一種燃?xì)馐綕L筒型烤全羊機(jī)的設(shè)計(jì)

毛清風(fēng) 肉孜·阿木提 史勇

摘要：傳統(tǒng)的烤全羊大多在土制馕坑里烤制，機(jī)械化程度低、熱能損失嚴(yán)重，污染環(huán)境。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以瓦斯紅外線燃燒器為熱源、以可旋轉(zhuǎn)式滾筒為工作裝置的烤全羊機(jī)。工作時(shí)，通過(guò)瓦斯紅外線燃燒器加熱滾筒，羊肉通過(guò)專用的串羊機(jī)構(gòu)將其固定在滾筒內(nèi)部，電機(jī)帶動(dòng)滾筒均勻旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化烤制。裝置內(nèi)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(guān)鍵詞：燃?xì)馐?；滾筒；烤全羊；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TS972.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(tǒng)地方風(fēng)味肉制品，也是當(dāng)?shù)氐奶厣朗砙1，2]。傳統(tǒng)的烤全羊制作方式是將整只羊掛放置于馕坑中進(jìn)行烤制，利用煤炭或樹枝作為燃料進(jìn)行加熱[3]。傳統(tǒng)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煙塵、CO、CO2和SO2等有害氣體，工作環(huán)境非常惡劣，也不利于機(jī)械化操作，熱能利用率低、操作者勞動(dòng)強(qiáng)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(fā)展，用傳統(tǒng)的方式來(lái)烤制烤全羊已經(jīng)滿足不了人們的消費(fèi)需求[6，7]。近年來(lái)出現(xiàn)了不同類型的烤全羊機(jī)，其主要表現(xiàn)為不再使用傳統(tǒng)的馕坑對(duì)羊進(jìn)行烤制，而是采用專用電烤全羊機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間和溫度進(jìn)行精確控制[8]。劉波[9]發(fā)明了一種節(jié)能烤全羊爐，該裝置改變了傳統(tǒng)馕坑對(duì)全羊的烤制，利用鐵板制成的爐體和爐架實(shí)現(xiàn)了烤全羊的機(jī)械化，但該裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)烤全羊的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而且該裝置的熱源采用傳統(tǒng)的煤炭燃燒，易污染環(huán)境。劉明[10]發(fā)明了高效、節(jié)能、環(huán)?？救驙t，該裝置采用遠(yuǎn)紅外線加熱管實(shí)現(xiàn)對(duì)整羊的加熱，并且在加熱過(guò)程中實(shí)現(xiàn)烤全羊的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，但所采用的電熱絲的熱效率較低，易產(chǎn)生熱能損失，同時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。朱德建等[11]發(fā)明了一種烤全羊機(jī)，該裝置采用電機(jī)作為動(dòng)力源，燃?xì)庾鳛闊嵩矗诩訜徇^(guò)程中實(shí)現(xiàn)烤全羊的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。

在烤全羊裝置的開發(fā)中，使燒烤技術(shù)與中國(guó)傳統(tǒng)加工方式巧妙結(jié)合，使加工趨于機(jī)械化、科學(xué)化，并在保持傳統(tǒng)特色的前提下，降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益[12，13]。設(shè)計(jì)并研制一種以燃?xì)鉃闊嵩纯尚D(zhuǎn)式烤全羊裝置，對(duì)機(jī)器整體機(jī)構(gòu)和原理進(jìn)行闡述，并設(shè)計(jì)了關(guān)鍵零部件。該裝置操作簡(jiǎn)單，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，綠色節(jié)能，對(duì)推動(dòng)新疆特色餐飲業(yè)以及新疆飲食文化的健康發(fā)展具有非常重要的意義[14]。

1 整機(jī)總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

燃?xì)馐綕L筒型烤全羊裝置的整體機(jī)構(gòu)如圖1。該裝置主要由封閉式不銹鋼爐體機(jī)構(gòu)、可旋轉(zhuǎn)式滾筒機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)滴油盤機(jī)構(gòu)、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(nèi)部，由支撐滑輪支撐，工作時(shí)由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證固定在滾筒內(nèi)部的烤全羊受熱均勻。滴油盤安裝在滾筒內(nèi)部正下方，一端通過(guò)不銹鋼鋼絲懸掛在滾筒一端的凸臺(tái)上，另一端通過(guò)固定板固定在爐體上，主要收集烤全羊烘烤過(guò)程中滴落的油脂，防止油脂遇到明火燃燒產(chǎn)生致癌物質(zhì)。裝置的熱源為一個(gè)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(jī)器的穩(wěn)定性并減少噪聲，傳動(dòng)系統(tǒng)由調(diào)速電機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)滾筒在滾珠軸承改裝的支撐滑輪上轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由鏈條和鏈輪組成，小鏈輪與電機(jī)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(jī)架采用40 mm×40 mm和40 mm×60 mm規(guī)格304不銹鋼方鋼焊接而成，內(nèi)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(jī)架內(nèi)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?xì)猓葘?duì)裝置進(jìn)行預(yù)熱，轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒使?jié)L筒受熱均勻，提前用穿羊軸將羊羔穿好。當(dāng)爐體內(nèi)溫度達(dá)到烤制最佳溫度時(shí)（250 ℃），打開側(cè)門，關(guān)閉電機(jī)，用取羊工具把穿羊軸放入滾筒中，并在滴油盤內(nèi)注入適量的水，關(guān)上門，打開電機(jī)開始烤制。在烤制過(guò)程中，燃燒器加熱滾筒，滾筒受熱并對(duì)內(nèi)部的羊燜烤，沒有明火接觸，而且滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎn)生致癌物質(zhì)。裝置的側(cè)門安裝有鋼化玻璃制成的觀察口，用于觀察烘烤過(guò)程中羊肉顏色的變化，當(dāng)羊肉顏色達(dá)到要求時(shí)即可關(guān)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(tǒng)能對(duì)爐體內(nèi)部的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在燃?xì)獠蛔銜r(shí)可以自動(dòng)報(bào)警并在10 s后自動(dòng)再次點(diǎn)火。由于爐體夾層里填充有保溫材料，該機(jī)器的保溫性能較好，在完成一只羊的烤制后可以繼續(xù)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(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 滾筒

滾筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)烤制設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)和爐體尺寸，設(shè)計(jì)滾筒直徑為640 mm，長(zhǎng)為940 mm，采用厚2 mm 304不銹鋼制作。滾筒無(wú)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(nèi)的承重滑輪上。在烤制過(guò)程中，滾筒內(nèi)部溫度上升較快，爐體內(nèi)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(gè)面上開有6個(gè)洞，便于滾筒內(nèi)烤制品的水氣排出。滾筒另一端的外表面上有傳動(dòng)軸，材料為40Cr鋼材，傳動(dòng)軸上安裝有齒盤，齒盤通過(guò)鏈條與調(diào)速電機(jī)連接。滾筒內(nèi)部有凸臺(tái)（圖2），材料為40Cr鋼材，凸臺(tái)上有固定串羊軸的連接鍵；凸臺(tái)與滾筒之間有懸掛滴油盤的凹槽。

傳動(dòng)軸如圖3所示。Ⅲ端面從爐體內(nèi)部穿出，端面直徑為30 mm，長(zhǎng)60 mm，Ⅱ端面安裝有滾珠軸承，與爐體上的2個(gè)支撐滑輪共同支撐著滾筒，軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位，由軸產(chǎn)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(shè)計(jì)Ⅱ端面長(zhǎng)20 mm。

考慮到滾筒的受力狀態(tài)，可以近似看成一個(gè)受扭矩的傳動(dòng)軸，現(xiàn)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件校核軸的方法來(lái)初步估計(jì)軸徑，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：

？咨T=■≈■≤[？咨T]

式中，？咨T為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為軸所受的扭矩，N·mm；WT為軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；n為軸的轉(zhuǎn)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(shù)表得，取A0=112，把P=0.015 kW，n=30 r/min代入上式，得d≈9 mm，因?yàn)樯厦骈_有鍵槽，取實(shí)際d=10 mm。軸與齒盤采用平鍵連接，查參數(shù)表得平鍵b×h=3 mm×3 mm。Ⅰ段長(zhǎng)度不固定，可根據(jù)工作需要自行設(shè)計(jì)。

2.2 滴油盤

滴油盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。為解決在傳統(tǒng)裝置烤制過(guò)程中，滴落的油脂遇明火燃燒產(chǎn)生油煙和致癌物質(zhì)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了滴油盤，并在烤制過(guò)程中在滴油盤中裝入適量的水，不僅可以解決這個(gè)問(wèn)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(gè)排水孔，排水管與孔之間用螺紋連接。后端有2個(gè)鋼絲孔，孔中穿有鋼絲，鋼絲掛在滾筒內(nèi)部凸臺(tái)上。前端焊接有固定板，固定板與爐體上滴油盤固定側(cè)板通過(guò)螺栓連接固定。滴油盤掛在滾筒內(nèi)部，但不隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 串羊軸

串羊軸結(jié)構(gòu)如圖5所示。傳統(tǒng)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(tǒng)燒烤架為模型，在不影響滾筒內(nèi)部其他機(jī)構(gòu)性能的前提下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步縮小了尺寸[15]，使改進(jìn)后的串羊軸能滿足在滾筒內(nèi)烤制的要求。

為滿足烤制需求，串羊軸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)920 mm，主軸直徑為20 mm，兩側(cè)軸的直徑為10 mm，材料選擇304不銹鋼。串羊軸前端設(shè)計(jì)有鍵，該鍵與滾筒內(nèi)部凸臺(tái)上的鍵連接；軸后端有圓形限位凸臺(tái)，安裝在支撐架上?？局七^(guò)程中，串羊軸隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)烤全羊的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，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(nèi)溫度較高，為了提高熱效率進(jìn)行連續(xù)烤制，并避免燙傷，設(shè)計(jì)了專用取羊工具（圖6）。

取羊工具比串羊軸略長(zhǎng)，倆掛鉤之間間隔900 mm。取羊時(shí)，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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由調(diào)速電機(jī)、大小鏈輪、鏈條、支撐滑輪組成。工作時(shí)，調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鏈條將運(yùn)動(dòng)傳遞到大鏈輪，實(shí)現(xiàn)滾筒的旋轉(zhuǎn)。滾筒由焊接在爐體上的2個(gè)支撐滑輪和傳動(dòng)軸上的滾珠軸承支撐，滾筒的輪盤可在支撐滑輪的槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐輪內(nèi)部有耐高溫的滾珠軸承，可以在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中盡可能減少摩擦，進(jìn)而減少噪聲提高傳動(dòng)效率。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和自動(dòng)烘烤系統(tǒng)2部分組成。為實(shí)現(xiàn)烤全羊的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由一個(gè)60 V的PWM直流電機(jī)控制器和一個(gè)50 W的齒輪減速電機(jī)組成。工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)控制臺(tái)上的旋鈕控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)羊的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)烤全羊的自動(dòng)烘烤，設(shè)計(jì)了自動(dòng)烘烤系統(tǒng)，自動(dòng)烘烤系統(tǒng)主要由溫度控制系統(tǒng)和燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)組成，點(diǎn)火系統(tǒng)由電磁閥和點(diǎn)火器等部分組成，溫度控制系統(tǒng)主要由溫控器和熱敏電阻組成。工作時(shí)，先接通電源S，打開S2開關(guān)，點(diǎn)火器開始點(diǎn)火工作，并在溫度控制器面板上輸入溫度參數(shù)，通常將溫控器的上限值設(shè)為270 ℃，下限值設(shè)為250 ℃。打開S1開關(guān)，電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)烤全羊的機(jī)械翻轉(zhuǎn)。當(dāng)爐體內(nèi)部溫度達(dá)到260 ℃，即可進(jìn)行烤制。當(dāng)位于爐體內(nèi)部的熱敏電阻探測(cè)到溫度高于270 ℃時(shí)，溫控器控制燃燒器停止加熱，裝置進(jìn)入保溫狀態(tài)。當(dāng)爐體內(nèi)溫度逐漸降低并低于250 ℃時(shí)，點(diǎn)火器工作，點(diǎn)燃燃燒器，直到再次達(dá)到270 ℃（圖8）。

3.2 自動(dòng)烘烤系統(tǒng)

該系統(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)和燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)組成，燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)主要由1臺(tái)紅外線瓦斯燃燒器、1套高壓點(diǎn)火器、1個(gè)電磁節(jié)流閥（兩位兩通式）。燃燒器的自動(dòng)點(diǎn)火功能和燃?xì)獾耐〝?，通過(guò)燃?xì)恻c(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。燃?xì)夤芟冉与姶砰y的進(jìn)氣口，節(jié)流閥與電磁閥的出口相連接，節(jié)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(shí)，點(diǎn)火器起著控制點(diǎn)火、狀態(tài)燈的指示工作，由電磁節(jié)流閥控制燃?xì)獾倪M(jìn)氣量，溫控器控制著電磁節(jié)流閥的通斷，進(jìn)而控制爐頭是否進(jìn)氣，實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)烘烤。

3.3 裝置安全系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要通過(guò)PLC控制器和相應(yīng)傳感器控制蜂鳴器和紅外線瓦斯燃燒器完成相關(guān)工作。該系統(tǒng)的具體工作原理是：接通電源后，PLC控制器控制電磁節(jié)流閥開啟，點(diǎn)火器同時(shí)開始點(diǎn)火，此時(shí)點(diǎn)火指示燈亮。當(dāng)燃燒器被點(diǎn)燃后，點(diǎn)火指示燈滅，燃燒指示燈亮。當(dāng)燃?xì)膺M(jìn)氣量不足或者點(diǎn)火針不工作時(shí)，PLC控制器會(huì)控制點(diǎn)火器再次點(diǎn)火，若燃燒器還沒被點(diǎn)燃，則PLC控制器控制電磁閥關(guān)閉，燃燒器熄滅，蜂鳴器工作，同時(shí)報(bào)警指示燈亮，裝置停止工作（圖9）。

4 裝置的性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

2016年9月，在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了烤全羊裝置的預(yù)熱試驗(yàn)?？局圃囼?yàn)的對(duì)象為3個(gè)甘薯，總重2 kg。試驗(yàn)時(shí)，先將裝置的溫度控制器最高溫度設(shè)定為270 ℃，最低溫度設(shè)定為250 ℃。放入甘薯，接通電源，打開燃?xì)猓P(guān)閉密封門，轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒，大約6 min即可把甘薯烤熟，并針對(duì)預(yù)熱試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和不足，進(jìn)行了完善和改進(jìn)。2016年11月，在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了烤全羊試驗(yàn)，烤制對(duì)象為5 kg羊腿，羊腿事先腌制好，調(diào)料也抹勻?？局魄?，先進(jìn)行裝置的預(yù)熱，當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到260 ℃時(shí)，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(dāng)水不再氣化時(shí)，大約30 s，關(guān)上門，開始烤制，大約30 min，可以將羊腿烤7～8分熟。

4.2 試驗(yàn)分析

該裝置與傳統(tǒng)裝置相比，該裝置可以實(shí)現(xiàn)肉制品在烤制過(guò)程中的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)加熱，機(jī)械化、自動(dòng)化程度較高，并且該裝置的保溫性能較好，與傳統(tǒng)裝置相比，更適合連續(xù)性烤制，提高了生產(chǎn)率和熱效率，尤其對(duì)大體積的肉制品。此外，試驗(yàn)條件較為單一，還不能確定該裝置烤制的效果與電機(jī)轉(zhuǎn)速、烘烤溫度以及烘烤時(shí)間等因素的關(guān)系。為了確定這種關(guān)系，還須進(jìn)行正交試驗(yàn)，并且該裝置在設(shè)計(jì)之初未考慮裝置內(nèi)部的通風(fēng)換氣，在以后的改進(jìn)中將會(huì)進(jìn)行內(nèi)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。該裝置的研制成功，改善了傳統(tǒng)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(huán)保節(jié)能生活理念，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。

5 小結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)的烤全羊裝置的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以燃?xì)鉃闊嵩矗蛇B續(xù)旋轉(zhuǎn)烤羊的裝置。以滾筒為主要工作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝置的機(jī)械化連續(xù)烘烤。該裝置保溫效果好、熱利用率高、環(huán)境污染小。但是該裝置加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于小體積肉制品的快速烤制，而且內(nèi)部未通風(fēng)換氣設(shè)計(jì)，在以后的改進(jìn)試驗(yàn)中會(huì)逐步改進(jìn)。

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