臺式多功能攪拌裝置設(shè)計

譚宇鵬　李姝蓓　孟燦　任羽佳　李佳彤　王玲

【摘 要】本課題對目前實驗室攪拌裝置進行了創(chuàng)新和改造，實現(xiàn)了攪拌、搖晃、振蕩、分離、調(diào)速多功能一體化，增強了技術(shù)人員對攪拌的可操控性，同時也使得試驗樣品攪拌更加充分，為后續(xù)實驗帶來益處。

【關(guān)鍵詞】攪拌器；多功能；機械

一、研究背景

攪拌作為過程工業(yè)的基礎(chǔ)單元操作，也是重要環(huán)節(jié)，被廣泛用于化工 、石油化工、醫(yī)藥、食品 、生化、化妝品、膠粘劑 、印刷油墨 、油漆、涂料等工業(yè)，其過程就是在流動場中進行動量傳遞或是包括動量、熱量、質(zhì)量傳遞及化學(xué)反應(yīng)的過程，攪拌原理涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)等多種過程。而在傳統(tǒng)科研、教學(xué)實驗室研究當(dāng)中攪拌也發(fā)揮著重要作用，尤其在化工、物理等方面。本課題主要針對科研及教學(xué)小型實驗過程中攪拌裝置的研究。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在一般實驗中雖然攪拌應(yīng)運時間長，應(yīng)用范圍廣泛，但是針對攪拌操作的研究卻遠遠缺乏。常見實驗室攪拌有人工攪拌、磁力攪拌、機械攪拌三種方式，但攪拌操作所涉及的因素極為復(fù)雜，攪拌的樣品的物性千差萬別，攪拌的目的也不盡相同，攪拌設(shè)備形式多種多樣，如何合理正確地選擇攪拌方式都沒有一個嚴密的理論指導(dǎo)，在很大程度上仍依賴于經(jīng)驗，而且不同的攪拌方式其攪拌效果也不同，這樣就對攪拌后的樣品在進行下一個實驗工段產(chǎn)生實驗影響，而這種影響對實驗結(jié)果不可避免的會產(chǎn)生誤差，為后續(xù)實驗數(shù)據(jù)分析帶來不必要的影響。特別是近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，攪拌器和攪拌容器獲得飛速發(fā)展的同時， 正面臨著必須滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對環(huán)境保護要求的嚴峻挑戰(zhàn)，與此同時，化工、高分子等的實驗室研究對攪拌操作的要求越來越高，攪拌的物料也呈現(xiàn)出復(fù)雜性，不再是低黏度的牛頓流體，高黏度、變黏度的流體也經(jīng)常碰到。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)機械攪拌在實驗中占據(jù)著重要的地位，其在實驗攪拌過程中應(yīng)運最為頻繁，因而本課題主要對近幾年來機械攪拌器的研究熱點進行了分析、歸納。

二、研究操作

本課題對傳統(tǒng)實驗室攪拌裝置改進設(shè)計主要包括三大方面，分別為：結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計、多功能設(shè)計和宜人外觀設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化設(shè)計，有動力設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊安排與可拆卸組合；功能方案設(shè)計為單機多種功能，包含攪拌、分離、搖晃、振蕩和調(diào)速五種工作方式，設(shè)計為雙方向工作，可以順時針方向旋轉(zhuǎn)，也可以逆時針方向運行。采用無極變速調(diào)節(jié)，速度分為低速、中速和高速，采用無極變速調(diào)節(jié)方式；外觀設(shè)計包括兩個方案，一個是仿生設(shè)計方案，一個是具有現(xiàn)代感的流線型設(shè)計方案，美觀大方。接下來對以上三大結(jié)構(gòu)設(shè)計進行較為詳細說明。

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要為動力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)置與可拆卸設(shè)計。其中動力系統(tǒng)分為上下兩個部分：上部分控制攪拌棒與旋轉(zhuǎn)分離；下部分實現(xiàn)震蕩與偏心搖擺。工作原理具體是依靠電動機提供動力，設(shè)計為雙方向轉(zhuǎn)動，固定在支架和主體上，由調(diào)速器調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)動快慢。設(shè)備上端攪拌棒與電動機相連，當(dāng)接通電源后，電動機就帶動攪拌棒轉(zhuǎn)動而進行攪拌。設(shè)備下端旋轉(zhuǎn)裝置與電動機相連，當(dāng)接通電源后，電動機就帶動旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動，可拆卸的凸起設(shè)計，可以實現(xiàn)搖晃、震動與旋轉(zhuǎn)功能，調(diào)速器主要由壓緊的主動輪裝置、摩檫傳動機構(gòu)、調(diào)速控制機構(gòu)組成。工作頭可以更換。攪拌棒置于轉(zhuǎn)軸下端的攪拌棒夾具中，擰緊夾具的旋紐。使攪拌棒與瓶口垂直，并處在瓶口中心， 再行調(diào)節(jié)它們的高度，再將攪拌導(dǎo)管套入瓶口中。置于轉(zhuǎn)軸下端的攪拌棒夾具拆卸，可以安裝搖瓶夾具，調(diào)節(jié)距離，攪拌棒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)搖瓶功能，根據(jù)需要，調(diào)節(jié)速度，可以實現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)到高速離心分離功能變速范圍大，變速比為1：5；調(diào)速精度為1-0.5轉(zhuǎn)；同軸結(jié)構(gòu)：輸入軸、輸出軸同向旋轉(zhuǎn)；調(diào)定的轉(zhuǎn)速恒定。結(jié)構(gòu)設(shè)置緊湊合理，優(yōu)化可操作空間，攪拌棒可拆卸和更換，托盤上容器可以更換。

（二）功能設(shè)計：為單機多種功能，包含攪拌、分離、搖晃、調(diào)速和振蕩五種工作方式，動力部分的電動機，設(shè)計為雙方向工作，可以順時針方向旋轉(zhuǎn)，也可以逆時針方向運行；速度分為低速、中速和高速，采用無極變速調(diào)節(jié)方式。

（三）外觀設(shè)計：注重本設(shè)備與實驗室周圍環(huán)境的和諧性、使用的人性化及操作符合人機工程學(xué)。方案一：以裝甲車形態(tài)的仿生形態(tài)設(shè)計。寓意深刻，以全新的理念，實用的功能，開拓市場，打造一片新天地。將瓶頸裝在夾子里，固定好，打開旋鈕，實現(xiàn)低速搖勻和高速分離；位于下端的托盤，可實現(xiàn)偏心旋轉(zhuǎn)和無極變速震蕩；側(cè)面配有工具箱。該方案造型以直線型為主，倡導(dǎo)勇往直前，新穎別致，綠色設(shè)計，“工具效果”強。方案二：現(xiàn)代感流線型設(shè)計。外觀設(shè)計為流線型，形態(tài)可人，美觀大方，色彩溫和，質(zhì)感好，富有親和力，“裝飾效果”強。

三、實驗室應(yīng)用前景分析

攪拌器是物理實驗、化學(xué)實驗和生物實驗過程中必不可少的常用儀器之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。攪拌器不僅在實驗室中應(yīng)用，在很多企業(yè)和行業(yè)中，也得到廣泛應(yīng)用。涉及到混合物料問題企業(yè)和行業(yè)，都需要借助攪拌器來實現(xiàn)其充分的混合。攪拌作為過程工業(yè)的基礎(chǔ)單元操作，被廣泛用于化工、石油化工、醫(yī)藥、食品、生化、化妝品、膠粘劑、印刷油墨、油漆、涂料等工業(yè)，市場面寬，應(yīng)用領(lǐng)域多。從資源的最合理利用方面的最新發(fā)展，主要是針對高黏度物料攪拌器和新型攪拌槳葉的發(fā)展，多功能攪拌器和攪拌過程的自動化未來的發(fā)展，相比磁力攪拌，更具有很好的應(yīng)用前景。本項目研究產(chǎn)品實為科研單位、大專院校、石油、化工、醫(yī)療等實驗及小型生產(chǎn)單位的理想攪拌工具。

四、結(jié)論

本課題研究的實驗室多功能攪拌裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，緊湊，很好的將理論與實踐結(jié)合起來，使實驗室攪拌裝置實現(xiàn)一機多功能化，減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)約資金，符合當(dāng)下“節(jié)能減排”這一環(huán)保理念。在實際應(yīng)用中本裝置設(shè)計體積小，重量輕，便于安裝和固定，減少占用空間，設(shè)備工作性能穩(wěn)定，運行平穩(wěn)、噪音低，有LED顯示功能，相信可以大規(guī)模進行應(yīng)運。