攪拌裝置的幾何特性

葉輪、攪拌器、容器、擋板及其他可能的附件(如導(dǎo)流筒)的相對(duì)位置及尺寸等構(gòu)成攪拌裝置的幾何特性。它是決定容器內(nèi)的流體流形及攪拌效果的主要因素之一。在容器形狀、攪拌器形式和附件一定的條件下，主要幾何特性是葉輪的直徑D與容器內(nèi)的所處位置及葉輪個(gè)數(shù)n之間的關(guān)系。

1、

葉輪直徑在容器中的位置  攪拌機(jī)中的葉輪有對(duì)中安裝、偏心安裝、傾斜安裝及水平安裝等型式。葉輪與容器底部的距離Hi一般為一倍葉輪直徑，(錨柵式攪拌器除外)但也隨被攪拌的物料性質(zhì)和裝置型式而改變。例如在攪拌快速沉降的固體懸浮液時(shí)，常將葉輪置于靠近底面的位置上；而在從液體表面吸入氣體或固體粉末時(shí)，則將葉輪置于接近液面的位置上；對(duì)于液-液分離操作，當(dāng)接觸比為1：1時(shí)，將葉輪置于容器的中間位置，即置于兩相分界面上為最佳。當(dāng)然，如有必要和可能，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)決定最佳位置。

3、葉輪直徑與容器直徑的比值D／T  在不同的使用場(chǎng)合，可針對(duì)不同的攪拌目的，選用不同型式的葉輪攪拌器，同時(shí)選用不同的D／T比。

葉輪層數(shù)的選取：

• 對(duì)于粘度小于5Pa.s的低粘度液體，對(duì)常用深度H＝D時(shí)，只要一層槳葉即可。
• 推進(jìn)式槳葉對(duì)于粘度低于0.1Pa.s的物料一般只需一層。
• 對(duì)于粘度達(dá)50Pa.s的高粘度液體，上下攪拌的液體范圍僅是槳徑的1/2，則必需多層。

4、葉輪的個(gè)數(shù)  在立式攪拌機(jī)中，攪拌軸上的葉輪個(gè)數(shù)n可按下式確定：

 

第三節(jié) 調(diào)和機(jī)

調(diào)和機(jī)也稱捏和機(jī)或揉和機(jī)。它的加工對(duì)象主要是高粘度糊狀物料及粘滯性固體物料。調(diào)和機(jī)的攪拌除滿足物料的混合需要外，還要根據(jù)所調(diào)制物料的性質(zhì)及工藝要求，完成某些特定的操作。在廣泛的面、糖類食品加工過(guò)程中，調(diào)和機(jī)是直接影響制品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵性設(shè)備之—。

一、

調(diào)和機(jī)分類

調(diào)和機(jī)的操作根據(jù)食品加工的生產(chǎn)需要決定、有些調(diào)和機(jī)是專為某種特殊要求而設(shè)計(jì)制造的。由于調(diào)和機(jī)處理物料的性質(zhì)差異很大，并且在許多攪拌過(guò)程中，某些物料性質(zhì)將發(fā)生變化，使得調(diào)和操作更加復(fù)雜。所以調(diào)和機(jī)設(shè)備的種類、結(jié)構(gòu)都比液體攪拌機(jī)多樣、復(fù)雜。

若按調(diào)和機(jī)的結(jié)構(gòu)特征中的調(diào)和容器軸線位置分類，有：立式調(diào)和機(jī)與臥式調(diào)和機(jī)。

若按調(diào)和機(jī)結(jié)構(gòu)特征中的攪拌軸數(shù)量分類有：?jiǎn)屋S式調(diào)和機(jī)與多軸式調(diào)和機(jī)。

若按調(diào)和機(jī)操作的主要用途分類，習(xí)慣上有：打蛋機(jī)與調(diào)粉機(jī)。

應(yīng)該指出，對(duì)按主要用途分類的定義并非嚴(yán)格，它僅是指使用某種機(jī)型進(jìn)行調(diào)和操作效果最佳，這里按習(xí)慣分類并不排除兩種機(jī)型有—定的通用性。

二、混合機(jī)理

調(diào)和機(jī)的攪拌操作盡管目的多樣，但均勻混合仍是基本的作用。由于調(diào)和機(jī)混合的物料多屬粘性極高的非牛頓流體，其操作機(jī)理與前述液體攪拌不相同。在某些特定條件下，物料的粘度會(huì)變得很大，其流動(dòng)極為困難，由局部區(qū)域激發(fā)而起的物料運(yùn)動(dòng)終不能遍及整個(gè)容器，類似液體的那種由大范圍湍流所造成的對(duì)流擴(kuò)散混合作用很小，混合效果主要依賴于攪拌器與物料的真實(shí)接觸。這種攪拌要求物料必須被引向攪拌器或是攪拌器必須經(jīng)過(guò)容器內(nèi)的各個(gè)部位。

在調(diào)和過(guò)程中，局部區(qū)域的一部分物料受攪拌器推擠而被壓向鄰近的物料或容器內(nèi)壁，造成拆登，從而使新的或未經(jīng)調(diào)制的物料被已經(jīng)調(diào)制的物料所包裹；另外，由于攪拌器對(duì)物料的剪切作用，上述物料又被拉延和撕裂，使得物料的新鮮部分再次剝露；同時(shí)，這一部分物料又被帶往產(chǎn)生主體移動(dòng)動(dòng)作的區(qū)域；如此反復(fù)進(jìn)行，即達(dá)到了均勻混合的目的。一般說(shuō)來(lái)，物料的粘度愈大，攪拌器的作用面積就要求愈大，而攪拌軸的轉(zhuǎn)速卻應(yīng)該愈低。

綜上所述，調(diào)和機(jī)的混合機(jī)理為折疊作用、剪切作用及對(duì)流擴(kuò)散作用并存的一種混合。

 

三、打蛋機(jī)

(一)概述

打蛋機(jī)在食品生產(chǎn)中常被用來(lái)攪打各種蛋白液，由此得名為打蛋機(jī)或蛋白車。該機(jī)攪拌物料的對(duì)象主要是粘稠性漿體，如生產(chǎn)軟糖、半軟糖的糖漿，生產(chǎn)蛋糕、杏元的面漿以及花式糕點(diǎn)上的裝飾乳酪等。由于這些物料的粘度一般低于調(diào)粉機(jī)攪拌的物料，故打蛋機(jī)的轉(zhuǎn)速比調(diào)粉機(jī)高，通常在70—270轉(zhuǎn)分范圍之內(nèi)，所以也常被稱為高速調(diào)和機(jī)。

如生產(chǎn)砂型奶糖時(shí)，通過(guò)攪拌可使蔗糖分子形成微小的結(jié)晶體，俗稱“打砂”操作。又如生產(chǎn)充氣糖果時(shí)，將浸泡的干蛋白、蛋白發(fā)泡粉、明膠溶液及濃糖漿等混合攪拌后，可得到潔白、多孔性結(jié)構(gòu)的充氣糖漿。打蛋機(jī)操作時(shí)，通過(guò)自身攪拌器的高速旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)制攪打，使得被攪拌物料充分接觸與劇烈摩擦，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的混合、乳化、充氣及排除部分水分的作用，從而滿足某些食品加工工藝的特殊要求。

(二)打蛋機(jī)結(jié)構(gòu)

打蛋機(jī)有立式與臥式兩種結(jié)構(gòu)，常用的多為立式打蛋機(jī)。近年來(lái)，隨我國(guó)食品工業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，又涌現(xiàn)出一些小型輕便的臺(tái)式打蛋機(jī)。

圖為立式打蛋機(jī)的典型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它通常由攪拌器、容器、傳動(dòng)裝置及容器升降機(jī)構(gòu)等組成。

打蛋機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)裝置傳至攪拌器，依靠攪拌器與容器間具有一定規(guī)律的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使物料得以攪拌。攪拌效果的優(yōu)劣受攪拌器運(yùn)動(dòng)規(guī)律的限制。

1、攪拌器  立式打蛋機(jī)的攪拌器包括攪拌頭10和攪拌槳11兩部分組成。攪拌頭的作用在于使攪拌漿在容器中形成一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)軌跡，而攪拌槳?jiǎng)t直接與物料接觸，通過(guò)自身的運(yùn)動(dòng)完成攪拌物料的任務(wù)。

(1)攪拌頭：對(duì)于固定容器的攪拌頭，常見(jiàn)的是由行星運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖所示。內(nèi)齒輪1固定在機(jī)架上、當(dāng)轉(zhuǎn)臂3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行星齒輪2受1與3的共同作用、既隨轉(zhuǎn)壁外端軸線旋轉(zhuǎn)，形成公轉(zhuǎn)，同時(shí)又與內(nèi)齒輪嚙合，并繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，形成自轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)。行星運(yùn)動(dòng)使攪拌槳在容器內(nèi)產(chǎn)生如圖所示的運(yùn)動(dòng)軌跡，這恰好滿足了調(diào)和高粘性物料的運(yùn)動(dòng)要求。

攪拌槳自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的關(guān)系，借助于機(jī)械原理中的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)導(dǎo)出，即

由上式可以看出，攪拌槳自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的速度差，由內(nèi)齒輪與行星輪齒數(shù)差決定。因內(nèi)齒輪齒數(shù)大于行星輪齒數(shù)，其自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速大于公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即攪拌的局部運(yùn)動(dòng)速度大于整體運(yùn)動(dòng)速度。計(jì)算時(shí)得出負(fù)值，表示自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)方向相反。

對(duì)于具有回轉(zhuǎn)容器的打蛋機(jī)來(lái)說(shuō)，其攪拌頭則是簡(jiǎn)單的定軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)容器回轉(zhuǎn)產(chǎn)生相對(duì)于攪拌槳的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而也能實(shí)現(xiàn)圖示的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）

攪拌槳 打蛋機(jī)的攪拌槳結(jié)構(gòu)根據(jù)被調(diào)和物料的性質(zhì)及工藝要求而定。攪拌槳有多種型式，通用性較廣的典型結(jié)構(gòu)有以下三種。

a稱為筐形攪拌槳，它是由不銹鋼絲組成筐形結(jié)構(gòu)，此類槳的強(qiáng)度鉸低，但易于造成液體湍動(dòng)，故而主要適用于工作阻力小的低粘度物料的攪拌(如稀蛋白液)。

b稱為拍形攪拌槳，它是由整體鑄鍛成球拍型。此類槳有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且作用面積較大，它與前述的錨柵式槳類似，主要適用于中等粘度物料的調(diào)和(如糖漿、蛋白漿等)。

（3）軸封：

由于攪拌頭位于容器之上，打蛋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、攪拌軸受隨機(jī)徑向偏載的影響易與其軸封間產(chǎn)生間隙變化、使得潤(rùn)滑油脂泄漏而污染容器內(nèi)的食品。因此，對(duì)攪拌頭的密封性要求很高，通?？刹捎孟率龃胧┛朔?。

a采用圈形間隙式結(jié)構(gòu)即把攪拌軸與行星轉(zhuǎn)臂機(jī)架的下端蓋安裝成—體。在機(jī)架下軸孔端部加工出一段凸緣，將其插入端蓋的凹腔之內(nèi)，并使兩側(cè)壁間存有一定間隙。當(dāng)間隙處含油后，利用液壓封閉防止泄漏。

b采用高可靠性的密封裝置如J型橡膠圈及機(jī)械密封等。不過(guò)采用J型圈密封的摩擦功耗較大，對(duì)軸有一定磨損，而用機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

c采用封閉軸承或含油軸承以減少潤(rùn)滑劑的加入量。

d采用耐高溫的食品機(jī)械潤(rùn)滑劑也可使泄漏得到改善。

c稱為鉤形攪拌槳，它多為整體鍛造成與容器側(cè)留相同的鉤形。此類槳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，借助于攪拌頭或回轉(zhuǎn)容器的運(yùn)動(dòng)，鉤形槳各點(diǎn)也能夠在容器內(nèi)形成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以它主要用于高粘度物料的調(diào)和(如面團(tuán)等)。

2、調(diào)和容器  立式打蛋機(jī)的調(diào)和容器通常也稱為“鍋”。它的結(jié)構(gòu)特征與攪拌機(jī)容器相似，即圓柱形桶身下接球形底。兩體焊接成形，或整體模壓成形，容器普遍為開(kāi)式結(jié)構(gòu)，近年來(lái)結(jié)合食品工藝的從些要求也發(fā)展有閉式結(jié)構(gòu)。

立式打蛋機(jī)容器的突出特點(diǎn)就是適應(yīng)于調(diào)制工藝的需要可隨時(shí)裝卸。通常在容器外壁焊有L型帶銷孔支板，用以同機(jī)架連接固定，容器的定位機(jī)構(gòu)一般采用間隙配合的兩個(gè)矩圓銷來(lái)實(shí)現(xiàn)，容器通常靠斜面壓塊壓緊支板來(lái)完成夾緊。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，由于壓塊3對(duì)支板2的作用斜面在容器1切線方向上，當(dāng)攪拌漿對(duì)物料做行星運(yùn)動(dòng)時(shí)，支板作用在壓塊上的攪拌主動(dòng)力方向不斷變化，這樣就有可能破壞由斜面構(gòu)成夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖狀態(tài)，引起容器振動(dòng)，顯然這種機(jī)構(gòu)具有一定的不足。當(dāng)攪拌力很大或設(shè)備使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)考慮增加壓緊力或摩接力的措施。比較可靠的夾緊型式是采用增加夾緊點(diǎn)的方案。即在設(shè)置上述夾緊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再在機(jī)器立柱上固定安裝一段限位支桿。當(dāng)攪拌容器在其絲桿螺母升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，升至工作位置時(shí)，限位支桿恰好抵壓在容器支板上。支桿的作用一方面對(duì)容器垂直方向的工作位置進(jìn)行了限制。

3、容器升降機(jī)構(gòu)  立式打蛋機(jī)通常設(shè)有容器升降機(jī)構(gòu)，它使得固定在機(jī)架上的容器可以做少量的升降移動(dòng)和定位自鎖，以適應(yīng)快速裝卸的操作要求。

典型的容器升降機(jī)構(gòu)如圖所示，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪1并由同軸凸輪2帶動(dòng)連桿3及滑塊4，使支架5沿機(jī)座6的燕尾導(dǎo)軌作垂直升降移動(dòng)，升降距離由凸輪的偏心距而定，一般約為65毫米。當(dāng)手輪順時(shí)針轉(zhuǎn)到凸輪的突出部分與定位銷8相碰時(shí)，即處在上極限位置此刻連桿軸線剛好低于凸輪曲柄軸線，這便使容器支架固定并自鎖在上極限位置處。平衡塊7通過(guò)滑塊銷軸產(chǎn)生向上的推力，目的是減緩升降時(shí)容器支架的重力作用。

有些立式打蛋機(jī)的升降機(jī)構(gòu)采用絲桿-螺母結(jié)構(gòu)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)絲扦旋轉(zhuǎn)。使螺母移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)容器的升降運(yùn)動(dòng)。

4、傳動(dòng)裝置  立式打蛋機(jī)的傳動(dòng)過(guò)程一般是電動(dòng)機(jī)把動(dòng)力經(jīng)一級(jí)皮帶減速傳至調(diào)速機(jī)構(gòu)，而后再由齒輪機(jī)構(gòu)變速、減速及改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使攪拌頭獲得轉(zhuǎn)矩。如圖所示為典型立式打蛋機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖。

打蛋機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，通常有無(wú)級(jí)變速和有級(jí)變速兩種類型。無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)，變速范圍寬，設(shè)備對(duì)操作工藝適應(yīng)性強(qiáng)，通用性廣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造維護(hù)較困難，設(shè)備成本高。有級(jí)變速機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)恰好相反。國(guó)產(chǎn)打蛋機(jī)絕大部分采用有級(jí)變速機(jī)構(gòu)。對(duì)作用單—的臺(tái)式打蛋機(jī)則通過(guò)雙速電機(jī)變速或不設(shè)變速機(jī)構(gòu)。

5、機(jī)座  打蛋機(jī)的機(jī)座承受攪拌操作的所有負(fù)載。由于攪拌器的高速行星運(yùn)動(dòng)，使機(jī)座受到交變偏心力矩和彎扭作用，并易引起振動(dòng)。為了保證機(jī)器具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，故需采用薄壁大斷面輪廓的鑄造箱體結(jié)構(gòu)。

立式打蛋機(jī)的典型有級(jí)變速機(jī)構(gòu)是由一對(duì)三聯(lián)齒輪滑塊組成，如圖所示。通過(guò)手動(dòng)撥叉，使不同齒效的齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)傳遞三種不同的速度。這已能夠滿足一般性食品攪拌工藝的操作要求。打蛋機(jī)在低速段的轉(zhuǎn)速通常在70轉(zhuǎn)／分左右，在中速段的轉(zhuǎn)速約為125轉(zhuǎn)／分，較高速為200轉(zhuǎn)／分以上。

國(guó)產(chǎn)打蛋機(jī)傳動(dòng)裝置的布置有兩種形式。一是如圖所示，由三根水平傳動(dòng)軸及五對(duì)齒輪構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，齒輪箱較大，構(gòu)件較多，但制造工藝精度要求低，維修調(diào)整方便。另一種是把圖中齒輪箱內(nèi)的n軸與m軸合為一根水平軸，這樣減少了一級(jí)傳動(dòng)，即減小了一根軸及一對(duì)齒輪，增加了齒輪間的轉(zhuǎn)速比，不過(guò)其水平軸較長(zhǎng)，剛度易降低，若采用兩點(diǎn)支承，則需考慮加粗軸徑；若采用三點(diǎn)支承，將給加工裝配帶來(lái)一定的復(fù)雜性。它的總成本要比第一種結(jié)構(gòu)低一些。