袁夫彩 孙海亮

（河南工业大学机电工程学院，河南 郑州 450001）

腐竹属于一种传统大豆制品，不仅口感好和味道鲜美，而且营养丰富。据报道［1］，腐竹中含蛋白质约为55%，中性脂肪约为26%，生化磷脂约为2%，特别是其中的蛋白质能被人体近100%吸收。现有的腐竹生产设备处于断续和半连续化生产状态，生产效率较低，为此开展一种新型腐竹生产设备的研究已显得十分必要。

1 腐竹生产工艺及设备研究进展

腐竹生产常用的工艺流程图见图1［2］。腐竹生产企业普遍采用手工生产，这是因为手工生产方式具有能耗低、结膜快和出皮率高的优点。与机械化连续生产方式相比，在利润上具有一定的优势。但是随着人工成本不断上升，以及食品安全对规模化、自动化的要求，连续机械化和自动化生产方式代替手工生产，已成为腐竹产业发展的必然趋势。

目前国内外较常用的腐竹生产设备主要有两种：① 双传动带式腐竹自动成形机；② 结膜池式腐竹成形机。

图1 目前常用腐竹生产工艺图Figure 1 The Yuba production processes used graph

1.1 双传送带式腐竹自动成形机

双传动带式腐竹自动成形机的结构见图2。该设备的生产原理为：豆浆通过输送管输送到传送带2上，通过挡板防止豆浆倒流；转动辊12带动传送带2沿X方向运动，输送带2和两侧铰接可拉伸的软挡板3组成容器状结膜池，防止豆浆向两侧溢出；加热室中通入蒸汽对传送带直接加热，维持传送带上豆浆的温度在85℃左右；当输送带运动至右端时，豆浆刚好结膜成腐竹皮，传送带8以传送带2的速度沿Y方向运动，将传送带2上的腐竹皮揭起；输送带2右端安装高压水管14和清理刷13清除输送带2上的残留物质［3－7］。双传动带式腐竹自动成形机实现了机械化生产，但还存在着如下不足之处：

（1）传送带2和传送带8的材料采用钢板，而钢板在经过数次折弯之后，一方面会发生卷边现象，降低传送带与蒸汽加热室的密封效果，造成蒸汽大量泄漏，不仅浪费热量，而且还使生产车间环境恶化，影响工人的健康；另一方面，钢板在经过数次折弯之后会发生疲劳破坏，使豆浆泄露，影响生产。

图2 双传送带式腐竹自动成形机示意图Figure 2 Double belt type automatic Yuba machine diagram

（2）传送带若出现褶皱，其平面度将下降，豆浆深度不稳定，生产出的腐竹品质也不稳定；另外，传送带在运行时还会发生振动，影响豆浆的结膜速率。

（3）传送带上部豆浆液深度不足，腐竹出品率会受到影响，而且每次注浆只能结膜一次，回浆时热量和浆液均有损失，浪费能源和材料。

（4）无法直接自动检测传送带上的温度。往往凭工人经验，根据产品成色，间接控制温度。控制严重滞后，容易造成废品。

1.2 结膜池式腐竹成形机

结膜池式腐竹成形机结构见图3。该设备生产腐竹的工艺为：豆浆不断经由注浆管8输入到豆浆池3中，维持豆浆的深度和浓度恒定；泵10将豆浆池底部的碳水化合物抽到传送带上方，由花洒7淋洒在已经揭起的腐竹皮上，防止豆浆浪费；加热层2内部通入过热蒸汽，对豆浆池加热，维持豆浆温度相对恒定；腐竹皮在豆浆液面上运动时不断形成，并由输送带5以与腐竹皮结膜速率相同的速度运行，实现连续生产。该设备生产与双传送带式生产相比而言较为节能，产品质量相对稳定［8－10］。同样，该设备也存在着如下不足：

图3 结膜池式腐竹自动成形机示意图Figure 3 Conjunctival pool Yuba forming machine

（1）输送带在拉动腐竹皮运动时，会扰动豆浆液面，影响腐竹皮的结膜速率。

（2）揭皮时，腐竹皮要拖动数米长，结膜时间会相应增加，影响腐竹皮的产量。

（3）设备运行时不能靠搅动来均化豆浆液，只能依靠液体本身的扩散运动调节豆浆的浓度，调节速度较慢。

（4）手工生产中通常有搅浆，除了匀化豆浆浓度外，还可以搅起池子底部沉淀的碳水化合物。而该设备采用泵将沉淀的碳水化合物淋洒于已经成形的腐竹皮上部，一部分会形成双层皮，另一部分则成了留在腐竹皮上部的碳水化合物渣，在消费者食用前浸泡时又会流失。

2 新型腐竹生产设备的设计及研究

2.1 新型腐竹生产工艺装备布置及加工机理

针对上述目前两种常用的腐竹生产设备优缺点，汲取手工生产腐竹的结膜快和产率高的优点，提出了一种新型腐竹连续机械化生产工艺装备及其布置构型。

新型腐竹生产工艺装备布置见图4，该工艺的加工机理为：结膜池3固定在机架上，揭皮小车1一边沿着结膜池3的上部导轨按照计算机程序进行自主运动，一边将形成的腐竹膜揭起；揭起的腐竹膜先由传送带2传送至环形圆心（即结膜池的中心），再由传送带4输送至结膜池外部，接着进入烘干、回软和包装环节，从而实现腐竹的连续化和自动化生产。

图4 新型腐竹连续化生产工艺装备布置图Figure 4 Novel Yuba continuous production process layout

2.2 新型腐竹生产设备构成及三维建模

根据新的腐竹连续化生产工艺布置要求，运用“Pro/E”软件［11，12］，设计出新型腐竹生产设备三维模型（见图5）。该设备的运行机理为：环状结膜池3内部注入深50mm左右的豆浆进行结膜；结膜池3下面有完全封闭的蒸汽加热室对豆浆加热，维持豆浆具有相对恒定的温度；揭膜小车10上部安装有两台电动机，分别驱动切向传送带和法向传送带；小车在环形轨道2上运动，同时传送带以与小车相同的速度将腐竹皮揭起，并输送走；在切向传送带上方还安装有腐竹皮切刀7和条形整形器8，可以将腐竹皮切成需要的宽度，并整形为条形状；法向传送带上部安装有腐竹条切断刀，将成形后的腐竹条按照设定长度切断，再由法向传送带输送走；小车运行周期与腐竹皮结膜时间相同，即小车从某一位置运行一周，当再次运行到该位置时，腐竹皮刚好达到所需厚度，这样周而复始，从而实现腐竹的连续化和自动化生产。

图5 腐竹生产设备三维模型图Figure 5 Yuba production equipment three-dimensional model diagram

2.3 中间旋转器的设计

由图5可知，揭皮小车上需要输入能源给上部电动机提供动力，同时小车上所载的喷管也需要水的输入，因此小车上必然要配有水管线和电缆线与地面水箱和电缆连接；在小车循环运动时，水管和电缆线如果不加处理，必然会发生缠绕。为此，采用电刷和旋转密封水管结合在一起的旋转器来实现连续运转。设计的旋转器三维模型见图6，中间接管3与旋转连接密封4之间可以转动。由于小车沿轨道逆时针运动，则中间连接管3与上部电刷2通过左旋管螺纹连接。通水管1通过法兰与中间支撑架固定在一起，底部接管5与中间挂钩固定在一起，有效地解决了电缆和水管缠绕的问题。

图6 旋转器三维模型图Figure 6 Rotating three-dimensional model diagram

2.4 新型腐竹生产设备虚拟装配和分析

虚拟装配就是在一定的设计条件下，实现腐竹设备三维实体模型的总体设计；是按照一定的约束条件和连接方式，将腐竹设备中的各个零件组成一个设备整体，并且能够满足设计功能的虚拟仿真过程。采用“Pro/E”计算机软件，能够模拟实际环境中的装配情况，并进行仿真分析和判断，尽早发现设计缺陷和潜在的风险，提前进行改善和修正，从而减少后期制造和修改的费用，缩短腐竹设备设计和制造的时间［13－15］。

在进行计算机虚拟装配时，首先要对腐竹设备中的各个子零件作出技术处理，调出第一个装配子零件机架，调整好装配的位置，确定其坐标系；然后，分别按照装配工艺的顺序，按照自下而上的原则进行相关零件约束定义，并且一个一个的自下而上地进行装配；在零件装配时，关键的环节就是对零部件进行合适的约束，在“Pro/E”中建立装配关系是用贴合、平面和基准面对齐，坐标系各个轴相互对齐的约束命令，将所有的零部件按照技术要求装配组合在一起；腐竹设备的干涉检验，是设计时用到的一种检验方法，运用装配检验可以发现腐竹设备中零件设计的缺陷，把设计失误和缺陷消除在设计阶段和制造之前，从而减少不必要的损失。新型腐竹设备虚拟装配和检验的流程图见图7。计算机设计、虚拟装配和检验后的总体三维视图见图5。通过计算机虚拟装配和检验，表明设计的新型腐竹设备结构合理，无干涉现象。

图7 腐竹设备虚拟装配及检验流程图Figure 7 Assembly flowchart of yuba production equipment

3 结束语

分析了腐竹生产工艺及其设备的现状，提出了一种新型的腐竹连续自动化生产设备构型，建立了该设备及其关键部件的三维模型，为腐竹连续化、自动化和高效生产提供了一种新型的装置；该装置克服了过去腐竹手工生产和机械化生产效率低的缺点；运用计算机对新型的腐竹连续自动化生产设备进行了虚拟装配及仿真检验，与传统的设计制造相比，节省了实物验证的费用和时间，该设计方法对于同类设备的设计研究具有一定的参考价值。

由于时间、试验经费和试验场地等因素的限制，本研究未能及时地将设计的新型腐竹生产设备用于实际生产上。下一步需要将研制的连续自动化腐竹生产设备实用化、系列化和智能化。

借此机会，感谢参考文献中提到及未提到的同行学者对本研究的帮助，特别感谢河南省委组织部、河南工业大学和河南质源豆制品有限公司对本研究的支持和帮助。

1 周显宏，余以刚.豆皮加工与利用研究进展［J］.粮食与食品工业，2010，17（2）：9～12.

2 韩智，石谷孝佑，李再贵.不同豆浆浓度和浆液深度对腐竹生产的影响［J］.农业工程学报，2005，21（11）：179～181.

3 欧阳平一，刘炜松.腐竹工业化加工工艺优化研究［J］.食品与机械，2010，26（2）：123～126.

4 李诗龙，刘协舫，张永林.SFZCX125型腐竹自动成形机的研制［J］.粮油加工，2006（12）：72～74.

5 李诗龙，丁文平，张永林，等.腐竹的机械化生产关键技术研究［J］.农业工程学报，2009，23（10）：224～228.

6 晁贻存，刘延美.自动化悬浮式腐竹机：中国，CN2316821［P］.1999—05—05.

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8 罗绯，林亲录，陆玲，等.超声提取豆皮水溶性膳食纤维的工艺研究［J］.食品与机械，2008，24（6）：44～45.

9 乔元劭.豆腐皮机械化生产线的设计［D］.杭州：浙江大学，2008.

10 侯传亮，李诗龙.SFZCX125型腐竹结膜成形机研制［J］.农业机械，2011（1）：149～152.

11 刘梦飞，郑甲红，高警.采摘机－核桃树系统的仿真与试验［J］.食品与机械，2014，30（1）：107～110.

12 朱文华，马登哲，张健希.虚拟装配技术应用的研究［J］.机械设计与研究，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.

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