袁夫彩 孫海亮

（河南工業(yè)大學機電工程學院，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，而且營養(yǎng)豐富。據(jù)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。現(xiàn)有的腐竹生產設備處于斷續(xù)和半連續(xù)化生產狀態(tài)，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(yè)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(yōu)點。與機械化連續(xù)生產方式相比，在利潤上具有一定的優(yōu)勢。但是隨著人工成本不斷上升，以及食品安全對規(guī)模化、自動化的要求，連續(xù)機械化和自動化生產方式代替手工生產，已成為腐竹產業(yè)發(fā)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?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?jié){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?jié){的溫度在85℃左右；當輸送帶運動至右端時，豆?jié){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(xiàn)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(shù)次折彎之后，一方面會發(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，不僅浪費熱量，而且還使生產車間環(huán)境惡化，影響工人的健康；另一方面，鋼板在經過數(shù)次折彎之后會發(fā)生疲勞破壞，使豆?jié){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(xiàn)褶皺，其平面度將下降，豆?jié){深度不穩(wěn)定，生產出的腐竹品質也不穩(wěn)定；另外，傳送帶在運行時還會發(fā)生振動，影響豆?jié){的結膜速率。

（3）傳送帶上部豆?jié){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(jù)產品成色，間接控制溫度?？刂茋乐販螅菀自斐蓮U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?jié){不斷經由注漿管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淋灑在已經揭起的腐竹皮上，防止豆?jié){浪費；加熱層2內部通入過熱蒸汽，對豆?jié){池加熱，維持豆?jié){溫度相對恒定；腐竹皮在豆?jié){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(xiàn)連續(xù)生產。該設備生產與雙傳送帶式生產相比而言較為節(jié)能，產品質量相對穩(wěn)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?jié){液面，影響腐竹皮的結膜速率。

（2）揭皮時，腐竹皮要拖動數(shù)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?jié){液，只能依靠液體本身的擴散運動調節(jié)豆?jié){的濃度，調節(jié)速度較慢。

（4）手工生產中通常有攪漿，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(yōu)缺點，汲取手工生產腐竹的結膜快和產率高的優(yōu)點，提出了一種新型腐竹連續(xù)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(huán)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(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)腐竹的連續(xù)化和自動化生產。

圖4 新型腐竹連續(xù)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(jù)新的腐竹連續(xù)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(huán)狀結膜池3內部注入深50mm左右的豆?jié){進行結膜；結膜池3下面有完全封閉的蒸汽加熱室對豆?jié){加熱，維持豆?jié){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(huán)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(xiàn)腐竹的連續(xù)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(huán)運動時，水管和電纜線如果不加處理，必然會發(fā)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(xiàn)連續(xù)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(xiàn)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(huán)境中的裝配情況，并進行仿真分析和判斷，盡早發(fā)現(xiàn)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(huán)節(jié)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)狀，提出了一種新型的腐竹連續(xù)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(xù)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(xù)自動化生產設備進行了虛擬裝配及仿真檢驗，與傳統(tǒng)的設計制造相比，節(jié)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(xù)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(yè)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(yè)，2010，17（2）：9～12.

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

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

4 李詩龍，劉協(xié)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(yè)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(yè)機械，2011（1）：149～152.

11 劉夢飛，鄭甲紅，高警.采摘機－核桃樹系統(tǒng)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(yè)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.