多功能一體包餡機(jī)的設(shè)計(jì)及其參數(shù)優(yōu)化

林 雪 黃鵬程 田立權(quán) 侯長安

(1. 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321000；2. 浙江省農(nóng)作物收獲裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 金華 321000；3. 蘭溪健發(fā)食品機(jī)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(guān)重要的步驟之一，直接影響食品的外觀與口感[1-2]。傳統(tǒng)的層酥類食品生產(chǎn)工藝是以單個(gè)食品為基數(shù)進(jìn)行人工包餡，且在其上端一次收口，收口處粘結(jié)密封性好、不漏陷[3]。目前的層酥類食品加工機(jī)械為提高生產(chǎn)效率，往往采用“多對(duì)象同步滾卷包餡、上下覆蓋收口”加工工藝，每個(gè)食品均有上、下兩個(gè)缺口[4-6]。同時(shí)，覆蓋收口的粘結(jié)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(dāng)，極易在后續(xù)加工工序中發(fā)生漏餡、漏油等意外，嚴(yán)重影響產(chǎn)品口感和保質(zhì)期[7-8]。

針對(duì)現(xiàn)有層酥類食品生產(chǎn)機(jī)械在包餡環(huán)節(jié)中存在的不足，研究擬提出一種“餡料下推、內(nèi)滾包餡、切割收口”的包餡工藝，通過內(nèi)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(gè)待收口區(qū)域，以期降低多面收口導(dǎo)致的漏餡率和漏油率。

1 多功能一體包餡機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

多功能一體包餡機(jī)由面皮輸送機(jī)構(gòu)、餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)和收口出料裝置組成[9-10]。其中，面皮輸送機(jī)構(gòu)、餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)和收口出料裝置沿食品加工工序依次設(shè)置。其中，面皮輸送機(jī)構(gòu)主要用于待包餡面皮的傳輸；餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括擠餡機(jī)構(gòu)、分餡機(jī)構(gòu)和包餡機(jī)構(gòu)，對(duì)應(yīng)擠餡、分餡、包餡3道工序；收口出料裝置則由收口刀盤機(jī)構(gòu)和出料輸送機(jī)構(gòu)兩部分組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

多功能一體包餡機(jī)工作原理：餡料通過餡料斗1進(jìn)入餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)的擠餡機(jī)構(gòu)，并由擠出管26將餡料定量地?cái)D入分餡機(jī)構(gòu)，其中，可通過調(diào)節(jié)葉片泵27轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)餡料擠出速度的控制；分餡機(jī)構(gòu)通過壓餡氣缸7推動(dòng)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(jī)構(gòu)的壓頭22繼續(xù)推送餡料，使餡料帶動(dòng)面皮通過包餡機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)面皮對(duì)餡料的包裹，并進(jìn)入收口出料裝置的收口17，通過刀具18 及其配套機(jī)構(gòu)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(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 面皮輸送機(jī)構(gòu)

面皮輸送機(jī)構(gòu)由面皮運(yùn)送裝置、張緊裝置和驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)滑塊2沿滑軌3來回運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)平移件9跟隨運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)時(shí)，送料輸送帶4的輸出端會(huì)從包餡機(jī)構(gòu)的填餡工位上方抽離，使面皮10在慣性作用下落入包餡機(jī)構(gòu)的填餡工位處。

送料輸送帶4張緊繞在平移件9、主動(dòng)輥6和張緊輥7上，其中，張緊輥7與機(jī)架之間還設(shè)有配合平移件9運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償送料輸送帶4張緊力的張緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。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(yùn)動(dòng)的過程中，可以通過張緊輥7的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)送料輸送帶4的張緊。

1. 餡料斗 2. 出料絞龍 3. 主動(dòng)輪 4. 行星棘輪 5. 從動(dòng)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(dòng)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(jī)架 25. 成型盤 26. 擠出管 27. 葉片泵圖1 多功能一體包餡機(jī)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(dòng)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(jī)構(gòu)Figure 2 Dough conveying mechanism

2.2 餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)

餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括擠餡機(jī)構(gòu)、分餡機(jī)構(gòu)和包餡機(jī)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)擠餡、分餡、包餡3道加工工序。其中，擠餡機(jī)構(gòu)與分餡機(jī)構(gòu)如圖3所示。擠餡機(jī)構(gòu)包括餡料斗及設(shè)置在餡料斗內(nèi)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(nèi)的餡料在出料絞龍的輸送下到達(dá)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(jī)構(gòu)位于擠餡機(jī)構(gòu)的下方，包括成型盤2、推餡機(jī)構(gòu)、壓餡裝置和驅(qū)動(dòng)成型盤2繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，成型盤2上均布有上下貫穿的成型孔，在成型盤2轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，成型孔會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)先后到達(dá)與擠餡機(jī)構(gòu)的出料口正對(duì)的擠餡工位處。推餡機(jī)構(gòu)設(shè)置在成型盤2的上方，且能通過壓餡裝置將與出料孔正對(duì)的成型孔內(nèi)的餡料從上往下頂出。壓餡裝置位于擠餡機(jī)構(gòu)與推餡機(jī)構(gòu)之間，用于將成型孔內(nèi)的餡料擠壓成型。成型盤2在第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下等分角度旋轉(zhuǎn)，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(jī)構(gòu)及分餡機(jī)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of stuffing mechanism and sorting mechanism

孔隨成型盤2旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到出料孔4處。此時(shí)裝有餡料的成型孔與出料孔4上下正對(duì)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(jī)構(gòu)包括機(jī)臺(tái)及設(shè)置在機(jī)臺(tái)上方的滾筒，各滾筒圍成一個(gè)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(jī)臺(tái)上還設(shè)置有驅(qū)動(dòng)各滾筒3朝填餡工位4中心方向轉(zhuǎn)動(dòng)的第4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)面皮9進(jìn)入包餡機(jī)構(gòu)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(jìn)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滾筒3朝填餡工位4中心方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)動(dòng)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(xiàn)象。在此過程中，推餡壓頭1推動(dòng)餡料6與面皮9同步下移，使餡料6與面皮9完全貼實(shí)，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(dòng)齒輪 6. 餡料 7. 主動(dòng)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(dòng)齒輪 15. 齒條圖4 包餡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)和出料輸送機(jī)構(gòu)。

收口刀盤機(jī)構(gòu)由刀具、第5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第6驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和設(shè)置在機(jī)架上的固定板組成。同時(shí)，連接著刀具的轉(zhuǎn)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(shè)有通孔，通孔與上述收口上正對(duì)連通，第5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀具與轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)收口的擴(kuò)縮運(yùn)動(dòng)。

出料輸送機(jī)構(gòu)包括出料輸送帶和上頂機(jī)構(gòu)，以及控制上頂機(jī)構(gòu)的第6驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，出料輸送帶設(shè)置在收口刀盤機(jī)構(gòu)的下方，用于成品的運(yùn)送。上頂機(jī)構(gòu)位于輸送帶的下方，用于調(diào)整出料輸送帶位置高低，以免輸送帶與收口刀盤機(jī)構(gòu)的高度差過大，導(dǎo)致成品在下降過程中受到損傷。

3 多功能一體包餡機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能一體包餡機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由6部分組成，分別是：控制分餡機(jī)構(gòu)成型盤轉(zhuǎn)動(dòng)的第1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制面皮輸送機(jī)構(gòu)滑塊沿滑軌運(yùn)動(dòng)的第2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、通過調(diào)節(jié)張緊輥控制面皮輸送帶張緊力的第3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)包餡機(jī)構(gòu)滾筒朝填餡工位中心方向轉(zhuǎn)動(dòng)的第4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及控制收口出料裝置收口刀具的第5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)出料輸送帶高度的第6驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

多功能一體包餡機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過控制6個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)的分餡機(jī)構(gòu)中。餡料被放入餡料斗后，通過擠餡機(jī)構(gòu)將餡料從出料口擠出。同時(shí)，第1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制分餡機(jī)構(gòu)成型盤繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使成型盤上的成型孔按序到達(dá)與擠餡機(jī)構(gòu)出料口正對(duì)的擠餡工位，配合擠餡機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分餡。

(2) 第2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均設(shè)置在面皮輸送機(jī)構(gòu)中。其中，第2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)滑塊與平移件控制送料輸送帶的送料運(yùn)動(dòng)。由于送料輸送帶采用張緊環(huán)繞的方式與平移件及托輥連接，其張緊力會(huì)隨著輸送帶的運(yùn)動(dòng)而降低。因此，第3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過控制張緊輥的來回運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)送料輸送帶張緊力的控制。

(3) 第4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在餡料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)的包餡機(jī)構(gòu)中。當(dāng)待包餡面皮被輸送到包餡機(jī)構(gòu)的填餡工位后，第4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制滾筒朝填餡工位中心方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在推餡壓頭下壓餡料的過程中實(shí)現(xiàn)包餡。

(4) 第5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第6驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在收口出料裝置的收口刀盤機(jī)構(gòu)和出料輸送機(jī)構(gòu)中。當(dāng)完成包餡工序后，第5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制收口出料裝置中的刀具，使其運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)相一致，促使刀具完成擴(kuò)縮運(yùn)動(dòng)，在擴(kuò)縮運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)收口。同時(shí)，第6驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)出料輸送帶下方的頂桿，實(shí)現(xiàn)輸送帶的上移接料和下降出料的工序。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

多功能一體包餡機(jī)的漏餡率是決定設(shè)備使用效果的重要指標(biāo)。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(zhuǎn)動(dòng)的第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4決定包餡機(jī)構(gòu)填餡工位處滾筒轉(zhuǎn)速，第5驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n5決定了收口刀具的轉(zhuǎn)速。

為了確定推餡氣缸氣壓P和第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4對(duì)整機(jī)漏餡率L的影響，設(shè)計(jì)“P/n4—L”試驗(yàn)。其中，漏餡率L通過對(duì)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(chǎn)品總重減去面皮重量計(jì)算求得。因此，整機(jī)漏餡率L可由式(1)求得。

(1)

式中：

L——漏餡率，%；

m1——包餡后的產(chǎn)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(rèn)為，同一批餡料攪拌均勻并經(jīng)壓頭在成型孔中壓實(shí)后，其重量是固定不變的。經(jīng)過測試試驗(yàn)，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(shù)據(jù)對(duì)比

選取推餡氣缸氣壓P和第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4為變量，其中，推餡氣缸氣壓P取0.3～0.8 MPa，第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4取10～100 r/min。通過不同參數(shù)條件下的漏餡率試驗(yàn)，分析P和n4對(duì)整機(jī)漏餡率L的影響，并確定最優(yōu)參數(shù)。每組參數(shù)試驗(yàn)20次，取平均漏餡率作為該條件下的整機(jī)漏餡率L；如20次試驗(yàn)中，有超過5次出現(xiàn)破損現(xiàn)象，則定義此組參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果為“破損”。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同氣壓與轉(zhuǎn)速條件下整機(jī)漏餡率L對(duì)照表

由表1可知，試驗(yàn)結(jié)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(jī)漏餡率L最高值出現(xiàn)在P為0.8 MPa、n4為60 r/min時(shí)，漏餡率L為13.6%；當(dāng)推餡氣缸氣壓P為0.35 MPa、第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4為10 r/min和推餡氣缸氣壓P為0.5 MPa、第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4為70 r/min時(shí)，整機(jī)漏餡率L最小，為0.2%。

進(jìn)一步分析表1的數(shù)據(jù)，當(dāng)P達(dá)到0.7 MPa或者n4達(dá)到70 r/min時(shí)，開始出現(xiàn)破損現(xiàn)象。分析破損現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，可能是由于P上升后，推餡氣缸的輸出力加大，導(dǎo)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(dòng)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(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)n4固定不變時(shí)，隨著P的上升，整機(jī)漏餡率L也呈上升趨勢；當(dāng)P固定不變時(shí)，隨著n4的上升，整機(jī)漏餡率L雖也呈上升趨勢，但卻會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

分析整機(jī)漏餡率L最低的兩組參數(shù)(P=0.35 MPa、n4=10 r/min和P=0.5 MPa、n4=70 r/min)和相鄰參數(shù)試驗(yàn)組，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)推餡氣缸氣壓P和第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4均處于較低值時(shí)，整機(jī)漏餡率L均在1%以下；當(dāng)推餡氣缸氣壓P接近 0.5 MPa、第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4接近70 r/min時(shí)，整機(jī)漏餡率L也能控制在1%以下?？紤]到包餡速度直接決定了整機(jī)包餡效率，可以認(rèn)為，多功能一體包餡機(jī)推餡氣缸氣壓P和第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4的最優(yōu)參數(shù)應(yīng)為P=0.5 MPa、n4=70 r/min。此時(shí)，整機(jī)漏餡率L為0.2%，生產(chǎn)效率為40個(gè)/min。

5 結(jié)論

(1) 研究涉及的多功能一體包餡機(jī)可以實(shí)現(xiàn)面皮送料、餡料包餡、成品收口和出料等加工環(huán)節(jié)。一體包餡機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以按序驅(qū)動(dòng)分餡機(jī)構(gòu)、面皮輸送機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、包餡機(jī)構(gòu)、收口出料裝置和出料輸送機(jī)構(gòu)，覆蓋了成品加工的全過程。同時(shí)，可根據(jù)待包餡對(duì)象的尺寸需求，對(duì)包餡機(jī)構(gòu)滾輪的間距進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)多尺寸面皮的包餡加工。

(2) 提出了以整機(jī)漏餡率表征多功能一體包餡機(jī)的使用效果。采用自主研制的樣機(jī)進(jìn)行了不同參數(shù)條件下的漏餡率試驗(yàn)，得到了100組不同參數(shù)下的整機(jī)漏餡率。結(jié)果表明：推餡氣缸氣壓和第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)值變

化會(huì)直接影響整機(jī)漏餡率，參數(shù)過高時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)包餡破損的情況。同時(shí)，考慮到上述參數(shù)對(duì)整機(jī)生產(chǎn)效率的影響，確定推餡氣缸氣壓P=0.5 MPa和第4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n4=70 r/min為最佳參數(shù)。