多功能一体式破壁机研究

2022-10-25孙毅

中国科技纵横 2022年17期

孙毅

（广东美的生活电器制造有限公司，广东佛山 528311）

0.引言

目前，破壁机成为每家每户不可缺少的家用电器，将黄豆加工成豆浆，满足社会群众对营养物质的需求。并且，社会群众的生活节奏也在不断加快，对事物的追求也向多元化和便捷化方向发展。因此，家用破壁机能够满足社会群众的多元化需求，能够简化传统豆浆机的操作流程，能够让社会群众用最少的时间获得更加具有营养价值的豆浆。因此，破壁机在我国拥有广阔的发展前景，本文主要对多功能一体式破壁机进行研究。

1.多功能一体式破壁机的概述

多功能一体式破壁机结合了榨汁机、豆浆机、冰淇淋机等多功能于一体，能够满足社会群众的多元化需求。在我国，破壁机具有较多的种类，不仅包括搅拌机，还包括加热破壁机、料理机等。现在市面上流行的产品，主要是将破壁机按照不同功能进行分类，例如加热功能、电机控制方式等。根据加热功能可以将破壁机分为非加热破壁机和加热破壁机。非加热破壁料理机只对食品进行搅拌，用于制作果汁、奶昔等冷饮；加热破壁料理机具备发热功能，能将食材烹饪完成并对食材进行粉碎，除制作豆浆，还可制作五谷杂粮糊、汤类、果汁、冰沙、南瓜泥等，具有较大的应用价值。根据破壁机电机控制方式可分为非恒速破壁机、恒速破壁机以及变频破壁机。非恒速破壁机主要采用双向晶闸管控制电机的转速，能够随破壁机承载物质的重量进行变化。非恒速破壁机的操作方式较为简单，但无法输出稳定转速。恒速破壁机能有效克服传统破壁机阻碍，在电机转动的过程中根据传感器实时检测电机转速，反馈给破壁机的控制芯片，芯片在接收到反馈信号后，及时处理破壁机的转速，使转速能够不随着破壁机承载物重量的变化而变化，具有较高的实用价值。变频破壁机主要采用变频控制系统，可以对电机转速进行无极控制。

1.1 破壁机结构组成

多功能一体式破壁料理机的主机主要包括传感器、安全开关、外观外壳、加热系统等组成。杯体主要包括杯盖、刀片、杯壳等零部件组成，具体如图1所示。多功能一体式破壁机根据不同的使用功能，可以划分为不同的功能系统，主要包括加热系统、搅拌系统、保护系统以及检测系统等。加热系统主要利用破壁机内的发热盘进行发热，对放入破壁机内的食品进行加热和搅拌，而搅拌系统主要利用主机内部的传感器以及搅拌杯和电机转刀组成，负责对破壁机内的食物进行高速搅拌，并将食材粉碎，从而满足社会群众对豆浆或五谷杂粮粥的需求。检测系统主要利用先进的科学技术，主要对破壁机的温度、转速以及电压进行检测，并根据破壁机的实际运转状况发出应急信号，防止出现安全问题。检测系统是破壁机中的核心，能够保障破壁机安全稳定运行。此外，保护系统主要是多功能一体式破壁机的安全卫士，如果传感器检测信号异常，就会自动开启保护系统，执行相应保护动作，对破壁机进行停机等保护，减少损伤，降低安全事故发生的概率[1]。

图1 破壁机结构图

1.2 多功能一体式破壁机的具体设计思路

破壁机在我国发展前景广阔，传统制浆过程中，需将豆浆进行过滤处理，在豆浆熬制的过程中，也需人工参与操作，观察工作状态，防止豆浆在搅拌过程中出现溢出，整个过程操作繁琐。因此，为了满足社会群众的多元化需求，我国研发了多功能一体式破壁机，并设置了破壁机自动控制等相关电路装置。

破壁机在使用过程中，主要通过单片机及相关程序控制来进行破壁工作，在打浆的过程中，只需接通电源启动程序，就可控制破壁机进行常规操作。首先，会启动破壁机的加热系统，对容器内的黄豆进行加热，并根据传感器反馈的加热温度，进行调整，如果温度超过90°，加热系统将会停止操作，并将信号传输给破壁机的电机。电机启动磨浆，在运转20s左右后停下，并每间隔10s再次启动。通过循环运行对容器中的黄豆进行磨碎，磨浆完成后，加热系统对磨碎完成的豆浆进行再次加热，在加热过程中豆浆可能会溢出，如果溢出破壁机，破壁机的保护系统将会自动启动，自动防止豆浆溢出，并继续后续的相关流程，直到整体豆浆操作完成后，提示主页面，发出完成信号，人们就可以饮用豆浆。

多功能一体式破壁机的整体设计过程中会采用单片机和传感器，同时还会使用破壁机内部的加热电路以及模拟电路，还包括报警电路和预警信号[2]。具体的设计框图如图1所示。

制浆过程中如出现溢出，需及时发现溢出情况。防溢信号早期主要通过硬件设备的物理导通实现，现在已逐步改为通过对温度、电机转速信号等数据进行软件分析判断溢出状态，从而发出防溢信号。

2.多功能一体式破壁机的组成零件

通常情况下，多功能一体式破壁机的壳体内设置驱动电机，驱动电机会与第一输出轴进行联动工作，第一输出轴将工作信号通过第一级或多级的传动机构以及传感器传输到第二输出轴后，与第二输出轴开展联动工作。第一输出轴上通常会设置固定的单向轴承，轴承开始工作后，会使第一输出轴向顺时针方向或逆时针方向旋转，并向第二输出轴方向进行转动。单向输出轴轴承外圈还会设置相应的联动机制，与第二输出轴共同转动，当第一输出轴向另一个方向转动时，会导致破壁机内部的单向轴承出现锁死的状态。而一体式结构的特征就在于第二输出轴套会设置在第一数轴上，并与第一输出轴协同工作。多功能一体式破壁机的特征就在于第一输出轴会通过一级传动机构与第二输出轴联动工作，第一输出轴的联动机构主要包括破壁机中的齿轮，还包括单向轴承外圈。与第一齿轮联动作用时，第一输出轴会与第二输出轴以及第二行星轮联动，会通过第二轮轴与第二行星架固定，并通过固定装置传输变动需求让第一齿轮能够及时工作，带动第一输出轴转动，并将信号发送给加热系统，以及保护系统，从而完成多功能破壁机的一体式工作[3]。

3.多功能一体式破壁机的散热技术以及降噪技术

多功能一体式破壁机在使用过程中，会采用多种先进的科学技术，会应用先进的现代化技术结构。传统的破壁机在使用过程中会出现较大的噪音，不能够实现社会群众多样化的需求，不能够采取一体式的活动，为社会群众带来极大的便利，甚至部分破壁机散热性能不好，在使用后会出现热量过高的现象，影响社会群众的生命安全。因此，多功能一体式破壁机要加强对散热技术和降噪技术的研发和应用，要提高多功能一体式破壁机的性能，更好地满足社会群众多元化的需求。

3.1 多功能一体式破壁机的电机散热结构

多功能一体式破壁机的电机置于破壁机主机内。在电机周围设置进风口，在主机外壳周围设置通风口，并设置相应的排风通道，排风通道主要由底板、围板、进风口组成，围板设置在底板的下方，并将底板设置为旋涡状。围板内部要形成风道，并将风道的形状设置成旋涡状，利于散热。在设置风道时要将风道敞开设计，并将风道与散热孔进行配合，让加热系统散发的热量能够通过风道向外疏散。在底板对应的风道部位也应该设置相应的进风口和出风口，进风口要有效贯通底板的两侧，使电机及加热系统能够及时交换常温空气。在电机内部设置进风口，在进风口的上方设置风轮，让风轮能够与破壁机的电机相连接，一旦电机转动，就带动风流转动，从而促进破壁机与外界进行气体交换，实现破壁机的散热功能。通过风轮多功能一体式破壁机能够利用风轮与旋涡状的风道相结合，有效增加空气的流动，促进破壁机内部与外界的气体交换，能够有效改善和提高破壁机的散热效果，充分实现破壁机的散热。

3.2 多功能一体式破壁机的降噪技术

多功能一体式破壁机能够满足社会群众对食物的多元化需求，能够对食品进行加工，采用超高速电机带动破壁机内部的不锈钢刀片，能对破壁机内食材进行超高速的处理，对食材进行粉碎，破坏食物的细胞壁，提高食物中的营养物质被吸收能力。目前，我国市场上的多功能一体式破壁机都能够满足国家规定的标准和要求，符合国家噪声限制，但破壁机在使用过程中超高速的转动，破壁机会产生较大的噪音，也会产生较大的震动。震动设计和噪声控制设计也是评价多功能一体式破壁机是否合格的重要指标，也是影响消费者消费和购买破壁机的主要因素。因此，多功能一体式破壁机在研发过程中也应用了先进的降噪技术[4]。

多功能一体式破壁机在应用过程中会在破壁机的内部添加过多的食物材料，在按动启动按钮后会启动破壁机的主机，主机就会通过联动装置，对破壁机的食物进行粉碎。在使用过程中，就会导致壳体出现震动，造成壳体刀片转速系统不平衡，而破壁机的壳体和支架是传递震动的主要路径。因此，在使用减震降噪技术时，可以从子系统的平衡特性以及震动的传递路径入手，多功能一体式破壁机在设计过程中，会采取先进的校正技术，会提高破壁机壳体自身的固有频率让壳体自身的固有频率低于振动频率，并降低壳体的震动次数。多功能一体式破壁机会建立壳体模型，并通过仿真计算结果和相关实验数据的对比，确定科学合理的壳体模型。在仿真模型上，进行壳体结构的修改，从而优化多功能一体式破壁机的壳体设计。并且，在研究过程中，相关工作人员可以通过有限元仿真和模态实验证明壳体结构的使用性能，重点关注破壁机主机壳体底座的边缘。因此，在研究和设计过程中，就可以修改模型的强度，可以增加结构的刚度，减少壳体的固有频率，让壳体能够达到减震降噪的效果[5]。

如表1所示，噪音测试为半消声实验室测定，采用最高档位最高刻度线运行；含渣率为制成豆浆通过0.2mm孔径筛网所残留颗粒物重量与黄豆重量的比值，数值越小所含残渣越少，口感会更好。从数据表中发现，在破壁机运行区间内，转速提升，含渣率逐步降低，噪声值逐步升高。噪声与粉碎效果是破壁机的核心性能，通过平衡转速与降噪技术实现粉碎效果与噪声的最优方案，所以提高粉碎效率和强化降噪效果成为技术发展的核心方向。

表1 破壁机性能

此外，通风降噪技术也是多功能一体式破壁机常用的技术之一。多功能一体式破壁机在使用过程中，电机会高速运转产生热量，需要通过风扇和风轮装置进行通风散热，将系统中过多的热量进行排除。同时，电机在高速运转产生较大的噪音。噪音主要是由风扇和风轮所引起的，属于空气动力噪声。在设计多功能一体式破壁机时，根据破壁机工况确定噪声的主要来源，采用通风降噪技术。抑制声源的工作原理采用减少风速，降低风阻，提高破壁机的减震性能；此外根据消声的原理，按照空气动力学的设计路径，提高破壁机的减震降噪效果。从而达到降噪效果，满足社会群众的多元化需求。具体如图2所示。