董秀萍， 黃明吉

(1. 北京工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100048； 2.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(yīng)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(diǎn)漿→填充豆腐腦→包裝→壓榨→揭皮→成品[1].

豆制食品以其營(yíng)養(yǎng)豐富、口感細(xì)嫩和風(fēng)味獨(dú)特等特點(diǎn)深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)，近年來(lái)隨著大豆?fàn)I養(yǎng)價(jià)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(dòng)化生產(chǎn)程度還相對(duì)落后, 特別是豆腐皮生產(chǎn)還停留在手工制作階段[2]. 我國(guó)豆制品加工機(jī)械化、工業(yè)化進(jìn)程緩慢、曲折，除了管理體制、市場(chǎng)營(yíng)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(gè)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(yàn)，但一些經(jīng)驗(yàn)尚未理論化，難以指導(dǎo)機(jī)械化生產(chǎn)，在機(jī)械設(shè)備方面的研究也比較薄弱[3].

目前，文獻(xiàn)[1-4]報(bào)道的豆腐皮加工機(jī)械尚不能完全滿足實(shí)際加工需求，本文主要針對(duì)現(xiàn)有兩種豆腐皮加工機(jī)械的工作原理及其特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析比較，提出相應(yīng)改進(jìn)方案和措施，完成整體機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì). 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行由豆腐腦生產(chǎn)豆腐皮的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)——豆腐腦定量灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真分析軟件ADAMS對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的可行性.

1 整體機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有機(jī)構(gòu)分析

由于豆腐皮很薄，加工時(shí)需要將填充包裝好的豆腐皮折疊起來(lái)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(jì)1個(gè)紗布卷，并錯(cuò)開(kāi)一定距離，灌裝豆腐腦的機(jī)構(gòu)在下紗布卷的上面，兩個(gè)紗布卷同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)傳送帶輸送到折疊平臺(tái)，平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成豆腐皮的折疊. 該機(jī)器的缺點(diǎn)主要有3個(gè)：一是填充完的紗布包在折疊時(shí)，由于重力作用豆腐腦也發(fā)生移動(dòng)，這樣生產(chǎn)出來(lái)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(guò)濾損失較多，對(duì)豆腐皮的質(zhì)量有明顯影響；三是機(jī)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(jì)有效克服了第一種加工設(shè)備的上述3個(gè)缺點(diǎn)，但是，此類設(shè)備對(duì)灌裝機(jī)構(gòu)有較高要求，因?yàn)槎垢X的灌裝是間歇式的，難以實(shí)現(xiàn)均勻定量灌裝. 該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)問(wèn)題是電控元件較多，而豆腐皮生產(chǎn)環(huán)境比較潮濕，整個(gè)機(jī)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(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

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

圖2 豆腐皮加工機(jī)設(shè)計(jì)方案改進(jìn)效果示意Fig.2 Master drawing for skin of soybean milk production equipment

豆腐皮加工機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程可以分為以下幾個(gè)工序：

1) 電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)導(dǎo)桿與皮帶連接推動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

2) 主動(dòng)輥帶動(dòng)傳動(dòng)帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鋪在傳送帶上的紗布移動(dòng)，又由于移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，把紗布整齊地鋪在工作平臺(tái)上；

3) 鋪紗布的同時(shí)，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(dòng)平臺(tái)反方向移動(dòng)時(shí)，在已鋪好的豆腐腦上再鋪一層紗布，這樣紗布就會(huì)將豆腐腦包裹起來(lái)；

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

6) 循環(huán)2)～5)的動(dòng)作；

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

整個(gè)加工過(guò)程中紗布的折疊運(yùn)動(dòng)示意見(jiàn)圖3，整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，要求各運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼鲄f(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(dòng)作同步，且由于是把一條長(zhǎng)長(zhǎng)的紗布以之字形折疊，需要考慮豆腐腦定量灌裝機(jī)構(gòu)的干涉問(wèn)題，且要求鋪設(shè)平整；其次是豆腐腦定量灌裝機(jī)構(gòu)要確保豆腐腦能夠均勻地鋪到紗布上，還應(yīng)控制豆腐腦的量；最后，控制好工作臺(tái)的升降問(wèn)題，注意與豆腐腦鋪后的厚度相適應(yīng). 為了確保該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)流暢，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)分析軟件ADAMS做動(dòng)畫(huà)仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證整機(jī)機(jī)構(gòu)的可行性，經(jīng)改進(jìn)的豆腐皮加工具有高效、經(jīng)濟(jì)、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)等特點(diǎn).

圖3 紗布折疊運(yùn)動(dòng)示意Fig.3 Sketch map for gauze folding movement

2 豆腐腦定量灌裝

2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

豆腐皮加工機(jī)械主要分為4部分： 磨漿機(jī)構(gòu)、定量灌裝機(jī)構(gòu)、鋪勻機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu). 其中定量灌裝機(jī)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵的組成部分，如果灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不好， 對(duì)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(jī)械的灌裝機(jī)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(duì)灌裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)和改造[5].

豆腐腦定量灌裝機(jī)構(gòu)是整個(gè)豆腐皮加工機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其決定著豆腐皮加工機(jī)整機(jī)功能的實(shí)現(xiàn). 灌裝機(jī)構(gòu)的要求是：用紗布將豆腐腦包裹起來(lái)，而且每層豆腐腦都必須有各自的紗布，不能共用，也就是說(shuō)生產(chǎn)過(guò)程中，必須鋪兩層紗布再鋪一層豆腐腦. 現(xiàn)有較先進(jìn)的鋪勻機(jī)構(gòu)的工作原理是:通過(guò)紗布在移動(dòng)架上左右移動(dòng),實(shí)現(xiàn)紗布的平鋪與折疊，紗布折疊的同時(shí)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(jiǎn)稱落料裝置)的閥門(mén)必須循環(huán)開(kāi)啟和關(guān)閉，還要保證豆腐腦定量均勻灌裝.

本設(shè)計(jì)的原理是通過(guò)兩次撞擊實(shí)現(xiàn)落料口的開(kāi)啟和關(guān)閉，該設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)圖和各個(gè)零件名稱如圖4. 該裝置總體上可以分為兩個(gè)部分：料桶部分和閥門(mén)開(kāi)閉的控制部分. 料桶的作用是暫時(shí)存儲(chǔ)豆腐腦，并將豆腐腦打碎；閥門(mén)開(kāi)閉控制部分是由各個(gè)桿件組成的，通過(guò)兩次碰撞實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作可靠，滿足食品衛(wèi)生要求.

1.移動(dòng)架 2.大架 3.上料桶 4.下料桶 5.上料桶閥門(mén) 6.下料桶閥門(mén) 7.旋轉(zhuǎn)桿 8.固定桿 9.旋轉(zhuǎn)鉤子 10.料桶鉤子 11.閥門(mén)定位桿 12.手提桿 13.進(jìn)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(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)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(guò)程最重要的一個(gè)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(dāng)落后，鋪勻過(guò)程大都采用手動(dòng)操作方式實(shí)現(xiàn)，這樣對(duì)工作人員的技術(shù)要求較高，而且難以準(zhǔn)確保證鋪勻質(zhì)量.

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

裝料桶是長(zhǎng)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(méi)有完全隔斷整個(gè)裝料桶，裝料桶就像一個(gè)U型管連通器. 這樣設(shè)計(jì)的原因是：裝料桶固定在移動(dòng)平臺(tái)上，隨著移動(dòng)平臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為了避免豆腐腦在裝料桶里有過(guò)大晃動(dòng)而濺出，增加隔板設(shè)計(jì)以降低豆腐腦在裝料桶中的晃動(dòng)，為保證豆腐腦的流動(dòng)，裝料桶的下方設(shè)計(jì)成相通的. 裝料桶的底面有一個(gè)圓形開(kāi)口，豆腐腦從這個(gè)圓形開(kāi)口流出，裝料桶安裝時(shí)要有一定的斜度，這樣由于重力的作用，豆腐腦通過(guò)一個(gè)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(guò)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(jìn)料口13中. 設(shè)計(jì)成上、下兩個(gè)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(lái)，在設(shè)計(jì)定量灌裝機(jī)構(gòu)的時(shí)候，用了兩個(gè)閥門(mén)，里外閥門(mén)一起阻擋豆腐腦的流動(dòng)，可以有效地調(diào)節(jié)豆腐腦的流量大小. 同時(shí)，里閥門(mén)可以大幅度上、下拉動(dòng)，在豆腐腦出不來(lái)的時(shí)候起攪拌作用，防止機(jī)構(gòu)卡死. 兩個(gè)閥門(mén)底部與料桶接觸的部分都粘有橡膠條，這樣在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)可以密封，同時(shí)也是閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的支撐部分.

上料桶閥門(mén)折彎90度的優(yōu)點(diǎn)是：1)使閥門(mén)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?zhàn)鰷?zhǔn)備；3)通過(guò)豆腐腦流入時(shí)對(duì)閥門(mén)上板的撞擊實(shí)現(xiàn)一定的破碎作用. 料桶部分通過(guò)下料桶兩頭的杠桿實(shí)現(xiàn)料桶在移動(dòng)架1上的限位，該限位使料桶只能在上、下方向上移動(dòng).

2.2 關(guān)鍵零件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

利用動(dòng)態(tài)仿真分析軟件ADAMS對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[6],在閥門(mén)開(kāi)啟的過(guò)程中，落料桶和落料桶閥門(mén)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5，圖中實(shí)線是落料桶質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡，虛線是落料桶閥門(mén)質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線. 從圖5中可以看出，閥門(mén)開(kāi)啟的高度大約為9 mm.

圖5 落料桶與料桶閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)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(guò)仿真可以測(cè)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(shí)線代表合力，長(zhǎng)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(shí)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(jī)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(diǎn)，經(jīng)分析認(rèn)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(yīng)改進(jìn)措施，完成整機(jī)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)虛擬裝備和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件仿真驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)行可行.

2) 完成豆腐皮生產(chǎn)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)——定量灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)：利用三維造型軟件Proe/ENGINEER設(shè)計(jì)裝料桶、落料桶部分、閥門(mén)控制部分的關(guān)鍵零部件，并進(jìn)行虛擬裝配，利用動(dòng)態(tài)仿真分析軟件ADAMS對(duì)定量灌裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算確定閥門(mén)開(kāi)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(jī)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(méi)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(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠安全，為豆制品生產(chǎn)行業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供必要的技術(shù)支撐.