董秀萍， 黃明吉

(1. 北京工商大學 機械工程學院， 北京 100048； 2.北京科技大學 機械工程學院， 北京 100083)

豆腐皮生產(chǎn)的主要原料是大豆, 輔料有鹵水(或石膏) 和水，在浸泡、洗滌、磨漿等環(huán)節(jié)所使用水的水質(zhì)應滿足食品衛(wèi)生要求. 豆腐皮的生產(chǎn)工藝流程為： 原輔料→浸泡、洗滌→磨漿→煮沸→點漿→填充豆腐腦→包裝→壓榨→揭皮→成品[1].

豆制食品以其營養(yǎng)豐富、口感細嫩和風味獨特等特點深受廣大消費者的喜愛，近年來隨著大豆營養(yǎng)價值和保健功能的新發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的豆制品生產(chǎn)行業(yè)被注入新的活力. 在現(xiàn)階段的豆制品生產(chǎn)中,自動化生產(chǎn)程度還相對落后, 特別是豆腐皮生產(chǎn)還停留在手工制作階段[2]. 我國豆制品加工機械化、工業(yè)化進程緩慢、曲折，除了管理體制、市場營銷方面的因素外, 技術(shù)力量薄弱、缺少基礎(chǔ)性研究是一個主要障礙. 雖然豆腐生產(chǎn)具有悠久的歷史, 積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，但一些經(jīng)驗尚未理論化，難以指導機械化生產(chǎn)，在機械設(shè)備方面的研究也比較薄弱[3].

目前，文獻[1-4]報道的豆腐皮加工機械尚不能完全滿足實際加工需求，本文主要針對現(xiàn)有兩種豆腐皮加工機械的工作原理及其特點進行詳細分析比較，提出相應改進方案和措施，完成整體機構(gòu)的改進設(shè)計. 并在此基礎(chǔ)上進行由豆腐腦生產(chǎn)豆腐皮的關(guān)鍵機構(gòu)——豆腐腦定量灌裝機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)，運用動態(tài)仿真分析軟件ADAMS對整體機構(gòu)進行運動學和動力學分析，驗證了該機構(gòu)的可行性.

1 整體機構(gòu)改進設(shè)計

1.1 現(xiàn)有機構(gòu)分析

由于豆腐皮很薄，加工時需要將填充包裝好的豆腐皮折疊起來放置，據(jù)此可以將現(xiàn)有豆腐皮加工設(shè)備分成兩種類型：第一種是將豆腐腦填充包裝完后再折疊；第二種是一邊折疊紗布一邊填充豆腐腦.

第一種加工設(shè)備是在上、下兩軸位置各設(shè)計1個紗布卷，并錯開一定距離，灌裝豆腐腦的機構(gòu)在下紗布卷的上面，兩個紗布卷同時轉(zhuǎn)動，并灌裝豆腐腦. 這樣，一邊灌裝一邊在鋪好的豆腐腦上蓋紗布，完成了豆腐腦的包裝，將包裝好的豆腐腦通過傳送帶輸送到折疊平臺，平臺往復運動，完成豆腐皮的折疊. 該機器的缺點主要有3個：一是填充完的紗布包在折疊時，由于重力作用豆腐腦也發(fā)生移動，這樣生產(chǎn)出來的豆腐皮薄厚難以保持均勻；二是填充完的紗布包較薄，散熱快，豆腐腦中的水分因蒸發(fā)和過濾損失較多，對豆腐皮的質(zhì)量有明顯影響；三是機器結(jié)構(gòu)占用空間較大.

第二種加工設(shè)備的工作流程是一邊折疊紗布一邊填充豆腐腦，其紗布折疊和豆腐腦灌裝的原理如圖1. 這種設(shè)計有效克服了第一種加工設(shè)備的上述3個缺點，但是，此類設(shè)備對灌裝機構(gòu)有較高要求，因為豆腐腦的灌裝是間歇式的，難以實現(xiàn)均勻定量灌裝. 該結(jié)構(gòu)的另一個問題是電控元件較多，而豆腐皮生產(chǎn)環(huán)境比較潮濕，整個機構(gòu)的安全性難以保證.

圖1 豆腐皮包裝示意Fig.1 Packing sketch map for skin of soybean milk

1.2 整體機構(gòu)改進設(shè)計

根據(jù)上節(jié)分析，先包裝后折疊式的豆腐皮機難以保證加工質(zhì)量，本文設(shè)計方案采用邊包裝邊折疊式的加工方式. 整機設(shè)計方案改進如圖2.

圖2 豆腐皮加工機設(shè)計方案改進效果示意Fig.2 Master drawing for skin of soybean milk production equipment

豆腐皮加工機的整個工作過程可以分為以下幾個工序：

1) 電機通過皮帶傳動帶動主動輥轉(zhuǎn)動，同時通過導桿與皮帶連接推動移動平臺移動，往復運動；

2) 主動輥帶動傳動帶轉(zhuǎn)動，從而帶動鋪在傳送帶上的紗布移動，又由于移動平臺移動，把紗布整齊地鋪在工作平臺上；

3) 鋪紗布的同時，將豆腐腦均勻定量地澆到已經(jīng)鋪好的紗布上，保證豆腐腦均勻布滿整張紗布；

4) 移動平臺反方向移動時，在已鋪好的豆腐腦上再鋪一層紗布，這樣紗布就會將豆腐腦包裹起來；

5) 隨著紗布和豆腐腦厚度增加，工作平臺隨之下降，保證鋪勻、平臺高度保持不變.

6) 循環(huán)2)～5)的動作；

7) 將層層鋪好的豆腐腦按照一定比例進行壓縮，使其中水分充分溢出，制成豆腐皮.

整個加工過程中紗布的折疊運動示意見圖3，整個機構(gòu)運動過程比較復雜，要求各運動單元動作協(xié)調(diào)、連貫配合. 首先是紗布的折疊，要與豆腐腦澆到紗布上的動作同步，且由于是把一條長長的紗布以之字形折疊，需要考慮豆腐腦定量灌裝機構(gòu)的干涉問題，且要求鋪設(shè)平整；其次是豆腐腦定量灌裝機構(gòu)要確保豆腐腦能夠均勻地鋪到紗布上，還應控制豆腐腦的量；最后，控制好工作臺的升降問題，注意與豆腐腦鋪后的厚度相適應. 為了確保該機構(gòu)運動流暢，運用運動分析軟件ADAMS做動畫仿真，進一步驗證整機機構(gòu)的可行性，經(jīng)改進的豆腐皮加工具有高效、經(jīng)濟、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)等特點.

圖3 紗布折疊運動示意Fig.3 Sketch map for gauze folding movement

2 豆腐腦定量灌裝

2.1 機構(gòu)設(shè)計

豆腐皮加工機械主要分為4部分： 磨漿機構(gòu)、定量灌裝機構(gòu)、鋪勻機構(gòu)和壓緊機構(gòu). 其中定量灌裝機構(gòu)是一個關(guān)鍵的組成部分，如果灌裝機構(gòu)設(shè)計不好， 對豆腐皮的質(zhì)量、生成效率影響較大. 由于現(xiàn)在市面上的幾種豆腐皮加工機械的灌裝機構(gòu)不合理， 迫使很多豆腐皮生產(chǎn)者又回到手工灌裝生產(chǎn)方式. 為了改善這一現(xiàn)狀， 利用三維造型軟件Pro/ENGINEER對灌裝機構(gòu)進行了重新的設(shè)計和改造[5].

豆腐腦定量灌裝機構(gòu)是整個豆腐皮加工機的執(zhí)行機構(gòu)，其決定著豆腐皮加工機整機功能的實現(xiàn). 灌裝機構(gòu)的要求是：用紗布將豆腐腦包裹起來，而且每層豆腐腦都必須有各自的紗布，不能共用，也就是說生產(chǎn)過程中，必須鋪兩層紗布再鋪一層豆腐腦. 現(xiàn)有較先進的鋪勻機構(gòu)的工作原理是:通過紗布在移動架上左右移動,實現(xiàn)紗布的平鋪與折疊，紗布折疊的同時在已經(jīng)鋪好的紗布上灌裝豆腐腦，這就要求灌裝豆腐腦裝置(簡稱落料裝置)的閥門必須循環(huán)開啟和關(guān)閉，還要保證豆腐腦定量均勻灌裝.

本設(shè)計的原理是通過兩次撞擊實現(xiàn)落料口的開啟和關(guān)閉，該設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)圖和各個零件名稱如圖4. 該裝置總體上可以分為兩個部分：料桶部分和閥門開閉的控制部分. 料桶的作用是暫時存儲豆腐腦，并將豆腐腦打碎；閥門開閉控制部分是由各個桿件組成的，通過兩次碰撞實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作可靠，滿足食品衛(wèi)生要求.

1.移動架 2.大架 3.上料桶 4.下料桶 5.上料桶閥門 6.下料桶閥門 7.旋轉(zhuǎn)桿 8.固定桿 9.旋轉(zhuǎn)鉤子 10.料桶鉤子 11.閥門定位桿 12.手提桿 13.進料口 14.定位螺栓 15.撞擊片 16.止轉(zhuǎn)片 17.彈簧固定片 18.拉緊彈簧圖4 灌裝機構(gòu)的整體設(shè)計示意Fig.4 General design drawing for whole quantitative filling machine

豆腐腦鋪勻工藝是豆腐皮生產(chǎn)過程最重要的一個環(huán)節(jié)，也是豆腐腦成形后的第一道工序. 由于現(xiàn)在大多數(shù)都是手工作坊式的豆制品加工方式，設(shè)備相當落后，鋪勻過程大都采用手動操作方式實現(xiàn)，這樣對工作人員的技術(shù)要求較高，而且難以準確保證鋪勻質(zhì)量.

豆腐腦定量灌裝機構(gòu)的功能實現(xiàn)體現(xiàn)在“均勻”和“有序”上面，而本設(shè)計也將以“均勻”和“有序”為目標，以盡可能達到要求的效果. 豆腐腦是一種接近于膠狀的流動性較差的液體，由于具有較大的黏性，因此鋪澆時需要有一定的相對壓力使其可以流動，以達到鋪勻的目的. 現(xiàn)在采用重力的作用，在落料機構(gòu)上方高度大概500 mm的地方安裝隨著落料機構(gòu)一起來回移動的裝料桶.

裝料桶是長方形的箱體，中間有一隔板，將箱體分成兩部分，這兩部分在箱體的底部是相通的，也就是隔板并沒有完全隔斷整個裝料桶，裝料桶就像一個U型管連通器. 這樣設(shè)計的原因是：裝料桶固定在移動平臺上，隨著移動平臺做往復運動，為了避免豆腐腦在裝料桶里有過大晃動而濺出，增加隔板設(shè)計以降低豆腐腦在裝料桶中的晃動，為保證豆腐腦的流動，裝料桶的下方設(shè)計成相通的. 裝料桶的底面有一個圓形開口，豆腐腦從這個圓形開口流出，裝料桶安裝時要有一定的斜度，這樣由于重力的作用，豆腐腦通過一個直徑為50 mm的管子流入落料桶，落料桶出口處就有了一定的壓出力度，豆腐腦可以從里面順利流出.

上料桶和下料桶通過螺栓固定，但上、下保持一定的高度，豆腐腦因重力從裝料桶順著管子流入上料桶的進料口13中. 設(shè)計成上、下兩個落料桶，一方面可以緩沖豆腐腦的流速，使豆腐腦鋪的更加均勻，另一方面可以更好地控制豆腐腦的截流和流量. 為了防止特殊情況下豆腐腦流出來，在設(shè)計定量灌裝機構(gòu)的時候，用了兩個閥門，里外閥門一起阻擋豆腐腦的流動，可以有效地調(diào)節(jié)豆腐腦的流量大小. 同時，里閥門可以大幅度上、下拉動，在豆腐腦出不來的時候起攪拌作用，防止機構(gòu)卡死. 兩個閥門底部與料桶接觸的部分都粘有橡膠條，這樣在閥門關(guān)閉時可以密封，同時也是閥門關(guān)閉時的支撐部分.

上料桶閥門折彎90度的優(yōu)點是：1)使閥門方便固定；2)緩沖豆腐腦的流速，使豆腐腦的流入形狀由圓柱型變?yōu)槠矫嫘?，為豆腐腦的平鋪做準備；3)通過豆腐腦流入時對閥門上板的撞擊實現(xiàn)一定的破碎作用. 料桶部分通過下料桶兩頭的杠桿實現(xiàn)料桶在移動架1上的限位，該限位使料桶只能在上、下方向上移動.

2.2 關(guān)鍵零件的運動學和動力學分析

利用動態(tài)仿真分析軟件ADAMS對整體機構(gòu)進行運動學和動力學分析[6],在閥門開啟的過程中，落料桶和落料桶閥門的質(zhì)心運動軌跡如圖5，圖中實線是落料桶質(zhì)心的運動軌跡，虛線是落料桶閥門質(zhì)心的運動軌跡曲線. 從圖5中可以看出，閥門開啟的高度大約為9 mm.

圖5 落料桶與料桶閥門開啟時下落高度比較Fig.5 Falling height comparesion of feeding box and its valve

圖6 旋轉(zhuǎn)桿碰撞片的碰撞力Fig.6 Striking force of revolving bar

通過仿真可以測量旋轉(zhuǎn)桿與大架碰撞力，圖6是旋轉(zhuǎn)桿上的碰撞片受到的碰撞力，實線代表合力，長虛線代表Y方向的受力，短虛線代表X方向的受力，中心線代表Z方向的受力，撞擊時碰撞片受到最大的力約160 N.

3 結(jié) 論

1) 比較研究現(xiàn)有兩種豆腐皮加工機械(先包裝后折疊和邊包裝邊折疊)的工作原理及其各自特點，經(jīng)分析認為邊包裝邊折疊的加工流程更有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上提出相應改進措施，完成整機設(shè)計方案，經(jīng)虛擬裝備和運動學分析軟件仿真驗證機構(gòu)運行可行.

2) 完成豆腐皮生產(chǎn)關(guān)鍵機構(gòu)——定量灌裝機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)：利用三維造型軟件Proe/ENGINEER設(shè)計裝料桶、落料桶部分、閥門控制部分的關(guān)鍵零部件，并進行虛擬裝配，利用動態(tài)仿真分析軟件ADAMS對定量灌裝機構(gòu)進行運動學和動力學分析，計算確定閥門開啟的高度大約為9 mm，旋轉(zhuǎn)桿與大架碰撞力約160 N.

使用上述豆腐皮加工機可以生產(chǎn)出2～4 mm厚的豆腐皮，且生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定. 由于該裝置中沒用到電器元件和液壓元件，零件材料都選用不銹鋼，既保證了衛(wèi)生要求，又降低了成本，整個機構(gòu)運動可靠安全，為豆制品生產(chǎn)行業(yè)逐步實現(xiàn)自動化提供必要的技術(shù)支撐.