小型家用臥式面粉攪拌機設(shè)計*

吳 浩，彭培銘，張志越，陳 明，劉煥牢

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

面食自古就是國人比較喜愛的食物，但是揉面不是都能掌握的一項技術(shù)，所以現(xiàn)在吃一口家常面點變得越來越難了，究其原因，大部分人都是被和面這一步難倒了[1]。因此對于家庭日常食用的面食需求量比較大的情況下，需要制作面食的量也大，家庭傳統(tǒng)的人工和面效率低下，所以專門用來攪拌面粉的面粉攪拌機應(yīng)運而生。目前國內(nèi)的面粉攪拌機，多數(shù)為單驅(qū)動臥式面粉攪拌機（圖1），少數(shù)為斜軸攪拌式面粉攪拌機（圖2）。攪拌機被許多商家采用，具有體積和功率較大、和面量較大等特點，而且操作可靠、壽命長，但是通常不適合家庭使用。

圖1 單驅(qū)動臥式面粉攪拌機

圖2 斜軸攪拌式面粉攪拌機

因此本文所設(shè)計的面粉攪拌機以家用為主，為避免立式面粉攪拌機因為垂直軸的工作而導(dǎo)致潤滑油泄漏、污染食品質(zhì)量的弊端，擬采用單驅(qū)動臥式旋轉(zhuǎn)式。而且臥式面粉攪拌機的處理量大，攪拌效率高，結(jié)構(gòu)相對簡單且成本較低[2]。本文所設(shè)計的單驅(qū)動臥式面粉攪拌機，小巧輕便，方便搬運，適合家庭使用。這種面粉攪拌機的加工量為2 kg/次。

1 主要設(shè)計內(nèi)容和計算

1.1 攪拌機工作原理

將一定量的面粉放入和面容器中，根據(jù)所需制作面食的量加入合適的水分，然后啟動面粉攪拌機。面粉在攪拌器的攪動下，均勻地與水相混合。首先形成膠體狀態(tài)的不規(guī)則小團粒，進而小團粒相互粘合，逐漸形成一些零散的大團塊，隨著攪拌器對面團進行連續(xù)的推、拉、揉、壓，充分攪拌，迅速混合，使干性面粉得到均勻的水化作用，擴展面筋，成為具有一定彈性、伸縮性和流動均勻的面團。最后步進電機進行反轉(zhuǎn)——翻缸——取出面團，和面完成[3]。

1.2 面粉攪拌機的組成部件及設(shè)計計算

面粉攪拌機主要由攪拌器、齒輪、帶傳動機構(gòu)、電機及機架等組成。攪拌器是面粉攪拌器最重要的部件，根據(jù)攪拌器軸的數(shù)目，通常分為單軸式和雙軸式兩種[2]，本文所采用的設(shè)計結(jié)構(gòu)為單軸。

1.2.1 攪拌器的設(shè)計

面粉攪拌機的攪拌器有漿葉式、滾輪式等。本文設(shè)計所采用的是漿葉式的攪拌器，這種攪拌槳結(jié)構(gòu)大多由直漿葉或曲線直漿葉與攪拌軸構(gòu)成。對面團調(diào)和過程中，漿葉對物料的剪切能力較強，拉伸能力弱。不過它一般調(diào)和的物料范圍比較小，一般是定量的，以免出現(xiàn)抱軸和攪拌不均勻的現(xiàn)象[4]，適用于家庭和面。漿葉式使用范圍廣泛，結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，對揉制酥性面團有很好的效果[1]。

具體結(jié)構(gòu)為絞龍式雙葉片結(jié)構(gòu)，攪拌軸上焊接3根直立不銹鋼柱，通過兩兩連接焊接攪拌葉片，攪拌軸轉(zhuǎn)動時帶動攪拌葉片從而進行面粉攪拌，而由于設(shè)計的面粉攪拌機和面量較小，使用比較簡潔的結(jié)構(gòu)形式，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，連接部分采用焊接方式，材料選用不銹鋼。

圖3 攪拌器結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 攪拌容器設(shè)計

攪拌容器多由不銹鋼焊接而成。根據(jù)和面量決定和攪拌容器的容積。容器與攪拌軸之間必須密封，以防止軸承處物料或潤滑油泄漏，污染食品[4]。設(shè)計的密封裝置采用了應(yīng)J型無滑架橡膠密封圈，因為面粉攪拌機軸的轉(zhuǎn)速普遍低，工作載荷變化又大，密封處間隙變化無常[3]。

設(shè)計攪拌容器之前，需要確定和面量，常見和面量有5 kg/次、10 kg/次、15 kg/次，25 kg/次。而本次設(shè)計中因為是適合家用，和面量較少，所以取2 kg/次，和面時間為5 min。

一般面粉的密度為0.5 g/mL，和面過程中加40%的水，水的密度為1 g/mL[4]。面粉質(zhì)量2 kg，計算總體積為2 000/0.5+800/1=4 800 mL=4 800 000 mm3。即 4.8 L，由于攪拌容器中還有攪拌器，且需要留出一些必要的空隙，所以取兩倍以上的容量，此次設(shè)計取14 L，即14 000 mL=14 000 000 mm3。

（1）計算容器體積（長寬高）

計算中需要涉及到攪拌漿半徑R和δ（漿葉與容器的間隙），一般δ取5 mm，計算得R=11.5 cm，則有：

長度（L）=3 R=34.5 cm；

寬度（B）=2（R+δ）=24 cm；

高度（H）=(1-0.5)R+B=29.75≈30 cm。

容器材料為普通的不銹鋼（SUS321）即1Cr18Ni9Ti，容器壁厚度設(shè)計為3 mm，鏈接處采用焊接結(jié)構(gòu)，同時左右各加厚2 mm，如圖4所示。

（2）攪拌槳選擇

圖4 攪拌容器圖

（3）傳動裝置選擇

因為三相異步電動機具有運行性能好、高效、節(jié)能的特點，而且考慮到在家庭使用方面的因素，該電動機振動小、噪音低、壽命長，并且維護方便，故采用三相異步電動機作為動力機構(gòu)。同樣為傳動平穩(wěn)，低噪音，選擇帶傳動驅(qū)動旋轉(zhuǎn)裝置。

（4）卸料形式。

使用限位器固定攪拌容器，卸料時只需取下限位裝置即可讓攪拌容器轉(zhuǎn)動實現(xiàn)卸料。

1.2.3 帶輪的設(shè)計

帶輪的材料采用鑄鐵HT150。小帶輪基準直徑d1=50＞2.5d=47.5（式中d為電機軸直徑，d=19 mm），小帶輪為實心式，如圖5(a)所示。大帶輪d2=250 mm＜300 mm，采用腹板式結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示。

圖5 帶輪結(jié)構(gòu)

1.2.4 支撐軸設(shè)計及校核

在小學語文漢字教學過程中，學生需要依次對漢字的讀音、筆畫和含義進行記憶，但是語文漢字博大精深，大量的記憶難免會造成學生產(chǎn)生厭煩、枯燥的心理，降低學生對寫字的積極性和學習效率。所以，教師應(yīng)改變自身的教學觀念，將學生處于語文教學課堂的主體地位，將漢字背后所蘊含的故事融入其中，充分調(diào)動學生寫字的積極性。

根據(jù)使用特性齒輪軸材料選用40 Cr，攪拌主軸使用45鋼。

（1）小齒輪軸參數(shù)計算

V帶傳動傳遞效率為0.96，電機功率為0.55 kW，轉(zhuǎn)速278 r/min，由此估算軸的最小直徑13.8 mm，取14 mm，其中A0=110。軸上裝有一個鍵，且為保證強度和耐用度，最小軸徑取17 mm。

按扭矩校核軸的強度[5]：19.2 MPa。材料為40 Cr鋼，可以查得許用應(yīng)力[τT]=35～55 MPa， τT＜[τT]，設(shè)計結(jié)構(gòu)安全。

按彎扭合成強度校核，軸受彎矩M=0.7 N·mm，受到扭矩T=3.78×103，材料為40 Cr，許用循環(huán)應(yīng)變應(yīng)力[σ-1]=70 MP，根據(jù)公式=20 MP＜[σ]，得出設(shè)-1計結(jié)構(gòu)安全。

（2）攪拌軸參數(shù)計算

按扭矩校核軸的強度[5]：=41.4 MPa。材料為45鋼，許用應(yīng)力[τT]=45 MPa，τT＜[τT]，設(shè)計結(jié)構(gòu)安全。

按彎扭合成強度校核，材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），許用循環(huán)應(yīng)變應(yīng)力為[σ-1]=60 MP，經(jīng)計算得到σ=43 MPa，滿足要求。故得攪拌軸結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 攪拌軸示意圖

1.2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制部分需要控制電機正反，達到和面和反轉(zhuǎn)出面的目的。具體控制電路如圖7所示。

圖7 電機控制電路圖

1.2.6 機架的設(shè)計

機架主要起固定支撐的作用，由于家用面粉攪拌機的轉(zhuǎn)速低，并且結(jié)構(gòu)相對于商用攪拌機較為簡單，震動程度小，故四腿支撐即可。機架結(jié)構(gòu)有的采用整體鑄造，有的采用型材焊接框架結(jié)構(gòu)，還有底座鑄造而上不用型材焊接的[1]。設(shè)計采用底座鑄造而上不用型材焊接方式，既節(jié)省了成本，也可以保證面粉攪拌機放置時候的穩(wěn)定性。

2 總體結(jié)構(gòu)及三維建模

經(jīng)過以上分析和設(shè)計，得出圖8、9所示的小型面粉攪拌機整體結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

如上所述，設(shè)計的面粉攪拌機結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，能夠保證和面質(zhì)量，為家用和面設(shè)備添加了新的成員，希望能為我國食品設(shè)備設(shè)計貢獻力量。

圖8 小型面粉攪拌機示意圖

圖9 面粉攪拌機三維圖