Design of Automatic Slag Separation Soybean Milk Machine

Abstract: Bean products have a lot of nutrients and are one of the modern healthy foods. From ancient times to the present, soy milk is a healthy drink. Boiled soy milk has many excellent proteins, many vitamin species, many amino acids and trace elements we need. Whether adults, the elderly and children, as long as drinking, to improve physical fitness, prevention and treatment of diseases, are of great benefit. However, some commercial soybean milk machines have some defects, such as the noise produced when grinding soybean milk, the slurry slag separation system is not perfect, and the cleaning of cutting tools and grinding pieces is not convenient. Therefore, it is very important to design a commercial soybean milk machine with good separation of pulp residue by analyzing the working principle of soybean milk machine.

In view of some technical problems existing in the processing technology of soybean products in China and the demand for multi-function soybean milk machine products, a design scheme of vertical soybean milk machine with self-separation of pulp residue is put forward. By using the rotating shaft driven directly by the motor, the fixed grinding wheel and the moving grinding wheel produce high relative motion, and the material is fully ground. By using the principle of centrifugal force under high speed rotation, the grinding pulp is separated from slag, and the protein components in soybean are obtained to the maximum extent. To make full use of the function of the product and improve the production efficiency of soybean products.

Keywords: Slag Separation, Automatic Separation, Centrifugal Sieve, Soybean Milk Machine, Wheel Mill

一、豆浆机设计概述

（一）选题背景

大豆豆浆制品是我国人民的传统食品, 也是现代科学公认的营养食品。用于豆制品加工主要工序中的制浆设备在我国具有悠久的历史。改革开放后，大豆豆浆机行业得以迅速发展。进入80年代以来，砂轮豆浆机以其体积小、效率高、节能、浆质好等显著优势。深受广大豆制品加工用户的欢迎，产销量增幅较大。在70年代我国豆浆机年产量在7万台左右，80年代年产量已达10几万台，90年代初，特别是粮食市场放开后的1992～1994年，市场需求量骤增，产品供不应求，年产销量由10几万台增至40万台左右。随着产品的热销，1994年后许多小型及个体企业纷纷上马生产豆浆机，生产企业从100多家增至300多家。据我国不完全统计，年总产销量已达50万台，年总产值4亿元以上。

社会需求量提高,从而带动了豆浆机产品的技术进步,企业生产规模开始向专业化,产业化发展, 特别是分离型砂轮豆浆机不但被国内豆制品加工厂、专业户广泛使用,也是混合型砂轮磨的更新换代产品。目前, 具有代表性的有河北沧州产的分离型DM - Z105、125 型浆渣自分离豆浆机年产销4 万台, 沈阳产FM - 120、175、200 型年产3 万台左右, 另外江苏丹徒地区豆浆机年产近10 万台,浙江机电股份有限公司、湖南桑植机械厂、安徽蒙城矿机厂等数十家企业产品也有较大的社会保有量和年产销量。湖北石首第四机械厂、石首畜牧机械厂多功能豆浆机近年社会产销量也较大,据不完全统计,全国豆浆机生产企业约有100 余家, 年产销量30～40 万台, 年总产值约3～4 亿元左右。豆浆机生产企业90 %以上为小型企业, 随着产品的发展, 近年逐渐形成上述几个行业骨干企业。豆浆机生产方式, 较大企业产品的关键部件以自己制造为主, 其它零部件靠专业厂外协, 最后总装。小企业(包括个体企业) 以各部件外购、外协为主, 最后总装。从管理水平上,很大一部分企业缺乏规范化管理的经验,没有可靠的质量保证体系,部分行业骨干企业开始运用质量保证体系规范化生产和经营, 并开始向集团化方向发展; 从生产条件看, 大部分企业加工设备比较陈旧,工艺工装手段比较简单,加工精度不高。从产品发展看, 豆浆机是80 年代在我国开始批量生产的新产品,通过几年的发展,技术水平的进步,产品的技术含量有一定的提高, 产品增加了新的品种和规格, 而且整机和关键部件不断出现新结构。从质量水平看,随着市场经济的发展, 产品的竞争, 企业的产品质量意识普遍提高。1993 年我中心对该产品进行了第一次产品质量国家监督抽查, 其抽样合格率为57.11 % ,1996 年第四季度我中心对江苏、辽宁、浙江、湖南、湖北、河南、河北、山东、安徽等我国目前豆浆机产销量较大的九个省份的32 家企业产品进行了第二次国家监督抽查, 其抽样合格率为75.10 % , 基本上代表了我国目前豆浆机行业的质量水平。

（二）豆浆机产品的特性及现状

石磨是我国传统的豆浆设备, 由轴和上下两个磨盘组成,磨盘直径在600～1200mm。以人推、马拉、电机传递动力运转作业为主。缺点是体积大、笨重、生产效率低、劳动强度大, 况且磨齿需经常修凿, 其费用较高。目前已基本被钢磨、砂轮磨所取代。

钢磨是一种豆浆兼有粮食和饲料粉碎等功能的机械。目前主要有立式和卧式两种结构形式, 由轴和铸钢动静片组成,可由电动机直联驱动或由电动机、燃油机传递动力作业。磨片直径在100～200mm。生产率一般在15～300kg/ h 左右,其特点是转速高、体积小、产量高、动静铸钢磨片的使用寿命长。其缺点是噪声高,豆糊在磨制过程中, 升温发热, 而容易引起蛋白变质,同时豆糊颗粒较大,出渣率较高,容易造成物料浪费。因此近年来在单一用作大豆豆浆方面已很少使用。但由于钢磨兼有豆浆和粉碎多种作业功能, 提高了用户的实用性。特别是近年来, 某些产品集豆浆、粉碎、磨米等多种作业功能于一体, 适应部分农村家庭作业的需要,深受广大农民的欢迎,提高了产品销售服务对象的广度和深度, 近二三年此类产品的产销量在部分省区有跳跃发展的趋势。其不足之处是, 该类机械相互兼顾多种作业功效, 容易降低各种作业功能的性能指标。

砂轮磨是目前国内较先进的豆浆设备, 有混合型和分离型（如图所示）两大类,是近年来发展最迅速,应用最广泛的大豆豆浆机械。混合式豆浆机分为立式和卧式两种,主要由轴和动静砂轮磨片组成, 可由电机直联驱动或电机、燃油机传递动力运转作业。磨片直径一般在100～400mm , 其砂轮材质主要由16 # ～45 # 碳化硅金刚砂粒或氧化铝白刚玉以及棕刚玉砂粒粘合、烧结而成。生产率一般为20～500kg/ h ,其特点是作业时大豆进入粗磨区,再进入精磨区,磨碎质量好,出渣率低,蛋白质损失少,而且具有优于石磨和钢磨的自锐性,因此砂轮片比较耐用,另具有体积小、效率高、节能、噪声小、应用广泛的特点,适于大豆制浆作业。分离型豆浆机械主要以立式结构为主, 是目前我国最为先进的豆浆设备,其结构主要由轴、动静砂轮磨片、离心分离筛组成, 磨片直径一般在100～200mm ,生产率一般在35～300kg/ h , 该类机械除具有混合型豆浆机的优点外, 又增加了分离功能, 制浆过程中, 浆渣自动分离, 大大减轻了用户的劳动强度。另外浆质好,经对比实验,按每千克大豆豆浆制作豆腐较传统磨和钢磨多出豆腐0.15kg 左右。目前分离式豆浆机已被豆制品加工厂、个体专业户、饭店、食堂广泛应用,也被大豆饮品、豆制品加工成套设备所采用。自1986年以来, 分离型豆浆机逐步受到国外用户的认可和重视, 已被德国、俄罗斯、加拿大、乌克兰、马来西亚、泰国、日本、香港等国家和地区用户选用。这说明作为传统豆制品加工工艺和现代技术进步相结合的砂轮式自分离豆浆机,已有扩大国外市场销售趋势。

二、原理与设计要求分析

（一）豆浆机的工作原理

原料通过加料斗进入两个相对高速转动的磨盘之间，使其在磨盘的机械力的作用下，部分受到磨纹的碾磨，大部分由于原料本身的相互挤压、摩擦而破碎。浆料最后经精磨区流出，由于精磨区间隙较小而被细化（磨碎）。在高速旋转中，离心力的作用下，浆体通过筛孔，经出浆口流出，而渣体不能通过筛孔，通过离心作用经出渣口流出。工作示意图如图二所示。

（二）研磨原理

粉碎是利用机械的方法克服固体物料内部的凝聚力而将其破碎的一种操作，它是食品加工中特别是在食品原料加工中的基本操作之一。

根据粉碎的粒度大小，可将粉碎分成以下几种级别：粗破碎——物料被破碎到200-100mm;中破碎——物料被破碎到70-20mm；细破碎——物料被破碎到10-200目（mesh）标准筛网；微粉碎——将物料90%以上粉碎刀能通过325目标准筛网；超微粉碎——将全部物料粉碎到微米级的粒度。

食品粉碎的方式有多种，一般可分为：

1、挤压     2、弯曲      3、折断     4、剪切    5、撞击    6、研磨

对应示意图如下：

研磨是指物料与粗糙工作面之间在一定压力下相对运动而摩擦，使物料受到破坏，表面剥落，这是一种既有挤压又有剪切的复杂过程。对于某一种物料而言，当两个工作表面之间的压力不小于某一个最小的极值，或者两个工作面之间的间隙不小于某一个最小的极值时，可以得到所需要的粉碎效果。根据设计要求，滤网的目数要求达到90目。所以属于细破碎的范畴。

（三）浆渣分离原理

离心力(Centrifugal force)是一种假想力，即惯性力。当物体作圆周运动时，向心加速度会在物体的坐标系产生如同力一般的效果，类似于有一股力作用在离心方向，因此称为离心力。具体的计算公式可表示为：

式中： ——离心力，N             m——质量，kg

——角速度，rad/s          R——旋转半径，m

我们知道接触力都是由于分子间作用力宏观的体现，若在做匀速直线运动的物体受到大小不变方向时刻改变的向心力，它是实际存在的力，力方向指向圆心，就会时刻扭转物体的运动方向，这时物体就不是做匀速运动了，而是曲线运动（圆周运动是特例），受向心力物体内的分子也并不保持相对彼此近似静止了，而是由于向心力起初作用物体内的那一小块分子群的后面拉着一连串的分子，而且这个向心力时刻改变，物体内这一连串分子的运动状态也要时刻改变,分子改变运动状态是靠分子间距离的改变从而改变分子间作用力。而晚改变状态的分子会因为早改变状态的分子的分子间相互作用力而跟着改变运动状态，而恰恰是这个分子间延迟效果，把物体内的拉伸力体现为了外在的离心力。

渣料有一定的质量，在高速旋转的腔体内做圆周运动，浆体可以通过离心分离筛的筛孔，而渣料则克服筛网的摩擦力，在受离心力作用下，沿着筛网上移而经出渣口流出。以达到浆渣分离的目的。

（四）间隙控制原理

螺旋传动是机械传动自锁机床

定、动磨盘之间的间隙控制，利用的是螺旋传动的原理实现的。

三、总结

良好的豆浆机在具体结构设计方面必须满足：

1、物料必须连续而均匀地供入豆浆机。一般可采用在高位供料或用强制的办法送进。

2、物料在磨碎过程中必须布满盘面空间，并连续运动。因此，要有良好的磨盘结构（磨纹形式）来实现这种运动。

3、磨盘必须耐磨，以延长使用周期，一般定片使用砂轮片，动片采用36号粒度碳化硅或氧化镁金刚砂砂轮。

4、磨盘上的气孔尽量少或无气孔最好，方便洗和防止细菌污染。

5、豆浆机操作时，必须使磨盘面间的磨料压力相对稳定和保证磨盘面间有一个恒定均匀的间隙。

6、在机械性能上，要求主轴和磨室壳体有足够的刚度，磨盘要有足够的动平衡，机座要紧固，在运转中能把磨盘生产的振动通过机座被基础吸收。由于在豆浆中会产生大量的热。所以必需要有冷却措施和注意热胀冷缩对材料的影响。

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