許澤宇，栗俊廣，李波，劉驍，李可，白艷紅

1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（鄭州 450001）；2.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（鄭州 450001）；3.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)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(tǒng)的炒制設(shè)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(tǒng)的烹飪對(duì)操作人員的專業(yè)技能、熟練程度等要求較高，烹飪時(shí)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(yè)場(chǎng)所中，因其出餐量大、加工時(shí)間緊張、餐品一致性要求高等，對(duì)加工人員數(shù)量、技能水平和加工設(shè)備的要求也較高。在現(xiàn)代炒制發(fā)展趨勢(shì)中，全自動(dòng)、智能化、一體化的加工設(shè)備越來越受到青睞[4-5]，代替人工進(jìn)行炒制的炒制機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。但目前現(xiàn)有的炒制機(jī)主要是完成了攪拌和加熱炒制工作，絕大多數(shù)炒制機(jī)未實(shí)現(xiàn)滾揉功能和智能化加工，仍需操作人員在炒制前進(jìn)行常壓下的滾揉腌制，仍需手動(dòng)選取炒制程序、設(shè)定炒制參數(shù)。而這些操作都是基于操作人員的感官意識(shí)來進(jìn)行的，其炒制程序選取的是否得當(dāng)、參數(shù)設(shè)定的是否準(zhǔn)確等，都不能完全依據(jù)食材物料的確切性質(zhì)來科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)行。且現(xiàn)有的炒制機(jī)在加工前不能對(duì)食材進(jìn)行自動(dòng)清洗、真空滾揉、瀝除水份等作業(yè)內(nèi)容，沒有真正意義上實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(jié)合真空滾揉的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，設(shè)計(jì)一種適用于食堂、飯店，能夠全自動(dòng)、智能化、一體化的進(jìn)行畜禽肉炒制食品加工的復(fù)合式真空滾揉-智能炒制一體機(jī)。通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)復(fù)合式的“雙桶”結(jié)構(gòu)，將真空滾揉和智能炒制融入到一臺(tái)一體化加工設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了真空滾揉和智能炒制的一體化作業(yè)。通過使用多傳感器來監(jiān)測(cè)投入烹飪桶中物料的重量，根據(jù)物料重量智能自動(dòng)選取、設(shè)定與之對(duì)應(yīng)的作業(yè)程序，并完成后續(xù)所有的作業(yè)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了智能化加工。降低了操作人員的專業(yè)技術(shù)要求和操作人數(shù)，提高了加工效率，同時(shí)也保證了餐品品質(zhì)和一致性，特別適用于食堂、飯店等需要進(jìn)行大量炒制的商業(yè)場(chǎng)所。

1 復(fù)合式滾揉-炒制一體機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

復(fù)合式畜禽肉品真空滾揉-智能炒制一體機(jī)的核心部件主要由滾揉-炒制內(nèi)桶、真空外桶、異形攪拌器、內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件和功能機(jī)架等五部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合式滾揉-炒制一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在該一體機(jī)中，滾揉-炒制內(nèi)桶安裝在由真空外桶、密封蓋、加熱部件和內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件所組成的密閉環(huán)境內(nèi)，并在內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。在工作過程中，它主要起到了對(duì)肉品進(jìn)行滾揉作用和炒制加工；真空外桶與機(jī)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(jìn)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(nèi)桶的內(nèi)部特定部位，起到了攪拌和引流的作用；內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件同時(shí)連接著滾揉-炒制內(nèi)桶和真空外桶，起到了對(duì)內(nèi)桶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、桶內(nèi)加注水和液體調(diào)料、真空密封和排出廢水等作用；功能機(jī)架上安裝著前、后托架、電氣電控箱、液體調(diào)料加注泵、抽真空泵和電動(dòng)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(jù)食材狀態(tài)選擇是否進(jìn)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(dòng)稱量出投入滾揉-炒制內(nèi)桶中食材的重量，并將重量信號(hào)傳輸給觸控上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)食材重量和編制好的滾揉和炒制程序，智能自動(dòng)設(shè)定所需的滾揉和炒制參數(shù)[13-14]。之后抽真空部件開始將真空外桶內(nèi)的空氣抽出并進(jìn)行真空滾揉作業(yè)，滾揉作業(yè)后將真空外桶通入空氣并開始進(jìn)行炒制加工（或可不進(jìn)行滾揉而直接進(jìn)行炒制加工）。炒制完成后，位于出餐口處的密封蓋自動(dòng)打開并進(jìn)行傾倒出餐。

在加工過程中，通過瀝水擋環(huán)可實(shí)現(xiàn)不取出食材而直接進(jìn)行瀝水，瀝水時(shí)的整機(jī)狀態(tài)即如圖1（a）所示。通過液體調(diào)料加注部件來實(shí)現(xiàn)在滾揉-炒制內(nèi)桶內(nèi)部進(jìn)行水、液體調(diào)料和清潔劑的加注。通過前托架和接餐盆來進(jìn)行炒制成品的出餐傾倒和接取，出餐時(shí)的整機(jī)狀態(tài)如圖2所示。通過后托架和接水盆來進(jìn)行廢水的傾倒和接取，其狀態(tài)與瀝水時(shí)相同。通過電動(dòng)伸縮桿來對(duì)前、后托架進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過安裝在真空外桶與滾揉-炒制內(nèi)桶之間的加熱部件來對(duì)滾揉-炒制內(nèi)桶進(jìn)行加熱。通過內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件來實(shí)現(xiàn)對(duì)滾揉-炒制內(nèi)桶的支撐、驅(qū)動(dòng)滾揉-炒制內(nèi)桶的旋轉(zhuǎn)和排水功能。通過特殊外型的異形攪拌器來進(jìn)行攪拌，實(shí)現(xiàn)了對(duì)食材的滾揉、攪拌、引流和防粘等功能。

圖2 出餐工作狀態(tài)

一體機(jī)中，真空外桶與加熱部件、密封蓋、內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件共同組成了一個(gè)完全密閉的空間，滾揉-炒制內(nèi)桶可在該密閉空間內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。真空軟管連接著真空外桶和放置在電氣電控箱內(nèi)的抽真空部件，可將真空外桶密閉環(huán)境內(nèi)的空氣抽出，造成真空的狀態(tài)，以使置于滾揉-炒制內(nèi)桶中的食材能在真空的狀態(tài)下進(jìn)行滾揉作業(yè)，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(dǎo)入到該密閉環(huán)境中，達(dá)到常壓的狀態(tài)，之后繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 滾揉-炒制內(nèi)桶設(shè)計(jì)

滾揉-炒制內(nèi)桶的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，一方面是內(nèi)桶的結(jié)構(gòu)選取，另一方面是在確定其結(jié)構(gòu)后，使用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法來確定內(nèi)桶結(jié)構(gòu)各部位的具體參數(shù)值。根據(jù)不同的使用需求，這些參數(shù)值可按照得出的參數(shù)化設(shè)計(jì)公式進(jìn)行改變，從而達(dá)到改變內(nèi)桶容積、結(jié)構(gòu)的目的，得出的參數(shù)化設(shè)計(jì)公式對(duì)內(nèi)桶的設(shè)計(jì)具有一定的通用性。

2.1.1 滾揉-炒制內(nèi)桶的結(jié)構(gòu)選取

滾揉-炒制內(nèi)桶的結(jié)構(gòu)一般有三種形態(tài)，分別為圓球形、圓柱形和組合形態(tài)[15]。在畜禽肉品加工過程中，僅有內(nèi)桶底部的內(nèi)表面和空間部分直接參與了加工。因此，在相同的加工內(nèi)表面和容積空間條件下，圓柱形內(nèi)桶的總體體積最小，其次是組合形態(tài)，而圓球形的總體體積最大。為了減小一體機(jī)的占地空間，提高一體機(jī)的熱效率，應(yīng)盡量減小內(nèi)桶的總體體積。因此，可選用圓柱形或組合形態(tài)來作為內(nèi)桶的外形結(jié)構(gòu)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，內(nèi)桶前端的出餐口應(yīng)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(shè)計(jì)要求。此時(shí)，圓柱形結(jié)構(gòu)的內(nèi)桶就不易實(shí)現(xiàn)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(chǎn)需求。而組合形態(tài)的內(nèi)桶結(jié)構(gòu)既能滿足人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)要求，也能使物料受熱均勻[17]，還易于實(shí)現(xiàn)瀝水功能，同時(shí)也避免了出現(xiàn)較大的內(nèi)桶總體體積。故在本一體機(jī)的設(shè)計(jì)中，選用組合形態(tài)的內(nèi)桶結(jié)構(gòu)，并對(duì)其組合形態(tài)的各部分進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。在正常工作狀態(tài)下，組合形態(tài)的內(nèi)桶結(jié)構(gòu)如圖3所示。內(nèi)桶中心軸線與機(jī)架保持一定的角度，桶內(nèi)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(tài)，如圖5（b）所示。這樣就使內(nèi)桶中的物料呈現(xiàn)出規(guī)則、輪廓變化較小的形態(tài)，從而使物料受熱更加均勻，減少熱量散失，縮短炒制時(shí)間，不易出現(xiàn)糊鍋或炒制失敗的現(xiàn)象。

圖3 組合形態(tài)的內(nèi)桶結(jié)構(gòu)

2.1.2 滾揉-炒制內(nèi)桶容積的參數(shù)化設(shè)計(jì)

由圖3可以看出，組合形態(tài)的內(nèi)桶分為前、中、后三個(gè)部分，在自然狀態(tài)下，食材物料充滿內(nèi)桶的底部。為了得到該底部的容積，并為了得出組合形態(tài)內(nèi)桶結(jié)構(gòu)通用的參數(shù)設(shè)計(jì)方程，以實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)，本文使用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。以內(nèi)桶中心線為x軸，以物料邊緣與內(nèi)桶前部的交點(diǎn)為x軸的零點(diǎn)，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(biāo)系。

圖4 內(nèi)桶設(shè)計(jì)坐標(biāo)系

在坐標(biāo)系中，ABCD為內(nèi)桶物料的剖切平面，是一個(gè)等腰梯形。ACDB四點(diǎn)在x軸上的坐標(biāo)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(gè)區(qū)域，這三個(gè)區(qū)域的體積分別以va、vb、vc來表示。若內(nèi)桶物料的總體積為v，則有式：

由坐標(biāo)系可知，va、vb、vc的大小與x1、x2、x3的值有關(guān)。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(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分別為ya1、ya2；yb1、yb2；yc1、yc2。根據(jù)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(diǎn)，故只需確定ABCD四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，即可根據(jù)直線的兩點(diǎn)式方程來確定出這些點(diǎn)的數(shù)值，再將數(shù)值代入到得出的方程式中來計(jì)算定積分，即可得出滾揉-炒制內(nèi)桶的工作容積。

若A，B，C，D四點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（ax，ay），（bx，by），（cx，cy）和（dx，dy），則滾揉-炒制內(nèi)桶前端出餐口的直徑、后端內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件安裝外徑、內(nèi)桶最大外徑、內(nèi)桶長(zhǎng)度分別為：

至此，滾揉-炒制內(nèi)桶的工作容積和結(jié)構(gòu)參數(shù)，均以參數(shù)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(biāo)值，即可快速獲得相應(yīng)的工作容積和結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足了快速設(shè)計(jì)和不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，本設(shè)計(jì)中所選定各個(gè)參數(shù)的參數(shù)值如表1所示。在該參數(shù)下，一體機(jī)的設(shè)計(jì)工作容積v=0.016 m3，單次烹飪出餐量為16.292 kg，烹飪時(shí)長(zhǎng)為12 min，出餐產(chǎn)量可達(dá)到81.460 kg/h。

表1 選定的一體機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)值

2.2 異形攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異形攪拌器安裝在滾揉-炒制內(nèi)桶的內(nèi)壁上，是進(jìn)行攪拌和導(dǎo)流的主要器具。在設(shè)計(jì)時(shí)，其攪拌平面始終與內(nèi)桶的壁面保持固定的鈍角，以防止攪碎食材[18]，其導(dǎo)流平面的法線始終垂直于內(nèi)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(nèi)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(jìn)行滾揉和炒制作業(yè)時(shí)，異形攪拌器圍繞內(nèi)桶中心軸線做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；在進(jìn)行出餐作業(yè)時(shí)，做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。異形攪拌器在物料中進(jìn)行攪拌時(shí)的軸測(cè)視圖和俯視圖如圖5所示。

圖5 攪拌時(shí)的軸測(cè)視圖和俯視圖

由圖4可知，內(nèi)桶前部區(qū)域的半徑大于后部，并在C點(diǎn)處取得最大值。若以C、D兩點(diǎn)為內(nèi)桶前、后部的代表，則當(dāng)內(nèi)桶以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)公式：

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

可知，位于內(nèi)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(huì)使得物料在內(nèi)桶中受到一定的沿逆時(shí)針方向的扭矩[19-20]，而由于扭矩的作用，在俯視方向上，內(nèi)桶中的物料會(huì)呈現(xiàn)出沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)。這一狀態(tài)的出現(xiàn)可為食材物料進(jìn)一步的受熱均勻提供了有力幫助。

2.3 內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件的結(jié)構(gòu)剖視圖如圖6所示，結(jié)構(gòu)中，注水部件和液體調(diào)料加注部件安裝在瀝水擋環(huán)的前端，并位于內(nèi)桶的內(nèi)部，避免了加注調(diào)料時(shí)的外漏和過多的與外部空氣接觸，從而使設(shè)備更加清潔和使餐品更加潔凈衛(wèi)生[21]。在復(fù)合部件的前端有多個(gè)液體調(diào)料噴射口，當(dāng)內(nèi)桶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，噴口方向始終保持向下朝向食材物料，因而在加注調(diào)料時(shí)不會(huì)造成浪費(fèi)和產(chǎn)生加注不及時(shí)的現(xiàn)象。液體輸送管接口是輸送液體調(diào)料的接口，其內(nèi)部有多種管道，用來輸送各種液體調(diào)料、水和清洗劑等。瀝水擋環(huán)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(nèi)桶驅(qū)動(dòng)部件由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪副、軸承、軸套、外驅(qū)動(dòng)筒、中間套筒、套筒吊耳和密封圈等組成，通過該部件實(shí)現(xiàn)了對(duì)滾揉-炒制內(nèi)桶的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了瀝水和排水功能，使裝備在進(jìn)行連續(xù)作業(yè)時(shí)，能有效排出內(nèi)桶中的水份。

圖6 內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件剖視圖

2.4 功能機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

功能機(jī)架的結(jié)構(gòu)如圖7所示，在機(jī)架的前部放置著接餐盆，后部放置著接水盆，左側(cè)安裝著電氣電控箱，右側(cè)安裝著前托架和后托架，中后部安裝著出餐電動(dòng)伸縮桿和瀝水電動(dòng)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(dòng)伸縮桿安裝在一起，電動(dòng)伸縮桿驅(qū)動(dòng)前托架來托起真空外桶，使其與機(jī)架呈一定的角度來進(jìn)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(duì)應(yīng)。后托架的后部與瀝水電動(dòng)伸縮桿安裝在一起，通過電動(dòng)伸縮桿的驅(qū)動(dòng)，使后托架托起真空外桶使其與機(jī)架呈一定的角度來進(jìn)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(jiān)測(cè)投入滾揉-炒制內(nèi)桶中物料的重量。通過稱量，把重量信息傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)物料重量和編制好的加工程序，智能自動(dòng)選取所需的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)稱量、智能自動(dòng)設(shè)定加工程序等智能化加工。

圖7 功能機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了復(fù)合式畜禽肉品真空滾揉-智能炒制一體機(jī)，該一體機(jī)主要由滾揉-炒制內(nèi)桶、真空外桶、異形攪拌器、內(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件和功能機(jī)架等五部分組成，具有自動(dòng)稱量、智能自動(dòng)設(shè)定加工程序、真空滾揉、瀝除水份、桶內(nèi)加注調(diào)料、恒力攪拌、均勻受熱等功能或特性。

1) 組合形態(tài)的內(nèi)桶結(jié)構(gòu)能滿足人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)要求，能使物料受熱均勻，易于實(shí)現(xiàn)瀝水功能，避免了出現(xiàn)較大的內(nèi)桶總體體積；使用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法確定了內(nèi)桶各部位的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，得出了具有廣泛適用性的參數(shù)設(shè)計(jì)方程。異形攪拌器的攪拌平面始終與內(nèi)桶壁面保持固定的鈍角，能防止攪碎物料；其導(dǎo)流平面的法線始終垂直于內(nèi)桶中心軸線，能使出餐傾倒更加順暢；其導(dǎo)流平面的切線與內(nèi)桶中心軸線始終保持固定的角度，可使內(nèi)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(nèi)桶驅(qū)動(dòng)-調(diào)料加注復(fù)合部件使裝備在連續(xù)作業(yè)時(shí)能排出內(nèi)桶中的水份和其他液態(tài)物，實(shí)現(xiàn)對(duì)食材的前處理功能；使調(diào)料在桶內(nèi)進(jìn)行加注，可避免調(diào)料外漏和過多的與外部空氣接觸，以使餐品更加潔凈衛(wèi)生。

3) 使用重力傳感器來測(cè)量待加工食材物料的重量，使加工炒制程序的自動(dòng)設(shè)置有據(jù)可依，提高了餐品一致性，是實(shí)現(xiàn)智能化加工炒制的基礎(chǔ)。