多功能一體包餡機的設計及其參數優化

林 雪 黃鵬程 田立權 侯長安

(1. 金華職業技術學院，浙江 金華 321000；2. 浙江省農作物收獲裝備技術重點實驗室， 浙江 金華 321000；3. 蘭溪健發食品機械有限公司，浙江 蘭溪 321100)

在層酥類食品制作過程中，包餡是至關重要的步驟之一，直接影響食品的外觀與口感[1-2]。傳統的層酥類食品生產工藝是以單個食品為基數進行人工包餡，且在其上端一次收口，收口處粘結密封性好、不漏陷[3]。目前的層酥類食品加工機械為提高生產效率，往往采用“多對象同步滾卷包餡、上下覆蓋收口”加工工藝，每個食品均有上、下兩個缺口[4-6]。同時，覆蓋收口的粘結密封性取決于食品本體與覆蓋食材之間的黏性與覆蓋過程中的力，一旦黏性和力度控制不當，極易在后續加工工序中發生漏餡、漏油等意外，嚴重影響產品口感和保質期[7-8]。

針對現有層酥類食品生產機械在包餡環節中存在的不足，研究擬提出一種“餡料下推、內滾包餡、切割收口”的包餡工藝，通過內滾包餡的方式，模擬人工包餡手法，使包餡后的食品只有一個待收口區域，以期降低多面收口導致的漏餡率和漏油率。

1 多功能一體包餡機總體結構及工作原理

多功能一體包餡機由面皮輸送機構、餡料流轉系統和收口出料裝置組成[9-10]。其中，面皮輸送機構、餡料流轉系統和收口出料裝置沿食品加工工序依次設置。其中，面皮輸送機構主要用于待包餡面皮的傳輸；餡料流轉系統包括擠餡機構、分餡機構和包餡機構，對應擠餡、分餡、包餡3道工序；收口出料裝置則由收口刀盤機構和出料輸送機構兩部分組成。整體結構如圖1所示。

多功能一體包餡機工作原理：餡料通過餡料斗1進入餡料流轉系統的擠餡機構，并由擠出管26將餡料定量地擠入分餡機構，其中，可通過調節葉片泵27轉速實現餡料擠出速度的控制；分餡機構通過壓餡氣缸7推動推餡壓頭8和壓餡壓頭22，在餡料擠壓成型過程中，將其推送至位于送料輸送帶12的面皮上。分餡機構的壓頭22繼續推送餡料，使餡料帶動面皮通過包餡機構，實現面皮對餡料的包裹，并進入收口出料裝置的收口17，通過刀具18 及其配套機構完成收口，并由出料輸送帶23完成出料。

2 多功能一體包餡機關鍵部件設計

2.1 面皮輸送機構

面皮輸送機構由面皮運送裝置、張緊裝置和驅動裝置組成，如圖2所示。面皮10被置于送料輸送帶4上隨送料輸送帶4一起運動，驅動裝置驅動滑塊2沿滑軌3來回運動，并帶動平移件9跟隨運動。平移件9則位于送料輸送帶4的輸出端處，在平移件9隨滑板1運動時，送料輸送帶4的輸出端會從包餡機構的填餡工位上方抽離，使面皮10在慣性作用下落入包餡機構的填餡工位處。

送料輸送帶4張緊繞在平移件9、主動輥6和張緊輥7上，其中，張緊輥7與機架之間還設有配合平移件9運動以補償送料輸送帶4張緊力的張緊調節機構。由于送料輸送帶4張緊地繞在平移件9及托輥上。因此，在平移件9來回運動的過程中，可以通過張緊輥7的運動實現送料輸送帶4的張緊。

1. 餡料斗 2. 出料絞龍 3. 主動輪 4. 行星棘輪 5. 從動輪 6. 推餡氣缸 7. 壓餡氣缸 8. 推餡壓頭 9. 滑板 10. 滑塊 11. 滑軌 12. 送料輸送帶 13. 縫隙 14. 主動輥 15. 張緊輥 16. 毛刷 17. 收口 18. 刀具 19. 固定板 20. 底板 21. 成型孔 22. 壓餡壓頭 23. 出料輸送帶 24. 機架 25. 成型盤 26. 擠出管 27. 葉片泵圖1 多功能一體包餡機Figure 1 Multifunctional encrusting machine

1. 滑板 2. 滑塊 3. 滑軌 4. 送料輸送帶 5. 縫隙 6. 主動輥 7. 張緊輥 8. 光電檢測器 9. 平移件 10. 面皮圖2 面皮輸送機構Figure 2 Dough conveying mechanism

2.2 餡料流轉系統

餡料流轉系統包括擠餡機構、分餡機構和包餡機構，分別對應擠餡、分餡、包餡3道加工工序。其中，擠餡機構與分餡機構如圖3所示。擠餡機構包括餡料斗及設置在餡料斗內的出料絞龍。其中，餡料斗的出料端、葉片泵與餡料擠出管3首尾相接。位于餡料斗內的餡料在出料絞龍的輸送下到達葉片泵，并通過葉片泵將餡料從擠出管3中勻速擠出。

分餡機構位于擠餡機構的下方，包括成型盤2、推餡機構、壓餡裝置和驅動成型盤2繞中心軸轉動的第一驅動機構。其中，成型盤2上均布有上下貫穿的成型孔，在成型盤2轉動過程中，成型孔會隨著轉動先后到達與擠餡機構的出料口正對的擠餡工位處。推餡機構設置在成型盤2的上方，且能通過壓餡裝置將與出料孔正對的成型孔內的餡料從上往下頂出。壓餡裝置位于擠餡機構與推餡機構之間，用于將成型孔內的餡料擠壓成型。成型盤2在第一驅動機構作用下等分角度旋轉，帶有餡料的成型

1. 底板 2. 成型盤 3. 擠出管 4. 出料孔 5. 溢餡孔圖3 擠餡機構及分餡機構示意圖Figure 3 Schematic diagram of stuffing mechanism and sorting mechanism

孔隨成型盤2旋轉到壓餡裝置下方的壓餡工位，餡料被壓陷裝置擠壓成型后，又隨成型盤2旋轉到出料孔4處。此時裝有餡料的成型孔與出料孔4上下正對連通，推餡裝置將成型好的餡料從成型孔中推出，獲得固定體積的餡料。

包餡機構包括機臺及設置在機臺上方的滾筒，各滾筒圍成一個圈且筒面朝向圈中心，形成了面皮填餡工位，如圖4所示。填餡工位4位于推餡壓頭1下方。機臺上還設置有驅動各滾筒3朝填餡工位4中心方向轉動的第4驅動機構。當面皮9進入包餡機構填餡工位4后，推餡壓頭1將成型好的餡料6推至面皮9上，并進一步下壓餡料6，直至餡料6與面皮9一起陷入到填餡工位4下方的孔洞。在推餡壓頭1下壓過程中，第4驅動機構驅動滾筒3朝填餡工位4中心方向轉動，并不斷地將附著在筒面上的面皮9往下送，直至完全脫離筒面。轉動的滾筒能減少面皮9在推餡壓頭1下壓過程中面皮9的延展，有效防止了填餡過程中的面皮破損現象。在此過程中，推餡壓頭1推動餡料6與面皮9同步下移，使餡料6與面皮9完全貼實，最終完成包餡工序。

1. 推餡壓頭 2. 送料輸送帶 3. 滾筒 4. 填餡工位 5. 從動齒輪 6. 餡料 7. 主動齒輪 8. 平移件 9. 面皮 10. 滾輪 11. 變向輪 12. 同步帶輪 13. 過度齒輪 14. 傳動齒輪 15. 齒條圖4 包餡機構結構示意圖Figure 4 Structure diagram of encrusting mechanism

2.3 收口出料裝置

收口出料裝置包括收口刀盤機構和出料輸送機構。

收口刀盤機構由刀具、第5驅動機構、第6驅動機構和設置在機架上的固定板組成。同時，連接著刀具的轉軸沿圓周等間距固定在固定板上。在刀具的中心處形成收口，固定板位于收口處設有通孔，通孔與上述收口上正對連通，第5驅動機構驅動刀具與轉軸同步轉動，以實現收口的擴縮運動。

出料輸送機構包括出料輸送帶和上頂機構，以及控制上頂機構的第6驅動機構。其中，出料輸送帶設置在收口刀盤機構的下方，用于成品的運送。上頂機構位于輸送帶的下方，用于調整出料輸送帶位置高低，以免輸送帶與收口刀盤機構的高度差過大，導致成品在下降過程中受到損傷。

3 多功能一體包餡機驅動系統設計

多功能一體包餡機的驅動系統由6部分組成，分別是：控制分餡機構成型盤轉動的第1驅動機構、控制面皮輸送機構滑塊沿滑軌運動的第2驅動機構、通過調節張緊輥控制面皮輸送帶張緊力的第3驅動機構、驅動包餡機構滾筒朝填餡工位中心方向轉動的第4驅動機構，以及控制收口出料裝置收口刀具的第5驅動機構和調節出料輸送帶高度的第6驅動機構。

多功能一體包餡機驅動系統通過控制6個驅動機構實現送料、分餡、包餡、收口和出料等制作工序，具體控制流程：

(1) 第1驅動機構設置在餡料流轉系統的分餡機構中。餡料被放入餡料斗后，通過擠餡機構將餡料從出料口擠出。同時，第1驅動機構控制分餡機構成型盤繞中心軸轉動，使成型盤上的成型孔按序到達與擠餡機構出料口正對的擠餡工位，配合擠餡機構，實現分餡。

(2) 第2驅動機構和第3驅動機構均設置在面皮輸送機構中。其中，第2驅動機構通過驅動滑塊與平移件控制送料輸送帶的送料運動。由于送料輸送帶采用張緊環繞的方式與平移件及托輥連接，其張緊力會隨著輸送帶的運動而降低。因此，第3驅動機構通過控制張緊輥的來回運動，實現送料輸送帶張緊力的控制。

(3) 第4驅動機構設置在餡料流轉系統的包餡機構中。當待包餡面皮被輸送到包餡機構的填餡工位后，第4驅動機構驅動控制滾筒朝填餡工位中心方向轉動，在推餡壓頭下壓餡料的過程中實現包餡。

(4) 第5驅動機構和第6驅動機構分別設置在收口出料裝置的收口刀盤機構和出料輸送機構中。當完成包餡工序后，第5驅動機構控制收口出料裝置中的刀具，使其運動與轉軸轉動相一致，促使刀具完成擴縮運動，在擴縮運動中實現收口。同時，第6驅動機構通過驅動出料輸送帶下方的頂桿，實現輸送帶的上移接料和下降出料的工序。

4 試驗設計與參數優化

4.1 試驗設計

多功能一體包餡機的漏餡率是決定設備使用效果的重要指標。在包餡工作流程中，影響漏餡率的加工工序主要有推餡工序和填餡工序。上述工序則分別由控制推餡壓頭下壓的推餡氣缸和控制包餡滾筒朝填餡工位中心方向轉動的第4驅動電機，推餡氣缸氣壓P決定了餡料向填餡工位下移的速度，第4驅動電機轉速n4決定包餡機構填餡工位處滾筒轉速，第5驅動電機轉速n5決定了收口刀具的轉速。

為了確定推餡氣缸氣壓P和第4驅動電機轉速n4對整機漏餡率L的影響，設計“P/n4—L”試驗。其中，漏餡率L通過對比包餡前后餡料的重量比來確定。包餡前的餡料重量取分餡工序完成后，處于成型盤的成型孔中餡料的重量；包餡后的餡料重量由產品總重減去面皮重量計算求得。因此，整機漏餡率L可由式(1)求得。

(1)

式中：

L——漏餡率，%；

m1——包餡后的產品總重量，g；

m2——面皮的重量，g；

m3——收口工序中切去的面皮重量，g；

m4——包餡前餡料重量，g。

此外，成型盤上成型孔的容積固定不變，且餡料是采用壓餡壓頭擠壓填充的方式，將成型孔填滿。因此，可以認為，同一批餡料攪拌均勻并經壓頭在成型孔中壓實后，其重量是固定不變的。經過測試試驗，可得成型孔中餡料的重量為50 g，即包餡前的餡料重量為50 g；面皮的重量則控制在60 g。

4.2 數據對比

選取推餡氣缸氣壓P和第4驅動電機轉速n4為變量，其中，推餡氣缸氣壓P取0.3～0.8 MPa，第4驅動電機轉速n4取10～100 r/min。通過不同參數條件下的漏餡率試驗，分析P和n4對整機漏餡率L的影響，并確定最優參數。每組參數試驗20次，取平均漏餡率作為該條件下的整機漏餡率L；如20次試驗中，有超過5次出現破損現象，則定義此組參數試驗結果為“破損”。具體數據如表1所示。

表1 不同氣壓與轉速條件下整機漏餡率L對照表

由表1可知，試驗結果“破損”為7次、漏餡率L超過10%為6次、漏餡率L低于1%為12次。其中，整機漏餡率L最高值出現在P為0.8 MPa、n4為60 r/min時，漏餡率L為13.6%；當推餡氣缸氣壓P為0.35 MPa、第4驅動電機轉速n4為10 r/min和推餡氣缸氣壓P為0.5 MPa、第4驅動電機轉速n4為70 r/min時，整機漏餡率L最小，為0.2%。

進一步分析表1的數據，當P達到0.7 MPa或者n4達到70 r/min時，開始出現破損現象。分析破損現象出現的原因，可能是由于P上升后，推餡氣缸的輸出力加大，導致已成型的餡料在下壓的過程中無法保持原有形狀；而隨著n4的增加，面皮在包餡滾動的作用下，向中心包裹的速度加快；在上述兩種因素的共同作用下，外漏的餡料越來越多，造成了“破損”現象的發生。同時，當n4固定不變時，隨著P的上升，整機漏餡率L也呈上升趨勢；當P固定不變時，隨著n4的上升，整機漏餡率L雖也呈上升趨勢，但卻會出現波動。

分析整機漏餡率L最低的兩組參數(P=0.35 MPa、n4=10 r/min和P=0.5 MPa、n4=70 r/min)和相鄰參數試驗組，可以發現當推餡氣缸氣壓P和第4驅動電機轉速n4均處于較低值時，整機漏餡率L均在1%以下；當推餡氣缸氣壓P接近 0.5 MPa、第4驅動電機轉速n4接近70 r/min時，整機漏餡率L也能控制在1%以下。考慮到包餡速度直接決定了整機包餡效率，可以認為，多功能一體包餡機推餡氣缸氣壓P和第4驅動電機轉速n4的最優參數應為P=0.5 MPa、n4=70 r/min。此時，整機漏餡率L為0.2%，生產效率為40個/min。

5 結論

(1) 研究涉及的多功能一體包餡機可以實現面皮送料、餡料包餡、成品收口和出料等加工環節。一體包餡機的驅動系統可以按序驅動分餡機構、面皮輸送機構、張緊機構、包餡機構、收口出料裝置和出料輸送機構，覆蓋了成品加工的全過程。同時，可根據待包餡對象的尺寸需求，對包餡機構滾輪的間距進行調整，以實現多尺寸面皮的包餡加工。

(2) 提出了以整機漏餡率表征多功能一體包餡機的使用效果。采用自主研制的樣機進行了不同參數條件下的漏餡率試驗，得到了100組不同參數下的整機漏餡率。結果表明：推餡氣缸氣壓和第4驅動電機轉速的數值變

化會直接影響整機漏餡率，參數過高時，甚至會出現包餡破損的情況。同時，考慮到上述參數對整機生產效率的影響，確定推餡氣缸氣壓P=0.5 MPa和第4驅動電機轉速n4=70 r/min為最佳參數。