用于漿果微波泡沫干燥的打漿起泡機(jī)研制

王宏業(yè)，鄭先哲，高曉臣，孫 宇

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

黑加侖、藍(lán)莓等漿果是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、風(fēng)味獨(dú)特、市場(chǎng)認(rèn)知度高的水果，采集時(shí)間集中在每年的7～8月份，鮮果易腐爛難以長(zhǎng)期貯藏，干制是延長(zhǎng)其保存期的有效方法之一。泡沫干燥（Foam mat drying）技術(shù)適用于熱敏性強(qiáng)、黏性大和含糖量高的食品物料干燥加工[1－2]，微波干燥具有熱效率高、干燥溫度低等優(yōu)點(diǎn)，微波輔助泡沫干燥方法可高效優(yōu)質(zhì)地加工出漿果果漿脫水制品[3]。

漿果果漿微波輔助泡沫干燥的工藝流程為：原料→去雜、揀選→清洗→瀝水→破碎、打漿→添加起泡劑、穩(wěn)定劑→攪拌起泡→微波干燥→磨粉→成品貯存[3]，但目前并沒(méi)有相應(yīng)的加工設(shè)備，針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了的一種漿果打漿起泡機(jī)，該機(jī)可為漿果微波干燥提供預(yù)泡沫化物料，將其與連續(xù)帶式微波干燥機(jī)配套使用，可實(shí)現(xiàn)漿果微波泡沫聯(lián)合干燥流水線(xiàn)式生產(chǎn)。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

基于漿果果漿微波輔助泡沫干燥的工藝流程，擬設(shè)計(jì)的漿果打漿起泡機(jī)中應(yīng)能完成漿果破碎、打漿、添加起泡劑、穩(wěn)定劑與攪拌起泡等工藝流程，并能將起泡的漿果物料平鋪于連續(xù)帶式微波干燥設(shè)備的輸送帶上。本機(jī)主要由料罐、攪拌裝置、出料裝置、物料輸送機(jī)構(gòu)、擋板和機(jī)架等組成，如圖1所示。在料罐蓋上設(shè)置進(jìn)料口，安裝攪拌裝置，料罐底部安裝出料裝置總成，出料管由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，在連續(xù)帶式微波干燥機(jī)的輸送帶上方左右移動(dòng)，物料在擋板的作用下更加平整，厚度均勻。該機(jī)與物料接觸部分均采用不銹鋼材料制造，整機(jī)具有嚴(yán)格的密封性，符合食品加工衛(wèi)生要求。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 料罐總成

料罐的作用是為物料攪拌提供合適的空間，設(shè)計(jì)選用304不銹鋼板焊接而成，為避免料罐在工作過(guò)程中出現(xiàn)死角區(qū)域，將料罐底部設(shè)計(jì)成錐形。本機(jī)設(shè)計(jì)最大生產(chǎn)量為每次處理黑加侖漿果25 kg，料罐體積0.06 m3，料罐直臂部分半徑210 mm。料罐蓋通過(guò)螺栓固定在料罐上部的法蘭盤(pán)上，料罐蓋上共設(shè)置4個(gè)進(jìn)料口，方便向料罐內(nèi)加入物料。料罐底部配裝出料裝置以滿(mǎn)足出料要求。

圖1 漿果打漿起泡機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of berries pulping and foaming machine

2.2 攪拌裝置

攪拌裝置是本機(jī)的核心工作部件，其功能是完成漿果的破碎打漿、攪拌起泡作業(yè)工序。攪拌器采用類(lèi)似于推進(jìn)式的三葉片結(jié)構(gòu)，每個(gè)葉片長(zhǎng)130mm。物料由槳葉上方吸入，下方以圓筒狀螺旋形排出，物料至容器底再沿壁面返至槳葉上方，形成軸向流動(dòng)，循環(huán)能力強(qiáng)，同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)具有破碎的作用，設(shè)計(jì)攪拌效果如圖2所示。

圖2 攪拌效果Fig.2 Stiring effect

為增強(qiáng)攪拌器的對(duì)漿果的破碎作用，在每個(gè)槳葉的邊緣均開(kāi)有刃口，各槳葉的中心線(xiàn)相隔120°，在鉛垂方向上相隔3 mm焊接在攪拌器套筒上。攪拌器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 攪拌器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of mixer

為滿(mǎn)足果漿的衛(wèi)生安全要求，本機(jī)料罐內(nèi)部不宜設(shè)置中間軸承，設(shè)計(jì)采用懸臂軸結(jié)構(gòu)，攪拌軸材料選用2Cr13，調(diào)質(zhì)處理。攪拌軸通過(guò)軸承座安裝在電機(jī)支架的后立板上，軸上部與立式安裝的電動(dòng)機(jī)直連，焊接攪拌器的套筒安裝在攪拌軸底部。除攪拌器套筒外，另安裝2個(gè)調(diào)位套筒，改變攪拌器套筒與調(diào)位套筒位置，可調(diào)整攪拌器距離底面高度。

2.3 出料裝置總成

出料裝置由閥門(mén)上部連接管，出料閥門(mén)，閥門(mén)下部連接管與出料管組成。設(shè)計(jì)選用不銹鋼球閥作為出料閥門(mén)，閥門(mén)兩側(cè)均為內(nèi)螺紋連接方式，因此根據(jù)閥門(mén)的螺紋尺寸，配做一外螺紋管焊接在料罐底部中心位置，出料球閥便可通過(guò)螺紋旋緊與料罐相連（見(jiàn)圖4）。

圖4 電機(jī)支架結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of motor stents

閥門(mén)下部應(yīng)與出料管相連，但出料閥門(mén)的下部仍為內(nèi)螺紋，所以根據(jù)閥門(mén)螺紋的尺寸，配做一出料閥門(mén)下部連接管，如圖5所示，連接管的上部為與閥門(mén)旋合的外螺紋，管的下部制造成有一定的錐度，以使出料管能較緊的安裝在其上，不易脫落。

圖5 出料閥門(mén)下部連接管結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of connect pipe below discharge valve

2.4 物料輸送機(jī)構(gòu)

物料輸送機(jī)構(gòu)是本機(jī)的另一重要工作部件，應(yīng)使鋪于帶式微波干燥機(jī)的輸送帶上的物料均勻，厚度一致。設(shè)計(jì)使出料管與鏈條固定在一起，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，要求出料管?chē)婎^始終處于鏈條下方，在鏈輪正轉(zhuǎn)時(shí)，出料管由鏈條帶動(dòng)，從右側(cè)設(shè)定位置運(yùn)動(dòng)到左側(cè)設(shè)定位置；然后鏈輪反轉(zhuǎn)，出料管由左側(cè)設(shè)定位置運(yùn)動(dòng)回到原位，反復(fù)循環(huán)。

為能完成上述工藝流程，鏈輪采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。步進(jìn)電機(jī)控制控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖6。

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of stepper motor control system

步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，選擇美國(guó)Atmel公司AVR系列單片機(jī)中的ATmega16作為控制系統(tǒng)的微控制器。復(fù)位電路可確保工作程序受干擾時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行，本系統(tǒng)選用典型的復(fù)位芯片MAX706，在系統(tǒng)上電、掉電、復(fù)位按鍵按下以及電源電壓降低的情況下，復(fù)位比較器能夠保證輸出準(zhǔn)確可靠的復(fù)位信號(hào)。鍵盤(pán)設(shè)計(jì)采用三個(gè)12*12型按鍵，包括微控制器復(fù)位鍵、開(kāi)始鍵、停止鍵?？刂葡到y(tǒng)選用LCM12864ZK液晶顯示模塊作為人機(jī)交互的界面，顯示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行的步驟次序、運(yùn)行時(shí)間、故障類(lèi)型（有故障時(shí)）等。本機(jī)只需控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)要求的工藝過(guò)程。

2.5 擋板

物料由出料管流出，鏈條帶動(dòng)出料管，在微波干燥機(jī)輸送帶上方左右移動(dòng)，使物料鋪于輸送帶上，與此同時(shí)，干燥機(jī)的輸送帶（帶寬400 mm）同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)，兩者同步運(yùn)動(dòng)必定造成鋪于輸送帶上的物料厚度不一致，為此，在出料管后方安裝擋板（如圖7所示），物料在擋板的作用下趨于均勻，且厚度一致，平鋪效果較理想，可以滿(mǎn)足微波干燥要求。

圖7 擋板結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of baffle

2.6 機(jī)架

機(jī)架的作用是支撐起整機(jī)結(jié)構(gòu)并為上料機(jī)構(gòu)留有足夠的安裝空間。要求機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，剛性好，穩(wěn)定性高，在滿(mǎn)足上述要求的前提下，還要使外形美觀。

本設(shè)計(jì)的機(jī)架采用熱軋槽鋼焊接而成，如圖8～9所示，機(jī)架高445 mm，為保證整機(jī)的平穩(wěn)性，結(jié)合本機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將左右支腿分別向外側(cè)傾斜15°，并在中間焊接熱軋角鋼使之成為一體。

圖8 機(jī)架結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of frame

圖9 實(shí)物照片F(xiàn)ig.9 Physical figure

3 性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

所設(shè)計(jì)的漿果打漿起泡機(jī)以25 kg黑加侖為物料，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能驗(yàn)證試驗(yàn)，攪拌器轉(zhuǎn)速為1 700 r·min－1時(shí)，13 min可將黑加侖鮮果破碎成果漿，加入按比例配制好的起泡劑與穩(wěn)定劑，攪拌7 min果漿密度為580 kg·m－（3泡沫果漿的密度在200～600 kg·m－3范圍內(nèi)適合進(jìn)行泡沫干燥[9）]，物料密度符合干燥要求。物料處理完成后，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 r·min－1帶動(dòng)出料管運(yùn)動(dòng)時(shí)，物料平鋪效果較理想。結(jié)果表明，所研制的機(jī)器運(yùn)動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

a.所設(shè)計(jì)的漿果打漿起泡機(jī)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠，整機(jī)具有嚴(yán)格的密封性，與物料接觸部分均采用不銹鋼材料制造，符合食品加工要求。

b.由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)物料輸送機(jī)構(gòu)，集機(jī)電于一體，大大簡(jiǎn)化了物料輸送機(jī)構(gòu)，并使其具有更高的運(yùn)動(dòng)精度。

c.該機(jī)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)作業(yè)流程一機(jī)完成，能夠滿(mǎn)足漿果微波輔助泡沫干燥工藝流程的要求，可與連續(xù)帶式微波干燥機(jī)配套使用實(shí)現(xiàn)漿果微波輔助泡沫干燥流水線(xiàn)式生產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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