一種新型腐竹生產設備的研究

袁夫彩 孫海亮

（河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450001）

腐竹屬于一種傳統大豆制品，不僅口感好和味道鮮美，而且營養豐富。據報道［1］，腐竹中含蛋白質約為55%，中性脂肪約為26%，生化磷脂約為2%，特別是其中的蛋白質能被人體近100%吸收?，F有的腐竹生產設備處于斷續和半連續化生產狀態，生產效率較低，為此開展一種新型腐竹生產設備的研究已顯得十分必要。

1 腐竹生產工藝及設備研究進展

腐竹生產常用的工藝流程圖見圖1［2］。腐竹生產企業普遍采用手工生產，這是因為手工生產方式具有能耗低、結膜快和出皮率高的優點。與機械化連續生產方式相比，在利潤上具有一定的優勢。但是隨著人工成本不斷上升，以及食品安全對規?；?、自動化的要求，連續機械化和自動化生產方式代替手工生產，已成為腐竹產業發展的必然趨勢。

目前國內外較常用的腐竹生產設備主要有兩種：① 雙傳動帶式腐竹自動成形機；② 結膜池式腐竹成形機。

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

1.1 雙傳送帶式腐竹自動成形機

雙傳動帶式腐竹自動成形機的結構見圖2。該設備的生產原理為：豆漿通過輸送管輸送到傳送帶2上，通過擋板防止豆漿倒流；轉動輥12帶動傳送帶2沿X方向運動，輸送帶2和兩側鉸接可拉伸的軟擋板3組成容器狀結膜池，防止豆漿向兩側溢出；加熱室中通入蒸汽對傳送帶直接加熱，維持傳送帶上豆漿的溫度在85℃左右；當輸送帶運動至右端時，豆漿剛好結膜成腐竹皮，傳送帶8以傳送帶2的速度沿Y方向運動，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［3－7］。雙傳動帶式腐竹自動成形機實現了機械化生產，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，而鋼板在經過數次折彎之后，一方面會發生卷邊現象，降低傳送帶與蒸汽加熱室的密封效果，造成蒸汽大量泄漏，不僅浪費熱量，而且還使生產車間環境惡化，影響工人的健康；另一方面，鋼板在經過數次折彎之后會發生疲勞破壞，使豆漿泄露，影響生產。

圖2 雙傳送帶式腐竹自動成形機示意圖Figure 2 Double belt type automatic Yuba machine diagram

（2）傳送帶若出現褶皺，其平面度將下降，豆漿深度不穩定，生產出的腐竹品質也不穩定；另外，傳送帶在運行時還會發生振動，影響豆漿的結膜速率。

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

（4）無法直接自動檢測傳送帶上的溫度。往往憑工人經驗，根據產品成色，間接控制溫度?？刂茋乐販?，容易造成廢品。

1.2 結膜池式腐竹成形機

結膜池式腐竹成形機結構見圖3。該設備生產腐竹的工藝為：豆漿不斷經由注漿管8輸入到豆漿池3中，維持豆漿的深度和濃度恒定；泵10將豆漿池底部的碳水化合物抽到傳送帶上方，由花灑7淋灑在已經揭起的腐竹皮上，防止豆漿浪費；加熱層2內部通入過熱蒸汽，對豆漿池加熱，維持豆漿溫度相對恒定；腐竹皮在豆漿液面上運動時不斷形成，并由輸送帶5以與腐竹皮結膜速率相同的速度運行，實現連續生產。該設備生產與雙傳送帶式生產相比而言較為節能，產品質量相對穩定［8－10］。同樣，該設備也存在著如下不足：

圖3 結膜池式腐竹自動成形機示意圖Figure 3 Conjunctival pool Yuba forming machine

（1）輸送帶在拉動腐竹皮運動時，會擾動豆漿液面，影響腐竹皮的結膜速率。

（2）揭皮時，腐竹皮要拖動數米長，結膜時間會相應增加，影響腐竹皮的產量。

（3）設備運行時不能靠攪動來均化豆漿液，只能依靠液體本身的擴散運動調節豆漿的濃度，調節速度較慢。

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

2 新型腐竹生產設備的設計及研究

2.1 新型腐竹生產工藝裝備布置及加工機理

針對上述目前兩種常用的腐竹生產設備優缺點，汲取手工生產腐竹的結膜快和產率高的優點，提出了一種新型腐竹連續機械化生產工藝裝備及其布置構型。

新型腐竹生產工藝裝備布置見圖4，該工藝的加工機理為：結膜池3固定在機架上，揭皮小車1一邊沿著結膜池3的上部導軌按照計算機程序進行自主運動，一邊將形成的腐竹膜揭起；揭起的腐竹膜先由傳送帶2傳送至環形圓心（即結膜池的中心），再由傳送帶4輸送至結膜池外部，接著進入烘干、回軟和包裝環節，從而實現腐竹的連續化和自動化生產。

圖4 新型腐竹連續化生產工藝裝備布置圖Figure 4 Novel Yuba continuous production process layout

2.2 新型腐竹生產設備構成及三維建模

根據新的腐竹連續化生產工藝布置要求，運用“Pro/E”軟件［11，12］，設計出新型腐竹生產設備三維模型（見圖5）。該設備的運行機理為：環狀結膜池3內部注入深50mm左右的豆漿進行結膜；結膜池3下面有完全封閉的蒸汽加熱室對豆漿加熱，維持豆漿具有相對恒定的溫度；揭膜小車10上部安裝有兩臺電動機，分別驅動切向傳送帶和法向傳送帶；小車在環形軌道2上運動，同時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定長度切斷，再由法向傳送帶輸送走；小車運行周期與腐竹皮結膜時間相同，即小車從某一位置運行一周，當再次運行到該位置時，腐竹皮剛好達到所需厚度，這樣周而復始，從而實現腐竹的連續化和自動化生產。

圖5 腐竹生產設備三維模型圖Figure 5 Yuba production equipment three-dimensional model diagram

2.3 中間旋轉器的設計

由圖5可知，揭皮小車上需要輸入能源給上部電動機提供動力，同時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；在小車循環運動時，水管和電纜線如果不加處理，必然會發生纏繞。為此，采用電刷和旋轉密封水管結合在一起的旋轉器來實現連續運轉。設計的旋轉器三維模型見圖6，中間接管3與旋轉連接密封4之間可以轉動。由于小車沿軌道逆時針運動，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 旋轉器三維模型圖Figure 6 Rotating three-dimensional model diagram

2.4 新型腐竹生產設備虛擬裝配和分析

虛擬裝配就是在一定的設計條件下，實現腐竹設備三維實體模型的總體設計；是按照一定的約束條件和連接方式，將腐竹設備中的各個零件組成一個設備整體，并且能夠滿足設計功能的虛擬仿真過程。采用“Pro/E”計算機軟件，能夠模擬實際環境中的裝配情況，并進行仿真分析和判斷，盡早發現設計缺陷和潛在的風險，提前進行改善和修正，從而減少后期制造和修改的費用，縮短腐竹設備設計和制造的時間［13－15］。

在進行計算機虛擬裝配時，首先要對腐竹設備中的各個子零件作出技術處理，調出第一個裝配子零件機架，調整好裝配的位置，確定其坐標系；然后，分別按照裝配工藝的順序，按照自下而上的原則進行相關零件約束定義，并且一個一個的自下而上地進行裝配；在零件裝配時，關鍵的環節就是對零部件進行合適的約束，在“Pro/E”中建立裝配關系是用貼合、平面和基準面對齊，坐標系各個軸相互對齊的約束命令，將所有的零部件按照技術要求裝配組合在一起；腐竹設備的干涉檢驗，是設計時用到的一種檢驗方法，運用裝配檢驗可以發現腐竹設備中零件設計的缺陷，把設計失誤和缺陷消除在設計階段和制造之前，從而減少不必要的損失。新型腐竹設備虛擬裝配和檢驗的流程圖見圖7。計算機設計、虛擬裝配和檢驗后的總體三維視圖見圖5。通過計算機虛擬裝配和檢驗，表明設計的新型腐竹設備結構合理，無干涉現象。

圖7 腐竹設備虛擬裝配及檢驗流程圖Figure 7 Assembly flowchart of yuba production equipment

3 結束語

分析了腐竹生產工藝及其設備的現狀，提出了一種新型的腐竹連續自動化生產設備構型，建立了該設備及其關鍵部件的三維模型，為腐竹連續化、自動化和高效生產提供了一種新型的裝置；該裝置克服了過去腐竹手工生產和機械化生產效率低的缺點；運用計算機對新型的腐竹連續自動化生產設備進行了虛擬裝配及仿真檢驗，與傳統的設計制造相比，節省了實物驗證的費用和時間，該設計方法對于同類設備的設計研究具有一定的參考價值。

由于時間、試驗經費和試驗場地等因素的限制，本研究未能及時地將設計的新型腐竹生產設備用于實際生產上。下一步需要將研制的連續自動化腐竹生產設備實用化、系列化和智能化。

借此機會，感謝參考文獻中提到及未提到的同行學者對本研究的幫助，特別感謝河南省委組織部、河南工業大學和河南質源豆制品有限公司對本研究的支持和幫助。

1 周顯宏，余以剛.豆皮加工與利用研究進展［J］.糧食與食品工業，2010，17（2）：9～12.

2 韓智，石谷孝佑，李再貴.不同豆漿濃度和漿液深度對腐竹生產的影響［J］.農業工程學報，2005，21（11）：179～181.

3 歐陽平一，劉煒松.腐竹工業化加工工藝優化研究［J］.食品與機械，2010，26（2）：123～126.

4 李詩龍，劉協舫，張永林.SFZCX125型腐竹自動成形機的研制［J］.糧油加工，2006（12）：72～74.

5 李詩龍，丁文平，張永林，等.腐竹的機械化生產關鍵技術研究［J］.農業工程學報，2009，23（10）：224～228.

6 晁貽存，劉延美.自動化懸浮式腐竹機：中國，CN2316821［P］.1999—05—05.

7 孫德勝，孫慶新，孫艷紅.自動腐竹加工機：中國，CN1582727［P］.2005—02—23.

8 羅緋，林親錄，陸玲，等.超聲提取豆皮水溶性膳食纖維的工藝研究［J］.食品與機械，2008，24（6）：44～45.

9 喬元劭.豆腐皮機械化生產線的設計［D］.杭州：浙江大學，2008.

10 侯傳亮，李詩龍.SFZCX125型腐竹結膜成形機研制［J］.農業機械，2011（1）：149～152.

11 劉夢飛，鄭甲紅，高警.采摘機－核桃樹系統的仿真與試驗［J］.食品與機械，2014，30（1）：107～110.

12 朱文華，馬登哲，張健希.虛擬裝配技術應用的研究［J］.機械設計與研究，2014，20（6）：47～51.

13 Liu G H，Yao Y X.Development of a new virtual environment system for assembly［J］.Key Engineering Materials，2006，316（5）：556～560.

14 夏平均，姚英學.虛擬裝配的研究綜述與分析［J］.哈爾濱工業大學學報，2008（5）：2～6.

15 Laycock S D，Day A M.A survey of haptic rendering techniques［J］.Computer Graphics Forum，2007，26（1）：50～65.