豆腐皮炸卷機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

陳志偉， 董楸煌，2*， 葉一均， 葉大鵬，2

( 1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 福建 福州 350002；2.現(xiàn)代農(nóng)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(lèi)優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)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(chēng)“豆皮”)， 含有許多人體必需的維生素和氨基酸， 易吸收， 營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(dāng)今社會(huì)大多數(shù)人食品與健康需求。

中國(guó)食品機(jī)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(shù)被國(guó)外壟斷等問(wèn)題[3]。 食品安全事關(guān)人們的身體健康和生命安全， 雖然中國(guó)食品安全形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)中向好， 但仍然有待進(jìn)一步提高[4-6]。 目前， 油炸豆腐皮多采用手工進(jìn)行油炸， 存在生產(chǎn)效率低、 勞動(dòng)強(qiáng)度大、 食品衛(wèi)生難以保證、 生產(chǎn)環(huán)境惡劣等問(wèn)題，與中國(guó)制造綠色創(chuàng)新的理念不符[7]， 因而油炸豆腐皮產(chǎn)業(yè)必然往機(jī)械化和自動(dòng)化方向發(fā)展。 近年來(lái)， 針對(duì)豆腐皮炸卷機(jī)已有一些研究。 劉長(zhǎng)安等設(shè)計(jì)了豆皮卷加工設(shè)備對(duì)豆皮進(jìn)行制卷、 油炸和脫模， 代替手工油炸豆皮[8]， 其主要缺點(diǎn)有:需要人工進(jìn)行懸掛豆皮； 未及時(shí)對(duì)剛炸完的豆皮進(jìn)行制卷， 致使油炸豆皮在傳輸過(guò)程中硬化， 加大制卷難度， 影響口感。 鄭會(huì)法等設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)油炸卷皮一體機(jī)， 通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手完成制卷過(guò)程[9]， 但機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 使得機(jī)器的加工成本大大提高。

本文基于人工生產(chǎn)油炸豆腐皮卷的方式， 設(shè)計(jì)了一款豆腐皮炸卷機(jī)。 通過(guò)制作樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)， 該機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)上料、 下料和炸制成卷自動(dòng)化作業(yè)， 在滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)需求的同時(shí)， 改善了生產(chǎn)衛(wèi)生環(huán)境， 降低勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)成本， 讓廣大人民群眾能享受到價(jià)格低廉、 品質(zhì)高的油炸豆腐皮卷。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

豆腐皮自動(dòng)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(shè)計(jì)的豆腐皮炸卷機(jī)主要由上下料結(jié)構(gòu)、 回轉(zhuǎn)式輸送結(jié)構(gòu)、 自動(dòng)化炸卷結(jié)構(gòu)和機(jī)架等組成。 其中， 上下料的機(jī)械手包括驅(qū)動(dòng)氣缸、 末端吸盤(pán)等； 回轉(zhuǎn)式輸送結(jié)構(gòu)包括鏈條、 鏈輪、 可調(diào)軸承座和電機(jī)組件等；自動(dòng)化炸卷結(jié)構(gòu)包括油鍋、 自卷齒條和壓卷板等。 豆腐皮炸卷機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 豆腐皮炸卷機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

通過(guò)上料機(jī)械手末端的吸盤(pán)吸附豆腐皮， 并將豆腐皮移動(dòng)放入仿筷模具中， 完成豆腐皮上料。 通過(guò)鏈條移動(dòng)帶動(dòng)仿筷模具運(yùn)動(dòng)， 將豆腐皮移動(dòng)至自動(dòng)化炸卷結(jié)構(gòu)， 在自動(dòng)化炸卷結(jié)構(gòu)中完成豆腐皮的炸制成卷。 豆腐皮炸制成卷后， 通過(guò)鏈條的輸送， 移動(dòng)到下料工位， 通過(guò)下料機(jī)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(dòng)至上料工位， 實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 回轉(zhuǎn)式輸送結(jié)構(gòu)

豆腐皮輸送及炸制成卷運(yùn)動(dòng)輸送采用倒正三角形雙排鏈回轉(zhuǎn)式循環(huán)輸送結(jié)構(gòu)(如圖3 所示)，該結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)， 動(dòng)力輸入軸位于左下方位置， 通過(guò)單級(jí)減速鏈條傳動(dòng)輸入， 提升電機(jī)與下方油鍋的距離， 盡量避免因油溫傳導(dǎo)而造成電機(jī)過(guò)熱。 在雙排輸送鏈條上均勻布置9 個(gè)仿筷模具(如圖4 所示)， 每?jī)蓚€(gè)仿筷模具之間間隔14 個(gè)鏈節(jié)， 雙排鏈型號(hào)為12A， 則倒正三角形的每個(gè)邊足以布置3 個(gè)仿筷模具。 將上下料位置設(shè)置在圖3 所示位置， 此時(shí)仿筷模具距離鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圓弧點(diǎn)約33 mm， 可使上下料工位上仿筷模具停留時(shí)保持水平姿勢(shì)， 以便于上下料機(jī)械手操作。 根據(jù)調(diào)研， 豆腐皮炸卷的時(shí)間為1.5 ～2.0 s， 為了保證豆腐皮炸卷質(zhì)量， 確定炸卷的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍為2.0 s。

圖3 回轉(zhuǎn)式輸送結(jié)構(gòu)

圖4 仿筷模具結(jié)構(gòu)

2.2 自動(dòng)化油炸結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化油炸結(jié)構(gòu)部件如圖5 所示[11]。 根據(jù)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(guò)程油溫的穩(wěn)定。 當(dāng)雙排鏈條輸送結(jié)構(gòu)間歇停留在上、 下料工位時(shí)， 此時(shí)位于底部的兩個(gè)仿筷模具對(duì)稱(chēng)分布在下方鏈輪的兩側(cè)， 如圖6 所示。 根據(jù)圖示幾何關(guān)系可得:

圖5 自動(dòng)化油炸結(jié)構(gòu)

圖6 仿筷模具位置幾何關(guān)系圖

式(1)、 式(2)中，S1為仿筷模具進(jìn)入油鍋之后的運(yùn)動(dòng)軌跡行程，S2為仿筷模具一個(gè)工作節(jié)拍周期的運(yùn)動(dòng)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(shí)， 豆腐皮在油液液面下因油炸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)燒焦， 設(shè)定式(1)和式(2)兩者的值滿(mǎn)足如下關(guān)系:

結(jié)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(jié)構(gòu)

豆腐皮在油炸后為了方便運(yùn)輸、 儲(chǔ)存以及提升整體美觀度， 需要對(duì)豆腐皮進(jìn)行制卷壓邊處理。 為了實(shí)現(xiàn)油炸過(guò)后豆腐皮的快速制卷成型，采用制卷、 壓邊一體化設(shè)計(jì)， 主要由自卷齒條與可調(diào)節(jié)壓卷板組成， 配合仿筷模具實(shí)現(xiàn)制卷壓邊功能， 具體結(jié)構(gòu)如圖4 和圖7 所示。 當(dāng)豆腐皮經(jīng)過(guò)油炸之后， 由雙排輸送鏈條繼續(xù)輸送移動(dòng)， 仿筷模具后端的小齒輪與固定的齒條嚙合， 形成逆時(shí)針自轉(zhuǎn)； 同時(shí)， 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(shí)現(xiàn)豆腐皮的自動(dòng)化制卷成型加工。 齒條和壓卷板均采用可調(diào)節(jié)角度的設(shè)計(jì)， 通過(guò)改變傾斜角度可改變壓力的大小。

圖7 制卷壓邊結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)分析

基于所設(shè)計(jì)的方案， 加工制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。 樣機(jī)的運(yùn)行通過(guò)西門(mén)子PLC S7-200 進(jìn)行控制， 油溫通過(guò)溫度控制模塊進(jìn)行單獨(dú)控制。 通過(guò)對(duì)豆腐皮卷食品加工企業(yè)的調(diào)研， 參考人工油炸豆腐皮卷的工藝參數(shù)及初步試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果， 確定了試驗(yàn)材料的規(guī)格和樣機(jī)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定值。 其中， 原材料豆腐皮的規(guī)格為: 長(zhǎng)320 mm， 寬100 mm， 單張質(zhì)量5 g； 樣機(jī)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定為: 油溫180℃， 電機(jī)轉(zhuǎn)速67.17 r/min， 以保證每片豆腐皮的油炸與制卷壓邊時(shí)間為2.0 s。

由于豆腐皮炸卷過(guò)程是熱加工， 因此油炸溫度的穩(wěn)定性和制卷成型結(jié)構(gòu)等必然會(huì)對(duì)樣機(jī)加工的豆腐皮卷成品的品質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。 為了進(jìn)一步優(yōu)化油鍋的結(jié)構(gòu)和壓卷成型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案， 試驗(yàn)過(guò)程中采用3 種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析: 一層壓卷板、 油鍋無(wú)隔熱保溫層(方案一)，二層壓卷板、 油鍋無(wú)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(jī)如圖8 所示。

圖8 豆腐皮炸卷樣機(jī)

采用上述三種結(jié)構(gòu)方案各進(jìn)行炸卷3 次試驗(yàn)， 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(shù)據(jù)如圖9所示。 根據(jù)試驗(yàn)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(jìn)一步對(duì)豆腐皮卷成品的規(guī)格進(jìn)行量化分析， 隨機(jī)在方案三試驗(yàn)的成品中(如圖10 所示)取31 卷成功樣品進(jìn)行長(zhǎng)度和直徑的尺寸測(cè)量統(tǒng)計(jì)。 測(cè)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(cè)得31 卷樣品長(zhǎng)度范圍落在95.9±8.6 mm 之間， 平均值為98.0 mm。 進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布分析。 長(zhǎng)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(yàn)正態(tài)曲線轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)[12]， 查得95.45%概率油炸豆腐皮長(zhǎng)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(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的豆腐皮炸卷機(jī)， 通過(guò)上下料機(jī)械手、 回轉(zhuǎn)式輸送結(jié)構(gòu)、 自動(dòng)化油炸結(jié)構(gòu)、 制卷成型結(jié)構(gòu)和油溫控制的配合， 能實(shí)現(xiàn)豆腐皮油炸、 制卷成型加工的完全自動(dòng)化作業(yè)。 在油炸、制卷成型加工過(guò)程中， 采用倒正三角形雙排鏈回轉(zhuǎn)式循環(huán)輸送結(jié)構(gòu)保證加工過(guò)程的運(yùn)輸穩(wěn)定； 仿筷模具上齒輪齒條結(jié)構(gòu)和壓卷板的配合， 實(shí)現(xiàn)豆腐皮的自動(dòng)制卷成型。 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 在采用油鍋隔熱保溫結(jié)構(gòu)和兩層壓卷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)基礎(chǔ)上， 利用該設(shè)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(chǎn)品相近， 工作效率高， 不僅改善了生產(chǎn)衛(wèi)生環(huán)境， 還降低勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)成本。 樣機(jī)的成功研制， 對(duì)豆腐皮自動(dòng)化炸卷設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)有參考意義， 并有助于提高豆制品加工的產(chǎn)品附加值。