搅拌杯及使用该搅拌杯的破壁机研究

2022-11-22孙毅

中国科技纵横 2022年19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

以实用性、创新性为原则对搅拌杯进行设计、分析，其结构与其他破壁机相似，包括过滤网、杯体等，但本文研究的搅拌杯内部所设计的过滤网具有可移动属性，可以应用手柄对过滤网进行控制，调整搅拌杯内的搅拌空间，使得破壁机在工作之中扰流效果与搅拌效率均有所提高，使得破壁机的出渣率、研磨和搅拌效果有所增强。

1.破壁机技术原理概述

以实用性、功能性为目标导向对破壁机以及使用破壁机的搅拌杯进行设计应用。对破壁机的技术应用背景进行分析，其主要包括以下几点内容：

（1）破壁机具备豆浆机、研磨机、榨汁机等产品的主要功能，可以实现一体多用。搅拌杯的过滤网具有可调节属性，可以适用不同类物体的搅拌，使用过程中可以瞬间破坏搅拌物的细胞壁，发挥营养、增加口感，人体对搅拌后食物的吸收效果也有所增强。其搅拌食物主要应用电机激进型驱动，搅拌杯内的刀头以快速旋转的方式，实现对区域空间内食物的破碎处理[1]。

（2）根据现有的破壁机性能应用分析，在搅拌切割食物的过程中，由于部分大块食物残渣在搅拌杯内受力的作用产生飞溅效果，导致刀头与食物残渣的接触面积有所减少，使得食物无法被完全切碎。尤其是在处理一些形状比较黏稠的物体时或者性质比较坚硬的物体时，在均匀力的带动下，使得部分食物残渣无法完全破碎，食用口感比较差。

（3）设计搅拌杯，并将其应用到破壁机之中，充分考虑到搅拌杯内的刀片与搅拌物体之间的接触面积及接触方式，使其搅拌更加均匀。搅拌杯中的刀头设计是基础，比较常见的方式是增加搅拌杯内的刀头数量，或者优化刀头的结构，并辅助应用扰流筋起到增加刀头与搅拌物接触面积的作用。搅拌物在刀头的旋转作用下会接触到搅拌杯内的扰流筋，并撞击到搅拌杯的侧壁位置，使得原本的旋转方向发生一定程度的改变，与刀头的接触面积、接触概率均会有所增加，使得流体效果良好。在通常情况下，破壁机所使用搅拌杯参数型号多为1L或者2L左右，大空间的搅拌杯设计使得扰流效果有所下降，但如果单纯的增加扰流筋的数量，则会使得搅拌杯的制造工艺复杂，甚至会增加生产成本。

2.破壁机结构特征分析

本文充分考虑到搅拌杯的性能、工作原理、搅拌过程中存在的问题，设计一种新型的搅拌杯，并设计了使用该搅拌杯的破壁机在使用过程中会使得搅拌更加充分，在减少制作成本的同时，保障搅拌效果，提高扰流性能。基于搅拌杯使用的破壁机设计如下。

（1）搅拌杯设计应用设置过滤网和杯体结构，并在杯体底部位置设置用于搅拌食物的刀头，处于内侧位置。过滤网在搅拌杯内的安装采用滑动嵌入的方式，通过手工滑动操作的方式可以将其安装到搅拌杯上。过滤网结构以搅拌杯的杯口位置为主要方向金属突出设计，并在四周位置设置密封圈防止搅拌作业期间出现溢流等问题。连接杆是连接过滤网与搅拌杯的主要结构，并向搅拌杯的外部区域延伸，在外部位置设置相应的控制器和控制按钮，可以实现对过滤网的移动调整。

（2）为增加过滤网的功能性和可调整性，以纵向方向对过滤网进行设计，使得其截面位置呈现出波浪状的情况[2]。

（3）密封圈结构作为结构密封物，结构形态以弧状为主，与过滤网结构连接部位，处于搅拌杯的外部区域，并在杯口位置的方向，略微倾斜相应的角度。

（4）破壁机所应用的承台为圆形结构，直径为13cm，搅拌杯杯口位置的直径约为18cm，略微大于承台底部的直径大小。

（5）杯盖设计覆盖在杯口位置，可以完全密封，亦可打开。杯盖位置是连接杆穿过与其他结构结合的主要路径通道，设置相应的通孔，以供结构连接。

（6）手柄位置设计与杯盖设计之间采用具有弹性的材料进行设计，杯盖位置同样设置相应的手柄，可以对结构进行定位。

（7）扰流筋共计2条，在搅拌杯的两侧位置进行设计，其主要作用是增加搅拌杯表面的搅拌摩擦效果，过滤网结构与扰流筋相连接，并设计相应缺口，使得两者之间的适配性有所增加。

（8）连接杆外部呈现出螺纹状，可以连接入通孔位置，两者之间的螺纹可以相匹配。

（9）刀头设计应用为锯齿形、直线形，将两种刀头组合安设到搅拌杯底部，增加搅拌杯的搅拌效果。

本文研究的搅拌杯以及使用搅拌杯的破壁机是一种具有适用性、实用性的新型破壁机。其最主要依靠底座的支撑功能，并在底座结构内设有相应的主机系统，安装电机进行刀头驱动。搅拌机所使用的刀头与电机装置连接，使得整体结构更加稳定，通过对按钮的设置应用可以实现简单的操作功能，实现对过滤网的科学调整。具体结构如图1所示。

如图1中所标示内容，100（底座）、201（杯体）、202（过滤网）、203（刀头）、204（密封垫）、205（连接装置）、206（手柄控制器）、211（扰流筋）、213（弹性结构）、214（握把）、300（盖子）。基于上述序号编排和结构零件组合，实现对该搅拌杯的破壁机设计应用。

3.搅拌机出渣率及其性能验证

3.1 性能评价指标体系建立

对搅拌杯及搅拌杯所使用的破壁机进行性能验证，建立性能、效率评价指标，通过在搅拌杯内添加黄豆食材对出渣率进行检验，按照添加原材料、搅拌、筛除、烘干、称量的步骤对其进行质量检验。将出渣率作为搅拌杯所使用的破壁机的应用性能，将相同质量的黄豆添加至搅拌机之中，对烘干后与搅拌前黄豆材料的比例进行计算，比值越小则说明效果越好，搅拌出渣率越低。

3.1.1 湍流动能指标

湍流指标体系是指破壁机运转过程中搅拌杯的使用会在搅拌杯内部产生湍流效果，如果搅拌杯内部的湍流效果比较好，则会使得破壁机使用后的出渣率有所降低，如果湍流动能比较低，则会导致出渣率有所增加，考虑到计算区域对湍流动能之间的差异，计算刀头与搅拌杯之间的距离为20cm，距离被堵的距离为1.2cm，距离刀头越近的位置，湍流速度越快，随着搅拌物与刀头距离不断扩大，湍流速度也会随之降低。以湍流动能评价出渣率指标，在启动的状态下对其进行分析，无法破碎食材的区域无需进行湍流动能评价，仅仅对刀片位置的湍流动能进行分析即可。刀头旋转过程中的转速可以达到15000RPM，刀头齿距比较锋利，切割力比较强。启动后除电机和刀头之外，其他的结构处于相对静止的状态，在刀头位置的湍流动能可以达到50m2/s2，距离刀尖、刀刃位置越近，动能越强[3]。

考虑到湍流动能对搅拌杯在破壁机中的应用进行分析，湍流动能与出渣率呈反比关系。使用过滤网即将渣体比较大的作检验对比对象，虽然可能会存在一定的差距，但可以用于对破壁机性能、质量的科学评价。破壁机运转过程中，搅拌杯的内部液体流动情况围绕旋涡中心，处于旋涡周边的位置流速比较大，但承受的压强比较小，对外侧流体具有一定的吸力，将周围的物体吸引到底部位置，实现对搅拌物的反复搅拌。该指标体系指出，距离中心区域越近的位置，液体的流动性越强，搅拌效果越好，出渣率越低。

3.1.2 流体速度指标体系

流体速度是指破壁机在运转过程中由于刀头的旋转所使得液体发生相应旋转的过程。搅拌杯中的刀片在远动过程中会在中心区域不断对食物进行扫打，使得液体处于上下围绕运动的状态下，使得不同区域的流体速度会产生一定的变化。考虑到搅拌杯中结构运转流体速度，会使得搅拌对象受到压强或者流动的作用，使粒子变小。通过对搅拌杯上部区域、侧面区域、下方区域的流体速度指标分析，对其轴向速度进行计算，观察破壁机在相同变量条件下的性能指标。

3.1.3 刀片力矩指标体系

搅拌杯中的刀片位置是影响破壁机使用性能的主要因素之一，除考虑到转速、流量、动能等指标之外，也要对搅拌杯内刀片的力矩指标进行分析，评价刀头应用时的具体功率。刀片力矩体系指标通过应用数值计算的方式求出最终解，用于对转动的力矩值进行评价，衡量搅拌杯对于破壁机的应用效果。

3.2 出渣率结果评价

使用搅拌杯对黄豆食材进行搅拌处理，将其投入到破壁机中，使用顺扭刀头对其进行处理，计算所得的出渣率为5.85%。根据湍流动能评价指标、流体速度评价指标、力矩评价指标对搅拌杯及使用该搅拌杯的破壁机性能进行综合评价分析，具体如下。

3.2.1 湍流动能评价结果

湍流动能下的出渣率评价应以黏度指标为核心，评价搅拌杯使用的效果。在顺时针、逆时针的情况下对破壁机进行操作控制，稳定对搅拌装置下达命令，计算域内的湍流动能变化的黏度指标逐渐减少，搅拌杯中扰流筋、结构设计对湍流浓度产生一定的影响，所计算的湍流黏度指标为7962kg/m-s，破壁机运行的基本功率为600W。应用湍流动能指标实现对出渣率的评价分析，计算域内的湍流黏度指标，其黏度计算结果越高，则表示性能越好，考虑到刀片表面位置与其他位置之间的距离会对最终的计算结果产生一定程度的影响。在破壁机稳定运行的状态下，对搅拌杯底部刀片位置的湍流黏度参数进行综合计算，刀片位置计算所得的湍流黏度的平均值为8968kg/m-s[4]。

采用瞬态计算的方式将搅拌杯内不同区域的湍流动能转化成为湍流黏度进行计算。使得搅拌杯在稳定的状态下进行设计，对不同区域的湍流黏度指标进行计算。指标体系之中指出，湍流黏度对出渣率有着一定程度的影响，湍流黏度越高，则出渣率越低，本文所研究的搅拌杯在破壁机上的使用效果十分良好，其搅拌杯内计算的湍流黏度指数在7962kg/m-s，刀片位置的湍流黏度指数为8968kg/m-s，说明搅拌杯的结构设计对湍流指标影响比较小，结构性能良好。

3.2.2 流体速度评价结果

对搅拌杯不同区域的流体速度进行评价、分析，采用流场数值的计算方法，统计刀头上方位置、侧面位置、下方位置的流体速度，根据流体速度对搅拌杯所使用的破壁机性能指标进行综合评价。当搅拌杯处于稳定运行的状态下，在0.035s内刀片的旋转速度达到9圈，且监测所得的轴向速度值为负值，分析上方区域监测点的流体速度监测结果，对平均值和出渣率进行对比分析，5.85%的出渣率，监测点刀头的轴向速度达到3.15m/s。根据侧面流体速度监测结果可知，轴向运转速度在每秒2.5m上下持续运转，处于波动的状态下，监测点距离刀片的位置比较远，搅拌杯内的液体在刀片的带动下扫掠了周边的杯壁位置，碰撞后向杯子的中心方向流动，在循环的过程中实现对搅拌物的处理。监测点的径向流动速度为1.25m/s。根据搅拌杯下侧位置的流体速度进行评价分析，搅拌杯底液的位置轴向流动速度比较小，甚至在操作过程中产生了死区，对下方那个流体轴向速度指标进行分析，其监测点的轴向速度值为0.46m/s。

综合分析搅拌杯及使用的破壁机的流体速度指标计算结果，由于其会受到搅拌杯位置、参数、路径、体积等多种参数影响，轴向速度越快，则出渣率越低。计算结果显示，搅拌杯及所使用的破壁机流体速度较好，性能较好。

3.2.3 刀头力矩评价结果

力矩值对搅拌杯及搅拌杯所使用的破壁机出渣率性能影响比较大，计算力矩值在稳定较大的时间内，结构刀头的力矩值在1.85NM左右，虽然考虑到刀头力矩值会受到刀头结构所影响，但搅拌杯及使用破壁机的功率、性能等也会对最终的结果产生一定程度的影响。力矩值会受到刀片的转速所影响，如果搅拌杯内刀头的转速与刀片原始扭矩力一致，则出渣率也会有所降低。因此，对搅拌杯及搅拌杯所使用的破壁机进行分析，在稳定搅拌状态下对刀头结构的力矩值进行计算分析，分析其对出渣率的影响，两者之间存在一定的关系，但影响程度比较小。但验证结果可以佐证搅拌机及搅拌机所应用的破壁机性能指标，其性能验证结果良好，该搅拌杯及所使用的破壁机适用性、实用性较好[5]。