復合式畜禽肉品真空滾揉-智能炒制一體機的設計

許澤宇，栗俊廣，李波，劉驍，李可，白艷紅

1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450001）；2.河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室（鄭州 450001）；3.食品生產與安全河南省協同創新中心（鄭州 450001）

畜禽肉炒制食品是深受人們喜愛的中華美食，其傳統的炒制設備主要有天然氣灶、電磁爐和煤炭爐等[1-2]，人們普遍保持著人工炒制的烹飪方式。傳統的烹飪對操作人員的專業技能、熟練程度等要求較高，烹飪時的滾揉腌制方法、口味、搭配、火候掌握均因人而異，很難做到一致性[3]。尤其在食堂、飯店等商業場所中，因其出餐量大、加工時間緊張、餐品一致性要求高等，對加工人員數量、技能水平和加工設備的要求也較高。在現代炒制發展趨勢中，全自動、智能化、一體化的加工設備越來越受到青睞[4-5]，代替人工進行炒制的炒制機也應運而生。但目前現有的炒制機主要是完成了攪拌和加熱炒制工作，絕大多數炒制機未實現滾揉功能和智能化加工，仍需操作人員在炒制前進行常壓下的滾揉腌制，仍需手動選取炒制程序、設定炒制參數。而這些操作都是基于操作人員的感官意識來進行的，其炒制程序選取的是否得當、參數設定的是否準確等，都不能完全依據食材物料的確切性質來科學、標準化的進行。且現有的炒制機在加工前不能對食材進行自動清洗、真空滾揉、瀝除水份等作業內容，沒有真正意義上實現全自動和智能化炒制。

真空滾揉能提高肉品的腌制效果，能加快鹽溶性蛋白的溶出[6-8]，可改善肉品嫩度、硬度，提高肉品保水性、咀嚼性等[9-12]。結合真空滾揉的優點，針對現有技術中存在的問題，設計一種適用于食堂、飯店，能夠全自動、智能化、一體化的進行畜禽肉炒制食品加工的復合式真空滾揉-智能炒制一體機。通過創新設計復合式的“雙桶”結構，將真空滾揉和智能炒制融入到一臺一體化加工設備中，實現了真空滾揉和智能炒制的一體化作業。通過使用多傳感器來監測投入烹飪桶中物料的重量，根據物料重量智能自動選取、設定與之對應的作業程序，并完成后續所有的作業內容，實現了智能化加工。降低了操作人員的專業技術要求和操作人數，提高了加工效率，同時也保證了餐品品質和一致性，特別適用于食堂、飯店等需要進行大量炒制的商業場所。

1 復合式滾揉-炒制一體機的整體結構和工作原理

1.1 整體結構

復合式畜禽肉品真空滾揉-智能炒制一體機的核心部件主要由滾揉-炒制內桶、真空外桶、異形攪拌器、內桶驅動-調料加注復合部件和功能機架等五部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 復合式滾揉-炒制一體機結構示意圖

在該一體機中，滾揉-炒制內桶安裝在由真空外桶、密封蓋、加熱部件和內桶驅動-調料加注復合部件所組成的密閉環境內，并在內桶驅動-調料加注復合部件的驅動下進行轉動。在工作過程中，它主要起到了對肉品進行滾揉作用和炒制加工；真空外桶與機架的前托架和后托架相連接，前、后托架能托起真空外桶分別進行向前傾倒出餐和向后傾倒瀝水；異形攪拌器安裝在滾揉-炒制內桶的內部特定部位，起到了攪拌和引流的作用；內桶驅動-調料加注復合部件同時連接著滾揉-炒制內桶和真空外桶，起到了對內桶進行旋轉驅動、桶內加注水和液體調料、真空密封和排出廢水等作用；功能機架上安裝著前、后托架、電氣電控箱、液體調料加注泵、抽真空泵和電動伸縮桿，其前、后端分別放置著接餐盆和接水盆。

1.2 工作原理

在工作前，操作人員可根據食材狀態選擇是否進行食材的清洗、滾揉、瀝水等。通過安裝在前、后托架上的重力傳感器來自動稱量出投入滾揉-炒制內桶中食材的重量，并將重量信號傳輸給觸控上位機。上位機根據食材重量和編制好的滾揉和炒制程序，智能自動設定所需的滾揉和炒制參數[13-14]。之后抽真空部件開始將真空外桶內的空氣抽出并進行真空滾揉作業，滾揉作業后將真空外桶通入空氣并開始進行炒制加工（或可不進行滾揉而直接進行炒制加工）。炒制完成后，位于出餐口處的密封蓋自動打開并進行傾倒出餐。

在加工過程中，通過瀝水擋環可實現不取出食材而直接進行瀝水，瀝水時的整機狀態即如圖1（a）所示。通過液體調料加注部件來實現在滾揉-炒制內桶內部進行水、液體調料和清潔劑的加注。通過前托架和接餐盆來進行炒制成品的出餐傾倒和接取，出餐時的整機狀態如圖2所示。通過后托架和接水盆來進行廢水的傾倒和接取，其狀態與瀝水時相同。通過電動伸縮桿來對前、后托架進行驅動。通過安裝在真空外桶與滾揉-炒制內桶之間的加熱部件來對滾揉-炒制內桶進行加熱。通過內桶驅動-調料加注復合部件來實現對滾揉-炒制內桶的支撐、驅動滾揉-炒制內桶的旋轉和排水功能。通過特殊外型的異形攪拌器來進行攪拌，實現了對食材的滾揉、攪拌、引流和防粘等功能。

圖2 出餐工作狀態

一體機中，真空外桶與加熱部件、密封蓋、內桶驅動-調料加注復合部件共同組成了一個完全密閉的空間，滾揉-炒制內桶可在該密閉空間內進行轉動。真空軟管連接著真空外桶和放置在電氣電控箱內的抽真空部件，可將真空外桶密閉環境內的空氣抽出，造成真空的狀態，以使置于滾揉-炒制內桶中的食材能在真空的狀態下進行滾揉作業，有利于加快鹽溶性蛋白的溶出，提高肉品的腌制效果。真空滾揉后，再通過真空軟管將空氣導入到該密閉環境中，達到常壓的狀態，之后繼續進行后續作業。

2 主要部件設計

2.1 滾揉-炒制內桶設計

滾揉-炒制內桶的設計包括兩個方面，一方面是內桶的結構選取，另一方面是在確定其結構后，使用參數化設計方法來確定內桶結構各部位的具體參數值。根據不同的使用需求，這些參數值可按照得出的參數化設計公式進行改變，從而達到改變內桶容積、結構的目的，得出的參數化設計公式對內桶的設計具有一定的通用性。

2.1.1 滾揉-炒制內桶的結構選取

滾揉-炒制內桶的結構一般有三種形態，分別為圓球形、圓柱形和組合形態[15]。在畜禽肉品加工過程中，僅有內桶底部的內表面和空間部分直接參與了加工。因此，在相同的加工內表面和容積空間條件下，圓柱形內桶的總體體積最小，其次是組合形態，而圓球形的總體體積最大。為了減小一體機的占地空間，提高一體機的熱效率，應盡量減小內桶的總體體積。因此，可選用圓柱形或組合形態來作為內桶的外形結構。根據人機工程學原理，內桶前端的出餐口應與鉛垂面方向保持一定的銳角，以便于加工操作人員的工作，符合人性化設計要求。此時，圓柱形結構的內桶就不易實現瀝水功能，并且在炒制過程中，因前、后端的食材物料厚度變化差異大，易造成受熱不均勻[16]，不能很好滿足生產需求。而組合形態的內桶結構既能滿足人機工程學的設計要求，也能使物料受熱均勻[17]，還易于實現瀝水功能，同時也避免了出現較大的內桶總體體積。故在本一體機的設計中，選用組合形態的內桶結構，并對其組合形態的各部分進行參數化設計。在正常工作狀態下，組合形態的內桶結構如圖3所示。內桶中心軸線與機架保持一定的角度，桶內物料沿其鉛垂面的橫截面呈倒置的等腰梯形，物料的上表面呈近似于圓形的六邊形形態，如圖5（b）所示。這樣就使內桶中的物料呈現出規則、輪廓變化較小的形態，從而使物料受熱更加均勻，減少熱量散失，縮短炒制時間，不易出現糊鍋或炒制失敗的現象。

圖3 組合形態的內桶結構

2.1.2 滾揉-炒制內桶容積的參數化設計

由圖3可以看出，組合形態的內桶分為前、中、后三個部分，在自然狀態下，食材物料充滿內桶的底部。為了得到該底部的容積，并為了得出組合形態內桶結構通用的參數設計方程，以實現通用化設計，本文使用參數化設計方法對其進行設計。以內桶中心線為x軸，以物料邊緣與內桶前部的交點為x軸的零點，以平行于出餐口平面的直線為y軸，建立如圖4所示的坐標系。

圖4 內桶設計坐標系

在坐標系中，ABCD為內桶物料的剖切平面，是一個等腰梯形。ACDB四點在x軸上的坐標值分別為0、x1、x2、x3。通過x1、x2的垂線將剖切平面分為了三個區域，這三個區域的體積分別以va、vb、vc來表示。若內桶物料的總體積為v，則有式：

由坐標系可知，va、vb、vc的大小與x1、x2、x3的值有關。在x軸上，xa、xb、xc的取值范圍分別為（0，x1]、（x1，x2]、（x2，x3]。在y軸上，與xa、xb、xc相對應的坐標分別為ya1、ya2；yb1、yb2；yc1、yc2。根據積分定理，在（0，x1]、（x1，x2]、（x2，x3]上分別有式：

式（2）~（4）中，因ya1，ya2；yb1，yb2；yc1，yc2均為等腰梯形ABCD上的點，故只需確定ABCD四個點的坐標，即可根據直線的兩點式方程來確定出這些點的數值，再將數值代入到得出的方程式中來計算定積分，即可得出滾揉-炒制內桶的工作容積。

若A，B，C，D四點的坐標分別為（ax，ay），（bx，by），（cx，cy）和（dx，dy），則滾揉-炒制內桶前端出餐口的直徑、后端內桶驅動-調料加注復合部件安裝外徑、內桶最大外徑、內桶長度分別為：

至此，滾揉-炒制內桶的工作容積和結構參數，均以參數化方程表示了出來。在不同的使用需求下，只需輸入不同的坐標值，即可快速獲得相應的工作容積和結構參數，滿足了快速設計和不同場合的應用需求。根據實際生產需要，本設計中所選定各個參數的參數值如表1所示。在該參數下，一體機的設計工作容積v=0.016 m3，單次烹飪出餐量為16.292 kg，烹飪時長為12 min，出餐產量可達到81.460 kg/h。

表1 選定的一體機設計參數值

2.2 異形攪拌器的結構設計

異形攪拌器安裝在滾揉-炒制內桶的內壁上，是進行攪拌和導流的主要器具。在設計時，其攪拌平面始終與內桶的壁面保持固定的鈍角，以防止攪碎食材[18]，其導流平面的法線始終垂直于內桶的中心軸線，以使傾倒出餐過程更加順暢。異形攪拌器攪拌平面的切線與內桶中心軸線始終保持固定的角度，以使任何位置處的食材都受到相同的攪拌力。在進行滾揉和炒制作業時，異形攪拌器圍繞內桶中心軸線做逆時針轉動；在進行出餐作業時，做順時針轉動。異形攪拌器在物料中進行攪拌時的軸測視圖和俯視圖如圖5所示。

圖5 攪拌時的軸測視圖和俯視圖

由圖4可知，內桶前部區域的半徑大于后部，并在C點處取得最大值。若以C、D兩點為內桶前、后部的代表，則當內桶以轉速ω轉動時，根據公式：

可知，內桶前、后部的攪拌線速度有V前＞V后。而內桶任何位置處的物料所受到的攪拌力都相同，則根據式：

可知，位于內桶前部的攪拌器的攪拌功率大于位于后部的攪拌器的攪拌功率。這就會使得物料在內桶中受到一定的沿逆時針方向的扭矩[19-20]，而由于扭矩的作用，在俯視方向上，內桶中的物料會呈現出沿逆時針轉動的狀態。這一狀態的出現可為食材物料進一步的受熱均勻提供了有力幫助。

2.3 內桶驅動-調料加注復合部件的結構設計

內桶驅動-調料加注復合部件的結構剖視圖如圖6所示，結構中，注水部件和液體調料加注部件安裝在瀝水擋環的前端，并位于內桶的內部，避免了加注調料時的外漏和過多的與外部空氣接觸，從而使設備更加清潔和使餐品更加潔凈衛生[21]。在復合部件的前端有多個液體調料噴射口，當內桶轉動時，噴口方向始終保持向下朝向食材物料，因而在加注調料時不會造成浪費和產生加注不及時的現象。液體輸送管接口是輸送液體調料的接口，其內部有多種管道，用來輸送各種液體調料、水和清洗劑等。瀝水擋環用于阻擋食材物料，防止在排水過程中物料被排出裝備外。內桶驅動部件由驅動電機、齒輪副、軸承、軸套、外驅動筒、中間套筒、套筒吊耳和密封圈等組成，通過該部件實現了對滾揉-炒制內桶的轉動驅動，并實現了瀝水和排水功能，使裝備在進行連續作業時，能有效排出內桶中的水份。

圖6 內桶驅動-調料加注復合部件剖視圖

2.4 功能機架的結構設計

功能機架的結構如圖7所示，在機架的前部放置著接餐盆，后部放置著接水盆，左側安裝著電氣電控箱，右側安裝著前托架和后托架，中后部安裝著出餐電動伸縮桿和瀝水電動伸縮桿。在前托架上分布著用來放置真空外桶所需的凹槽，前托架的后部與出餐電動伸縮桿安裝在一起，電動伸縮桿驅動前托架來托起真空外桶，使其與機架呈一定的角度來進行傾倒出餐。在后托架上同樣也有用來放置真空外桶的凹槽，且該凹槽的位置與前托架凹槽的位置相對應。后托架的后部與瀝水電動伸縮桿安裝在一起，通過電動伸縮桿的驅動，使后托架托起真空外桶使其與機架呈一定的角度來進行排出廢水。在前、后托架的凹槽底部安裝有重力傳感器，重力傳感器用于監測投入滾揉-炒制內桶中物料的重量。通過稱量，把重量信息傳輸給上位機，上位機根據物料重量和編制好的加工程序，智能自動選取所需的作業參數進行加工，實現了自動稱量、智能自動設定加工程序等智能化加工。

圖7 功能機架結構示意圖

3 結論

設計了復合式畜禽肉品真空滾揉-智能炒制一體機，該一體機主要由滾揉-炒制內桶、真空外桶、異形攪拌器、內桶驅動-調料加注復合部件和功能機架等五部分組成，具有自動稱量、智能自動設定加工程序、真空滾揉、瀝除水份、桶內加注調料、恒力攪拌、均勻受熱等功能或特性。

1) 組合形態的內桶結構能滿足人機工程學設計要求，能使物料受熱均勻，易于實現瀝水功能，避免了出現較大的內桶總體體積；使用參數化設計方法確定了內桶各部位的結構參數值，得出了具有廣泛適用性的參數設計方程。異形攪拌器的攪拌平面始終與內桶壁面保持固定的鈍角，能防止攪碎物料；其導流平面的法線始終垂直于內桶中心軸線，能使出餐傾倒更加順暢；其導流平面的切線與內桶中心軸線始終保持固定的角度，可使內桶任何位置處的物料受到相等的攪拌力，能避免攪拌不均勻。

2) 內桶驅動-調料加注復合部件使裝備在連續作業時能排出內桶中的水份和其他液態物，實現對食材的前處理功能；使調料在桶內進行加注，可避免調料外漏和過多的與外部空氣接觸，以使餐品更加潔凈衛生。

3) 使用重力傳感器來測量待加工食材物料的重量，使加工炒制程序的自動設置有據可依，提高了餐品一致性，是實現智能化加工炒制的基礎。