餅鐺上。由流體力學中能量守恒的柏努利方程式，導出計算注入面糊時間計算公式：

式中：V為每張薄餅所需面糊體積流量；Vs為測試孔口出流的面糊體積流量。

結論：薄餅機的配料機構需要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 新型薄餅機整體結構[4]

3.1 設計方法

這種新型的薄餅機采用電加熱（傳感器和溫控儀控制溫度），餅鐺設計成長方形的，并附著不粘鍋涂層。長邊兩側設置軌道，供配料機構行走。配料機構采用鋁合金材料，通過手柄、手柄連接架連接著后活動板。通過控制手柄，使前固定板與后活動板產生縫隙，并使面糊流到餅鐺上。手柄上設有調節螺釘，通過調節螺釘調節后活動板打開的縫隙，控制面糊的流量和薄餅的厚度。配料機構縱向和橫向安放8個小車輪（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移動。

3.2 整體結構[5]

這種食品機械是一種加工薄餅的食品機械，見圖3。

圖3 新型薄餅機裝配圖Fig.3 New pancake machine assembly drawing

薄餅機設備結構緊湊，操作工藝簡單，攜帶方便。新型薄餅機是由料斗1、攪拌器2、配料機構3、餅鐺4以及電加熱棒以及溫控儀、傳感器和指示燈等。

4 配料機構結構設計[6]

4.1 配料機構作用

當餅鐺溫度達到薄餅加工所需的要求時，面糊充滿配料機構車倉，操作者握住手柄用連桿機構，打開閘門；使面糊流到餅鐺上，打開閘門的縫隙的大小，決定面糊的流量和薄餅的厚度。與此同時，操作者推動配料機構沿餅鐺兩側的軌道前行，在重力的作用下，餅鐺上就會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，使閘門關閉。從而阻止車倉中面糊泄漏流出。

4.2 配料機構的結構組成與連接

配料機構的結構，見圖4。

圖4 配料機構裝配圖Fig.4 The ingredients assembled figure

前固定板3、側固定板4（2件）與橫梁1（2件）螺釘固定連接；橫梁1（2件）連接著導向輪10和車輪2；手柄連接架12（2件）一端與側固定板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另兩角與后活動板5連接；料斗支架座11與側固定板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，保證后活動板4與前固定板3閘門關閉。閘門控制連桿7、拉桿8和后活動板4形成一個雙搖桿機構，控制后活動板4與前固定板3打開縫隙的大小。

4.3 配料機構的卸料配件結構特點

4.3.1 拉桿結構特點

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，兩個角（每個頭長度為5mm，彎成45°）穿入在后活動板5的小孔中，并用螺釘固定。拉桿6設計成三角形結構，利用三角形的穩定性，確保閘門控制連桿7通過拉桿6平穩地把后活動板5拉動（轉動一個角度），并與前固定板3形成一定縫隙。縫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量。

4.3.2 車倉前后板夾角

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構卸料板的縫隙中流到餅鐺上，形成長方形的薄餅。面糊的黏度不是常數，屬于非牛頓流體。為了保障面糊均勻地流到餅鐺上，形成長方形的薄餅，經過計算和實驗，確定前固定板3與后活動板5夾角為60°，確保面糊流量、配料機構移動工作時間以及薄餅質量。

4.3.3 車輪的結構

配料機構下面設計了4個車輪和4個導向輪，車輪支撐配料車在餅鐺行走，導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，配料機構的車輪和導向輪材料為聚四氟乙烯。由于聚四氟乙烯材料耐高溫，強度較高，所以我們采用聚四氟乙烯材料作為配料機構的車輪。

5 餅鐺結構設計[7]

5.1 餅鐺結構

由于，鋁合金材料有傳熱性能好，重量輕等特點，餅鐺材料選為鋁合金材料。餅鐺上下兩部分組成，并采用長方形，餅鐺上下兩面沿長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）；下餅鐺設有4個可調節4的墊塊。餅鐺設有不銹鋼材料的外殼，外殼上設有電源開關、調溫器以及散熱窗。餅鐺外殼長邊設有配料車的軌道，兩邊設計了漏料盒，防止配料機構不工作時的遺撒。

通過調溫器調節餅鐺的工作溫度，使餅鐺下面設置的加熱棒工作，達到所需的溫度。溫度的高低是通過溫度傳感器反饋控制餅鐺表面的溫度，保障加工薄餅過程的溫度平衡。

5.2 電控元件設計

餅鐺表面的工作溫度采用電加熱，餅鐺上下面，設計了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、溫控表以及轉換器等組成。當設施溫控儀設置好工作溫度后，通過電熱棒加熱，溫度到達后，指示燈表示，到達溫度，溫控儀指示溫度數值。工作溫度超過設定溫度，由溫度傳感器反饋信號，自動調節工作溫度，保障工作溫度保持設定溫度值。

6 市場分析

據調查北京、天津以及山東等地區城鎮和鄉村到處都有賣煎餅的攤點，大都數作為早餐，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，制作煎餅的衛生，令人擔憂。如果新型薄餅機問世，會很快地占領市場，特別是學校和公司白領人群。對于新型食品適應快，并會帶動廣大人群改變觀念，品嘗新型薄餅，最終達到離不開新型薄餅?？梢栽谌珖⑵放频旰瓦B鎖店，也可設置流動車方便于人們吃到熱乎、美味、可口的方便快餐食品。

第一代產品可以采用電加熱的新型薄餅機，此薄餅機可以用在有電源的場合。我們計劃開發第二代野炊型薄餅機，野炊型薄餅機是用木炭加熱的，方便于自駕游的人群在旅游過程中，制作熱乎乎煎餅。另外，這種野炊型薄餅機還可以烤肉，薄餅夾烤肉，可在野外吃上飯館烹飪的美味佳肴。所以說，新型薄餅機發展前景是美好的，將成為人們喜愛的一種食品機械。

7 結束語

新型薄餅機已經申報國家專利（專利申請號：2012 200 28005，1），它的出現將改變傳統煎餅機生產工藝，操作方便、綠色環保、結構合理、美觀科學。將會引領快餐食品新方向。適應于我國大、中、小城市中，并會給城市增添一道亮麗的風景線。

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[4]傅建.材料成形過程數值模擬[M].北京:化學工業出版社,2009:221-277

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