用于浆果微波泡沫干燥的打浆起泡机研制

王宏业，郑先哲，高晓臣，孙 宇

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

黑加仑、蓝莓等浆果是营养价值高、风味独特、市场认知度高的水果，采集时间集中在每年的7～8月份，鲜果易腐烂难以长期贮藏，干制是延长其保存期的有效方法之一。泡沫干燥（Foam mat drying）技术适用于热敏性强、黏性大和含糖量高的食品物料干燥加工[1－2]，微波干燥具有热效率高、干燥温度低等优点，微波辅助泡沫干燥方法可高效优质地加工出浆果果浆脱水制品[3]。

浆果果浆微波辅助泡沫干燥的工艺流程为：原料→去杂、拣选→清洗→沥水→破碎、打浆→添加起泡剂、稳定剂→搅拌起泡→微波干燥→磨粉→成品贮存[3]，但目前并没有相应的加工设备，针对此问题，设计了的一种浆果打浆起泡机，该机可为浆果微波干燥提供预泡沫化物料，将其与连续带式微波干燥机配套使用，可实现浆果微波泡沫联合干燥流水线式生产。

1 机构设计要求

基于浆果果浆微波辅助泡沫干燥的工艺流程，拟设计的浆果打浆起泡机中应能完成浆果破碎、打浆、添加起泡剂、稳定剂与搅拌起泡等工艺流程，并能将起泡的浆果物料平铺于连续带式微波干燥设备的输送带上。本机主要由料罐、搅拌装置、出料装置、物料输送机构、挡板和机架等组成，如图1所示。在料罐盖上设置进料口，安装搅拌装置，料罐底部安装出料装置总成，出料管由链传动机构带动，在连续带式微波干燥机的输送带上方左右移动，物料在挡板的作用下更加平整，厚度均匀。该机与物料接触部分均采用不锈钢材料制造，整机具有严格的密封性，符合食品加工卫生要求。

2 整机结构

2.1 料罐总成

料罐的作用是为物料搅拌提供合适的空间，设计选用304不锈钢板焊接而成，为避免料罐在工作过程中出现死角区域，将料罐底部设计成锥形。本机设计最大生产量为每次处理黑加仑浆果25 kg，料罐体积0.06 m3，料罐直臂部分半径210 mm。料罐盖通过螺栓固定在料罐上部的法兰盘上，料罐盖上共设置4个进料口，方便向料罐内加入物料。料罐底部配装出料装置以满足出料要求。

图1 浆果打浆起泡机结构Fig.1 Structure of berries pulping and foaming machine

2.2 搅拌装置

搅拌装置是本机的核心工作部件，其功能是完成浆果的破碎打浆、搅拌起泡作业工序。搅拌器采用类似于推进式的三叶片结构，每个叶片长130mm。物料由桨叶上方吸入，下方以圆筒状螺旋形排出，物料至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形成轴向流动，循环能力强，同时在高速旋转时具有破碎的作用，设计搅拌效果如图2所示。

图2 搅拌效果Fig.2 Stiring effect

为增强搅拌器的对浆果的破碎作用，在每个桨叶的边缘均开有刃口，各桨叶的中心线相隔120°，在铅垂方向上相隔3 mm焊接在搅拌器套筒上。搅拌器结构如图3所示。

图3 搅拌器结构Fig.3 Structure of mixer

为满足果浆的卫生安全要求，本机料罐内部不宜设置中间轴承，设计采用悬臂轴结构，搅拌轴材料选用2Cr13，调质处理。搅拌轴通过轴承座安装在电机支架的后立板上，轴上部与立式安装的电动机直连，焊接搅拌器的套筒安装在搅拌轴底部。除搅拌器套筒外，另安装2个调位套筒，改变搅拌器套筒与调位套筒位置，可调整搅拌器距离底面高度。

2.3 出料装置总成

出料装置由阀门上部连接管，出料阀门，阀门下部连接管与出料管组成。设计选用不锈钢球阀作为出料阀门，阀门两侧均为内螺纹连接方式，因此根据阀门的螺纹尺寸，配做一外螺纹管焊接在料罐底部中心位置，出料球阀便可通过螺纹旋紧与料罐相连（见图4）。

图4 电机支架结构Fig.4 Structure of motor stents

阀门下部应与出料管相连，但出料阀门的下部仍为内螺纹，所以根据阀门螺纹的尺寸，配做一出料阀门下部连接管，如图5所示，连接管的上部为与阀门旋合的外螺纹，管的下部制造成有一定的锥度，以使出料管能较紧的安装在其上，不易脱落。

图5 出料阀门下部连接管结构Fig.5 Structure of connect pipe below discharge valve

2.4 物料输送机构

物料输送机构是本机的另一重要工作部件，应使铺于带式微波干燥机的输送带上的物料均匀，厚度一致。设计使出料管与链条固定在一起，在运动过程中，要求出料管喷头始终处于链条下方，在链轮正转时，出料管由链条带动，从右侧设定位置运动到左侧设定位置；然后链轮反转，出料管由左侧设定位置运动回到原位，反复循环。

为能完成上述工艺流程，链轮采用步进电机驱动。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就准确地转动一个角度。步进电机控制控制系统原理见图6。

图6 步进电机控制系统原理Fig.6 Principle of stepper motor control system

步进电机是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生，选择美国Atmel公司AVR系列单片机中的ATmega16作为控制系统的微控制器。复位电路可确保工作程序受干扰时恢复正常运行，本系统选用典型的复位芯片MAX706，在系统上电、掉电、复位按键按下以及电源电压降低的情况下，复位比较器能够保证输出准确可靠的复位信号。键盘设计采用三个12*12型按键，包括微控制器复位键、开始键、停止键。控制系统选用LCM12864ZK液晶显示模块作为人机交互的界面，显示系统当前运行的步骤次序、运行时间、故障类型（有故障时）等。本机只需控制步进电机正反转动角度与转速即可实现要求的工艺过程。

2.5 挡板

物料由出料管流出，链条带动出料管，在微波干燥机输送带上方左右移动，使物料铺于输送带上，与此同时，干燥机的输送带（带宽400 mm）同时向前运动，两者同步运动必定造成铺于输送带上的物料厚度不一致，为此，在出料管后方安装挡板（如图7所示），物料在挡板的作用下趋于均匀，且厚度一致，平铺效果较理想，可以满足微波干燥要求。

图7 挡板结构Fig.7 Structure of baffle

2.6 机架

机架的作用是支撑起整机结构并为上料机构留有足够的安装空间。要求机架结构强度大，刚性好，稳定性高，在满足上述要求的前提下，还要使外形美观。

本设计的机架采用热轧槽钢焊接而成，如图8～9所示，机架高445 mm，为保证整机的平稳性，结合本机的结构特点，将左右支腿分别向外侧倾斜15°，并在中间焊接热轧角钢使之成为一体。

图8 机架结构Fig.8 Structure of frame

图9 实物照片Fig.9 Physical figure

3 性能验证实验

所设计的浆果打浆起泡机以25 kg黑加仑为物料，在东北农业大学农产品加工与贮藏实验室进行了性能验证试验，搅拌器转速为1 700 r·min－1时，13 min可将黑加仑鲜果破碎成果浆，加入按比例配制好的起泡剂与稳定剂，搅拌7 min果浆密度为580 kg·m－（3泡沫果浆的密度在200～600 kg·m－3范围内适合进行泡沫干燥[9）]，物料密度符合干燥要求。物料处理完成后，步进电机转速为10 r·min－1带动出料管运动时，物料平铺效果较理想。结果表明，所研制的机器运动符合设计要求，机构运行可靠，满足生产要求。

4 结论

a.所设计的浆果打浆起泡机经实验验证，满足生产要求，机构运行可靠，整机具有严格的密封性，与物料接触部分均采用不锈钢材料制造，符合食品加工要求。

b.由单片机控制步进电机驱动物料输送机构，集机电于一体，大大简化了物料输送机构，并使其具有更高的运动精度。

c.该机实现多项作业流程一机完成，能够满足浆果微波辅助泡沫干燥工艺流程的要求，可与连续带式微波干燥机配套使用实现浆果微波辅助泡沫干燥流水线式生产，具有很好的应用推广价值。

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