王宏業(yè)，鄭先哲，高曉臣，孫 宇

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

黑加侖、藍莓等漿果是營養(yǎng)價值高、風味獨特、市場認知度高的水果，采集時間集中在每年的7～8月份，鮮果易腐爛難以長期貯藏，干制是延長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、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，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]，但目前并沒有相應的加工設(shè)備，針對此問題，設(shè)計了的一種漿果打漿起泡機，該機可為漿果微波干燥提供預泡沫化物料，將其與連續(xù)帶式微波干燥機配套使用，可實現(xiàn)漿果微波泡沫聯(lián)合干燥流水線式生產(chǎn)。

1 機構(gòu)設(shè)計要求

基于漿果果漿微波輔助泡沫干燥的工藝流程，擬設(shè)計的漿果打漿起泡機中應能完成漿果破碎、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。本機主要由料罐、攪拌裝置、出料裝置、物料輸送機構(gòu)、擋板和機架等組成，如圖1所示。在料罐蓋上設(shè)置進料口，安裝攪拌裝置，料罐底部安裝出料裝置總成，出料管由鏈傳動機構(gòu)帶動，在連續(xù)帶式微波干燥機的輸送帶上方左右移動，物料在擋板的作用下更加平整，厚度均勻。該機與物料接觸部分均采用不銹鋼材料制造，整機具有嚴格的密封性，符合食品加工衛(wèi)生要求。

2 整機結(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)計選用304不銹鋼板焊接而成，為避免料罐在工作過程中出現(xiàn)死角區(qū)域，將料罐底部設(shè)計成錐形。本機設(shè)計最大生產(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。料罐蓋通過螺栓固定在料罐上部的法蘭盤上，料罐蓋上共設(shè)置4個進料口，方便向料罐內(nèi)加入物料。料罐底部配裝出料裝置以滿足出料要求。

圖1 漿果打漿起泡機結(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。攪拌器采用類似于推進式的三葉片結(jié)構(gòu)，每個葉片長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，循環(huán)能力強，同時在高速旋轉(zhuǎn)時具有破碎的作用，設(shè)計攪拌效果如圖2所示。

圖2 攪拌效果Fig.2 Stiring effect

為增強攪拌器的對漿果的破碎作用，在每個槳葉的邊緣均開有刃口，各槳葉的中心線相隔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

為滿足果漿的衛(wèi)生安全要求，本機料罐內(nèi)部不宜設(shè)置中間軸承，設(shè)計采用懸臂軸結(jié)構(gòu)，攪拌軸材料選用2Cr13，調(diào)質(zhì)處理。攪拌軸通過軸承座安裝在電機支架的后立板上，軸上部與立式安裝的電動機直連，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

出料裝置由閥門上部連接管，出料閥門，閥門下部連接管與出料管組成。設(shè)計選用不銹鋼球閥作為出料閥門，閥門兩側(cè)均為內(nèi)螺紋連接方式，因此根據(jù)閥門的螺紋尺寸，配做一外螺紋管焊接在料罐底部中心位置，出料球閥便可通過螺紋旋緊與料罐相連（見圖4）。

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

閥門下部應與出料管相連，但出料閥門的下部仍為內(nèi)螺紋，所以根據(jù)閥門螺紋的尺寸，配做一出料閥門下部連接管，如圖5所示，連接管的上部為與閥門旋合的外螺紋，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 物料輸送機構(gòu)

物料輸送機構(gòu)是本機的另一重要工作部件，應使鋪于帶式微波干燥機的輸送帶上的物料均勻，厚度一致。設(shè)計使出料管與鏈條固定在一起，在運動過程中，要求出料管噴頭始終處于鏈條下方，在鏈輪正轉(zhuǎn)時，出料管由鏈條帶動，從右側(cè)設(shè)定位置運動到左側(cè)設(shè)定位置；然后鏈輪反轉(zhuǎn)，出料管由左側(cè)設(shè)定位置運動回到原位，反復循環(huán)。

為能完成上述工藝流程，鏈輪采用步進電機驅(qū)動。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就準確地轉(zhuǎn)動一個角度。步進電機控制控制系統(tǒng)原理見圖6。

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

步進電機是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生，選擇美國Atmel公司AVR系列單片機中的ATmega16作為控制系統(tǒng)的微控制器。復位電路可確保工作程序受干擾時恢復正常運行，本系統(tǒng)選用典型的復位芯片MAX706，在系統(tǒng)上電、掉電、復位按鍵按下以及電源電壓降低的情況下，復位比較器能夠保證輸出準確可靠的復位信號。鍵盤設(shè)計采用三個12*12型按鍵，包括微控制器復位鍵、開始鍵、停止鍵?？刂葡到y(tǒng)選用LCM12864ZK液晶顯示模塊作為人機交互的界面，顯示系統(tǒng)當前運行的步驟次序、運行時間、故障類型（有故障時）等。本機只需控制步進電機正反轉(zhuǎn)動角度與轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)要求的工藝過程。

2.5 擋板

物料由出料管流出，鏈條帶動出料管，在微波干燥機輸送帶上方左右移動，使物料鋪于輸送帶上，與此同時，干燥機的輸送帶（帶寬400 mm）同時向前運動，兩者同步運動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，可以滿足微波干燥要求。

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

2.6 機架

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

本設(shè)計的機架采用熱軋槽鋼焊接而成，如圖8～9所示，機架高445 mm，為保證整機的平穩(wěn)性，結(jié)合本機的結(jié)構(gòu)特點，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 機架結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of frame

圖9 實物照片F(xiàn)ig.9 Physical figure

3 性能驗證實驗

所設(shè)計的漿果打漿起泡機以25 kg黑加侖為物料，在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏實驗室進行了性能驗證試驗，攪拌器轉(zhuǎn)速為1 700 r·min－1時，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，步進電機轉(zhuǎn)速為10 r·min－1帶動出料管運動時，物料平鋪效果較理想。結(jié)果表明，所研制的機器運動符合設(shè)計要求，機構(gòu)運行可靠，滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

a.所設(shè)計的漿果打漿起泡機經(jīng)實驗驗證，滿足生產(chǎn)要求，機構(gòu)運行可靠，整機具有嚴格的密封性，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.由單片機控制步進電機驅(qū)動物料輸送機構(gòu)，集機電于一體，大大簡化了物料輸送機構(gòu)，并使其具有更高的運動精度。

c.該機實現(xiàn)多項作業(yè)流程一機完成，能夠滿足漿果微波輔助泡沫干燥工藝流程的要求，可與連續(xù)帶式微波干燥機配套使用實現(xiàn)漿果微波輔助泡沫干燥流水線式生產(chǎn)，具有很好的應用推廣價值。

[1] Rajkumar P,Kailappan R,Vishwanathan R,et al.Drying characteristics of foamed alphonso mango pulp in a continuous type foam matdryer[J].JournalofFoodEngineering,2007,79(4):1452－1459.

[2] ThuwapanichayananR,PrachayawarakornS,SoponronnaritS.Drying characteristics and quality of banana foam mat[J].Journal of Food Engineering,2008,86(4):573－583.

[3] 鄭先哲,劉成海,周賀.黑加侖果漿微波泡沫干燥特性[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(8):288－293.

[4] 王凱.釜內(nèi)無支承懸臂攪拌軸的設(shè)計[J].化工設(shè)備與管道,2001,38(1):15－19.

[5] 濮良貴,紀明剛.機械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2001:355－360.

[6] 許洪斌,杜向斌.步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶工學院學報:自然科學版,2008,22(5):32－34.

[7] 王凱,虞軍,等.攪拌設(shè)備[M].北京:化學工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心,2003:32－35.

[8] 劉天嬰.反應釜攪拌軸的設(shè)計計算[J].北京石油化工學院學報,2000,8(1):57－60.

[9] Muthukumaran A,Ratti C,Raghavan V G S.Foam－mat freeze drying of egg white－mathematical modeling part II:Freeze drying and modeling[J].Drying Technology,2008,26(4):513－518.

[10] 陳志平,章序文,林興華,等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計選用手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社工業(yè),2004:139－142.