小型家用卧式面粉搅拌机设计*

吴 浩，彭培铭，张志越，陈 明，刘焕牢

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088）

0 引言

面食自古就是国人比较喜爱的食物，但是揉面不是都能掌握的一项技术，所以现在吃一口家常面点变得越来越难了，究其原因，大部分人都是被和面这一步难倒了[1]。因此对于家庭日常食用的面食需求量比较大的情况下，需要制作面食的量也大，家庭传统的人工和面效率低下，所以专门用来搅拌面粉的面粉搅拌机应运而生。目前国内的面粉搅拌机，多数为单驱动卧式面粉搅拌机（图1），少数为斜轴搅拌式面粉搅拌机（图2）。搅拌机被许多商家采用，具有体积和功率较大、和面量较大等特点，而且操作可靠、寿命长，但是通常不适合家庭使用。

图1 单驱动卧式面粉搅拌机

图2 斜轴搅拌式面粉搅拌机

因此本文所设计的面粉搅拌机以家用为主，为避免立式面粉搅拌机因为垂直轴的工作而导致润滑油泄漏、污染食品质量的弊端，拟采用单驱动卧式旋转式。而且卧式面粉搅拌机的处理量大，搅拌效率高，结构相对简单且成本较低[2]。本文所设计的单驱动卧式面粉搅拌机，小巧轻便，方便搬运，适合家庭使用。这种面粉搅拌机的加工量为2 kg/次。

1 主要设计内容和计算

1.1 搅拌机工作原理

将一定量的面粉放入和面容器中，根据所需制作面食的量加入合适的水分，然后启动面粉搅拌机。面粉在搅拌器的搅动下，均匀地与水相混合。首先形成胶体状态的不规则小团粒，进而小团粒相互粘合，逐渐形成一些零散的大团块，随着搅拌器对面团进行连续的推、拉、揉、压，充分搅拌，迅速混合，使干性面粉得到均匀的水化作用，扩展面筋，成为具有一定弹性、伸缩性和流动均匀的面团。最后步进电机进行反转——翻缸——取出面团，和面完成[3]。

1.2 面粉搅拌机的组成部件及设计计算

面粉搅拌机主要由搅拌器、齿轮、带传动机构、电机及机架等组成。搅拌器是面粉搅拌器最重要的部件，根据搅拌器轴的数目，通常分为单轴式和双轴式两种[2]，本文所采用的设计结构为单轴。

1.2.1 搅拌器的设计

面粉搅拌机的搅拌器有浆叶式、滚轮式等。本文设计所采用的是浆叶式的搅拌器，这种搅拌桨结构大多由直浆叶或曲线直浆叶与搅拌轴构成。对面团调和过程中，浆叶对物料的剪切能力较强，拉伸能力弱。不过它一般调和的物料范围比较小，一般是定量的，以免出现抱轴和搅拌不均匀的现象[4]，适用于家庭和面。浆叶式使用范围广泛，结构简单，造价较低，对揉制酥性面团有很好的效果[1]。

具体结构为绞龙式双叶片结构，搅拌轴上焊接3根直立不锈钢柱，通过两两连接焊接搅拌叶片，搅拌轴转动时带动搅拌叶片从而进行面粉搅拌，而由于设计的面粉搅拌机和面量较小，使用比较简洁的结构形式，具体结构如图3所示，连接部分采用焊接方式，材料选用不锈钢。

图3 搅拌器结构图

1.2.2 搅拌容器设计

搅拌容器多由不锈钢焊接而成。根据和面量决定和搅拌容器的容积。容器与搅拌轴之间必须密封，以防止轴承处物料或润滑油泄漏，污染食品[4]。设计的密封装置采用了应J型无滑架橡胶密封圈，因为面粉搅拌机轴的转速普遍低，工作载荷变化又大，密封处间隙变化无常[3]。

设计搅拌容器之前，需要确定和面量，常见和面量有5 kg/次、10 kg/次、15 kg/次，25 kg/次。而本次设计中因为是适合家用，和面量较少，所以取2 kg/次，和面时间为5 min。

一般面粉的密度为0.5 g/mL，和面过程中加40%的水，水的密度为1 g/mL[4]。面粉质量2 kg，计算总体积为2 000/0.5+800/1=4 800 mL=4 800 000 mm3。即 4.8 L，由于搅拌容器中还有搅拌器，且需要留出一些必要的空隙，所以取两倍以上的容量，此次设计取14 L，即14 000 mL=14 000 000 mm3。

（1）计算容器体积（长宽高）

计算中需要涉及到搅拌浆半径R和δ（浆叶与容器的间隙），一般δ取5 mm，计算得R=11.5 cm，则有：

长度（L）=3 R=34.5 cm；

宽度（B）=2（R+δ）=24 cm；

高度（H）=(1-0.5)R+B=29.75≈30 cm。

容器材料为普通的不锈钢（SUS321）即1Cr18Ni9Ti，容器壁厚度设计为3 mm，链接处采用焊接结构，同时左右各加厚2 mm，如图4所示。

（2）搅拌桨选择

图4 搅拌容器图

（3）传动装置选择

因为三相异步电动机具有运行性能好、高效、节能的特点，而且考虑到在家庭使用方面的因素，该电动机振动小、噪音低、寿命长，并且维护方便，故采用三相异步电动机作为动力机构。同样为传动平稳，低噪音，选择带传动驱动旋转装置。

（4）卸料形式。

使用限位器固定搅拌容器，卸料时只需取下限位装置即可让搅拌容器转动实现卸料。

1.2.3 带轮的设计

带轮的材料采用铸铁HT150。小带轮基准直径d1=50＞2.5d=47.5（式中d为电机轴直径，d=19 mm），小带轮为实心式，如图5(a)所示。大带轮d2=250 mm＜300 mm，采用腹板式结构，如图5(b)所示。

图5 带轮结构

1.2.4 支撑轴设计及校核

在小学语文汉字教学过程中，学生需要依次对汉字的读音、笔画和含义进行记忆，但是语文汉字博大精深，大量的记忆难免会造成学生产生厌烦、枯燥的心理，降低学生对写字的积极性和学习效率。所以，教师应改变自身的教学观念，将学生处于语文教学课堂的主体地位，将汉字背后所蕴含的故事融入其中，充分调动学生写字的积极性。

根据使用特性齿轮轴材料选用40 Cr，搅拌主轴使用45钢。

（1）小齿轮轴参数计算

V带传动传递效率为0.96，电机功率为0.55 kW，转速278 r/min，由此估算轴的最小直径13.8 mm，取14 mm，其中A0=110。轴上装有一个键，且为保证强度和耐用度，最小轴径取17 mm。

按扭矩校核轴的强度[5]：19.2 MPa。材料为40 Cr钢，可以查得许用应力[τT]=35～55 MPa， τT＜[τT]，设计结构安全。

按弯扭合成强度校核，轴受弯矩M=0.7 N·mm，受到扭矩T=3.78×103，材料为40 Cr，许用循环应变应力[σ-1]=70 MP，根据公式=20 MP＜[σ]，得出设-1计结构安全。

（2）搅拌轴参数计算

按扭矩校核轴的强度[5]：=41.4 MPa。材料为45钢，许用应力[τT]=45 MPa，τT＜[τT]，设计结构安全。

按弯扭合成强度校核，材料为45钢（调质），许用循环应变应力为[σ-1]=60 MP，经计算得到σ=43 MPa，满足要求。故得搅拌轴结构如图6所示。

图6 搅拌轴示意图

1.2.5 控制系统设计

控制部分需要控制电机正反，达到和面和反转出面的目的。具体控制电路如图7所示。

图7 电机控制电路图

1.2.6 机架的设计

机架主要起固定支撑的作用，由于家用面粉搅拌机的转速低，并且结构相对于商用搅拌机较为简单，震动程度小，故四腿支撑即可。机架结构有的采用整体铸造，有的采用型材焊接框架结构，还有底座铸造而上不用型材焊接的[1]。设计采用底座铸造而上不用型材焊接方式，既节省了成本，也可以保证面粉搅拌机放置时候的稳定性。

2 总体结构及三维建模

经过以上分析和设计，得出图8、9所示的小型面粉搅拌机整体结构。

3 结束语

如上所述，设计的面粉搅拌机结构简单，操作可靠，能够保证和面质量，为家用和面设备添加了新的成员，希望能为我国食品设备设计贡献力量。

图8 小型面粉搅拌机示意图

图9 面粉搅拌机三维图