一種新型腐竹生產(chǎn)設(shè)備的研究

袁夫彩 孫海亮

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

腐竹屬于一種傳統(tǒng)大豆制品，不僅口感好和味道鮮美，而且營(yíng)養(yǎng)豐富。據(jù)報(bào)道［1］，腐竹中含蛋白質(zhì)約為55%，中性脂肪約為26%，生化磷脂約為2%，特別是其中的蛋白質(zhì)能被人體近100%吸收。現(xiàn)有的腐竹生產(chǎn)設(shè)備處于斷續(xù)和半連續(xù)化生產(chǎn)狀態(tài)，生產(chǎn)效率較低，為此開展一種新型腐竹生產(chǎn)設(shè)備的研究已顯得十分必要。

1 腐竹生產(chǎn)工藝及設(shè)備研究進(jìn)展

腐竹生產(chǎn)常用的工藝流程圖見圖1［2］。腐竹生產(chǎn)企業(yè)普遍采用手工生產(chǎn)，這是因?yàn)槭止どa(chǎn)方式具有能耗低、結(jié)膜快和出皮率高的優(yōu)點(diǎn)。與機(jī)械化連續(xù)生產(chǎn)方式相比，在利潤(rùn)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是隨著人工成本不斷上升，以及食品安全對(duì)規(guī)模化、自動(dòng)化的要求，連續(xù)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)方式代替手工生產(chǎn)，已成為腐竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外較常用的腐竹生產(chǎn)設(shè)備主要有兩種：① 雙傳動(dòng)帶式腐竹自動(dòng)成形機(jī)；② 結(jié)膜池式腐竹成形機(jī)。

圖1 目前常用腐竹生產(chǎn)工藝圖Figure 1 The Yuba production processes used graph

1.1 雙傳送帶式腐竹自動(dòng)成形機(jī)

雙傳動(dòng)帶式腐竹自動(dòng)成形機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖2。該設(shè)備的生產(chǎn)原理為：豆?jié){通過輸送管輸送到傳送帶2上，通過擋板防止豆?jié){倒流；轉(zhuǎn)動(dòng)輥12帶動(dòng)傳送帶2沿X方向運(yùn)動(dòng)，輸送帶2和兩側(cè)鉸接可拉伸的軟擋板3組成容器狀結(jié)膜池，防止豆?jié){向兩側(cè)溢出；加熱室中通入蒸汽對(duì)傳送帶直接加熱，維持傳送帶上豆?jié){的溫度在85℃左右；當(dāng)輸送帶運(yùn)動(dòng)至右端時(shí)，豆?jié){剛好結(jié)膜成腐竹皮，傳送帶8以傳送帶2的速度沿Y方向運(yùn)動(dòng)，將傳送帶2上的腐竹皮揭起；輸送帶2右端安裝高壓水管14和清理刷13清除輸送帶2上的殘留物質(zhì)［3－7］。雙傳動(dòng)帶式腐竹自動(dòng)成形機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化生產(chǎn)，但還存在著如下不足之處：

（1）傳送帶2和傳送帶8的材料采用鋼板，而鋼板在經(jīng)過數(shù)次折彎之后，一方面會(huì)發(fā)生卷邊現(xiàn)象，降低傳送帶與蒸汽加熱室的密封效果，造成蒸汽大量泄漏，不僅浪費(fèi)熱量，而且還使生產(chǎn)車間環(huán)境惡化，影響工人的健康；另一方面，鋼板在經(jīng)過數(shù)次折彎之后會(huì)發(fā)生疲勞破壞，使豆?jié){泄露，影響生產(chǎn)。

圖2 雙傳送帶式腐竹自動(dòng)成形機(jī)示意圖Figure 2 Double belt type automatic Yuba machine diagram

（2）傳送帶若出現(xiàn)褶皺，其平面度將下降，豆?jié){深度不穩(wěn)定，生產(chǎn)出的腐竹品質(zhì)也不穩(wěn)定；另外，傳送帶在運(yùn)行時(shí)還會(huì)發(fā)生振動(dòng)，影響豆?jié){的結(jié)膜速率。

（3）傳送帶上部豆?jié){液深度不足，腐竹出品率會(huì)受到影響，而且每次注漿只能結(jié)膜一次，回漿時(shí)熱量和漿液均有損失，浪費(fèi)能源和材料。

（4）無(wú)法直接自動(dòng)檢測(cè)傳送帶上的溫度。往往憑工人經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)產(chǎn)品成色，間接控制溫度?？刂茋?yán)重滯后，容易造成廢品。

1.2 結(jié)膜池式腐竹成形機(jī)

結(jié)膜池式腐竹成形機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3。該設(shè)備生產(chǎn)腐竹的工藝為：豆?jié){不斷經(jīng)由注漿管8輸入到豆?jié){池3中，維持豆?jié){的深度和濃度恒定；泵10將豆?jié){池底部的碳水化合物抽到傳送帶上方，由花灑7淋灑在已經(jīng)揭起的腐竹皮上，防止豆?jié){浪費(fèi)；加熱層2內(nèi)部通入過熱蒸汽，對(duì)豆?jié){池加熱，維持豆?jié){溫度相對(duì)恒定；腐竹皮在豆?jié){液面上運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷形成，并由輸送帶5以與腐竹皮結(jié)膜速率相同的速度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。該設(shè)備生產(chǎn)與雙傳送帶式生產(chǎn)相比而言較為節(jié)能，產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定［8－10］。同樣，該設(shè)備也存在著如下不足：

圖3 結(jié)膜池式腐竹自動(dòng)成形機(jī)示意圖Figure 3 Conjunctival pool Yuba forming machine

（1）輸送帶在拉動(dòng)腐竹皮運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)擾動(dòng)豆?jié){液面，影響腐竹皮的結(jié)膜速率。

（2）揭皮時(shí)，腐竹皮要拖動(dòng)數(shù)米長(zhǎng)，結(jié)膜時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，影響腐竹皮的產(chǎn)量。

（3）設(shè)備運(yùn)行時(shí)不能靠攪動(dòng)來(lái)均化豆?jié){液，只能依靠液體本身的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)豆?jié){的濃度，調(diào)節(jié)速度較慢。

（4）手工生產(chǎn)中通常有攪漿，除了勻化豆?jié){濃度外，還可以攪起池子底部沉淀的碳水化合物。而該設(shè)備采用泵將沉淀的碳水化合物淋灑于已經(jīng)成形的腐竹皮上部，一部分會(huì)形成雙層皮，另一部分則成了留在腐竹皮上部的碳水化合物渣，在消費(fèi)者食用前浸泡時(shí)又會(huì)流失。

2 新型腐竹生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)及研究

2.1 新型腐竹生產(chǎn)工藝裝備布置及加工機(jī)理

針對(duì)上述目前兩種常用的腐竹生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)，汲取手工生產(chǎn)腐竹的結(jié)膜快和產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型腐竹連續(xù)機(jī)械化生產(chǎn)工藝裝備及其布置構(gòu)型。

新型腐竹生產(chǎn)工藝裝備布置見圖4，該工藝的加工機(jī)理為：結(jié)膜池3固定在機(jī)架上，揭皮小車1一邊沿著結(jié)膜池3的上部導(dǎo)軌按照計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)，一邊將形成的腐竹膜揭起；揭起的腐竹膜先由傳送帶2傳送至環(huán)形圓心（即結(jié)膜池的中心），再由傳送帶4輸送至結(jié)膜池外部，接著進(jìn)入烘干、回軟和包裝環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)腐竹的連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖4 新型腐竹連續(xù)化生產(chǎn)工藝裝備布置圖Figure 4 Novel Yuba continuous production process layout

2.2 新型腐竹生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成及三維建模

根據(jù)新的腐竹連續(xù)化生產(chǎn)工藝布置要求，運(yùn)用“Pro/E”軟件［11，12］，設(shè)計(jì)出新型腐竹生產(chǎn)設(shè)備三維模型（見圖5）。該設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理為：環(huán)狀結(jié)膜池3內(nèi)部注入深50mm左右的豆?jié){進(jìn)行結(jié)膜；結(jié)膜池3下面有完全封閉的蒸汽加熱室對(duì)豆?jié){加熱，維持豆?jié){具有相對(duì)恒定的溫度；揭膜小車10上部安裝有兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)切向傳送帶和法向傳送帶；小車在環(huán)形軌道2上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳送帶以與小車相同的速度將腐竹皮揭起，并輸送走；在切向傳送帶上方還安裝有腐竹皮切刀7和條形整形器8，可以將腐竹皮切成需要的寬度，并整形為條形狀；法向傳送帶上部安裝有腐竹條切斷刀，將成形后的腐竹條按照設(shè)定長(zhǎng)度切斷，再由法向傳送帶輸送走；小車運(yùn)行周期與腐竹皮結(jié)膜時(shí)間相同，即小車從某一位置運(yùn)行一周，當(dāng)再次運(yùn)行到該位置時(shí)，腐竹皮剛好達(dá)到所需厚度，這樣周而復(fù)始，從而實(shí)現(xiàn)腐竹的連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖5 腐竹生產(chǎn)設(shè)備三維模型圖Figure 5 Yuba production equipment three-dimensional model diagram

2.3 中間旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)

由圖5可知，揭皮小車上需要輸入能源給上部電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)小車上所載的噴管也需要水的輸入，因此小車上必然要配有水管線和電纜線與地面水箱和電纜連接；在小車循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，水管和電纜線如果不加處理，必然會(huì)發(fā)生纏繞。為此，采用電刷和旋轉(zhuǎn)密封水管結(jié)合在一起的旋轉(zhuǎn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)器三維模型見圖6，中間接管3與旋轉(zhuǎn)連接密封4之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)。由于小車沿軌道逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，則中間連接管3與上部電刷2通過左旋管螺紋連接。通水管1通過法蘭與中間支撐架固定在一起，底部接管5與中間掛鉤固定在一起，有效地解決了電纜和水管纏繞的問題。

圖6 旋轉(zhuǎn)器三維模型圖Figure 6 Rotating three-dimensional model diagram

2.4 新型腐竹生產(chǎn)設(shè)備虛擬裝配和分析

虛擬裝配就是在一定的設(shè)計(jì)條件下，實(shí)現(xiàn)腐竹設(shè)備三維實(shí)體模型的總體設(shè)計(jì)；是按照一定的約束條件和連接方式，將腐竹設(shè)備中的各個(gè)零件組成一個(gè)設(shè)備整體，并且能夠滿足設(shè)計(jì)功能的虛擬仿真過程。采用“Pro/E”計(jì)算機(jī)軟件，能夠模擬實(shí)際環(huán)境中的裝配情況，并進(jìn)行仿真分析和判斷，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和潛在的風(fēng)險(xiǎn)，提前進(jìn)行改善和修正，從而減少后期制造和修改的費(fèi)用，縮短腐竹設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間［13－15］。

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬裝配時(shí)，首先要對(duì)腐竹設(shè)備中的各個(gè)子零件作出技術(shù)處理，調(diào)出第一個(gè)裝配子零件機(jī)架，調(diào)整好裝配的位置，確定其坐標(biāo)系；然后，分別按照裝配工藝的順序，按照自下而上的原則進(jìn)行相關(guān)零件約束定義，并且一個(gè)一個(gè)的自下而上地進(jìn)行裝配；在零件裝配時(shí)，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是對(duì)零部件進(jìn)行合適的約束，在“Pro/E”中建立裝配關(guān)系是用貼合、平面和基準(zhǔn)面對(duì)齊，坐標(biāo)系各個(gè)軸相互對(duì)齊的約束命令，將所有的零部件按照技術(shù)要求裝配組合在一起；腐竹設(shè)備的干涉檢驗(yàn)，是設(shè)計(jì)時(shí)用到的一種檢驗(yàn)方法，運(yùn)用裝配檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)腐竹設(shè)備中零件設(shè)計(jì)的缺陷，把設(shè)計(jì)失誤和缺陷消除在設(shè)計(jì)階段和制造之前，從而減少不必要的損失。新型腐竹設(shè)備虛擬裝配和檢驗(yàn)的流程圖見圖7。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、虛擬裝配和檢驗(yàn)后的總體三維視圖見圖5。通過計(jì)算機(jī)虛擬裝配和檢驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)的新型腐竹設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，無(wú)干涉現(xiàn)象。

圖7 腐竹設(shè)備虛擬裝配及檢驗(yàn)流程圖Figure 7 Assembly flowchart of yuba production equipment

3 結(jié)束語(yǔ)

分析了腐竹生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的現(xiàn)狀，提出了一種新型的腐竹連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)型，建立了該設(shè)備及其關(guān)鍵部件的三維模型，為腐竹連續(xù)化、自動(dòng)化和高效生產(chǎn)提供了一種新型的裝置；該裝置克服了過去腐竹手工生產(chǎn)和機(jī)械化生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)；運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)新型的腐竹連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了虛擬裝配及仿真檢驗(yàn)，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造相比，節(jié)省了實(shí)物驗(yàn)證的費(fèi)用和時(shí)間，該設(shè)計(jì)方法對(duì)于同類設(shè)備的設(shè)計(jì)研究具有一定的參考價(jià)值。

由于時(shí)間、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和試驗(yàn)場(chǎng)地等因素的限制，本研究未能及時(shí)地將設(shè)計(jì)的新型腐竹生產(chǎn)設(shè)備用于實(shí)際生產(chǎn)上。下一步需要將研制的連續(xù)自動(dòng)化腐竹生產(chǎn)設(shè)備實(shí)用化、系列化和智能化。

借此機(jī)會(huì)，感謝參考文獻(xiàn)中提到及未提到的同行學(xué)者對(duì)本研究的幫助，特別感謝河南省委組織部、河南工業(yè)大學(xué)和河南質(zhì)源豆制品有限公司對(duì)本研究的支持和幫助。

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