張 健 郭先炳

（杭州九陽(yáng)小家電有限公司 杭州 310018）

背景

破壁機(jī)通過電機(jī)帶動(dòng)攪拌刀片高速旋轉(zhuǎn)，刀片的刃口與食材之間形成高能量碰撞，從而打破食材的細(xì)泡壁，讓食材的營(yíng)養(yǎng)得到充分的釋放[1]。隨著消費(fèi)者對(duì)于營(yíng)養(yǎng)健康的日益重視，破壁機(jī)得到了眾多消費(fèi)者的青睞，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭廚房，成為了人們廚房家電不可或缺的一部分。衡量破壁機(jī)的兩大比較重要的指標(biāo)為：破碎性能和噪音[2,3]。轉(zhuǎn)速下降會(huì)導(dǎo)致破壁機(jī)的粉碎率差，轉(zhuǎn)速高會(huì)伴隨著刺耳的噪音[4]。破壁機(jī)的噪音主要由三個(gè)部分組成：①電機(jī)扇熱風(fēng)葉噪音；②軸承摩擦噪音；③粉碎腔體內(nèi)刀片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的打食材的噪音。本文提出了一種在刀片尖端增加類似于鯊魚鰭的方案降低刀片尖端產(chǎn)生的噪音，該方案可以大幅度降低破壁機(jī)粉碎腔體內(nèi)產(chǎn)生的噪音[5]。選取了我司常用的2款刀片，通過理論計(jì)算、仿真分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式對(duì)鯊魚鰭的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終方案在不降低破壁機(jī)粉碎的情況下，降低整機(jī)噪音3～4 dB。

1 理論分析

選用我司破壁機(jī)常用的兩款刀片進(jìn)行分析，分別為的背面呈弧狀的四葉刀和背面呈直線狀的六葉刀進(jìn)行分析。如圖1所示，攪拌刀片為回轉(zhuǎn)體，每葉刀片的形狀相同，由于刀片尖端的線速度最大，所以刀片尖端對(duì)于破壁機(jī)的噪音，破碎率影響最大。刀片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在刀尖上會(huì)產(chǎn)生渦流，稱之為“刀尖渦”。刀尖渦是刀片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生噪音的主要有原因。刀片尖端產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度越大，粉碎腔體產(chǎn)生的噪音越大。

圖1 刀片結(jié)構(gòu)

如圖2所示，本方案在刀片尖端增加了鯊魚鰭刀尖，鯊魚鰭刀尖的主要參數(shù)包括鯊魚鰭刀尖的長(zhǎng)度、刀尖倒角、刃口圓弧倒角。

圖2 刀尖結(jié)構(gòu)

如圖3（a）所示，對(duì)刀片和加鯊魚鰭刀尖刀片進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。取刀片刀刃一點(diǎn)M進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。設(shè)刀片上點(diǎn)M與回轉(zhuǎn)中心距離為r，刀片轉(zhuǎn)速為n，刀片上點(diǎn)M的線速度為：

圖3 原刀片運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在理想狀態(tài)下，假設(shè)刀片不轉(zhuǎn)，水流相對(duì)于刀片上點(diǎn)M的速度為v，如圖3（a） 所示，圖中所示t、n分別表示刀片點(diǎn)M相對(duì)于刃口的切向和法向。進(jìn)水速度為v相對(duì)于法向n的夾角為β，根據(jù)動(dòng)量定理，水流撞擊刀刃后以速度′沿如圖所示方向運(yùn)動(dòng)，v′與法向夾角等于進(jìn)水v與法向夾角。速度為v′的水流可以分解為兩股水流，一股與進(jìn)水方向相同速度為v″′，另一股與進(jìn)水口方向垂直速度為v″。v′與進(jìn)水垂直方向夾角為α，所以進(jìn)水方向相同的水流：

進(jìn)水方向相同的水流與其他水流疊加，最終形成一股加強(qiáng)水流，便于對(duì)食材的粉碎，稱之為有益速度分量。

與進(jìn)水口方向垂直的水流：

與進(jìn)水口方向垂直的水流會(huì)與原水流相互干擾形成渦流，稱之為渦流速度分量。刀尖長(zhǎng)度為0 mm時(shí)，v′與進(jìn)水夾角為α較小，所以有益速度分量較小，渦流速度分量較大。根據(jù)公式可知，距離刀片回轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)（半徑r越大），渦流速度分量越大，由于刀片持續(xù)旋轉(zhuǎn)，渦流相對(duì)于刀刃有一定的滯后，所以渦流主要分布在刀刃刃口背面。

如圖3（a）所示，刀片上點(diǎn)M相對(duì)于水流的速度為v1，假設(shè)刀片不轉(zhuǎn)，則進(jìn)水速度為v1，相對(duì)于法向n的夾角為β1，水流撞擊刀刃后以速度v1′沿如圖所示方向運(yùn)動(dòng)。速度為v1′的水流可以分解為與進(jìn)水方向相同速度為v1′，另一股與進(jìn)水口方向垂直速度為v1″。進(jìn)水方向相同的水流：

與進(jìn)水口方向垂直的水流：

如圖3（b）所示，六葉刀的刀尖上點(diǎn)M相對(duì)于水流的速度為v2，v1相對(duì)于法向n的夾角為β2，速度為v2′的水流分解為與進(jìn)水方向相反的速度v2″′，另一股與進(jìn)水口方向垂直速度為v2″。進(jìn)水方向相反的水流：

與進(jìn)水口方向垂直的水流：

v2′的水流分解為與進(jìn)水方向相反的速度v2″′，該方向的水流與其他水流進(jìn)行互相沖擊，不僅會(huì)浪費(fèi)能量，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)渦流的產(chǎn)生。由于六葉刀刀片水流的進(jìn)水方向與刀片垂直方向的夾角β小于四葉刀刀片水流的進(jìn)水方向與刀片垂直方向的夾角β2，所以六葉刀產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度要強(qiáng)于四葉刀。由此可以得出六葉刀的刀尖渦較大，噪音高。

增加鯊魚鰭刀尖時(shí)，v1′與進(jìn)水垂直方向夾角為α1＞α（α為刀尖長(zhǎng)度為0 mm，v′與進(jìn)水垂直方向夾角），所以有益速度分量 v1″′＞ v″′，渦流速度分量 v″＜ v1″。刀尖渦是刀片打水的主要噪音，通過理論分析可知增加鯊魚鰭刀尖，刀片打水噪音小于原刀片，且粉碎率也能有所增加。

2 仿真分析

如圖5所示，刀片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)渦流強(qiáng)度的最大值集中在葉片尖端。由于刀片的高速旋轉(zhuǎn)，刀尖的渦流會(huì)存在一定的滯后性，所以刀尖渦流集中于刀片尖端刃口的背面（渦流云圖中顏色由淺到深，表示渦流強(qiáng)度由弱到強(qiáng)）[6]。六葉刀的刀尖渦分布范圍明顯大于四葉刀，刀尖渦強(qiáng)度高值范圍也大于四葉刀。

圖4 增加鯊魚鰭刀尖后刀片的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖5 刀片渦流云圖

觀察圖6可知有鯊魚鰭刀片的刀尖渦明顯減小。刀尖渦是刀片旋轉(zhuǎn)時(shí)噪音產(chǎn)生的主要原因之一，通過仿真數(shù)據(jù)可知增加鯊魚鰭刀尖后可以有效減少刀尖渦，從而降低刀片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音[7,8]。

圖6 刀片渦流強(qiáng)度仿真

設(shè)置刀片的轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。通過仿真分析了刀片的渦流強(qiáng)度。由圖7可知，隨著刃口圓弧倒角的增加刀尖渦的范圍基本沒有變化，但是刀尖渦的強(qiáng)度略有減小。刃口圓弧倒角為6.5 mm時(shí)刀尖渦的強(qiáng)度最小。

圖7 不同刃口圓弧倒角情況下刀片的渦流云圖

如圖8所示，取鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度為6.5 mm，刀片轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。通過仿真分析可知隨著刀片鯊魚鰭刀尖越尖，渦流越集中，刀尖yu角為0.5 mm時(shí)，刀尖渦基本集中在鯊魚鰭刀尖周圍的小范圍內(nèi)?？紤]刀片的制作成型工藝，小于0.5 mm的刀尖圓角，刀片的成型次品率，刀片卷刃，斷刀等風(fēng)險(xiǎn)會(huì)提高。所以，選取刀尖圓角為0.5 mm作為最優(yōu)參數(shù)。

圖8 不同刀尖圓角的渦流云圖

3 試驗(yàn)研究

3.1 不同長(zhǎng)度的鯊魚鰭刀尖

現(xiàn)有破壁機(jī)刀片回轉(zhuǎn)直徑d=85 mm，以85 mm為中間值，上下各取兩組（刀片回轉(zhuǎn)直徑為81 mm、83 mm、85 mm、87 mm、89 mm），針對(duì)回轉(zhuǎn)直徑的刀片通過實(shí)驗(yàn)求取鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度的最佳值。對(duì)不同回轉(zhuǎn)直徑的刀片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以破壁機(jī)Y32為基礎(chǔ)，做了打水噪音、打胡蘿卜功率，打胡蘿卜粉碎率等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。如圖9所示，原有刀片的打水噪音為83.2 dB（由于實(shí)際測(cè)噪音時(shí)，噪音儀顯示為一個(gè)區(qū)域內(nèi)的上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在81.1～83.2之間，不便于用圖表展示，所以圖中噪音為噪音儀顯示的最大值，以破壁機(jī)現(xiàn)在用的回轉(zhuǎn)直徑d=85 mm刀片為例，刀尖長(zhǎng)度為6.5 mm時(shí)，破壁機(jī)的噪音的最大值為81.2 dB（噪音的波動(dòng)范圍為79.5～81.2）。刀片回轉(zhuǎn)直徑d=81 mm時(shí)，噪音隨著刀尖長(zhǎng)度的增加先減小后增加，當(dāng)?shù)都忾L(zhǎng)度為3 mm時(shí)，噪音有最小值，為80.5 dB；刀片回轉(zhuǎn)直徑d=83 mm時(shí)，噪音隨著刀尖長(zhǎng)度的增加先減小后增加，當(dāng)?shù)都忾L(zhǎng)度為6.5 mm時(shí)，噪音有最小值，為81 dB；刀片回轉(zhuǎn)直徑d=85 mm時(shí)，噪音隨著刀尖長(zhǎng)度的增加先減小后增加，當(dāng)?shù)都忾L(zhǎng)度為6.5 mm時(shí)，噪音有最小值，為81.2 dB；刀片回轉(zhuǎn)直徑d=87 mm時(shí)，噪音隨著刀尖長(zhǎng)度的增加先減小后增加，當(dāng)?shù)都忾L(zhǎng)度為6.5 mm時(shí)，噪音有最小值，為81.8 dB；刀片回轉(zhuǎn)直徑d=89 mm時(shí)，噪音隨著刀尖長(zhǎng)度的增加先減小后增加，當(dāng)?shù)都忾L(zhǎng)度為9.5 mm時(shí)，噪音有最小值，為81.7 dB。刀片回轉(zhuǎn)半徑為83～87 mm，鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度為6.5 mm時(shí)噪音取得最低值。

圖9 實(shí)驗(yàn)求得的打水噪音

如圖10所示，針對(duì)六葉刀不同的鯊魚鰭長(zhǎng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，六葉刀不增加鯊魚鰭刀尖噪音為84 dB,相同的條件下六葉刀的噪音比四葉刀高0.8 dB。整機(jī)噪音隨著鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度的增加先減小后增加，鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，噪音有最低值為81 dB，與未加鯊魚鰭刀尖的刀片相比，降噪3 dB。由此可知六葉刀片增加鯊魚鰭刀尖比四葉刀片增加鯊魚鰭刀尖降噪效果更加明顯。

圖10 六葉刀片不同鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度對(duì)噪音影響

選取刀片回轉(zhuǎn)半徑d=85 mm，進(jìn)行破碎性能和功率實(shí)驗(yàn)，觀察圖11可知，隨著刀尖長(zhǎng)度的增加，整機(jī)的功率沒有明顯變化；隨著刀尖長(zhǎng)度的增加，對(duì)胡蘿卜的破碎率最大為92.3 %，主要是刀尖增加鯊魚鰭后，水流的速度沿有益方向的分量較大，有助于粉碎，同時(shí)渦流分量較小，所以噪音降低。

圖11 實(shí)驗(yàn)求得打滿杯胡蘿卜功率和破碎率

綜上，帶鯊魚鰭刀尖的刀片能夠減小刀尖渦，從而降低噪音，功率基本可以保持穩(wěn)定，破碎率提高1 %。當(dāng)?shù)都忾L(zhǎng)度為6.5 mm時(shí)，降噪效果最理想。

3.2 不同刀尖圓角半徑

現(xiàn)有破壁機(jī)刀尖圓角半徑為R1，以R1為中間值，上下各取兩組（刀尖倒角半徑為R1.5、R1.25、R1、R0.75、R0.5），針對(duì)不同圓角半徑的刀片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以破壁機(jī)Y32為基礎(chǔ)，做了打水噪音實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知鯊魚鰭刀尖圓角越尖越好，鯊魚鰭刀尖圓角為0.2 mm時(shí)，對(duì)比現(xiàn)有Y32機(jī)型可以降噪4～5 dB左右，但是刀尖圓角太小會(huì)對(duì)刀片的使用壽命有一定影響?？紤]刀片的加工和使用壽命，圓角一般取0.5-1 mm為最佳。針對(duì)破壁機(jī)四葉刀片的最佳數(shù)據(jù)為鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度為6.5 mm，刀尖圓角半徑為0.5 mm。也可以根據(jù)實(shí)際的加工能力，權(quán)衡刀片的使用壽命后選擇圓角半徑更加小的刀片。

圖12 不同刀尖倒角半徑打水噪音

3.3 不同刃口圓弧

針對(duì)不同刃口圓弧半徑的刀片進(jìn)行噪音測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖可知，刃口圓弧對(duì)噪音的影響較小。

圖13 不同刃口圓弧對(duì)噪音的影響

如圖14所示，設(shè)定刀片回轉(zhuǎn)半徑d=85 mm，鯊魚鰭刀尖長(zhǎng)度為6.5 mm，刀尖倒角為0.5 mm，刃口圓弧倒角為8 mm。 由于過渡曲線不是一個(gè)規(guī)則的圓弧，所以取過渡將過渡曲線近似等效為多段圓弧（各段圓弧半徑分比為R1’、 R2’、 R3’、 R4’…）過渡曲線的平均曲率半徑：

圖14 鯊魚鰭刀尖寬度

刃口圓弧固定，過渡曲線的平均曲率半徑越大，導(dǎo)致的鯊魚鰭刀尖寬度越小。鯊魚鰭刀尖寬度直接影響到刀片的強(qiáng)度，所以在設(shè)計(jì)過渡曲線的平均曲率半徑時(shí)，必須合理設(shè)置過渡曲線與刃口圓弧之間的關(guān)系。

針對(duì)不同過渡曲線平均曲率半徑的刀片進(jìn)行噪音測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。由圖可知，過渡曲線曲率半徑越大，噪音越低。當(dāng)過渡曲線平均曲率半徑為2倍的刀尖寬度，降噪效果最佳。

圖15 不同過渡曲線曲率平均曲率半徑對(duì)噪音影響

4 結(jié)論

1）由于刀片尖端的線速度最大，所以刀片尖端對(duì)于破壁機(jī)的噪音，破碎率影響最大。刀尖的進(jìn)水口方向垂直的水流會(huì)與原水流相互干擾形成渦流。刀尖渦是產(chǎn)生噪音，影響破壁機(jī)破碎率的關(guān)鍵因素；

2）破壁機(jī)刀片產(chǎn)生的渦流集中于刀尖部分，由于刀片的高速旋轉(zhuǎn)，刀尖渦流會(huì)存在一定的滯后性，分布在刀尖背面。增加鯊魚鰭刀尖后刀片的渦流明顯減少。刀尖圓角越小，刀尖渦流越小。刀尖圓弧對(duì)于刀尖渦影響較??；

3）在刀片上增加鯊魚鰭刀尖可以降低噪音，提高破碎率。在破壁機(jī)圓弧四葉刀上增加6.5 mm長(zhǎng)度的鯊魚鰭降噪效果最好，可降噪2 dB，粉碎可以增加1 %，鯊魚鰭長(zhǎng)度過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致整機(jī)負(fù)載加大，噪音增加。在破壁機(jī)直六葉刀上增加12 mm長(zhǎng)度的鯊魚鰭降噪效果最好，可降噪3 dB。