徐廣謙, 智秀娟, 仝其根

(北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院,北京 102206)

在食品和中草藥加工過(guò)程中，常將物料粉碎或攪拌均勻.由于水和空氣的存在，物料會(huì)出現(xiàn)不希望發(fā)生的現(xiàn)象.一方面，攪拌或粉碎液態(tài)物料時(shí)，高剪切力會(huì)將空氣卷入物料中，從而產(chǎn)生很多的小氣泡，對(duì)生產(chǎn)工藝提出更高的要求[1].另一方面，在攪拌或粉碎物料時(shí)，其與空氣的接觸面積大大增加，對(duì)于易氧化的物料來(lái)說(shuō)，加劇了氧化程度[2].本文提出在粉碎或攪拌過(guò)程中將物料置于真空環(huán)境中，設(shè)計(jì)一款真空式攪拌-粉碎機(jī).

使用軟件Pro/E(Pro/Engineer wildfire 5.0)可以加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，降低成本.Pro/E直接采用三維設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)者能夠了解產(chǎn)品的每一個(gè)細(xì)節(jié)，并利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，使零件的設(shè)計(jì)、修改變得簡(jiǎn)單易行[3].同時(shí)，還可以完成產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì).

1 整體設(shè)計(jì)

真空式攪拌-粉碎機(jī)由底座、立柱、下物料桶、上物料蓋、啟蓋機(jī)構(gòu)、刀桿、刀具、真空泵、電機(jī)等組成，用AutoCAD軟件繪制該機(jī)結(jié)構(gòu)圖[4]，見(jiàn)圖1.

2 工作原理

使用時(shí)，向上抬起搖臂12，齒扇8隨之逆轉(zhuǎn)，和其嚙合的齒輪7順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪6和齒輪7同軸固連，齒輪6也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，齒條5向上移動(dòng)，帶動(dòng)固連其上的三角形支架3向上移動(dòng)，電機(jī)和上物料蓋也向上移動(dòng).當(dāng)?shù)毒吒哂谙挛锪贤吧媳砻鏁r(shí)，可向下物料桶中加入原料.為便于操作，在底座中設(shè)計(jì)了定位槽，可將下物料桶從底座定位槽里取出加料.

圖1 真空式攪拌-粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of vacuum mixer/pulverizer

將加完料的下物料桶復(fù)位，放下?lián)u臂，上物料桶蓋和下物料桶用螺栓連接密封.打開(kāi)真空泵，通過(guò)抽真空孔將物料桶里的空氣抽出.到預(yù)定真空度時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)9進(jìn)行攪拌-粉碎操作.攪拌-粉碎完成后，停止電機(jī)9，停止真空泵，打開(kāi)進(jìn)氣閥，讓空氣從進(jìn)氣孔15進(jìn)入物料桶，等內(nèi)外壓強(qiáng)一致時(shí)，方可打開(kāi)上、下物料桶之間的螺栓進(jìn)行開(kāi)蓋、卸料操作.

3 主要零部件的設(shè)計(jì)

3.1 底座

底座要有一定的重量，以防電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)震動(dòng)和偏移，采用鑄鐵件.底座上開(kāi)圓形凹槽，用來(lái)定位下物料桶.使用Pro/E為設(shè)計(jì)工具[5]，繪制底座的結(jié)構(gòu)圖，如圖2.

3.2 立柱與橫梁

立柱在上物料桶啟閉過(guò)程中要有導(dǎo)向作用，對(duì)導(dǎo)向面的光潔度要求高，并考慮要承載電機(jī)和上物料蓋的重量，采用合金鋼，如圖3.

圖2 底座結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of base

圖3 立柱和橫梁結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of vertical pole and crossbeam

3.3 下物料桶

下物料桶和上物料桶用來(lái)盛放物料，與物料直接接觸，采用食品級(jí)不銹鋼，在二者結(jié)合面上開(kāi)凹槽，放置密封圈.

初定本設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中使用，取下物料桶容積為V=5 L.為便于操作和造型美觀，將其輪廓設(shè)計(jì)為拋物線.考慮計(jì)算方便，用圓臺(tái)模型代替，如圖4.設(shè)上口內(nèi)徑為D，下底內(nèi)徑為d，取=0.8，取桶高h(yuǎn)=1.4D.

圖4 下物料桶結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of material barrel

D=177 mm，d=141.6 mm，h=247.8 mm，圓整后，取D=180 mm，d=150 mm，h=250 mm.

因密封時(shí)需要將其壓緊，要有一定的強(qiáng)度和剛度.故厚度取δ=2 mm.

3.4 啟蓋機(jī)構(gòu)

啟蓋機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)[6]，如圖5.

圖5 啟蓋機(jī)構(gòu)原理示意Fig.5 Principle scheme of cover opening mechanism

下物料桶h=250 mm，為使下物料桶能取出，并考慮刀具的影響，上蓋的行程s≥300 mm.考慮人手臂的運(yùn)動(dòng)范圍[7]，取搖臂手柄處的運(yùn)動(dòng)距離為400 mm，搖臂長(zhǎng)度l=450 mm，則搖臂的擺動(dòng)角度θ=

取齒數(shù)比則手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒條運(yùn)動(dòng)位移用計(jì)算，求得d≥I286.4 mm.取齒輪模數(shù)為m=1.5，齒數(shù)zI=200，則dI=mz=300 mm.考慮齒輪Ⅰ是固連在搖臂上并隨之運(yùn)動(dòng)的，搖臂只在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，所以將齒輪Ⅰ設(shè)計(jì)成齒扇，取齒扇角120°，則齒輪I的實(shí)際齒數(shù)為圓整后取zⅠ=68.

綜上可以確定其他齒輪的參數(shù)，見(jiàn)表1.

表1 齒輪參數(shù)Tab.1 Parameters of gears

3.5 刀具和刀桿

刀具和刀桿的連接必須可靠，并便于拆卸.通過(guò)更換不同的刀具，不僅可以加工不同的物料，而且可以實(shí)現(xiàn)攪拌和粉碎功能的轉(zhuǎn)換，使得本設(shè)備有良好的通用性[8].刀具和刀桿的連接方式如圖6.

圖6 刀桿的連接方式Fig.6 Connection mode of cutter arbor

4 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高):450 mm×500 mm×1 150 mm.單次最大裝料量:4 L.電動(dòng)機(jī):選用Y型全封閉鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)[9]，型號(hào)Y132S1-2，功率4 kW.真空泵:選用WLW系列無(wú)油立式真空泵[10]，型號(hào) WLW-50B，抽氣速率 180 m3/h，極限壓力2.0 kPa.

5 結(jié)論與展望

1)三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E可大大提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和速度，明顯提高企業(yè)的生產(chǎn)率和競(jìng)爭(zhēng)力.隨著計(jì)算機(jī)和先進(jìn)制造技術(shù)的高速發(fā)展，已經(jīng)可以直接實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)和加工制造，使得三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造的核心內(nèi)容.2)將攪拌或粉碎過(guò)程中易起泡或易氧化的物料置于一定真空度下，可有效改善物料的起泡和氧化現(xiàn)象.

本設(shè)計(jì)需要完善和改進(jìn)的地方有:1)增加搖臂的鎖定機(jī)構(gòu).設(shè)計(jì)棘輪機(jī)構(gòu)，使電機(jī)和上物料桶可停留在任何位置，以使裝卸料時(shí)操作者不必一直抬著搖臂，同時(shí)可避免操作者在啟蓋時(shí)萬(wàn)一沒(méi)抓住手柄造成刀具撞擊底座事故發(fā)生.2)控制電路[11].設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路，以達(dá)到先啟動(dòng)真空泵電機(jī)，到預(yù)定真空度時(shí)再啟動(dòng)粉碎機(jī)的電機(jī)的目的，以簡(jiǎn)化操作.3)電機(jī)與上物料桶之間的連接和密封結(jié)構(gòu)[12].因刀桿較長(zhǎng)，如對(duì)心不好則在旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生很大的擺動(dòng)，會(huì)造成整機(jī)的震動(dòng)和噪聲，所以電機(jī)主軸和刀桿的連接結(jié)構(gòu)需認(rèn)真設(shè)計(jì).刀桿和上物料桶的密封結(jié)構(gòu)位于物料桶的上面，因加工的物料是食品或藥品，為避免污染不能使用傳統(tǒng)的油(或脂)潤(rùn)滑和密封結(jié)構(gòu)，所以密封結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計(jì).

需進(jìn)一步研究的內(nèi)容:在主體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，做出樣品，小試，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率對(duì)攪拌-粉碎效果的影響;設(shè)計(jì)適用于不同場(chǎng)合的刀具結(jié)構(gòu);將本設(shè)計(jì)定型、產(chǎn)品化、系列化.

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