一種燃氣式滾筒型烤全羊機的設計

毛清風 肉孜·阿木提 史勇

摘要：傳統的烤全羊大多在土制馕坑里烤制，機械化程度低、熱能損失嚴重，污染環境。針對這些問題，設計了一種以瓦斯紅外線燃燒器為熱源、以可旋轉式滾筒為工作裝置的烤全羊機。工作時，通過瓦斯紅外線燃燒器加熱滾筒，羊肉通過專用的串羊機構將其固定在滾筒內部，電機帶動滾筒均勻旋轉，從而實現了機械化烤制。裝置內溫度控制在250～260 ℃，50 min即可烤制出色澤金黃、外焦里嫩的烤全羊。

關鍵詞：燃氣式；滾筒；烤全羊；設計

中圖分類號：TS972.21 文獻標識碼：A 文章編號：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歷史，是穆斯林人民膳食的一種傳統地方風味肉制品，也是當地的特色美食[1，2]。傳統的烤全羊制作方式是將整只羊掛放置于馕坑中進行烤制，利用煤炭或樹枝作為燃料進行加熱[3]。傳統的馕坑通常由羊毛和入黏土砌筑而成，上方留有開口，并且炭火在燃燒過程中會產生煙塵、CO、CO2和SO2等有害氣體，工作環境非常惡劣，也不利于機械化操作，熱能利用率低、操作者勞動強度大，容易造成燒傷、燙傷[4，5]。

隨著生活水平的提高和科技的發展，用傳統的方式來烤制烤全羊已經滿足不了人們的消費需求[6，7]。近年來出現了不同類型的烤全羊機，其主要表現為不再使用傳統的馕坑對羊進行烤制，而是采用專用電烤全羊機，實現對時間和溫度進行精確控制[8]。劉波[9]發明了一種節能烤全羊爐，該裝置改變了傳統馕坑對全羊的烤制，利用鐵板制成的爐體和爐架實現了烤全羊的機械化，但該裝置無法實現烤全羊的自動旋轉，而且該裝置的熱源采用傳統的煤炭燃燒，易污染環境。劉明[10]發明了高效、節能、環?？救驙t，該裝置采用遠紅外線加熱管實現對整羊的加熱，并且在加熱過程中實現烤全羊的自動翻轉，但所采用的電熱絲的熱效率較低，易產生熱能損失，同時也無法實現溫度的自動控制。朱德建等[11]發明了一種烤全羊機，該裝置采用電機作為動力源，燃氣作為熱源，在加熱過程中實現烤全羊的自動翻轉，但無法實現溫度的自動控制。

在烤全羊裝置的開發中，使燒烤技術與中國傳統加工方式巧妙結合，使加工趨于機械化、科學化，并在保持傳統特色的前提下，降低生產成本、提高經濟效益[12，13]。設計并研制一種以燃氣為熱源可旋轉式烤全羊裝置，對機器整體機構和原理進行闡述，并設計了關鍵零部件。該裝置操作簡單，機械化、自動化程度高，綠色節能，對推動新疆特色餐飲業以及新疆飲食文化的健康發展具有非常重要的意義[14]。

1 整機總體設計方案及工作原理

1.1 整機結構

燃氣式滾筒型烤全羊裝置的整體機構如圖1。該裝置主要由封閉式不銹鋼爐體機構、可旋轉式滾筒機構、傳動系統、電氣控制系統滴油盤機構、串羊工具及取羊工具6部分組成。該裝置的核心部件——圓形滾筒位于爐體內部，由支撐滑輪支撐，工作時由傳動系統帶動其轉動，以保證固定在滾筒內部的烤全羊受熱均勻。滴油盤安裝在滾筒內部正下方，一端通過不銹鋼鋼絲懸掛在滾筒一端的凸臺上，另一端通過固定板固定在爐體上，主要收集烤全羊烘烤過程中滴落的油脂，防止油脂遇到明火燃燒產生致癌物質。裝置的熱源為一個紅外線瓦斯燃燒器，安裝在滾筒正下方，并且在燃燒器兩邊安裝有集火板。為了保證機器的穩定性并減少噪聲，傳動系統由調速電機通過鏈條帶動滾筒在滾珠軸承改裝的支撐滑輪上轉動。傳動系統主要由鏈條和鏈輪組成，小鏈輪與電機連接，大鏈輪與滾筒后端的軸連接。

該裝置的總體尺寸為1 020 mm×770 mm×1 100 mm，機架采用40 mm×40 mm和40 mm×60 mm規格304不銹鋼方鋼焊接而成，內部有效容積為1.12 m3，足夠安裝圓形滾筒，為了提高保溫性能和提高熱效率，在機架內部夾層之間填充有石棉材料。滾筒有效容積為0.47 m3，能夠烤制一只7～10 kg的羔羊。

1.2 工作原理

烤制前，接通電源，打開燃氣，先對裝置進行預熱，轉動滾筒使滾筒受熱均勻，提前用穿羊軸將羊羔穿好。當爐體內溫度達到烤制最佳溫度時（250 ℃），打開側門，關閉電機，用取羊工具把穿羊軸放入滾筒中，并在滴油盤內注入適量的水，關上門，打開電機開始烤制。在烤制過程中，燃燒器加熱滾筒，滾筒受熱并對內部的羊燜烤，沒有明火接觸，而且滾筒轉動能使羊受熱均勻；滴油盤中有水，能使羊肉保持水分，又能使從羊肉上滴落的油不受熱燃燒產生致癌物質。裝置的側門安裝有鋼化玻璃制成的觀察口，用于觀察烘烤過程中羊肉顏色的變化，當羊肉顏色達到要求時即可關閉電源，用取羊工具取出烤全羊，即完成烤制。裝置的電氣系統能對爐體內部的溫度實時監測，在燃氣不足時可以自動報警并在10 s后自動再次點火。由于爐體夾層里填充有保溫材料，該機器的保溫性能較好，在完成一只羊的烤制后可以繼續烤制，不用重新加熱，提高了裝置的熱效率和工作效率。

2 烤全羊機的設計

2.1 滾筒

滾筒結構如圖2所示。根據烤制設計調節和爐體尺寸，設計滾筒直徑為640 mm，長為940 mm，采用厚2 mm 304不銹鋼制作。滾筒無端蓋的一邊在邊緣位置焊接有一圈304不銹鋼鋼條，鋼條放置在箱體內的承重滑輪上。在烤制過程中，滾筒內部溫度上升較快，爐體內部有水蒸氣生成，為防止水蒸氣影響烤全羊的口感故在滾筒有端蓋的一個面上開有6個洞，便于滾筒內烤制品的水氣排出。滾筒另一端的外表面上有傳動軸，材料為40Cr鋼材，傳動軸上安裝有齒盤，齒盤通過鏈條與調速電機連接。滾筒內部有凸臺（圖2），材料為40Cr鋼材，凸臺上有固定串羊軸的連接鍵；凸臺與滾筒之間有懸掛滴油盤的凹槽。

傳動軸如圖3所示。Ⅲ端面從爐體內部穿出，端面直徑為30 mm，長60 mm，Ⅱ端面安裝有滾珠軸承，與爐體上的2個支撐滑輪共同支撐著滾筒，軸承采用軸肩進行軸向定位，由軸產品目錄表中選擇滾珠軸承6205-2Z，其尺寸為d×D×T=25 mm×52 mm×15 mm，為方便安裝拆卸設計Ⅱ端面長20 mm。

考慮到滾筒的受力狀態，可以近似看成一個受扭矩的傳動軸，現按扭轉強度條件校核軸的方法來初步估計軸徑，軸的扭轉強度條件為：

？咨T=■≈■≤[？咨T]

式中，？咨T為扭轉切應力，MPa；T為軸所受的扭矩，N·mm；WT為軸的抗扭截面系數，mm3；n為軸的轉速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；d為截面處軸的直徑，mm。

可得軸的直徑為：

d≥■=■■=A0■

式中，A0=■，可查軸常用參數表得，取A0=112，把P=0.015 kW，n=30 r/min代入上式，得d≈9 mm，因為上面開有鍵槽，取實際d=10 mm。軸與齒盤采用平鍵連接，查參數表得平鍵b×h=3 mm×3 mm。Ⅰ段長度不固定，可根據工作需要自行設計。

2.2 滴油盤

滴油盤結構如圖4所示。為解決在傳統裝置烤制過程中，滴落的油脂遇明火燃燒產生油煙和致癌物質的問題，設計了滴油盤，并在烤制過程中在滴油盤中裝入適量的水，不僅可以解決這個問題，而且還可以保持烤制品的水分。

滴油盤前端底部開有2個排水孔，排水管與孔之間用螺紋連接。后端有2個鋼絲孔，孔中穿有鋼絲，鋼絲掛在滾筒內部凸臺上。前端焊接有固定板，固定板與爐體上滴油盤固定側板通過螺栓連接固定。滴油盤掛在滾筒內部，但不隨滾筒轉動。

2.3 串羊軸

串羊軸結構如圖5所示。傳統的烤全羊都是固定在燒烤架上烤制的，燒烤架體積偏大。為了滿足烤制需要，以傳統燒烤架為模型，在不影響滾筒內部其他機構性能的前提下進行了優化設計，進一步縮小了尺寸[15]，使改進后的串羊軸能滿足在滾筒內烤制的要求。

為滿足烤制需求，串羊軸設計為長920 mm，主軸直徑為20 mm，兩側軸的直徑為10 mm，材料選擇304不銹鋼。串羊軸前端設計有鍵，該鍵與滾筒內部凸臺上的鍵連接；軸后端有圓形限位凸臺，安裝在支撐架上?？局七^程中，串羊軸隨滾筒一起轉動，實現烤全羊的自動翻轉，受熱均勻。

2.4 取羊工具

烤全羊最佳的烤制溫度為250～260 ℃，因此，烤制完成后，爐體內溫度較高，為了提高熱效率進行連續烤制，并避免燙傷，設計了專用取羊工具（圖6）。

取羊工具比串羊軸略長，倆掛鉤之間間隔900 mm。取羊時，先用工具勾住串羊軸，再打開固定架，取出穿羊軸，即完成一次烤制。

2.5 傳動系統的設計

傳動系統結構如圖7所示，主要由調速電機、大小鏈輪、鏈條、支撐滑輪組成。工作時，調速電機帶動小鏈輪轉動，通過鏈條將運動傳遞到大鏈輪，實現滾筒的旋轉。滾筒由焊接在爐體上的2個支撐滑輪和傳動軸上的滾珠軸承支撐，滾筒的輪盤可在支撐滑輪的槽內轉動。支撐輪內部有耐高溫的滾珠軸承，可以在轉動過程中盡可能減少摩擦，進而減少噪聲提高傳動效率。

3 控制系統的設計

3.1 控制系統

該系統主要由自動旋轉系統和自動烘烤系統2部分組成。為實現烤全羊的自動旋轉，設計了自動旋轉系統，自動旋轉系統主要由一個60 V的PWM直流電機控制器和一個50 W的齒輪減速電機組成。工作時，旋轉控制臺上的旋鈕控制電機的轉速和正反轉，實現羊的自動旋轉。為實現烤全羊的自動烘烤，設計了自動烘烤系統，自動烘烤系統主要由溫度控制系統和燃氣點火系統組成，點火系統由電磁閥和點火器等部分組成，溫度控制系統主要由溫控器和熱敏電阻組成。工作時，先接通電源S，打開S2開關，點火器開始點火工作，并在溫度控制器面板上輸入溫度參數，通常將溫控器的上限值設為270 ℃，下限值設為250 ℃。打開S1開關，電機通過傳動系統驅動滾筒旋轉，實現烤全羊的機械翻轉。當爐體內部溫度達到260 ℃，即可進行烤制。當位于爐體內部的熱敏電阻探測到溫度高于270 ℃時，溫控器控制燃燒器停止加熱，裝置進入保溫狀態。當爐體內溫度逐漸降低并低于250 ℃時，點火器工作，點燃燃燒器，直到再次達到270 ℃（圖8）。

3.2 自動烘烤系統

該系統由溫度控制系統和燃氣點火系統組成，燃氣點火系統主要由1臺紅外線瓦斯燃燒器、1套高壓點火器、1個電磁節流閥（兩位兩通式）。燃燒器的自動點火功能和燃氣的通斷，通過燃氣點火系統實現。燃氣管先接電磁閥的進氣口，節流閥與電磁閥的出口相連接，節流閥的出口與紅外線瓦斯燃燒器相連，電磁閥與溫控器相連。工作時，點火器起著控制點火、狀態燈的指示工作，由電磁節流閥控制燃氣的進氣量，溫控器控制著電磁節流閥的通斷，進而控制爐頭是否進氣，實現裝置的自動烘烤。

3.3 裝置安全系統

該系統主要通過PLC控制器和相應傳感器控制蜂鳴器和紅外線瓦斯燃燒器完成相關工作。該系統的具體工作原理是：接通電源后，PLC控制器控制電磁節流閥開啟，點火器同時開始點火，此時點火指示燈亮。當燃燒器被點燃后，點火指示燈滅，燃燒指示燈亮。當燃氣進氣量不足或者點火針不工作時，PLC控制器會控制點火器再次點火，若燃燒器還沒被點燃，則PLC控制器控制電磁閥關閉，燃燒器熄滅，蜂鳴器工作，同時報警指示燈亮，裝置停止工作（圖9）。

4 裝置的性能試驗

4.1 試驗結果

2016年9月，在新疆農業大學農業工程裝備創新設計重點實驗室進行了烤全羊裝置的預熱試驗?？局圃囼灥膶ο鬄?個甘薯，總重2 kg。試驗時，先將裝置的溫度控制器最高溫度設定為270 ℃，最低溫度設定為250 ℃。放入甘薯，接通電源，打開燃氣，關閉密封門，轉動滾筒，大約6 min即可把甘薯烤熟，并針對預熱試驗中出現的問題和不足，進行了完善和改進。2016年11月，在新疆農業大學農業工程裝備創新設計重點實驗室進行了烤全羊試驗，烤制對象為5 kg羊腿，羊腿事先腌制好，調料也抹勻?？局魄?，先進行裝置的預熱，當內部溫度達到260 ℃時，大約30～32 min，打開門，放入羊腿，并在滴油盤中注入適量的水，當水不再氣化時，大約30 s，關上門，開始烤制，大約30 min，可以將羊腿烤7～8分熟。

4.2 試驗分析

該裝置與傳統裝置相比，該裝置可以實現肉制品在烤制過程中的自動旋轉加熱，機械化、自動化程度較高，并且該裝置的保溫性能較好，與傳統裝置相比，更適合連續性烤制，提高了生產率和熱效率，尤其對大體積的肉制品。此外，試驗條件較為單一，還不能確定該裝置烤制的效果與電機轉速、烘烤溫度以及烘烤時間等因素的關系。為了確定這種關系，還須進行正交試驗，并且該裝置在設計之初未考慮裝置內部的通風換氣，在以后的改進中將會進行內部優化設計。該裝置的研制成功，改善了傳統的烤制方式，減少了有害氣體的排放，提高了熱能利用率，符合綠色環保節能生活理念，具有一定的實用和推廣價值。

5 小結

針對傳統的烤全羊裝置的問題，設計了一種以燃氣為熱源，可連續旋轉烤羊的裝置。以滾筒為主要工作機構，實現裝置的機械化連續烘烤。該裝置保溫效果好、熱利用率高、環境污染小。但是該裝置加熱時間過長，不利于小體積肉制品的快速烤制，而且內部未通風換氣設計，在以后的改進試驗中會逐步改進。

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