基于solidworks多功能搅拌装置设计与有限元分析
摘 要：在当今社会，由于人民群众的生活水平越来越高，对于健康的消费意识也越来越强，因此，在家中制作的纯天然、环保的食物已越来越多地被大众所接受。搅拌器是一种与健康有关的厨房小电器，因为它可以方便地生产水果和果汁，所以它越来越受到了人们的欢迎，最近几年，它的市场需求量一直在增加。为了满足人们对于高效搅拌机的需求，急需一款多功能高效搅拌装置。本文所设计的多功能搅拌装置能够实现快速搅拌，提高了人们的生活质量与食品安全水平。首先，对多功能混合器的主要组成和工作原理进行了详细的分析。然后，对多功能搅拌机的主要零件部件进行了设计及校核。分析计算了驱动电机、传动轴、轴承及键的型号并校核了强度。最后，对多功能搅拌机进行了采用有限元模拟和解析的方式对整机进行了3D造型和强度校核。通过对多功能搅拌装置的结构设计与分析，为搅拌装置的研发提供了技术依据与理论基础。
关键词：搅拌，电机，传动轴，仿真分析。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3技术特点 8
1.4课题研究的主要内容 8
1.5本章小结 8
第二章 多功能搅拌装置总体方案设计 9
2.1多功能搅拌装置方案设计 9
2.2多功能搅拌装置工作原理 13
2.3本章小结 13
第三章 多功能搅拌装置设计计算 14
3.1多功能搅拌装置工作参数设定 14
3.2多功能搅拌装置驱动电机选型计算 14
3.3搅拌轴强度计算校核 15
3.4搅拌轴键的强度计算 17
3.5搅拌轴承选型计算 17
3.6联轴器选型计算 18
3.7本章小结 19
第四章 多功能搅拌装置三维建模及有限元分析 20
4.1 总体结构设计 20
4.2 有限元理论基础 20
4.2.3有限元分析流程和软件介绍 21
4.3 传动轴有限元仿真分析 24
4.4 搅拌轴有限元仿真分析 25
4.5本章小结 27
结 论 28
参考文献 29
致谢 30
第一章绪论
1.1课题的背景及意义
在现在随着人们生活品质的不断提高，人们对于健康消费观念也越来越重视，越来越多的家庭开始选择自制绿色食品。搅拌机为家庭常用的厨房小家电，以便能更快捷地制作果蔬汁的特点，从而越来越受到人民的青睐，其家电市场需求量逐年不断增加。相关数据显示，2023年中国搅拌机市场销售量将突破1800万台，搅拌机行业具有极大的市场潜力[1]。
在大多数国家的国民经济中，食品产业都占据着第一或者第二的位置，它的产业产值巨大，而且规模庞大，在我国，它的产业排名仅次于机械制造业和纺织制造业。现代食品产业的发展，是限制其现代化程度的一个重要因素，而现代食品产业的发展，又离不开现代化的装备。饮食业的发展和饮食业的发展是紧密联系在一起的，一方面，饮食业的需求能够推动饮食业的发展，其次食品机械的发展可以为其提供支持。在食物产业和食物机器的发展过程中，相互依存的关系一直都是。食品加工生产能力的不断提高极大地对食品机械的发展起到了巨大的推动作用，随着对食品加工品质的持续提升，食品机械向高精度、高科技方向的发展也得到了巨大的推动，对传统的、特殊的食品行业的生产需求也得到了进一步的提升，从而促使了新型的食品机械的发展【2】。搅拌器不仅能直接用于成品的制造，而且还能与其他的工序结合起来，达到一定的加工要求。在食物的生产和制作中，搅拌器和搅拌器是一个必不可少的环节，对食物的味道有很大的影响。所以，在我国的食品生产中，如何提高搅拌机的生产效率是非常关键的问题。
随着搅拌机需求量的不断高速增长，在功能及形态等方面会不可避免的出现同质化现象[3]。，为了适应日益加剧的市场竞争，每一大品牌的搅拌机上都会对其颜色及造型进行改良，并通过各种形式的促销手段来促进消费者的购买行为，与此同时，每一台搅拌机上的品牌和型号数量也都会维持着一定的年增长速率。搅拌机产品因其具有利润高、入门门槛低等特性，使其型号数量众多、市场竞争激烈，消费者选购困难；目前市面上的产品更新速度快，因此各搅拌机品牌企业应当满足消费者更多的生活需求及场景设计开发多功能搅拌机产品，打破产品同质化现状，从市场上脱颖而出[3]。
综上所述，设计一款多功能搅拌机对于提升居民食品安全及生活质量具有重要的意义。
1.2国内外研究现状
拌料用食品搅拌机的功能是以一种或多种物质作为主料，加入粉剂（如盐、鸡精等）、酱料（如香油）、其他调味品作为辅料调和，并将主料和辅料进行搅拌，使之达到均衡。这是一种混合机械，但与普通的混合机械不同，其混合的材料并不只是粉末或者粉末。它的构造大多是水平的，形状与水平的螺旋桨皮带式混合机相似，但它所使用的搅拌器又与水平的螺旋桨皮带式混合机不同。
针对于饲料的混合问题在1975年，来自于意大利的聂哥拉公司的研究团队[5]制造出卧式混合饲料机，其原理是把搅拌设备与粉碎机相组合。在实际生产过程中每小时可产3 00-2000公斤不等的饲料。
20世纪九十年代末期，美、日等国家的大批研究学者对饲料搅拌机进行了专项研究。他们不再从搅拌结构本身出发进行单一因素的改进，而是从搅拌物料的物理特性分析入手，分析物料的三维尺寸、密度、粘附特性、堆积角等因素对饲料混合过程的影响程度，同时还对搅拌均匀度、颗粒度等可对饲料搅拌机进行评价标的指标进行了研究。2012年，John对混合饲料中的粉体颗粒物料进行了分析，发现饲料搅拌机的搅拌效果与物料的三维尺寸、饲料搅拌机的大小及搅拌机关键部件的大小都有着密不可分的联系。通过试验发现，当饲料混合机较大而搅拌物料体积较小时，搅拌速度的影响程度大于搅拌时间的影响程度。
针对于饲料搅拌机的研究，我国农机院畜禽机械研究所在1979年研究出9J1,-1型立式搅拌机。这款搅拌机可进行批量混合饲料，其结构大部分由立螺旋、撒料板、锥筒、内外圆筒、下圆筒及机架来进行组成。搅拌机的混合关键部件主要是立螺旋与撒料板组合成的转子起到混合作用，而内外圆筒及锥筒主要用来承载物料。混合饲料时，将要混合的饲料一次从进料口倒入，搅拌开始时，立螺旋把落在锥筒内部的饲料进行上提，通过撒料板向四周抛洒自然下落到锥筒底部，如此往复运动到饲料完全混合从出料口全部倒出。这款由我国自主研发的饲料搅拌机结构简单、操作方便、制造成本小、能耗少，在饲料混合的过程中很大程度上提高了生产效率。
1985年，中国农业机械化科学研究院和石家庄农机厂针对饲料搅拌机设备在搅拌过程中内圆筒与锥筒面连接处发生结拱这一问题进行了研究与改进，其方法是在改进物料提升、物料搅拌段中搅拌龙的直径的同时在内圆筒与锥面处加一个叶片。这样的改进方法不仅可以减少饲料的搅拌时间增加物料的搅拌次数，还减少了搅拌筒内物料因停留而产生结拱的状况。
1998年，郝英奇等对9SJD-500型立式饲料搅拌设备工作过程中存在料斗中饲料残留量大这一问题进行研究，他们对立式搅拌机增加了圆盘式喂入器装置及双螺旋的设计，该装置可以在饲料搅拌机过程中强制填入饲料，以破坏搅拌过程中的离心作用力产生的副作用，从而增加了搅拌过程中提升饲料的量，在解决了料筒内的残留饲料问题的同时还提高了饲料的搅拌效率。
2008年，王德福等为获得全日式饲料搅拌机结构与工艺参数间的数学关系，他们从饲料搅拌机的工作原理入手进行研究分析，经过大量的参数试验组合，最终获得最优参数组合。2015年，金伟亮等对螺旋带式饲料搅拌机进行研究，从螺带式搅拌机的运动特性分析入手，分析其搅拌过程中物料颗粒的运动状态用来确定搅拌机各关键部件的参数取值。依据取值范围进行三维建模并进行受力及搅拌过程仿真分析，最终获得最优方案组合。
随着智能机械化装备的不断推广，2018年，李富国等在以达到搅拌均匀度的前提下，从饲料搅拌机的智能控制出发进行设计与改进，采用Kei1C51软件对饲料搅拌机进行控制，与搅拌机改进后装有的传感器、信号采集系统、LED显示器、继电器等进行结合，在实现饲料搅拌过程中自动投料的同时还能对生产过程中饲料的传输、排放、满载状态、空料状态进行提示。
在我国学者的不断努力下，饲料搅拌机的研究取得了很大进展。我国学者不但能从搅拌机的结构及物料的运动特性等因素进行研究，随着科技的不断创新发展，我国学者把智能化新技术也应用到了饲料搅拌机领域，在解放劳动力的同时也让劳动者感受到了科技的力量。但针对于育秧土搅拌来说，现有的饲料搅拌机多以粉碎与搅拌相结合的功能进行饲料的混合，与育秧土搅拌机仅以混合为目的的工作目标出发有所出入，对于配方玉米育秧土的搅拌需要根据育秧场地移动位置，饲料搅拌机外形较大，相对来说比较困难，需要更多的人力辅助，而且消耗功率很大，不符合国家提倡的节约型生产要求。所以，应用在配方玉米育秧土方面还需要在结构设计上进一步改良。
国内外学者对于家用搅拌机的研究较少，对于家用榨汁机的研究较多，由于榨汁机与搅拌机工作原理相同，因此，文章综述了目前国内和国外对该产品的研制情况。榨汁机是利用机械的方法，将果蔬压榨或搅拌成果汁，旨在让消费者的双手得到自由，同时也能满足他们对于营养健康和提倡个性化口味的需要，从而提高他们的生活质量。现代榨汁机产品的历史最早可以追溯到上世纪三十年代[5]。
最早在1930年，美国著名医学博士诺曼·沃克设计发明了世界上第一款榨汁机-诺瓦克牌榨汁机，因而被世人所熟知，被誉为“活性果汁之父”。产品采用高转速刀网对果蔬进行切割研磨的榨汁方式，整体出汁率不高[6]。
（1）人们发明了世界上首台“冠军”型的果汁压榨机。该产品可以对不同种类及软硬的果蔬进行机械化榨汁处理，适用范围较广，其内部高转速的刀网与果汁频繁接触摩擦，对其中果汁的部分营养元素具有一定的破坏作用[7]。
（2）外星人榨汁机是菲利普嘶塔克(Philippe Starck)在1990年为意大利著名品牌Alessi设计的产品，己成为榨汁机产品设计中的经典[8]。它在造型，材料，色彩等方面都与人们所熟知的厨具有很大的区别，整体风格简洁，清新，精致。本机在顶端设有一条螺形沟道，将切割好的鲜果，用手按在上面，向两边旋转，果汁便会沿著顶端的螺形沟道流入装在玻璃杯里。此款搅拌器从上世纪90年代开始投放市场到现在仍在设计商店里畅销。
参考文献
[1]李晓艳,吴建伟,张何.基于SolidWorks平台的玉米榨汁机设计[J].轻纺工业与技术,2020,49(11):14-16.
[2]周芸.榨汁机专利技术发展历程研究[J].大众标准化,2020(14):93-94.
[3] 黄子康,赵通,汲玉同,王萌萌.一种甘蔗榨汁机的设计[J].内燃机与配件,2020(09):226-227.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2020.09.115.
[4] 郭瑞轩,赵新军.基于TRIZ理论的家用果蔬榨汁机发展分析[J].科技创新与品牌,2017(07):70-72.
[5]鲁亚云.榨汁机的结构设计和分析[J].食品工业,2020,41(04):184-188.
[6] 徐梦媛,鲁玉军,唐曹丹,胡小勇.基于TRIZ理论的便捷式榨汁机优化设计[J].轻工机械,2020,38(02):77-83.
[7]朱华杰, 无线充电便携式果汁机. 浙江省,浙江百力科技有限公司,2019-12-05.
[8]许友强. 基于FAST法的家用榨汁机功能设计研究[D].华南理工大学,2019.
[9]刘丁丁,时强盛,刘世豪.辊压式甘蔗榨汁机的结构设计与分析[J].食品工业,2019,40(05):247-250.
[10]田波,何曙.家用果汁机性能比较试验研究——以榨汁机与原汁机为例[J].质量与标准化,2019(02):51-54.
[11]钱月建. 基于人机工程学的螺旋榨汁机设计[D].天津科技大学,2018.
[12]胡智元. 新型水果榨汁机定位关键技术研究[D].江西理工大学,2018.
[13]惠为东.基于NX的新型甘蔗榨汁机设计与建模[J].河北农机,2017(11):60+62.DOI:10.15989/j.cnki.hbnjzzs.2017.11.046.
[14] Shaowu Yuchi Henry,Roshan Joseph V.,Jeff Wu C. F.. Design and Analysis of Multifidelity Finite Element Simulations[J]. J. Mech. Des,2023,145(6).
[15] Mohamed Mahmoud H.,Ahmed Mohd,Mallick Javed,AlQadhi Saeed. Finite Element Modeling of the Soil-Nailing Process in Nailed-Soil Slopes[J]. Applied Sciences,2023,13(4).
