陳志偉， 董楸煌，2*， 葉一均， 葉大鵬，2

( 1.福建農林大學 機電工程學院， 福建 福州 350002；2.現代農業(yè)裝備福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350002 )

0 引言

大豆是植物類優(yōu)質蛋白質資源， 具有非常好的保健功能[1]。 采用大豆為原料制成的豆腐皮(也稱“豆皮”)， 含有許多人體必需的維生素和氨基酸， 易吸收， 營養(yǎng)價值高[2]。 而油炸豆腐皮卷因其香酥的口感和美觀的外形， 深受大眾青睞， 符合當今社會大多數人食品與健康需求。

中國食品機械由于起步較晚， 存在創(chuàng)新不足、 自主研發(fā)水平不夠、 技術被國外壟斷等問題[3]。 食品安全事關人們的身體健康和生命安全， 雖然中國食品安全形勢持續(xù)穩(wěn)中向好， 但仍然有待進一步提高[4-6]。 目前， 油炸豆腐皮多采用手工進行油炸， 存在生產效率低、 勞動強度大、 食品衛(wèi)生難以保證、 生產環(huán)境惡劣等問題，與中國制造綠色創(chuàng)新的理念不符[7]， 因而油炸豆腐皮產業(yè)必然往機械化和自動化方向發(fā)展。 近年來， 針對豆腐皮炸卷機已有一些研究。 劉長安等設計了豆皮卷加工設備對豆皮進行制卷、 油炸和脫模， 代替手工油炸豆皮[8]， 其主要缺點有:需要人工進行懸掛豆皮； 未及時對剛炸完的豆皮進行制卷， 致使油炸豆皮在傳輸過程中硬化， 加大制卷難度， 影響口感。 鄭會法等設計了一種全自動油炸卷皮一體機， 通過伺服電機帶動機械手完成制卷過程[9]， 但機械手結構復雜， 使得機器的加工成本大大提高。

本文基于人工生產油炸豆腐皮卷的方式， 設計了一款豆腐皮炸卷機。 通過制作樣機并進行試驗， 該機器能夠實現上料、 下料和炸制成卷自動化作業(yè)， 在滿足企業(yè)生產作業(yè)需求的同時， 改善了生產衛(wèi)生環(huán)境， 降低勞動強度及生產成本， 讓廣大人民群眾能享受到價格低廉、 品質高的油炸豆腐皮卷。

1 整體結構和工作原理

1.1 整體結構

豆腐皮自動化炸卷一般包括豆腐皮的上料、輸送、 炸制成卷、 下料等環(huán)節(jié)。 所設計的豆腐皮炸卷機主要由上下料結構、 回轉式輸送結構、 自動化炸卷結構和機架等組成。 其中， 上下料的機械手包括驅動氣缸、 末端吸盤等； 回轉式輸送結構包括鏈條、 鏈輪、 可調軸承座和電機組件等；自動化炸卷結構包括油鍋、 自卷齒條和壓卷板等。 豆腐皮炸卷機的整體結構如圖1 所示。

圖1 豆腐皮炸卷機結構

1.2 工作原理

通過上料機械手末端的吸盤吸附豆腐皮， 并將豆腐皮移動放入仿筷模具中， 完成豆腐皮上料。 通過鏈條移動帶動仿筷模具運動， 將豆腐皮移動至自動化炸卷結構， 在自動化炸卷結構中完成豆腐皮的炸制成卷。 豆腐皮炸制成卷后， 通過鏈條的輸送， 移動到下料工位， 通過下料機械手末端U 形手爪， 將豆腐皮卷推出仿筷模具。 下料完成后仿筷模具移動至上料工位， 實現復位。 豆腐皮油炸、 卷制成型加工工藝流程如圖2 所示。

圖2 豆腐皮炸卷工藝流程圖

2 結構設計

2.1 回轉式輸送結構

豆腐皮輸送及炸制成卷運動輸送采用倒正三角形雙排鏈回轉式循環(huán)輸送結構(如圖3 所示)，該結構穩(wěn)定且循環(huán)輸送， 有較高的工作效率[10]。倒正三角形的雙排鏈傳動結構， 動力輸入軸位于左下方位置， 通過單級減速鏈條傳動輸入， 提升電機與下方油鍋的距離， 盡量避免因油溫傳導而造成電機過熱。 在雙排輸送鏈條上均勻布置9 個仿筷模具(如圖4 所示)， 每兩個仿筷模具之間間隔14 個鏈節(jié)， 雙排鏈型號為12A， 則倒正三角形的每個邊足以布置3 個仿筷模具。 將上下料位置設置在圖3 所示位置， 此時仿筷模具距離鏈輪的轉動圓弧點約33 mm， 可使上下料工位上仿筷模具停留時保持水平姿勢， 以便于上下料機械手操作。 根據調研， 豆腐皮炸卷的時間為1.5 ～2.0 s， 為了保證豆腐皮炸卷質量， 確定炸卷的運動節(jié)拍為2.0 s。

圖3 回轉式輸送結構

圖4 仿筷模具結構

2.2 自動化油炸結構

自動化油炸結構部件如圖5 所示[11]。 根據豆腐皮油炸需求， 油鍋采用特定的溫控模塊， 保持油炸加工過程油溫的穩(wěn)定。 當雙排鏈條輸送結構間歇停留在上、 下料工位時， 此時位于底部的兩個仿筷模具對稱分布在下方鏈輪的兩側， 如圖6 所示。 根據圖示幾何關系可得:

圖5 自動化油炸結構

圖6 仿筷模具位置幾何關系圖

式(1)、 式(2)中，S1為仿筷模具進入油鍋之后的運動軌跡行程，S2為仿筷模具一個工作節(jié)拍周期的運動軌跡行程，X為仿筷模具支架的高度，D為鏈輪直徑。

為了避免雙排輸送鏈條間歇停留在上下料工位時， 豆腐皮在油液液面下因油炸時間過長燒焦， 設定式(1)和式(2)兩者的值滿足如下關系:

結合式(1)、 式(2)和式(3)可求得X＝87.95 mm， 最后近似取X＝90 mm。

2.3 制卷成型結構

豆腐皮在油炸后為了方便運輸、 儲存以及提升整體美觀度， 需要對豆腐皮進行制卷壓邊處理。 為了實現油炸過后豆腐皮的快速制卷成型，采用制卷、 壓邊一體化設計， 主要由自卷齒條與可調節(jié)壓卷板組成， 配合仿筷模具實現制卷壓邊功能， 具體結構如圖4 和圖7 所示。 當豆腐皮經過油炸之后， 由雙排輸送鏈條繼續(xù)輸送移動， 仿筷模具后端的小齒輪與固定的齒條嚙合， 形成逆時針自轉； 同時， 油炸后尚未硬化的豆腐皮在右下方壓卷板的擠壓作用下， 實現豆腐皮的自動化制卷成型加工。 齒條和壓卷板均采用可調節(jié)角度的設計， 通過改變傾斜角度可改變壓力的大小。

圖7 制卷壓邊結構

3 試驗分析

基于所設計的方案， 加工制造樣機進行試驗。 樣機的運行通過西門子PLC S7-200 進行控制， 油溫通過溫度控制模塊進行單獨控制。 通過對豆腐皮卷食品加工企業(yè)的調研， 參考人工油炸豆腐皮卷的工藝參數及初步試驗調試結果， 確定了試驗材料的規(guī)格和樣機的運行參數設定值。 其中， 原材料豆腐皮的規(guī)格為: 長320 mm， 寬100 mm， 單張質量5 g； 樣機的運行參數設定為: 油溫180℃， 電機轉速67.17 r/min， 以保證每片豆腐皮的油炸與制卷壓邊時間為2.0 s。

由于豆腐皮炸卷過程是熱加工， 因此油炸溫度的穩(wěn)定性和制卷成型結構等必然會對樣機加工的豆腐皮卷成品的品質產生很大的影響。 為了進一步優(yōu)化油鍋的結構和壓卷成型結構的設計方案， 試驗過程中采用3 種結構方案進行對比分析: 一層壓卷板、 油鍋無隔熱保溫層(方案一)，二層壓卷板、 油鍋無隔熱保溫層(方案二)， 二層壓卷板、 油鍋有隔熱保溫層(方案三)。 豆腐皮炸卷樣機如圖8 所示。

圖8 豆腐皮炸卷樣機

采用上述三種結構方案各進行炸卷3 次試驗， 方案一的成品率分別為50.00%、 45.23%與48.78%， 方案二的成品率分別為86.04%、78.57%與80.48%， 方案三的成品率分別為93.02%、 92.85%與92.68%， 所得數據如圖9所示。 根據試驗可以得出， 方案一所得到的豆腐皮卷成品率最低， 方案三的成品率最高。 顯然采用兩層壓卷板及配置油鍋隔熱保溫層， 可顯著提高成品率。

圖9 油炸豆腐皮成功率

為進一步對豆腐皮卷成品的規(guī)格進行量化分析， 隨機在方案三試驗的成品中(如圖10 所示)取31 卷成功樣品進行長度和直徑的尺寸測量統(tǒng)計。 測得31 卷油炸豆腐皮卷樣品左端、 中部、右端直徑范圍分別落在33.7±5.0、 30.7±4.7、33.3±5.9 mm 之間， 平均值分別為33.8、 31.9、33.7 mm。 測得31 卷樣品長度范圍落在95.9±8.6 mm 之間， 平均值為98.0 mm。 進一步對數據進行正態(tài)分布分析。 長度的正態(tài)分布曲線N1(97.98， 3.732)， 如圖11(a)所示； 直徑的正態(tài)分布曲線N2(32.88， 2.182)， 如圖11(b)所示。將試驗正態(tài)曲線轉換成標準正態(tài)函數[12]， 查得95.45%概率油炸豆腐皮長度和直徑分別落在[90.52 mm， 105.44 mm]和[28.52 mm， 37.24 mm]區(qū)間。

圖10 油炸豆腐皮卷成品

圖11 油炸豆腐皮卷樣品尺寸正態(tài)分布曲線

4 結論

本文所設計的豆腐皮炸卷機， 通過上下料機械手、 回轉式輸送結構、 自動化油炸結構、 制卷成型結構和油溫控制的配合， 能實現豆腐皮油炸、 制卷成型加工的完全自動化作業(yè)。 在油炸、制卷成型加工過程中， 采用倒正三角形雙排鏈回轉式循環(huán)輸送結構保證加工過程的運輸穩(wěn)定； 仿筷模具上齒輪齒條結構和壓卷板的配合， 實現豆腐皮的自動制卷成型。 通過試驗發(fā)現， 在采用油鍋隔熱保溫結構和兩層壓卷板結構優(yōu)化改進基礎上， 利用該設備油炸、 制卷成型加工的豆腐皮卷的成功率高， 成品的尺寸規(guī)格與市面上產品相近， 工作效率高， 不僅改善了生產衛(wèi)生環(huán)境， 還降低勞動強度及生產成本。 樣機的成功研制， 對豆腐皮自動化炸卷設備的設計和研發(fā)有參考意義， 并有助于提高豆制品加工的產品附加值。