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米粉混合机的设计总体设计
摘要
米粉条是我国历史悠久的传统食品，但由于各种原因制造米粉的技术理论体系至今尚不成熟。
本论文是选取其中一道生产工艺——混合，作为探讨对象。
根据相关理论知识对米粉混合技术作了较为详细的论述，并据此设计了一台固定容器间歇式米粉混合机，此设计能有效解决米粉混合操作工艺。
关键词：
米粉
混合
混合机
rdesignofafixedcontainerintermittentricemixe
Abstract:
Riceisalonghistoryofourtraditionalfood,butriceflourtocreateavarietyofreasonsthetechnologyhasbeenmaturetheoreticalsystem,selectoneofthepaperproductionprocess,together-mixed,astheobjecttoexplore.Inaccordancewiththerelevanttheoreticalknowledgeofthehybridricetechnologyhasdonemoredetail,basedonthedesignofafixedcontainerintermittentricemixer,thisdesigncaneffectivelysolvethehybridricetechnologytooperate.
Keywords:
Rice
Mixed
mixer
目录
1绪论-6-
1.1引言-6-
1.2米粉混合机相关技术概述-7-
1.2.1米粉混合机存在的问题和发展方向-7-
1.2.2粉料的混合特性-7-
1.2.3混合均匀度-7-
1.2.4米粉混合机的混合机理分析-9-
1.2.5混合速率-10-
2米粉混合机结构设计-10-
2.1米粉混合机基本结构-10-
2.2米粉混合机搅拌器概述-10-
2.2.1搅拌器的选择-10-
2.2.3锚栅式搅拌器的构造-12-
2.3搅拌容器设计-14-
2.3.1搅拌容器的形状与防漏设计-14-
2.3.2搅拌容器的尺寸与制造工艺-15-
2.4驱动装置设计-16-
2.4.1动力机的选择-16-
2.4.2传动装置的设计-17-
2.4.3轴封的设计-18-
3混合功率计算-18-
参考文献-20-
致谢-21-
1绪论
1.1引言
食品加工机械是指加工食品过程中所应用的机械装置及设备，它在国民经济建设中起着及其重要的作用。
长期以来，食品加工是以手工操作为主，这种琐碎而又繁重的重复性体力劳动一直束缚着人们的手脚。
尤其在我国建设四个现代化的今天，时间和数字就是生命。
食品加工的手工操作在一定程度上阻碍了国民经济的发展，应用食品加工机械不仅能减轻人们的劳动强度，节约宝贵的时间，而且可以使人们摆脱繁忙的家务和落后的经济文化生活，使生产力大大解放，从而为社会创造更多的财富。
食品工业也已成为国民经济的支柱产业，作为装备食品工业的食品机械工业发展尤为迅猛。
据统计，1980年全国生产包装机械和食品机械的企业仅360家，如今不仅有3000多家生产企业，200多家科研设计单位，还有20多所大专院校设立了这方面的专业。
我国现已能生产的产品品种达2700多种，也形成了一个独立的工业体系。
可以说，食品加工机械的发展水平是国家工业现代化的标志。
在食品生产过程中常用到搅拌机械，搅拌操作在食品工业中占有十分重要的位置，大多数面糖类食品的生产都离不开搅拌。
按搅拌物料的性质，可将搅拌机械设备分为：
1.搅拌机它以搅拌粘度较低的液体为主。
2.调和机它以搅拌高粘度糊状物料及粘滞固体物料为主。
3.混合机它以搅拌散粒状固体物料为主。
米粉生产过程中需要将粉料增湿以适合下一道工序的生产，需要使用上述机器中的混合机，在生产过程中它处于中间环节对生产起着重要的作用。
它的使用大大提高了米粉的生产过程和生产质量，同时也减少了人身与食品物料的直接接触和病菌传播机会。
米粉混合机也可应用于挂面，方便面等其他食品的生产具有多种用途。
设计米粉混合机的过程中要遵守的基本要求：
1．混合物的混合均匀度要高。
2．物料在容器内的残留要少。
3．匀质物的颗粒微小，质地细腻。
4．设备结构简单，坚固耐用，操作方便，便于检视，取样和清理。
5．机械设备要防锈耐腐蚀，容器表面光滑，工作部件能拆卸清洗。
6．电机设备和电控装备应能防爆，防湿，防尘。
符合环境保护和安全运行的要求。
1.2米粉混合机相关技术概述
1.2.1米粉混合机存在的问题和发展方向
米粉混合机的产品质量欠佳。
由于技术力量薄弱，现有的混合机械产品质量欠佳，如机器的工作稳定性和可靠性较差。
关于米粉加工机械方面的基础技术研究工作在我国尚未系统展开，如对粉料的物理性质（特别是流变性）研究，混合机械动力参数的确定，粉料的深度加工和综合利用等。
对于引进的设备吸收消化不够，许多类型仅是单纯的仿形，并未掌握其核心技术。
因此用于指导实际生产的基础技术比较缺乏，食品机械产品的标准化，系列化，通用化程度不高，而且混合理论目前还不成熟，这对于米粉混合机的设计带来许多不便。
随着21世纪科学技术的飞速发展和人们对食品要求的提高，食品机械必将迎来新的发展机遇，真正实现食品的全自动化生产。
1.2.2粉料的混合特性
一般混合物料主要是流体，按流体力学概念分类有牛顿型流体和非牛顿型流体。
对于牛顿型流体，无论搅拌程度激烈或缓和，它的粘度是与其静止
状态相同的。
在同一混合容器中，各处的粘度也是一致的。
对于非牛顿型流
体，搅拌程度直接影响着流体的性质，物料的表面粘度随所受剪切的程度及搅拌时间的变化而变化。
在这里我们可以将粉料的混合过程简化为牛顿型流体的混合来进行设计。
因为对于粉料的混合过程的混合特性用正确的数学公式表现出来是非常困难的，多数情况下不能进行解析计算，所以一般用粉料的表观粘度代替牛顿粘度。
1.2.3混合均匀度
均匀度指一种或几种组分的浓度和其他物理量如含水量等的均匀性。
为比较全面地反映混合物的混合程度，采用“分离尺度”和“分离强度”的概念。
分离尺度在这里表示水分这类可分散的“参量”的未分散部分的大小。
混合在很大程度上是粉料团块之间的混合，水分的未分散部分就与流体团块相对应，表示粉料团块的大小的平均值。
下图表示分离尺度，从左往右，方格愈来愈大，即分离尺度愈来愈大，混合物的均匀性愈来愈差，分离尺度所衡量的是宏观混合的结果。
二相邻粉料团块间湿度等参量的差异用分离强度表示，它同时也表示团块中的参量值与完全均匀后的参量之间的差异，由下至上相邻方格中黑点数目的差异愈来愈大，表示分离强度愈来愈大，混合物的均匀性愈来愈差，分离强度所衡量的是微观混合的结果。
上述粉料团块的大小是一个随机变量。
要完全描述分离尺度，必须知道这些团块体积的概率分布函数。
团块中含水量与总体平均值间的偏差也是具有一定分布的随机变量。
所以，一般采用抽样检查的统计方法。
为此，我们可以根据不同粉料要求含水量的不同，规定一试样大小，并要求试样含水量C的平均偏差值应小于某一规定的最大值，其最大偏差值称为允许偏差，而规定的取样大小则称为检验尺度。
如果制品符合下列条件之一，则认可为是合格制品：
1分离尺度小于检验尺度,且分离强度小于允许偏差;
2分离尺度虽大于检验尺度,但分离强度充分小于允许偏差;
3分离强度虽大于允许偏差,但分离尺度充分小于检验尺度。
这样，一定尺度的试样的含水量偏差的平均值就可以作为混合物质量的鉴别标准。
鉴别过程如下：
一组大小符合检验尺度的试样，经分析知其含水量为
（i=1，2·····n），设混合物平均含水量的真值
为已知，则混合物的分离强度可以用均方差的大小来量度：
若
未知，则取一组试样浓度大算术平均值
，然后用下式表示混合物的分离强度：
值
和
称为均方差，均方差的平方根
称为根均方差或标准差。
均方差和标准差都是偏差的量度。
如果对一定数目具有一定大小的试样，规定
值的均方差或标准差的最大值，则对合格的制品，应要求其均方差或标准差小于此最大值。
1.2.4米粉混合机的混合机理分析
米粉混合机对粉料的本质作用就是混合，而这种混合主要是通过颗粒状散体粉料的流动才得以实现的。
因此米粉混合机的操作机理类似液体搅拌机的操作，即为对流，扩散及剪切三种基本方式的混合。
在这里对流是指颗粒
状粉料的团或块从一个位置转移到另一个位置的过程；扩散是指由于颗粒在
粉料整体新生表面上的分布作用引起个别颗粒的位置分散迁移过程；剪切则指在颗粒粉料团内开辟新的滑移面而产生的混合作用。
在混合操作中，粉料颗粒随机分布受混合机的作用，粉料开始流动，正是这种流动可能会引起性质不同的颗粒产生分离，在这里的性质指粉料含水量的不同。
因此，在米粉混合机操作中，粉料的混合与分离是同时进行的，一旦混合作用与分离作用达到某一平衡状态，那么混合程度即确定，即使再进一步操作也不能改变混合的效果。
影响混合效果的因素首先是粉料的物理性质。
其中主要包括粉料颗粒的大小，形状及其密度。
其它一些因素也起一定得作用，如粉料颗粒的表面粗糙度，流动特性，附着力等。
实验分析表明，颗粒小的，形状近似圆球形的或密度大的粉料容易沉降于容器底部。
而附着力大，含水量高的物料颗粒容易结块或成团，不易均匀分散。
1.2.5混合速率
混合过程的速率可以用均方差或标准差对时间的变化率来表示。
混合过程的推动力可表为
。
混合速率
正比于其推动力，即：
将上式从t=0,
积分至时间的
值得：
2米粉混合机结构设计
2.1米粉混合机基本结构
米粉混合机的基本结构由搅拌装置，传动装置及轴封等三大部分组成。
搅拌装置包括搅拌器（或称搅拌桨）及搅拌轴，其作用是通过自身的运动使搅拌容器中的粉料按某种特定的方式滚动，从而达到混合操作规定的工艺要求。
这种特定流动方式是衡量混合装置性能最直观的重要指标。
搅拌容器也称搅拌槽或搅拌缸。
它的作用是容纳搅拌器与粉料在其内进行操作的。
对于米粉搅拌容器除保证具体工艺外，还有满足无污染，易清洗等专业技术要求。
传动装置是赋予搅拌装置运动的传动件组合体。
在满足机器所必须得运动功率及几何参数下，希望传动链短传动件少，电机功率小，即传动装置越简便，结构越紧凑，成本越低越好。
轴封是指搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装置，也是米粉搅拌机易出现故障的结构之一。
2.2米粉混合机搅拌器概述
2.2.1搅拌器的选择
搅拌器是搅拌设备的主要工作部件。
通常有浆式叶轮，涡轮式叶轮，旋浆式叶轮和锚栅式搅拌器等形式。
浆式搅拌叶轮是一种由平板构成的最简单的叶轮结构。
叶轮一般有2至6个叶片，搅拌轴大多是对称安装在容器中。
浆式搅拌叶轮结构简单，剪切效应有限，主要适合于搅拌低粘度液料，不适合于固体粉料的混合操作。
锚栅式搅拌器是在平浆是叶轮的基础上增加桨叶与物料接触面积或将桨叶外缘作成与容器内壁相一致的各种结构形式的搅拌器。
采用锚栅式搅拌器可增加搅拌器的剪切作用，消除容器壁上的结晶物或残留物，以便增强搅拌效果。
因为粉料混合机中，需要搅拌器对粉料的操作能同时产生径向流动与轴向流动两种流动形式，单一的流动形式不能满足粉料的混合效果。
上述几种叶轮形式能较好的解决上述这个问题的属于锚栅式搅拌器。
2.2.2锚栅式搅拌器的安装形式
一般混合机搅拌器的安装形式有立式中心安装，倾斜式搅拌安装，旁人式搅拌安装，偏心搅拌安装和底部搅拌安装等形式。
以上各种安装形式都有各自的特点，现根据米粉混合机的要求与特点选用底部搅拌安装。
此种安装形式的搅拌设备，其搅拌器安装在容器底部，它具有轴短而细，无需用中间轴承，可用机械密封结构，有使用维修方便，寿命长等优点。
由于底部出料口能得到充分的搅动使出料口畅通无阻，有利于排出粉料。
但此种安装形式桨叶叶轮下部至轴封处常有固体物料粘积，容易变成小团物料混入产品中影响产品质量，故需要经常清理。
2.2.3锚栅式搅拌器的构造
对搅拌器的设计要求是必须有合理的结构（包括制造工艺合理，桨叶与搅拌轴的连接牢固可靠，检修安装方便等）和足够的强度和刚度。
桨叶的选料桨叶多由扁钢制造，使用材料大多数是碳钢，不锈钢，铸铁等。
因桨叶直接与粉料接触，且在工作中受到的阻力较大，需要有较强的刚度，且需满足无毒耐腐蚀等专业技术要求。
故可选用Cr13型不锈钢制造，此种材料价格便宜且能满足混合机的各种要求指标。
叶轮个数的确定根据前面的论述米粉混合机设计为立式混合机，搅拌轴上的叶轮个数n可按下式确定：
式中n———为同一搅拌轴上叶轮的个数
H———为容器内物料的高度（米）
———为被搅拌物料平均比重，无因次
T———为容器内径
在米粉加工过程中，所用的混合机叶轮数多为2——6个叶片，根据上式和实际需要现可以设定为四个叶片。
叶轮尺寸的确定米粉混合机工作时阻力较大，采用等长的叶轮形式需要提高叶片强度和增加电机功率，这样会增加机器制造成本。
现可以设计为长短叶片相对称的组合结构，经试验测试获得了长短叶片的理想比例：
叶片的组合安装先将长短横叶片以倾斜角
用电弧焊（焊接厚度大于4mm）的方法直接焊接于轮毂上，如图（6）所示：
采用倾斜安装能有效改善搅拌效果，同时减小搅拌阻力，增强机器工作稳定性。
再将四个立片分别垂直于轴焊接在长短横片的末端，如下图所示：
叶片全部采用电弧焊的方法焊接，结构强度和刚度高，成本低，生产周期短，可靠性好，而且施工成本低。
焊接工艺要求，不得有未焊透、夹渣、咬边等焊接缺陷，焊接应均匀，厚度不得小于4mm。
2.3搅拌容器设计
2.3.1搅拌容器的形状与防漏设计
根据米粉混合机的操作工艺条件搅拌容器可采用圆形筒形。
从有利于流线型流动和减少功率消耗考虑，容器底的形状也选择圆形底。
除有特殊原因外，应避免采用锥形底，因为锥形底会促使粉料形成滞留区不能混合均匀。
对方行或带棱角的容器，因为在拐角处容易形成死角，也应该避免采用。
此米粉混合机设计的是间歇式固定容器的形式，需要人工装料和卸料。
从操作方便的角度考虑，可将装料口设置在容器盖得中央，采用圆形结构，同时为加强搅拌容器的刚度可以在容器最上端增加一个加强圈。
卸料口设置在容器底部，同时需要设置一手动闸门控制粉料的流出，在卸料时不停机，让粉料自动排出。
米粉混合机工作过程中，在搅拌容器与搅拌轴的接触部位容易漏料，漏料有时会混入密封装置中导致轴的摩擦增大，容易损坏轴，因此需要在容器上进行防漏设计。
可在轮毂下部设计一个环形深槽如图（8）所示，同时在机器与轴的接触部位安装一轴套，环形深槽与轴套相配合。
轴套采用Q235制造，表面进行发黑处理，增强耐磨性。
2.3.2搅拌容器的尺寸与制造工艺
根据一般设计经验可以确定容器内的物料深度与其内径之比通常在1：
1左右。
对浅容器其推荐值如表：
最小物料深度（m）
0.3以下
0.3~1.5
1.5~3.0
3.0~4.5
4.5~6.0
容器内径与物料深
度的最大比值
2
3
4
5
7
搅拌容器内径与搅拌设备其他重要尺寸之间的关系：
d=5D/6;b=D/10;S=D/100；H=D;
上式中d———桨叶直径
D———容器直径
b———桨叶宽度
S———厚度
H———物料高度
容器内表面要求光滑平整，这样可避免或减少容器壁对粉料的吸附、摩擦及流动的影响。
容器根据食品机械的特点采用无毒、耐腐蚀的材料制造。
现采用普遍使用的镍铬18—8型不锈钢薄板。
容器整体采用不锈钢焊接而成，焊接工艺同叶轮。
2.4驱动装置设计
2.4.1动力机的选择
在机械上常用的动力机有柴油机，汽油机，电动机等。
柴油机动力强劲，机械效率较高，但体积较大且笨重，噪音也很大，一般用于工程机械上，不适合做米粉混合机的动力机。
汽油机的体积、噪音相对较小，但现在油价较高导致使用成本较大，而且汽油的泄漏容易污染粉料，不利于食品安全。
选用电动机能较好的解决上述动力机的不足，电动机还具有维修简便、使用简单等诸多优点。
综上所述，在米粉混合机上选用电动机作为动力装置最为合适。
电动机功率设计米粉混合机必须恰当地选择驱动搅拌机的电机功率。
如果电机容量过小，则不能达到预期的搅拌效果，甚至会使电机烧毁。
如果电动机容量过大，与其负载不匹配，则会提高操作成本和投资费用。
在预定的操作条件下所需要的最大混合功率为启动功率，因为叶轮在静止的粉料中开始转动时，整个叶轮都具有相对于粉料的相对速度，而在进入正常运动状态之后，粉料会由于惯性作用而流动，叶轮变形阻力将大大减少，所需的功率也相应的减小。
由试验及搅拌功率分析可得搅拌功率约为电动机输入功率的80%左右。
查阅相关资料可选择如下型号的电动机：
Y132M2-6
转速n=960
功率W=5.5KW
2.4.2传动装置的设计
传动装置的设计应遵循结构简单，制造容易，成本低廉等一般机器设计的原则进行。
一般机械上常用的传动件有绕性传动、齿轮传动和蜗杆传动等。
经初步筛选采用绕性传动和齿轮传动作为设计方案。
采用齿轮传动，具有传动效率高、工作可靠、使用寿命长等优点。
按前面的设计搅拌器采用的是底部搅拌安装形式，故搅拌轴与电机轴的中心距较大因传动轴间距较大。
采用一级齿轮传动，所需要的齿轮外形轮廓就较大，增加了机器重量看起来显得笨重，不仅浪费材料且制造使用费用高，不利于降低成本。
如果采用二级减速传动，这样设计出来的机构较复杂，要求齿轮制造精度较高，同样增加了制造使用费用，也不满足机械设计的要求。
绕性传动主要有带传动、链传动、和绳传动三种类型。
根据以上三种传动的特点和混合机的工艺要求，可选择带传动，且采用机械传动中应用最广泛的V带，因为V带较平带传动能产生更多的摩擦力，故具有较大的牵引能力。
带传动适合中心距较大且不需要严格传动比关系的传动，完全适合于此米粉混合机的传动要求。
传动比的确定在米粉混合机中叶轮转速越高，混合效果越好，但速率过高，则要求电动机功率较大，叶轮刚度高，导致生产成本高，同时过高的速率会将粉料甩出容器，不利于混合，因此一般米粉混合机的转速在220左右。
所用皮带轮为一级减速装置，且电机转速为960
，综合可得皮带轮传动比为4：
1.
2.4.3轴封的设计
混合机的轴封是安装在搅拌轴与机架间的密封装置，它的作用是防止容器内物料与润滑剂或外界相互泄漏造成污染。
采用轴封有填料密封与机械密封两种。
填料密封装置对轴的磨损及摩擦功耗大，经常需要维修，因此理想的轴封应选用机械密封而一般的机械密封结构复杂、成本高，因此需要简化结构降低成本，同时要能满足密封的效果。
密封结构图如下：
3混合功率计算
虽然关于混合功率的研究成果很多，但目前尚不能给出一套完整准确的计算公式，因此本文仅从影响混合功率的因素入手，运用因此分析法得出搅拌器功率与搅拌装置各种参数之间的函数关系，即：
———（3—1）
或
———（3—2）
式中
———搅拌功率准数或欧拉准数，它表示对单位体积被搅拌物料所施加外力与惯性力之比
———（3—3）
Re———搅拌雷诺准数，它表示单位体积被搅拌物料所施加外力与粘性阻力之比
———（3—4）
Fr———弗鲁德准数，它表示对单位体积被搅拌物料所施加外力与重力之比
———（3—5）
K———同一几何构型搅拌器的总形状因子
采用实际工程上采用的计算方法，利用因次和谐原理，可将混合功率关联式（3—2）改写成较简单的幂函数的形式
即：
———（3—6）
或
———（3—7）
式中K———比例常数，它代表一定构型搅拌器的总形状因子
———功率函数，或称功率因数
x，y———待定指数
锚栅式搅拌器的搅拌功率准数可由下式表示：
———（3—8）
式中L———锚片宽度，
;
其中W———叶片宽度
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致谢
时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。
离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。
从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
本学位论文是在我的指导老师张云老师的亲切关怀与细心指导下完成的。
对该论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节，张老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持。
值得一提的是，张老师还给我一个不可多得的实践机会，让我在工厂熟悉了米粉混合机的整个生产流程，这对本论文的最终完成起到了很大的作用。
同时学习与实践的结合所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在学习、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。
在张老师的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。
毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向张老师表示最衷心的感谢！
感谢我的舍友兼好友：
郑显明、杨志鹏和刘又瑞！
使我在学习和生活中不断得到友谊的温暖与关怀，给了我无法忘记的四年大学生活。
感谢同一组的徐程橙在做论文的过程中给了我许多帮助和建议。
感谢我身在远方的父母！
你们给我生活上的关怀和精神上的鼓励是我学习的动力。
感谢卢又军！
是你给了我莫大的支持和鼓励。
最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！
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