響鈴卷生產(chǎn)裝備設(shè)計與試驗

董楸煌，葉一均，葉大鵬

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002；2.福建省農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)重點實驗室，福州 350002；3.福建省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備高校工程研究中心，福州 350002）

0 引言

響鈴卷是一種大豆精深加工的豆制品，因營養(yǎng)豐富、豆香濃郁而深受廣大消費(fèi)者喜愛，市場需求量日益增加。然而響鈴卷的生產(chǎn)模式仍以手工為主，存在生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、衛(wèi)生條件差等問題，嚴(yán)重制約了響鈴卷加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中，農(nóng)產(chǎn)品深加工過程的自動化和智能化是必然趨勢［1-2］。進(jìn)行響鈴卷加工的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化生產(chǎn)裝備的研發(fā)設(shè)計與推廣應(yīng)用，將有助于提高響鈴卷產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和食品安全性，對于產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有重要的促進(jìn)作用。

為了保證響鈴卷產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定，對生產(chǎn)工藝流程和工藝參數(shù)進(jìn)行分析研究非常必要。在油炸過程中，豆腐皮質(zhì)構(gòu)和品味等會發(fā)生較大變化［3-5］。針對油炸食品加工工藝，鐘艷春等在不同油炸工藝下對相關(guān)制品進(jìn)行分析［6-8］，結(jié)果表明，油炸時間與油炸溫度等因素對油炸制品品質(zhì)的影響特別顯著。陳志偉等［9］設(shè)計一種豆腐皮炸卷機(jī)，并使用不同方案對炸卷進(jìn)行成功率的試驗，表明油溫控制的穩(wěn)定性和卷制成型方法對加工成品品質(zhì)有較大影響。

通過對響鈴卷手工生產(chǎn)模式工藝流程的分析，設(shè)計一套響鈴卷自動化炸卷設(shè)備，通過試制樣機(jī)，并進(jìn)行生產(chǎn)加工測試試驗，以確定較優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)，為響鈴卷標(biāo)準(zhǔn)化、自動化加工工藝參數(shù)的確定提供參考。

1 整機(jī)設(shè)計與工作原理

1.1 響鈴卷生產(chǎn)工藝流程分析

響鈴卷手工生產(chǎn)模式工藝流程主要分為上料、油炸、卷制和下料4個環(huán)節(jié)。在油炸過程中，豆腐皮水分快速蒸發(fā)并產(chǎn)生美拉德反應(yīng)，使得豆腐皮質(zhì)構(gòu)發(fā)生變化［10］。在卷制冷卻后，迅速變黃變硬，完成定型。當(dāng)油炸時間過短、油炸溫度過低時，豆腐皮色澤不佳，滋味生澀，形態(tài)松散不定型；當(dāng)油炸時間過長、油炸溫度過高時，成品色澤偏深，有焦糊氣味和苦澀滋味［11］；當(dāng)卷壓時間過長、卷壓力度過大時，豆腐皮破碎或者卷制松散。

1.2 整機(jī)設(shè)計與工作原理

響鈴卷自動化生產(chǎn)加工設(shè)備設(shè)計如圖1所示。

圖1 樣機(jī)設(shè)計方案Fig.1 Prototype design scheme

模仿人工生產(chǎn)工藝流程，主要由上料、炸卷、下料及循環(huán)回轉(zhuǎn)式傳動鏈條等功能模塊組成。在倒三角形傳動鏈條上均勻布置5個仿筷機(jī)構(gòu)。當(dāng)仿筷機(jī)構(gòu)運(yùn)動到上料工位時，傳動模塊短暫停止，上料模塊的機(jī)械手吸盤吸取油豆腐皮送入仿筷機(jī)構(gòu)。上料結(jié)束后，傳動模塊鏈條帶動仿筷機(jī)構(gòu)將油豆腐皮送入炸卷模塊中進(jìn)行油炸和卷制成型。成品響鈴卷由下料模塊中的抓手沿著仿筷的軸向推出，落到集料裝置中。仿筷機(jī)構(gòu)是在圓形軸一端焊接兩金屬條，兩金屬條之間有1段細(xì)長的軸向縫隙，用于放置油豆腐皮。軸上安裝1個小齒輪，當(dāng)與卷壓板上的齒條嚙合時，可以使仿筷機(jī)構(gòu)自轉(zhuǎn)，實現(xiàn)豆腐皮卷制成型，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿筷機(jī)構(gòu)Fig.2 Chopstick imitation mechanism

整個生產(chǎn)過程中，通過倒三角形的傳動鏈條逆時針循環(huán)轉(zhuǎn)動，將各個功能模塊聯(lián)系在一起，同時使各個功能模塊工作時間重疊，提高整機(jī)的工作速度。系統(tǒng)由多傳感器融合的PLC進(jìn)行自動化控制。

2 試驗方案設(shè)計

為驗證所設(shè)計的響鈴卷自動化生產(chǎn)加工設(shè)備的實際生產(chǎn)效果，試制樣機(jī)如圖3所示。試驗原材料：油豆腐皮（長270 mm，寬80 mm，厚1 mm）、花生油。

圖3 試制的樣機(jī)Fig.3 Trial produced prototype

設(shè)置油炸時間、油炸溫度、卷壓板間距為試驗因素，以成功率、矩形度為試驗指標(biāo)［12］，進(jìn)行試驗，試驗過程如圖4所示。將油豆腐皮隨機(jī)分為9組，每組15張，在生產(chǎn)加工完成后，取響鈴卷進(jìn)行矩形度測量，取平均值作為最終結(jié)果。試驗采用三因素三水平正交試驗方案，試驗因素和水平如表1所示。

表1 試驗因素水平表Tab.1 Table of test factor levels

圖4 試驗過程Fig.4 Test process

炸卷成功的響鈴卷顏色金黃、卷制成形；炸卷過焦、炸卷夾生、卷制不成形或無法下料等情況均為炸卷失敗。

炸卷成功率的計算式如下：

式中 Y1——成功率；

Ja——成功數(shù)；

Jb——生產(chǎn)加工總數(shù)。

矩形度表示響鈴卷縱截面積與其最小外接矩形面積之比，體現(xiàn)縱截面與矩形的相似程度，即：

式中 Y2——矩形度；

S0——縱截面積；

Smer——縱截面的最小外接矩形的面積。

采用機(jī)器視覺技術(shù)，對成功生產(chǎn)的響鈴卷俯視圖片進(jìn)行圖像處理，得到縱截面邊緣輪廓，并根據(jù)邊緣輪廓結(jié)果得出其矩形度。

3 試驗結(jié)果與分析

按照L9（34）對響鈴卷自動化生產(chǎn)加工設(shè)備進(jìn)行測試，正交試驗方案與結(jié)果如表2所示。成功率為57.78%～100.00%，矩形度為77.08%～88.74%。

表2 試驗方案與結(jié)果Tab.2 Test scheme and results

為確定油炸時間、油炸溫度和卷壓板間距的較優(yōu)組合，對上述試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3所示。影響成功率的主次因素順序依次為卷壓板間距、油炸時間、油炸溫度，較優(yōu)組合為A3B3C2；影響矩形度的主次因素順序依次為卷壓板間距、油炸溫度、油炸時間，較優(yōu)組合為A3B3C3。

表3 極差分析Tab.3 Analysis of rate range

為進(jìn)一步探究各因素的顯著性影響，對試驗結(jié)果進(jìn)行95%置信度下的方差分析，結(jié)果如表4所示。以成功率為試驗指標(biāo)，卷壓板間距的影響為極顯著，油炸時間與油炸溫度的影響為不顯著；以矩形度為試驗指標(biāo)，卷壓板間距的影響為顯著，油炸時間與油炸溫度的影響為不顯著。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

卷壓板間距對成功率影響為極顯著，對矩形度影響為顯著，因為卷壓板間距過小會使響鈴卷卷制過緊，導(dǎo)致下料失??；卷壓板間距過大會導(dǎo)致卷制不成形。2種情況均會導(dǎo)致成功率降低。

由于在極差與方差的分析結(jié)果中，以成功率、矩形度為試驗指標(biāo)的較優(yōu)組合不一致，因此對炸卷效果進(jìn)行綜合評價分析。成功率評價值T1和矩形度評價值T2計算式如下：

根據(jù)生產(chǎn)需要，首先保證產(chǎn)品炸卷成功，再對炸卷形狀進(jìn)行提升。根據(jù)相關(guān)油炸食品感官評價標(biāo)準(zhǔn)，形狀分?jǐn)?shù)占比約20%［13］，因此取成功率評價值的權(quán)重比為0.8，取矩形度評價值的權(quán)重比為0.2。則綜合評價值計算式：

炸卷效果的綜合評價值越高，說明炸卷效果越好，其分析結(jié)果如表5所示。對炸卷效果影響的主次因素依次為卷壓板間距、油炸時間、油炸溫度。較優(yōu)組合為A3B3C2，即油炸時間3.5 s、油炸溫度210 ℃、卷壓板間距35 mm。

表5 綜合評價分析表Tab.5 Comprehensive evaluation analysis table

4 結(jié)語

本文設(shè)計的響鈴卷自動化生產(chǎn)加工裝備，可實現(xiàn)自動上料、炸卷和下料的連續(xù)循環(huán)生產(chǎn)。為了保證響鈴卷品質(zhì)的穩(wěn)定性和可靠性，通過生產(chǎn)工藝過程的分析，確定油炸時間、油炸溫度和卷壓板間距為主要影響因素。為了量化分析上述因素對品質(zhì)的影響，以成功率和矩形度為試驗指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗和數(shù)據(jù)分析。試驗結(jié)果表明，設(shè)備的較理想運(yùn)行控制工藝參數(shù)為油炸時間3.5 s、油炸溫度210 ℃、卷壓板間距35 mm。

響鈴卷自動化生產(chǎn)裝備的結(jié)構(gòu)形式采用循環(huán)回轉(zhuǎn)的鏈傳動方式，可有效提高生產(chǎn)效率。如果與上游原材料（油豆腐皮）生產(chǎn)裝備和下游響鈴卷品質(zhì)檢測裝備集成，將有助于實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的一體化，助推產(chǎn)業(yè)鏈的升級。