Пресс для котлет и бургеров на пневмоцилиндре: усилие формования и ход

Краткий ответ: усилие пресса для котлет считают из давления в мясе и площади формы: F = p × S, где S — площадь сечения формы. Ориентир по открытым источникам один: патент на формовочную машину для мясных порций задаёт давление в форме 70–80 psi (0,48–0,55 МПа) и не больше 80 psi, иначе котлета становится плотной и «резиновой».

Подобрать и купить пневмоцилиндры в каталоге →

От чего зависит давление формования порции?

Фарш в форме сжимают до нужной плотности: слишком слабо, и порция рассыпается на сковороде, слишком сильно, и она получается плотной. Патент Goldberger Foods прямо ограничивает давление в камере сверху 80 psi именно по этой причине. Второй фактор — температура мяса: по тому же патенту удобно формовать при 32–34 °F (около 0–1 °C). Холоднее мясо слишком жёсткое, заметно теплее — течёт и липнет к деталям машины. Значит, пресс нужно настраивать под ваш фарш и его температуру, а не по одной цифре.

Оговорка о цифре. Патент описывает машину, в которой фарш насосом подаётся в закрытую камеру, а давление ограничивает клапан. Ручная или пневматическая форма с плунжером работает иначе: часть фарша может выдавливаться в зазор. Поэтому 70–80 psi мы берём как верхний ориентир и советуем начинать с нижней ступени, а взвешивать порции на весах и добавлять давление понемногу.

Как перевести давление в мясе в усилие цилиндра?

1. Площадь формы. S = π × D² / 4. Для Ø100 мм это 7 854 мм² (78,5 см²).
2. Усилие на порцию. F = p × S. При 0,48 МПа получается около 3 790 Н, при 0,55 МПа около 4 330 Н.
3. Давление воздуха. p_возд = F / S_{цилиндра}. Если диаметр цилиндра больше диаметра формы, воздуха нужно во столько же раз меньше: p_возд = p_мясо × (D_формы / D_{цилиндра})².
4. Запас. Трение уплотнений плунжера и штока добавляет потери; мы закладываем коэффициент 1,25 (наше допущение, измерьте динамометром).

Диаметр форм для бургеров бывает разный, а площадь растёт с квадратом диаметра: для Ø120 мм при тех же 0,55 МПа нужно уже 6,2 кН, то есть в 1,44 раза больше, чем для Ø100.

Пример: форма Ø100 мм, порция 150 г

Исходные данные: форма Ø100 мм, порция 150 г, давление в мясе не выше 0,55 МПа (80 psi). Плотность фарша принимаем около 1 г/см³, глубину формы 40 мм и высоту подъёма плунжера над краем 60 мм: это допущения примера, подставьте свои размеры.

1. Толщина готовой порции. Объём 150 см³ на площадь 78,5 см² даёт около 19 мм.
2. Усилие. 0,5516 МПа × 7 854 мм² ≈ 4 330 Н (около 4,3 кН).
3. Цилиндр Ø125. Площадь поршня 12 272 мм², p = 4 330 / 12 272 ≈ 0,35 МПа. С запасом 1,25: ≈ 0,44 МПа.
4. Ход. Плунжер идёт с высоты 60 мм над краем до уровня, где под ним остаётся 19 мм фарша: 40 − 19 = 21 мм ниже края. Расчётный ход 60 + 21 = 81 мм, берём 100 мм.

Какой диаметр цилиндра выбрать?

Усилие выдвижения (без трения) профильных цилиндров по ISO 15552 серии SI, на которых удобно собирать такой пресс, и давление воздуха, нужное для 4 330 Н:

листайте таблицу вбок →

Рабочее давление серий мы указываем «до 0,8 МПа по каталогу завода», поэтому пресс лучше держать в середине диапазона: берём Ø125. Для нашего примера подходит SI-125-100-P, 111 960 ₸: ход 100 мм перекрывает расчётные 81 мм. Порты у цилиндра с внутренней резьбой G, размер — по карточке. Для формы Ø80 мм (2 770 Н при 0,55 МПа) хватит Ø100 при давлении воздуха около 0,35 МПа, а для формы Ø120 мм (6 240 Н) годится тот же Ø125 при 0,51 МПа, а с запасом 1,25 — при 0,64 МПа, это уже близко к пределу серии: тогда смотрите Ø160 или снижайте давление в мясе.

Как задать давление и подачу?

Давление выставляет регулятор с манометром, например ARG (цена от 20 520 ₸): диапазон регулирования на выходе 0,1–0,85 МПа, резьба G. Для ступени 0,35–0,44 МПа этого хватает с запасом. Подачу и возврат плунжера ведёт распределитель 5/2 серии 4V, например 4V210-08 с портами G1/4, 7 200 ₸: он работает от 0,15 МПа и до 0,8 МПа. Подключите его так, чтобы без сигнала на катушке плунжер шёл вверх, и проверьте это на стенде.

Скорость опускания и скорость возврата задают дроссели с обратным клапаном AS, от 1 080 ₸: чем медленнее сходится плунжер, тем меньше фарша выдавливается в зазор и тем ровнее порция. Выхлоп гасят глушителями PSL, от 180 ₸: на кухне шум и струя воздуха у открытого фарша особенно нежелательны. Положение плунжера контролирует герконовый датчик HX-65R-2M под T-паз, 3 360 ₸: по сигналу нижнего положения пуск останавливают, чтобы порция не зависела от глазомера оператора. Подходит ли датчик к вашему цилиндру, определяет тип паза, он разобран в статье о выборе датчика по типу паза.

Когда пневмопресс не нужен

Если порций десяток в день, бытовая форма с рукояткой проще и дешевле: пневмоузел оправдан там, где важны одинаковая плотность порций и скорость при заметном объёме. Если нужны сотни и тысячи порций в час с дозатором и шнеком, берут готовый формовочный автомат: он считан под свой фарш, а наш пресс решает узкую задачу, ровный прижим порции в форме. Усилитель давления нам тоже не нужен: сила в несколько кН на ходе в сотню миллиметров легко получается цилиндром Ø125.

Что учесть по безопасности и контакту с продуктом

• Продукт касается только формы и плунжера. Цилиндр, шток, смазка и датчики не должны попадать в зону фарша. Плунжер и форму делают из материала, который допускает ваша санитарная служба; материал контактных частей и мойка струёй выходят за рамки нашей номенклатуры.
• Руки. Опускание плунжера — зона защемления: нужны ограждение и пуск двумя руками.
• Пропадание воздуха. Без давления плунжер не удерживается: вертикальный шток с плунжером может медленно опуститься под собственным весом; продумайте подъём вручную и блокировку на время чистки.
• Температура. Охлаждённый фарш (около 0–1 °C по патенту) и конденсат на цилиндре: следите, чтобы капли не попадали в форму.

Типичные ошибки

• Считают усилие по диаметру цилиндра, а не формы. Давление в мясе определяет форма: Ø120 вместо Ø100 требует в 1,44 раза больше силы при том же давлении в мясе.
• Давят «до упора». Верхний ориентир патента — 80 psi (0,55 МПа): выше порция становится плотной и «резиновой».
• Не следят за температурой фарша. Тёплый фарш течёт и липнет, холодный слишком жёсткий — давление придётся менять.
• Сеть без регулятора. Предел наших серий — 0,8 МПа, а порции нужно около 0,35–0,44 МПа.
• Резкий ход. Без дросселя плунжер бьёт по фаршу и выдавливает его в зазор.

Рубрики каталога

• Пневмоприводы — цилиндры и усилители;
• Пневмоцилиндр SI — профильный по ISO 15552;
• Калькулятор усилия цилиндра;
• Калькулятор скорости цилиндра.

Частые вопросы

Какое давление нужно для формования котлеты?

Единственный открытый ориентир, который мы нашли, — патент на формовочную машину: 70–80 psi (0,48–0,55 МПа) в форме и не больше 80 psi. Для вашего фарша точное значение подбирают пробой.

Как посчитать усилие пресса для котлет?

F = p × S. Для формы Ø100 мм при 0,55 МПа в мясе получается около 4 330 Н (4,3 кН).

Какой цилиндр взять на форму Ø100 мм?

Ø125: он даёт нужные 4 330 Н при давлении воздуха около 0,35 МПа, с запасом 1,25 — около 0,44 МПа. Ø100 справляется только при 0,55 МПа и без запаса.

Какой ход нужен?

Ход складывается из подъёма плунжера над краем формы (для закладки фарша) и опускания до нужной толщины порции. В нашем примере расчётные 81 мм, берём 100 мм.

Нужен ли регулятор давления?

Да: он держит нужные 0,35–0,44 МПа и защищает цилиндр от полного давления сети, ведь предел серий — до 0,8 МПа по каталогу завода.

Можно ли промывать узел струёй?

Контактные части (форму и плунжер) моют по правилам вашей санитарной службы, а цилиндр ставят вне зоны брызг. Мойка узла струёй — вне нашей номенклатуры.