（机械制造及其自动化专业论文）自动研磨豆浆机的研制.pdf

摘要 豆浆是中华民族的传统食品，用石磨制豆浆更是流传千年的制作方法。随着科学 技术的发展，伴随着各种制浆机械的出现，也产生了更多的制浆方法，除了能够加工 大豆之外，还能实现多种杂粮的加工，给人们的生活带来了方便。但在实际应用的过 程中也产生了各种各样的问题，而且通过选用石磨磨豆浆和豆浆机制浆两组实验对比 发现，石磨豆浆的营养性要高于机打豆浆，并且石磨豆浆不会破坏大豆蛋白结构。论 文分析了传统石磨的结构特点，针对在使用中出现的下料不畅以及大豆不能完全粉碎 导致的生产率低的问题，研制了一种高效、方便的自动石磨豆浆机，其结构主要包括 磨盘、电机传动、支架、外壳以及其他的附属结构。石磨分为三个部分，形成的两个 “磨腔”处均开有相互咬合的磨纹，工作时在第一个锥形“磨腔”处将大豆初步粉碎后进 入到第二个“磨腔”处进行精磨。石磨运转的动力由电机提供，根据电机位置的不同， 提出了下置式、旁置式和上置式的方案。分析了各种方案的特点以及可行性，采用的 电机上置式的结构除相对简单并能实现磨盘间隙的调节外，还具备拆装方便的优点。 选用太行山地区的花岗岩作为制作磨盘的原料，并为磨盘确定合理的磨纹，并通过多 次试验为石磨确定合理的转速，以此作为选择电机的依据。 应用p r o e 对模型建模，检验自动石磨豆浆机中可能存在的干涉。并且对传动轴 通过施加载荷与约束进行有限元分析，对其所受应力和安全性等方面进行了分析，验 证了其性能满足设计的要求，证实了方案的可行性和合理性。 关键词：豆浆；石磨；自动：间隙调节；三维建模；有限元分析： t h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g o ft h ea u t o m a t i cs o y m i l km i l l a u t h o r ：q ip e n g f e i m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：w a n gz e h e a b s t r a c t s o y b e a nm i l ki sat r a d i t i o n a lc h i n e s ef o o d ，a n dt h eu s eo f m i l l i nm a k i n gm i l kw a s a l s oam e t h o df o rt h o u s a n d so fy e a r s w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dv a r i o u sp u l p i n gm a c h i n e r ya p p e a r , a n dd e v e l o pm o r ea n dm o r em e t h o d so f p u l p i nt h e f a s tp a c eo fm o d e ms o c i a ll i f e ，c o m m e r c i a l l ya v a i l a b l eh o u s e h o l ds o y b e a nm i l km a c h i n e s h o wt h es i t u a t i o ne v e r y w h e r e ，i na d d i t i o nt op o s s e s st h es o y b c a n ，b u ta l s oav a r i e t yo f g r a i n s ，w h i c hb r i n gc o n v e n i e n c et op e o p l e sl i v e s b u ti nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h e p r o c e s s i n ga l s op r o d u c e dav a r i e t yo fp r o b l e m s ，a n dt h r o u g ht h et w o s e t so fe x p e r i m e n t s b e t w e e nt h em i l la n dt h em a c h i n e ，w h i c hp o s s e s s e dt h em i l ki n d e p e n d e n t l y w i t ht h er e s u l t s h o w e dt h a tt h em i l km a d eb yt h em i l lw a sb e t t e rt h a nt h eo n em a d eb ym a c h i n ei n n u t r i t i o n a n dt h em i l l e dm i l kd i dn o tu n d e r m i n et h es t r u c t u r eo ft h ep r o t e i n n ep a p e rf i r s t a n a l y z e dt h es c i e n t i f i cn a t u r ei nt h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lm i l l s ，f o rt h ep h e n o m e n o no f t h eb e a n sc a nn o tb ec o m p l e t e l yb r o k e n ，d e v e l o p e da ne f f i c i e n t ，c o n v e n i e n ta u t o m a t i c s o y m i l km i l l t h es t r u c t u r eo f t h em a c h i n em a i n l yc o n t a i n sag r i n d i n gd i s c ，t h em o t o r , t h e s u p p o r t ，t h es h e l la n dt h eo t h e ra u x i l i a r ys t r u c t u r e s t h em i l lw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ， t h ef o r m a t i o no ft h et w o “g r i n d i n gc h a m b e r e n g r a v e dw i t ht h ei n t e r - o c c l u s a lp a t t e r n s t h e m i l lw a sd r i v e nb vm em o t o r , i nt h ep a p e rr a i s e dt h eu n d e r n e a t ht y p e ，t h es i d et y p ea n dt h e p o r t a b l ep r o g r a m sa c c o r d i n gt o t h em o t o r sd i f f e r e n tp o s i t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n df e a s i b i l i t yo fe v e r yp r o g r a m ，t h em o t o rp l a c e do nt h et o pw a sa d o p t e d b e c a u s eo fi tw a sn o to n l ys i m p l e ，b u ta l s oc a nm e e tt h en e e do fa d j u s t i n gm eg 印b e t w e e n t h em i l l s ，a n dh a dt h ea d v a n t a g eo fe a s yd i s a s s e m b l y i nt h ep a p e rs e l e c t e dt h eg r a n i t eo f t h et a i h a n gm o u n t a i n sa st h ep r o d u c t i o nt h er a wm a t e r i a lo ft h ed i s ct h r o u g ht h er e s e a r c h d e t e r m i n ear e a s o n a b l eg r i n d i n gg r a i nf o r t h ed i s c ，t h r o u g hn u m e r o u st e s t st od e t e r m i n ea r e a s o n a b l es p e e df o rt h em i l la sab a s i sf o rs e l e c t i o no f 也em o t o r u s e3 ds o f t w a r e ，t h ep r 0 eo nm o d e l i n g , t e s tw h e t h e rt h e r ew a si n t e r f e r e n c e f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n dt h ek e yc o m p o n e n t so ft h ea p p l i e dl o a da n dc o n s t r a i n t ，a n a l y s i st h e s t r e s s ，d e f o r m a t i o n ，a n ds e c u r i t ya s p e c t s ，v e r i f i e d i t s p e r f o r m a n c et om e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n dc o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t y , t h u se n s u r e dt h er e l i a b i l i t yo f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：s o y b e a nm i l k ；s t o n em i l l ；a u t o m a t i c ；a d j u s tt h eg a p ；3 dm o d e l i n g ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 自动石磨豆浆机的研制 1 1 研究背景 1 绪论 豆浆是中华民族的传统食品。根据史料记载，中华民族制作食用豆浆的历史可以 追溯到西汉时期，淮南王刘安用泡好的大豆磨豆浆给其生病的老母饮用，刘母的病很 快就治愈了，由此豆浆作为一种饮品饮用流传开来 1 1 。 直至今天豆浆依然是我国各地非常受欢迎的饮品，并且作为一种产业存在于我国 人民的经济生活中，餐饮业中的永和豆浆，祖名豆浆等都是非常好的品牌。豆浆以其 丰富的植物性蛋白质极大程度的满足了我国人民对蛋白质的需求，此外除含有维生素 b 1 、b 2 ，还含有铁、钙等元素，尤其是水溶性的钙元素，非常适合缺钙的老年人和 正在成长的青少年的吸收。另外大豆蛋白质非常适合消化吸收，并且不含有乳糖，因 此不会产生“乳糖不耐症”的过敏问题；不含胆固醇和淀粉，适用于忠心脑血管疾病的 患者和糖尿病以及肥胖症患者饮用【2 1 。虽然我国现在大力发展各种动物性乳制品，但 是2 0 0 8 年发生的三聚氰胺事件造成的阴影还是使广大消费者心有余悸。其次，我国 公布的动物性乳制品各项营养成分的指标远远低于国际标准。以牛奶为例，卫生部 2 0 1 0 年公布的标准甚至还远远低于1 9 8 6 年公布的标准【3 j 。上述两种情况的存在不由 得使消费者对动物性乳制品的营养性尤其是安全性产生质疑。由于豆浆的上述种种优 点使其可以很好的成为动物性蛋白的替代品，并且我国人口众多是我国当前最重要的 国情，因此大力推广大豆乳制品具有非常重要的现实意义。 美国著名杂志展望经济明确指出到2 1 世纪中叶植物性蛋白质将在人们的生 活中占据主导地位，因此发展大豆制浆产业也成为影响我国的国计民生的大事。“工 欲善其事，必先利其器”。古代先人用精炼的文字说明了工具的好坏决定了工作能否 顺利进展，其智慧体现在豆浆行业中就是首先必须要有合理的豆浆制备设备。目前， 我国的豆制品的制造工艺仍处于世界领先地位，但一方面我国长期以来把大豆作为一 种油料作物使用，无疑是对大豆的蛋白质资源的浪费；另一方面我国的豆制品在产量、 制各技术以及生产品种上都远远落后于美国和日本。特别是美国，现在不只是稳居世 界第一大豆生产大国之位，并且大豆年产量占据到世界总产量的5 0 以上，各种加工 设备和成型的生产线已使生产过程实现了工业化、自动化的生产方式。相比之下我国 由于工业化起步比较晚，在生产方法上与发达国家还有一定的差距，在一些不发达地 区甚至还保留着原始的作坊式的手工生产豆浆的方式。 综上所述，大力推广大豆制浆机械，不断开发新产品，不但是我国广大人民生活 的需要，也关系着我国经济的长远发展。因此，开发一种适合中国国情的大豆制浆机 械就有很好的研究价值和现实意义。 1 2 大豆制浆机械发展现状 由于磨出的豆浆经过进一步的3 n - r _ 可以做成豆腐、豆皮、腐竹等产品，制浆过程 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 在整个生产线中就显得非常的关键，所制出的豆浆品质的优劣直接决定着下游产品质 量的好坏。在发达的工业化国家，制浆机械经过多年的发展已经朝着自动化、智能化 的方向发展。另外，制浆机械大体上分为工业用、商用以及家用豆浆机三大类。研究 国内外大豆制浆机械的技术应用和发展现状以及前景，有很多的地方值得我们借鉴。 1 2 1 国外发展现状 世界上生产、食用各种大豆及其制品的人群主要集中在亚洲，而在生产这一环节， 日本得益于其发达的工业基础，豆浆制备技术居于世界顶级水平。并且由于历史上日 本与我国在文化上频繁的交流，始创于我国的熟法制浆工艺现在也仅为日本所掌握， 应用这种方法不只在生产中减少了滤浆的次数，更使生产出的豆浆有独特的风味。在 工业生产豆浆领域，日本大豆制浆由大豆浸泡、磨浆、煮浆、过滤四个环节组成，在 浸泡时有自动浸泡槽，磨浆环节有大豆定量输送系统和全不锈钢磨浆系统，煮浆环节 有超级蒸汽煮浆机，滤浆采用螺旋式分离过滤机，每个环节都已经实现了机械化，并 且工作时各个环节紧密衔接，生产豆浆的效率和品质都非常高【4 1 。生产过程用到的主 要机械如图1 ，图2 所示。 f i g lt h es y s t e mo fs o y b e a rc o n v e y i n g 图2 全不锈钢磨浆机 f i 醇a 1 1s t a i n l e s ss t e e lm a c h i n e 在家用豆浆机领域，由韩国生产的惠人原汁机小巧轻便，造型美观，功能强大， 产品有多个系列，多种型号。不同于传统榨汁机采用旋刀切削粉碎，其核心工作部件 是一个变螺距的螺旋推进器，在工作的时候依靠螺旋推进器和挤压棒的相互作用，是 一种慢速挤压而非研磨的方式，低速榨汁，出浆量大，榨出的果汁、豆浆纯度高，不 会氧化，不易分层，很少有泡沫，能最大限度的保留所加工物的营养，工作中噪声极 低，清洁简便。 1 2 2 国内发展现状 用石磨磨豆浆是我国的原创，沿用至今已有2 0 0 0 多年的历史，发展到今天，出 现了多种多样的加工工具，按照其应用范围的不同大体上分为民用、商用、工业用三 个系列。 2 自动石磨豆浆机的研制 工业用豆浆机：在邓小平同志提出了著名的“科学技术是第一生产力”的著名论断 之后，随着科技的不断发展，尤其是进入8 0 年代以来，工业用豆浆机，主要是能一 次大量生产豆浆的设备有了长足的发展，例如钢磨，砂轮磨，从最初的渣浆混合式到 后来的渣浆分离式。砂轮磨浆机以其体积小、效率高，节能，浆质好等显著优势，深 受豆制品加工用户的普遍欢迎，社会需求量提高，从而带动了磨浆机产品的技术进步， 企业生产规模开始向专业化，产业化方向发展。目前，具有代表性的是由河北沧州产 的分离型d m z 1 0 5 、1 2 5 型分渣机，沈阳产f m 1 2 0 、1 7 5 型磨浆机。磨盘直径一般 在10 0 2 0 0 m m ，生产率一般在3 5 3 0 0 k 加5 1 。 商用豆浆机是最新推出的专业制浆设备，具有安全可靠、高效节能、高档次等特 点，应用专业的“涡流磨粉碎”技术。商用豆浆机的出现整合了传统磨豆浆、打沫、煮 浆、过滤等过程。尤其是商用豆浆的设计是全自动智能煮浆，大大提高了工作效率和 制作标准优质的现磨豆浆。商用豆浆机适用于大型酒店，餐饮连锁，宾馆等场所制作 特色豆浆产品。 在家用制浆机领域，有小家电形式的豆浆机及石磨两种形式。进入2 1 世纪以来， 豆浆机生产企业呈现出遍地开花的局面。九阳豆浆机以其先行者的优势占据了国内豆 浆机市场大部分的销售份额，并且参与制定了多项豆浆机国家标准，还将豆浆机的工 作对象扩大到五谷杂粮以及水果蔬菜的范围内。美的、格兰仕等家电企业也在国内市 场中占有一席之地，另外还有飞利浦，苏泊尔等企业，也想在中国巨大的市场中分得 一杯羹。上述公司的产品类型上大都具备轻便、实用、美观等优点。 2 0 世纪7 0 年代，山西省平陆县部官公社( 后改为部官乡) 机械厂利用当地 的花岗岩资源，巧妙地将古老技术和现代化元素结合起来，创造出了用电动机 驱动的石磨【6 】。石磨部分分为固定和转动两部分，成卧式结构，固定部分是在一 块长方形石头的一个长侧面上开出一个与转动部分相吻合的二分之一圆柱槽， 转动部分制成圆柱体，中间凿孔穿入传动轴，半圆石槽和转动圆柱相互接触区 表面刻有类似古老石磨的花纹，加上相应的遮挡传动部分形成了古新结合的产 物，曾风行一时。由电机带动的石磨解放了人力，并且用石磨加工出的产品特有一 种香气和很好的口感，这是由金属加工出的产品所不具备的。现在山东章丘、邹平等 很多地方将这种电动石磨的加工方式作为一种产业，开发出面粉石磨、豆浆石磨、香 油石磨等多种形式的石磨，应用到现代生活的多个领域。 1 3 课题的提出 石磨豆浆有其自身的优点，通过对比实验可以发现石磨豆浆要比豆浆机打出的豆 浆在营养元素方面，如钙铁锌的含量要高，而且豆浆品质要好。实验原料选用市售东 北大豆，饮用纯净水，实验器材包括传统石磨、市售某品牌豆浆机。实验时石磨豆浆 作为实验组，机打豆浆作为对照组，两组同时进行，对照组除了实验用的制浆机械为 豆浆机之外，其他条件与石磨豆浆一致。实验时称取一定量的大豆，加入1 5 0 0 m l 饮 用纯净水浸泡大豆3 小时( 本实验作于夏季，室温2 5 ) ，使大豆完全溶胀，用两层 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 纱布进行过滤，过滤后收集得到水9 3 5 m l ，因为水中可能溶有大豆自身的某些元素， 过滤水留待磨制豆浆用。分别称取溶胀的大豆3 0 0 克，另外将过滤所得的水用量杯分 成两份用于磨浆。通过两种不同的磨浆方式制得豆浆之后，使用热过滤的方法，即将 豆浆煮过之后再进行过滤，在加热的过程中大豆蛋白会变性。这部分蛋白就不会随着 过滤时水分的流失而流失，能最大程度的保证豆浆中的蛋白质含量。p u p p o 等认为， 这部分水分以物理方式和蛋白质凝胶体相结合，不能以压榨的方式除去【刀。将豆浆与 豆渣分离之后，做好标记，分别烘干之后，使用物理方法分别检测两种制浆方式下所 得豆浆、豆渣所含的钙、铁、锌、磷以及脂肪的含量。矿质元素的测定用原子吸收光 谱法，脂肪含量的测定选用索氏抽提法【8 】。采用低沸点的有机溶剂( 如乙醚或石油醚) 回流抽提，以样品和残渣质量之差，计算粗脂肪含量。所得实验结果如表1 所示。 表1 两种不同制作方法下营养元素的含量 t a l 1t h ec o n t e n to f e l e m e n t si nt w od i f f c r o n tm e t h o d s 竺兰翌三篮!：篮! 三盟：盛笠! 机打豆渣8 1 32 9 8 56 6 54 9 51 2 92 0 3 9 机羽豆浆7 4 7 1 4 0 8 54 9 51 1 01 3 9 4 机打兰均含 2 5 5 0 57 1 5 74 9 51 2 31 8 6 2 冒 石磨豆渣7 5 23 7 16 81 91 1 92 0 2 9 石磨豆浆8 1 33 2 37 8 s9 6 51 2 41 6 4 4 石磨兰均含 3 4 6 0 6 7 3 4 5 5 9 2 6 1 2 11 8 2 7 另外，再取原豆( 未经浸泡的大豆) 3 0 9 ，粉碎之后同样用上述的检验方法检验 其中所含各种营养元素的含量，得到表2 数据。 表2 大豆原豆各营养元素的含量 t a b lt h ec o n t e n to f e l e m e n t so f t h eb e a n 至兰益篮!：笠蘧!三= 【篮!：盟竺鳖竺 机打豆渣8 1 32 9 8 ，56 6 54 9 5i 2 01 6 3 9 通过分析实验结果可以看到，比较两种制浆方法的磷、脂肪含量的平均值发现石 磨和机打豆浆没有差异。但是石磨制浆在各种矿物质的含量均高于机打制浆，特别是 钙的溶出基本接近的大豆原豆中的含量，而该部分钙为水溶性钙，是可以被人体吸收 并利用的，这对于解决我国目前6 0 以上人群缺钙问题是一条非常有效的途径。同时 不管是机打豆浆还是石磨豆浆的磷、脂肪含量都高于同等质量下的原豆( 未经过浸泡 的大豆) ，在经过打浆处理后被包裹的脂肪释放出来，从而更有利于人体的利用和吸 收。另外，锌的溶出也较为显著，对于我国以谷物类为主的膳食结构来讲增加锌的摄 入量是非常有必要的。这是由于石磨在制浆过程采用低温、低速研磨，使所磨豆浆在 较长时间与石磨相接触，从而使石磨中所含的矿物质溶出，由此猜想石磨制浆过程中 4 自动石磨豆浆机的研制 可以通过控制石磨的材料，可以定向的磨制富含某种微量元素的豆浆制品，这将是可 以进一步可以探讨的问题。 两种不同制浆方式所得豆浆在装于纯净水瓶放置一段时间之后出现了显著的差 别，机打豆浆出现了明显的分层而石磨豆浆显得非常的均匀，左为石磨豆浆，右为机 打豆浆，如图3 所示。 图3 放置一段时间之后的两种豆浆 f i 9 3t h e t w ok i n d so fs o y b e a nm i l kp l a c e df o raw h i l e 下图4 和图5 分别为石磨豆浆和机打豆浆在放大4 0 0 倍时的颗粒形态图像。 图4 石磨豆浆显微图片4 0 0 x图5 机打豆浆显微图片4 0 0 x f i n g u r e4t h em i c r o g r a p ho f t h em i l l e ds o y b e a nm i l kf i n g u r e 5 t h e m i c r o g r a p ho f t h em a c h i n e r ys o y - b e a nm i l k 通过两种豆浆显微图像的对比不难发现，石磨豆浆细密粘稠，而机打豆浆则显得 不均匀，在放置l0 分钟之后，机打豆浆就会出现分层，而石磨豆浆分层则需要很长 一段时间。大豆的蛋白是一种复杂的缠绕链式结构，电动机械的瞬时高速切割破坏了 大豆的蛋白结构，特别是大豆的膳食纤维，使机打豆浆很容易被氧化，在夏天的时候 不采取冷冻措施的情况下很快就会变质发臭，而石磨转动缓慢，靠挤压、研磨来粉碎 大豆，能让外界的空气与磨出的豆浆颗粒很好的接触，从而可以最大限度的保留大豆 的原有风味和营养成份，并且不会破坏大豆蛋白的结构，使大豆蛋白质自然释放，这 样就能最大限度的保证大豆的营养性和好的口感。 正是由于石磨豆浆相对机打豆浆在品质上无可比拟的优势，也得益于我国长期以 来在机械制造领域取得的成就，基于上述各种豆浆机成功的经验以及在实践过程中出 现的各种各样的问题，并且为了把人从转动石磨的反复而沉重的磨浆工作中解脱，本 课题致力于研制一种适合家庭、早餐店或超市使用的自动石磨豆浆机。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 本课题来源于河北省科技厅计划项目，项目编号1 1 2 3 1 0 0 5 d 2 。本课题的研究目 标是研制一种自动的石磨豆浆机，一人即可操作，靠电机提供动力，具备轻便、美观、 操作简单、易维护、研磨效果好、下料过程中不发生堵塞、安全卫生、便于清洁并能 实现对多种杂粮的加工等种种优点，整机重量在1 5 虹左右，生产时能实现l 小时加 工大豆5 k g 。根据工业生产中的经验，l k g 大豆能磨出大约1 9 k g 的豆浆【9 1 优质的豆 浆在不添加其他添加剂的情况下应该有白色的色泽，有豆浆固有的香气，无酸败味， 豆腥味等其他异味，口感顺滑，无肉眼可见的外来杂质。 1 4 1 具体研究内容如下： 1 石材的选择。选用某一地区的石材用以生产石磨，有效利用当地的资源； 2 磨纹的设计确定。对比各类的磨纹，从力学角度为石磨设计合理的磨纹以保证 一定的加工效率； 3 磨盘的设计。通过设计磨盘实现最好的加工效果： 4 电机的配置以及转速的调节。不同转速情况下加工出的豆浆的品质不同，石磨 在工作的过程中需要一个稳定、合理的转速； 5 实现石磨间间隙的调节。五谷杂粮的颗粒度有其不同的大小，调节不同的间隙 能够适应不同粒度的杂粮的加工，并且可以按照要求通过调整间隙获得所需条件的豆 浆。 6 整机的结构。通过仿真分析验证其结构的合理性，并把各个部分有机的结合成 一个整体，简化设计的过程。 6 自动石磨豆浆机的研制 一 1 4 2 技术路线图 1 5 小结 查找关于石磨的资料 对原有资科和技术进行总结 确定设计方案 进行零部件设计、建立石磨豆浆机动力学模 型、进行力学分析 零件加工、样机错造 磨浆实验 无 有 图6 技术路线图 f i 9 6t e c h n o l o g yr o a c l m a p 对相应部件进 行改进 通过对国内外工业和民用的各种制浆机械的现状研究以及其在工业生产和居民 生活中的应用情况，认为生产一种自动的石磨用来磨制豆浆适用于现在的家庭生活 中，具有一定的实用价值和现实意义。因此提出了本课题，并明确了具体的研究内容。 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 2 传统石磨的工作原理 本课题为设计一种自动的石磨豆浆机，主要参考借鉴石磨的加工方法。石磨作为 一种历经数千年的粮食加工工具，至今在人们的生产生活中发挥着重要的作用。在此 需要从结构上对石磨的加工原理进行研究，作为课题研究的依据。 2 1 粮食加工方法 最初工具的出现都是为了解决实际生活中的现实问题的。加工粮食就要用到加工 粮食的工具，粮食加工是指通过处理将原粮转化成半成品粮、成品粮，或者将半成品 粮转化成成品粮的过程，可以分为干法、湿法两种。干法所制成品粮食如白米、面粉、 玉米粉、玉米糁等，湿法所制成品多为浆类、油类，制作方法多种多样，制作工具也 各有特点。手工加工方法主要用到以下几种工具，下面进行简单介绍。 石磨与石棒：在距今7 0 0 0 年前，谷子已经在我国的黄河流域有了广泛的种植， 当人们不满于只吃粒状食品的现状与当时低下的生产力的矛盾激化到一定程度的时 候，工具的出现也就是生产力的发展解决了这一问题。早期出现的加工工具为磨盘与 磨棒，如图7 所示。 一 图7 磨盘与磨棒 f i 9 7t h ed i s ca n dr o d 其工作原理很简单，就是将粒状粮食置于石片之上，用石棒反复多次碾压之后就 得到颗粒稍小的粮食粉末，在一定程度上改善了人们的膳食状况，保证了人们对营养 的需求。最初只适用于粮食加工，如谷物脱壳、粉碎等。后来也应用到粉碎各种矿石 上，我国出土的西周晚期的石盘上，残留有红色的粉末，经检验为铁矿石粉，联想到 当时已经有铁质农具，这就说明我国古代的劳动人民已经将石盘与石棒应用到生活， 生产的等领域中。当然，随着生产力发展，这种费时费力的生产工具不可避免被淘汰 的结局。 石杵和石臼：中国在公元前8 4 1 年周易中记载了杵和臼的加工工具，实际上 杵和臼的应用可以追溯到新石器时代的晚期，距今已有5 0 0 0 多年的历史【l o 】。杵臼， 从字面上分析，即为杵和臼的组合体。加工时需要将待加工的粮食放入石臼中，用一 根硬木制成的杵在石臼内捣击，将粮食变成可食用的粉、浆、小颗粒等状态。而后， 人们根据杠杆学原理设计出的新型的舂米工具踏碓，即为杵安装一个长柄，从更 合理的角度对这一工具进行改进，并且在此基础上古代的劳动人民又根据日常生产的 需要，设计出水碓、联机碓等工具。在应用这种加工方法的时候，每次只能进行一次 圄 自动石磨豆浆机的研制 投料操作，一次捣的量有限。而且加工出来的粉有粗有细，非常不均匀，这是由于在 捣的过程中不能对被加工的粮食进行翻动，导致在上下层的粮食加工程度不同所致。 石磨：石磨大概出现在我国的春秋战国时期，当时出现了一种叫做“础”的工具， 流传有“公输班作磴”的说法【1 1 1 ，桤，也就是磨的雏形，到汉代才改称为磨。我国出土 的秦朝栎阳石磨是现今保存最好的石磨。石磨是在一个相对闭合的空间内对粮食作物 进行加工，改变了以往石盘、石碾等开放式加工的模式。使用石磨可以非常方便的完 成对小麦、高梁和谷物等粮食的去壳、去皮以及粉碎等操作。并且经过多年的演变， 按其加工对象的要求不同，石磨出现了不同的形式，按其用途不同主要有干磨、水磨， 拐磨等几种。其中干磨的用途最广，水磨多用于磨豆浆等流食，拐磨一般应用于磨制 香油。磨的出现丰富了食品的多样性，并且进一步解放了生产力，主要体现在两方面： 首先，磨在工作中改变了力的方向，由从前石棒或石杵的往复运动变为朝一个方向的 旋转，综合运用身体的力量；其次，磨巧妙地运用了石磨盘自身的重量，并且利用其 上开凿的磨纹的剪切对粮食进行加工。磨的出现调和了当时的工具不能满足人们生产 生活需要的矛盾，解决了石棒、石杵费时费力并且不善其事的问题。从此，石磨作为 粮食加工的主要工具在我国流传开来，并经考证，在石磨基础上发展出石碾这样一种 新型的粮食加工工具，石磨在人们的生产生活中扮演着非常重要的角色，人们对石磨 也有着非常深厚的感情，流传下来的关于石磨的谚语，俗语非常多，由此可见一斑。 2 2 石磨磨浆过程的实现 手工操作石磨与石磨的重量、形式上的不一有不同的方式。从驱动石磨的动力上 分，可以分为人力石磨，畜力石磨以及水力石磨三种。小一点的石磨只要用手就能完 成，大块的石磨就需要一个或多个人推着磨上的推杆才能操作，有的甚至要用到驴或 马这样的大牲畜。如图8 中左图所示的小磨只需用手转动手柄就能带动磨盘运转进行 工作，右图所示的石磨就需要一组共同作用的力偶，即由两个人各执磨棍的一端，向 着相同的方向转动。这两种石磨在操作上有着相似之处，都是通过施力部位的整圈操 作带动石磨运转，只是操作时所用到的力的大小不同。 图8 石磨的形式 f i 9 8 t h ef o r mo f t h em i l l 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 此外，从省力、省距离的角度考虑，还出现了图9 所示的操作石磨的变形形式。 图9 曲柄型石磨 f i 9 9t h em i l lo f c r a n kt y p e 这种形式的磨在工作的时候，工作的方式类似于一个曲柄摇杆机构，以人的手臂 为原动件，代替四杆机构中的摇杆，最后实现石磨的整圈运动，把以往手臂的整转运 动变为了类似摇杆的往复运动，缩短了手臂的工作行程。同时可以利用其中的杠杆作 用，在操作的过程中即使用很小的力也能驱动庞大的石磨，这样就使石磨的应用有了 广泛性，适宜石磨的推广，这种形式的石磨的以及其操作方法现在我国很多地区都有 保留并沿用至今。 2 3 传统石磨工作原理的介绍 一台能够顺利工作进行加工粮食的石磨，必定在结构的设计上有其合理之处。首 先是选材，制作石磨的石材要有一定的硬度，硬度太低，磨出的颗粒较大，并且石磨 磨损严重，容易将磨纹磨平，硬度太高，磨出的颗粒不均匀。并且石材本身的吸水率 要小，这使石材即使在吸收一定的水分之后也不会很大程度地影响其硬度。传统的石 磨从外观上看是由上下两个磨盘构成，磨盘是两个经雕凿的圆石做成的扁圆柱形，下 磨盘厚度略大于上石磨盘，在上下磨盘相互配合的表面上开凿有磨纹，其制作是一项 专业性很强的复杂技术，其合理、自然、科学的设计特征，并需要手工调制，它的角 度、尺寸、间隙是一切现代化工具不可替代的。在两扇圆盘相对的表面分区之后再在 每个区域开凿出七、八条斜纹，叫做磨纹，每个区域的磨纹数目要保证相同，并且上 下两盘的磨纹的长短与排列方向相反，这样在装配起来的时候，上下两盘在工作的时 候j 下好相互吻合【l 盈。磨纹宽度约为1 - 2 c m ，即相邻两个沟槽最低点间的距离。上磨 盘还开有填料口，根据对加工物要求的不同形式上也有不同。豆浆石磨只有一个填料 口，如果是面粉石磨，开有两个孔，一个稍大，一个稍小一些，大孔用来下第一遍料， 小孔是下回锅料的地方。 上磨盘的顶部是中心低，四周稍高的凹形，稍高的外沿能防止被加工物滑出磨盘。 石磨在工作的过程中要满足严格的同轴度，这是石磨是否好用的关键，上下两磨盘在 工作的时候得围绕着一个中心做旋转运动，即使稍有偏差，虽然能用但不顺手，此旋 转中心称为“磨芯”。上下磨盘均为圆柱形，所以要保证“磨芯”在两磨盘的中心转轴处。 “磨芯”多为硬木制成，如枣木、柞木等，外面装一个钢套筒避免其过度磨损，下磨盘 固定在一个架座上，这时转动上磨盘就能使其相对下磨盘转动。在工作的过程中，上 l o 自动石磨豆浆机的研制 磨盘作旋转运动，其磨纹与下磨盘的磨纹互相咬合并互相交错，而形成微小的升降运 动，于是上下磨盘之间便频繁出现了短时间的空隙，这样加工的粮食通过上磨盘的填 料口不断进入磨盘之间的间隙中，这个间隙称为磨膛。磨纹的沟槽朝着远离石磨的中 心位置由深变浅，有利于磨过的细料向外流散。磨纹在咬合的时候，对所加工物进行 碾压；在交错的时候，磨的施力形式是剪切。在填料口的下部，沿石磨旋转的方向上 有深到浅的段延长的空间，按照行业内的说法，称为“里轴与外轴”，远离磨芯并与 磨腔相接的称为外轴，外轴平面稍微高于里轴平面，一般根据工匠个人的感觉而定， 大约2 3 m m ，而且石磨的下磨盘靠近中心转轴的位置稍微低于圆周的其他地方，这 样从填料口进入到磨膛处的粮食可以在此处先储存一下，随着石磨的旋转，后面的大 豆“挤”着前面的大豆一点点进入到石磨的工作区域，能够保证在加工的过程中不断 料，另一方面也阻挡了由填料口出来的粮食回笼，防止堵塞填料口【4 1 1 。石磨工作过程 中的旋向，也与石磨上所开凿磨纹的方向有直接关系，通常磨纹开凿的方向都是沿着 逆时针方向排列，这也符合人们用力的习惯。在操作石磨的过程中要根据磨纹的旋向 操作，这类似于钻床中的钻头，正转的时候才能切削，否则只能费力费时而达不到目 的。 石磨靠其低速运转，缓慢研磨将被加工物破碎成小的颗粒或粉末，转速不宜过高， 过快会加剧石磨磨纹的磨损，也会为加工的成品引入新的杂质。石磨在工作的过程中， 其受力情况是不断变化的。一开始送入的料基本上都是整粒的粮食，近似于椭圆球体， 此时石磨在加工的过程中的阻力来自于滚动体的滚动摩擦，摩擦力小，转动石磨只需 要很小的力。随着加工的进行，当磨膛中最后只剩下细碎颗粒时，此时石磨推动起来 最为沉重。这也告诉我们在石磨工作的过程中的阻力其实是变化的，在设计自动石磨 豆浆机时提供的动力只需要克服其最大的阻力即可。 2 4 小结 石磨作为一种成熟的工具，可以实现干法、湿法的加工过程。本部分阐述了传统 石磨结构上的特点和磨浆的原理，石磨其他部位如磨芯、填料口的合理设计能够保证 加工过程能够顺利的进行。分析了石磨在磨浆过程中受力情况的变化，这些为以后的 自动石磨豆浆机的设计工作提供了很好的现实依据和参考。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 3 自动石磨豆浆机设计方案 在现在的家庭生活中，庞大的石磨盘占用很大的空间，操作起来需要耗费很大的 力气，也占用花费很多的时间，大型的石磨盘逐渐失去了应用的场合，因为现在应用 的加工粮食的方式都比石磨加工来的快捷。但是随着人们生活水平的提高，出于对健 康生活、绿色生活的追求，在各种传媒关于养生的铺天盖地的广告轰炸下，象征的绿 色、健康、生态的石磨又有了用武之地。改进型的石磨又走进了人们的生活，即通过 改变石磨的尺寸，把大石磨变成小石磨，节省了空间，也便于人们的使用。但是，通 过实验发现，小石磨盘由于尺寸小，填料口的尺寸也相应的变小，以至于在工作的过 程中会出现下料不畅的情况，这样就造成断料，也就是上下石磨盘在非工作状态下的 “干磨”，损坏石磨的磨纹，也会为加工出的豆浆引入杂质，影响豆浆的品质；也出现 了不能磨碎的豆瓣，这样一方面影响豆浆的产量，另一方面也是对原料的浪费。 由此，在设计的过程中本着实用可靠，安装拆卸简单，操作方便，安全卫生的设 计原则。本设计中，保留了传统石磨的加工工艺原理一大豆无损伤加工技术，并且以 电机传递动力，带动石磨的动磨盘转动从而进行加工，克服了传统石磨受人力和畜力 制约的影响，并且能够提高生产的效率，并能保证大豆本身的营养性。 传统石磨工作的过程中是靠上下相互咬合的磨盘之间的磨纹的摩擦来实施拖拉 碾压作用从而粉碎物料的，而在现在的实际生活中，磨盘随着直径、厚度的减小，其 相应的压力也减小，而其压力正是工作中的动力的来源，也就是说石磨的磨盘在工作 时的相对摩擦力减小了。在用石磨做实验时发现，有时会出现大豆不能完全被磨碎的 情况，以致在实验的过程中要对其进行第二次的加工，费时费力，经济性差。并且由 于石磨上磨盘直径的减小，为了保证其有效的加工面积，开于上磨盘的填料口，为一 圆形孔，直径也相应的减小，这就导致在加工大豆的过程中出现“堵料”的情况。严重 时还造成石磨上下磨盘之间的干磨，损害石磨的磨纹，也影响所加工出豆浆的品质。 为了解决这样的问题，也为了在工艺上有所创新，在此提出了一种三层石磨。其剖视 图如图1 0 所示。 ； 1 2 i l 图1 0 三层石磨的结构 f i g l 0t h es t r u c t u r eo f t h em i l l s 唐盘2 j i l 槽 j 跬3 自动石磨豆浆机的研制 石磨分为三片，由上到下依次叠放而成，最上面的磨盘为锥形，中间石磨去除材 料之后与上磨盘相互配合，两片石磨之间的锥面为磨制豆浆时的加工面。锥形石磨的 锥面与中间石磨的锥面上分别开有互为逆向的磨纹，中间磨盘的下表面与下磨盘的上 表面之间也开有磨纹，相当于有两个加工面，现在改称加工面为“磨膛”。第一个“磨 膛”处的间隙稍大，在此处实现将大豆颗粒破碎成小的颗粒，进入到第二个加工面处 之后，此间隙稍小从而实现进一步的精磨。从第一个加工面上经过加工的颗粒经过中 间磨盘开凿的出料口进入到第二个“磨膛”处进行第二次细致的研磨。经过两次加工之 后的豆浆，其颗粒细度能保证通过1 0 0 目筛，这样既能使蛋白质完全释放，又能避免 磨得太细豆粕( 豆渣、豆皮等) 会混入浆中，影响豆浆的口感【l 引。 在工作的时候，第一个加工面为锥形面，上磨盘的倾角开始时小于中磨盘，在其 中间的位置时与中磨盘的倾角保持一致，使两磨盘在此后保持平行，这样保证在调整 两者间隙的时候不至于变化太快，同时使磨纹间能很好的配合。而且磨膛的间距从上 到下不断变化，先逐渐减小，最后保持一致直到第一次加工完成，这也符合大豆在磨 膛之间加工时颗粒大小的变化，这个过程是为了让大豆能够破碎成小颗粒。而且石磨 磨盘做成锥形也大大增加了石磨的有效加工面积，并且直接减小了石磨的尺寸，同时 减轻了石磨的重量。在装配的时候使锥形磨片上表面稍低于中间磨盘，使得堆放的大 豆能在自身重力的作用下进入到两个磨盘配合的缝隙中，这样还解决了传统石磨在填 料口开得非常小的情况下在填料的过程中堵料的问题。 石磨在工作的过程中，上磨盘与中磨盘之间要保证一定的间隙，并能实现调节， 石磨做成三层，需要有对应的支撑来维持磨盘之间的间隙，从而顺利进行加工，并且 五谷杂粮颗粒大小不同，这就要求在工作的过程中石磨还能实现磨隙大小的调节，举 例来说就是加工绿豆，就要间隙稍小一些，加工大豆则要适当调大间隙。要实现这样 的加工过程，有如下几种方案可以参考。 3 1 电机下置 3 1 1 结构说明 1 底座，2 一支架，3 顶丝，4 轴承，5 承重板，6 - 连接板，7 轴 8 上磨盘，9 中磨盘，1 0 螺栓，1 1 防水轴承。1 2 下磨盘 图l l 方案l 结构示意图 f i g l lt h es t r u c t u r eo f s c h e m e l 1 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 此方案各部分的名称以及位置关系如图1 1 所示，此种方案的工作原理为：以石 磨的中磨盘为原动盘，上磨盘与下磨盘相对静止，两个加工面分别为上磨盘与中磨盘 处的圆锥面以及中磨盘与下磨盘之间的平面。石磨的下磨盘置于底座上，中心位置处 开有孔，电动机固定在底座如上图所示的位置，电动机的传动轴穿过孔处安放的防水 轴承，将动力传到石磨的中磨盘处。石磨的中磨盘在电机的带动下相对上磨盘以及下 磨盘转动，实现整个加工的过程，并且加工地点选择在靠近水龙头的地方，调节好水 流的速度，确保加工中不断水。上磨盘的上表面做成圆弧形，使整个上表面有一个斜 度，这样堆放在上表面处大豆也能凭借自身的重力作用滑入到第一个加工面的位置， 此处的加工主要是使整粒的大豆破碎成小的颗粒。上磨盘的底部开有一个储料槽，渣 浆混合物先到达此位置，然后在其重力的作用下顺着下方的中磨盘上开设的孔进入到 第二个加工面，再进行更加细致的研磨。同样在中磨盘的底部顺着石磨旋转的方向， 也就是加工的方向上也开有由深