2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统设计毕业论文.doc

科技大学本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 专 业 学生姓名 班级学号 指导教师 二零一六年六月科技大学本科毕业论文2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统设计Design of 2L liquid cylinder sterilization production line material system摘 要本上料系统是针对筒式高温动态蒸汽灭菌而设计的，目的是将液体瓶连续有序动态的送入灭菌主筒内进行灭菌。高温蒸汽灭菌是食品，药品等产品消毒的最有效的方式之一，目前得到较普遍的应用，类似的设备比如有：高温灭菌箱，高温灭菌柜等。液体瓶筒式灭菌上料系统是整个筒式高温蒸汽灭菌系统的开始部分，这对整个灭菌流程的效率和灭菌效果有非常重要的影响，关系到后续灭菌的效率和产品卫生品质。因此设计的2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统，需要解决的问题是：自动上料和连续上料。关键字：高温筒式灭菌；自动连续；上料系统 AbstractMost of the sterilization is the use of the drug powder static, steam dynamic method, this method sterilization effect is general, the efficiency is not high, the safety can not be fully guaranteed. How to realize the continuous dynamic and steam dynamic sterilization is the priority in the field of high temperature steam sterilization. How to encapsulate the good product in the material sterilization, how to guarantee the sterilization efficiency of the product is getting higher and higher attention.本上料系统是针对筒式高温动态蒸汽灭菌而设计的，目的是将液体瓶连续有序动态的送入灭菌主筒内进行灭菌。高温蒸汽灭菌是食品，药品等产品消毒的最有效的方式之一，目前得到较普遍的应用，类似的设备比如有：高温灭菌箱，高温灭菌柜等。液体瓶筒式灭菌上料系统是整个筒式高温蒸汽灭菌系统的开始部分，这对整个灭菌流程的效率和灭菌效果有非常重要的影响，关系到后续灭菌的效率和产品卫生品质。因此设计的2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统，需要解决的问题是：自动上料和连续上料。The feeding system is designed for the high temperature steam sterilization, the purpose is to feed the liquid bottle into the sterilization main tube in order to sterilization. High temperature steam sterilization is one of the most effective way for food, medicine and other disinfection, and is now widely used, such as: high temperature sterilization box, high temperature sterilization cabinet, etc. Liquid bottle tube type sterilization system is part of the tube type high temperature steam sterilization system, which has very important influence on the sterilization process efficiency and sterilization effect in relation to subsequent sterilization efficiency and hygienic quality of product. Therefore, the design of 2L liquid bottle tube sterilization production line system, the need to address the problem is: automatic feeding and continuous feeding.关键字：高温筒式灭菌 自动 连续 上料系统Keywords: high temperature canister sterilization； automatic continuous； feeding system目 录 第一章 绪论1 1.1 引言11.2 国内外灭菌设备研究现状1 1.2.1 国外灭菌研究现状1 1.2.2 我国灭菌研究情况11.3 课题的目的和意义21.4 本课题主要研究内容2第二章 2L液体瓶筒式灭菌生产线的总体设计与相关计算32.1 筒式灭菌生产线的总体设计32.2 筒式灭菌生产线的相关计算4 2.2.1 电机5 2.2.2 输送架6 2.2.3 输送带7 2.2.4 轴承与托辊7 2.2.5 滚筒8第三章 2L液体瓶筒式灭菌生产线的上料系统与相关计算93.1灭菌生产线上料系统10 3.1.1 上料输送和推料11 3.1.2 进料123.2灭菌生产线上料系统相关计算13 3.2.1 上料电液推杆14 3.2.2 链轮和链轴14 3.2.3 灭菌时间14第四章 2L液体瓶筒式灭菌生产线的上料系统的结构设计174.1底座与上料架184.2 装瓶器19第五章 总结与展望205.1总结与展望215.2论文成果22第六章 致谢23参考文献24附录25第一章 绪论 1.1 引言随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的生产上料装备远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保证生产的可靠性,安全性，降低生产成本，减少环境污染，提高产品的质量及经济效益是企业生产所必须面对的重大问题。灭菌生产线上料系统作为对产品高温灭菌开始的重要一环，对产品后续的质量及生产效率有极大的影响，所以基于现有的理论基础和生产实践设备，研究新的上料系统的方法，提出更好的上料系统方案或者优化一套上料系统，会有较大的价值和意义。1.2 国内外灭菌设备研究现状1.2.1 国外灭菌研究现状国外灭菌生产线自动上料系统已经很成熟，因为发展起步较早，发展周期长，而且灭菌方法多，自动化程度很高1。欧美等发达国家对食品安全问题观念更加重视，他们的灭菌技术也更高，设备也更完善4。其中以法国ACB公司的灭菌设备最为先进，目前要达到类似的程度，国内还需要引进更多的相关技术和投入更多的资金和研究人员。1.2.2 我国灭菌研究情况目前，国内大部分生物制药产品、医药产品及中药产品的消毒灭菌仍采用间歇式过热灭菌的方法，以保证其特殊的用途及安全性。但如前文所述，其灭菌过程中一直沿用着“药物粉粒静态、蒸汽动态”的方法，弊端在于技术可靠性差、灭菌效率低，工人劳动强度较大，卫生安全不稳定，且资源利用率低2。但目前国内的灭菌生产设备发展速度较快，提高潜力大，随着越来越多相关技术的进步，灭菌领域有望实现质的飞越7。1.3 课题的目的和意义近几年，我国综合实力逐步增强，人民生活水平有很大的提高，但还是有许多食品药品行业出现产品卫生安全不达标，设备陈旧，消毒技术水平低等现象8。因此，国家食品药品监督管理局对食品药品出台了越来越完善和严格的法律，用来规范食品药品的卫生安全3。所以，灭菌生产设备作为食品生产安全的重要组成部分，对消费者健康和企业的发展有很大的意义，研究一种上料系统，使上料更有效率，使设备更加自动化。 1.4 本课题主要研究内容根据总体设计的要求，进行上料系统和输送系统的设计。保证输送系统在输送过程中，不会对料本身造成损坏，影响产品质量。上料系统要能实现准确有序自动上料，有节拍控制5。首先查阅与高温蒸汽灭菌相关的知识和生产装备，了解最新的研究现状，分析其中产品的上料方法6。然后根据查阅的知识和资料提出总的上料系统的设计方案，根据总体方案，细化各个部分的组成，进行各部分零部件的尺寸的计算和建模，最后进行组装和测试分析，对必要部分进行强度分析和校核。第2章 2L液体瓶筒式灭菌生产线的总体设计与相关计算2.1 筒式灭菌生产线的总体设计整个筒式灭菌生产线系统的设计主要从两大方面考虑的，即生产效率和灭菌效果。为了提高生产效率就要保证整个系统的有效运转，所以需要系统是动态的连续的运行；为了达到较好的灭菌效果就要保证灭菌系统温度和蒸汽的可调。温度过高和蒸汽过量都会损害产品的质量，温度过低和蒸汽不足会达不到对产品的充分灭菌。整个筒式灭菌生产线系统设计分为：上料系统、灭菌系统、下料系统和控制系统。上料系包括：上料输送、推料、进料；灭菌系统是一个链条传输的循环系统，包括：链条输送、支撑架和灭菌主筒；下料系统包括：推料和下料输送。控制系统包括：电源控制、节拍控制和温度和蒸汽控制等。整个系统的总体设计效果如下图2.1.1所示。图2-1 灭菌系统总体三维建模图图2-2 方案内部主视图图2-3 方案俯视图整个系统运转过程简述如下：首先打开控制系统，设备运行正常。将液体瓶放到上料系统的输送带上，被输送到指定的上料位置，上料系统的推料机构运作将液体瓶推到灭菌系统的输送链条上，输送进灭菌系统的灭菌主筒内，此时观察主筒内的温度和蒸汽，利用控制系统的温度和蒸汽控制将主筒内的温度和蒸汽调节到合理的范围内，液体瓶在灭菌系统内进行动态连续的运行足够的时间后，被链条传输到指定的下料位置，下料系统的推杆机构运作将液体瓶推到下料系统的输送带上，输送到指定位置，整个系统如此连续动态循环不断78。2.2 筒式灭菌生产线的相关计算2.2.1 输送电机因为上料输送带和上料输送链的运行是歇规律停转的，根据其特点确定选用的电机是步进电机。上料输送电机的功率选择：满载的情况下整个输送带承载的液体瓶质量：m=27x4x2=216kg；已知上料输送带的带速：v=60mm/s；滚筒所承受压力为F5=160N，拉力F=0.15xF5=24N,最大计算功率P=Fv=24x0.06=1.44KW，输送带是恒定负载连续方式，那么所需电机的功率P1=p/n1n2=1.44/0.9x0.862=1.85KW；查表得，n1为机械效率取极大值，n2电机的传动效率，则选择步进电机的功率为2.2KW，选择转速为750r/min10。因为主动滚筒的外径为D=200mm,正常情况下应保证滚筒与输送带不打滑，则传动滚筒的线速度应等于输送带的速度，即v1=v=240mm/s，由，不含液力耦合器则滑差s=0，链传动或者v带传动的减速比取 ，n=750r/min那么计算的减速器的传动比i=1.96，传动滚筒的速度为： 382r/min综上所述：选择的步进电机的功率为2.2KW，转速为750r/min，电压为380V14。2.2.2 输送架输送架是由槽钢焊接而成，选用的是10#槽钢，其中h=100，b=48，d=5.315。架高719mm,架内宽1304mm,架子高度是根据装瓶器口中心距离地面高度确定的，架子内宽是根据四个瓶子首尾连接的长度，每个瓶子高度300mm x4个=1200mm来确定的。图2-4 输送架三维建模图图2-5 槽钢剖面示意图输送架头部的导瓶槽是由厚10mm的钢板焊接在挡板架子上，高度为80mm（上方和挡板架子高度重合）两板间距为110mm，瓶子底部直径为100mm，共四组，每组间隔为266.1mm，根据装瓶器间隔确定。另外在架子上方还焊接有挡板，板厚10mm，高度为100mm长度为6100mm。挡板作用是防止液体瓶从上料输送架两侧面滑出传送带外。2.2.3输送带的设计输送带厚度为10mm，带宽为1284mm，表面带有分隔板，板厚10mm，板高为30mm,间隔距离为266.1mm。如图2.2.3所示为部分输送带截面图。图2-6 输送带截面图间隔距离是根据相邻装瓶器口中心间距离确定的。表面分隔板板的作用是约束液体瓶的位置，使液体瓶四个一组，不会滚动或者移动。材料为钢丝绳芯，具有强度高，伸长量小，减少拉紧行程，弹性模量较高，能快速传播张力的优点12。因为传输的液体瓶质量较大，同时电液推杆上料时候对输送带的张力要求较高，尽量减少输送带的伸长量。具体的钢丝绳芯输送带型号表示如下： 16.5m DIN 22131 PH 1284 St 1600 5T/5 X16.5m，长度；DIN 22131，运用标准；PH，制造商缩写；1284，上料输送带的宽度，mm；St，骨架材料为钢丝绳；1600，是输送带最小抗拉强度，N/mm；7，上覆盖层的厚度，mm；T，在上覆盖层下织物增强；5，下覆盖层的厚度，mm；X覆盖橡胶的等级。传送带速度根据主筒内的灭菌时间来确定的。若液体瓶在主筒内的所需要的灭菌时间是8min,上料电动液压推杆一个循环工作时间是2s，因为上料链条和上料输送架的节拍一致，则停止时间都为2s。当上料电动液压推杆一个循环工作结束后，此时上料输送带和上料链条同时向前运行距离m=266.1x4=1064.4mm，时间为4.435s,速度为240mm/s，然后暂停时间为2s，上料电动液压推杆进行推料和复位。如此循环，节拍控制使液体瓶连续上料。2.2.4轴承与托辊选用的轴承型号为NU207E圆柱滚子轴承，圆柱滚子轴承主要承受的是径向力，因为上料输送部分主要的受力是液体瓶对输送带的压力，输送带的压力主要集中在支撑托辊的轴承上9。图2-7 圆柱滚子轴承每对轴承安装一个托辊，计10个托辊，上下的托辊间隔为100mm，左右相邻的托辊间隔为1500mm，托辊如图1b所示：图2-8 托辊对于整个上料输送架的受力分析，根据图1A所示，假设输送带上是满载，则架子的受力示意图如下：图2-9 托辊受力图1-5处是托辊的受力支撑点，垂直向上。1-2之间有五组液体瓶，共计重力为G1=5X4X2X10=400N，因为有四组液体瓶从100mm高的导料槽口落到上料输送带上，会产生冲力F=mv/t，t接触时间，根据自由落体公式得，下落时间t 那么下落速度v=gt=1.4m/s,接触时间tF。则轴承完全满足输送受力要求。2.2.5 滚筒主动滚筒一般由轴，轮毂，辐板，筒壳等组成，是带式输送机的重要部件，如图3.1.4所示11。图2-10 滚筒三维图图2-11 滚筒剖视图最小滚筒直径D由下式确定， D=Cd式中 C-与输送带芯层材质挠曲有关的系数 d-输送带芯层厚度或钢丝绳芯直径，mm根据选用的输送带查表可得，钢丝绳芯C=145，d=1.2mm,则D=145X1.2=174mm，圆整为200mm。第3章 2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统与相相关计算3.1灭菌生产线上料系统本2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统具体包括：上料输送，推料和进料。如图3.1所示，为上料系统三维图。图3-1 上料系统3.1.1上料输送和推料上料输送部分如图3.2.1所示，主要包括：上料输送架，导料槽，挡板，滚筒，托辊，输送带等。图3-2 上料输送部分装配俯视图图3-3 上料输送部分装配示意图图3-4 上料输送部分装配主视图3.1.2 进料图3-5 进料部分装配三维图本2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统采用的设计原理是：利用电机控制、节拍控制进行自动连续上料，包括：控制输送电机的转速和停转时间间隔，电动液压推杆的推速和复位时间。通过控制输送电机的转速来控制上料的速度，通过控制电机的停转时间间隔来约束电动液压推杆的动作13。实施上料的工作过程简述如下： 启动上料输送电机，上料输送电机驱动上料滚筒旋转运行，上料输送带运行平稳后，将液体瓶经过上料输送架头部的导瓶槽进入到上料输送带上，上料输送带表面带有分隔板,保证液体瓶四个一组稳定有序的随着上料输送带向前输送；控制好上料输送电机的运行节拍，在输送带向前运行四组液体瓶后自动停止，接着往输送带导瓶槽口放料，同时动作的有如下几个机构：上料电动液压推杆运动，上料输送带尾部的四组液体瓶被同时推入到上料架的两根链条间的装瓶器内，此时上料主动电机启动带动主动链轮转动，链条开始传输，将液体瓶运往高温主筒内进行灭菌，完成上料。3.2灭菌生产线上料系统相关计算3.2.1上料电液推杆如图2所示为简化的电动液压推杆简化模型。图3-6 电液推杆简图DYT、DYTB型系列电动液压推杆适用于往复推拉直线运动，它的工作原理：电液推杆以电动机为动力源，通过电动机正(反)向旋转，使液压油通过双向齿轮泵输出压力油，经油路集成块，送至工作油缸，实现活塞杆的往复运动。DYT具有两大功能，1、过载自动保护功能：电液推杆工作时，如活塞杆所受外力超过额定的输出力或活塞已到终点。电机仍在转动，这时油路中油压增高到调定的压力，溢流阀迅速而准确地溢流，实现过载自动保护。电机虽在转动，但不会烧毁。2、自锁功能：电液推杆的油路集成块中设计了压力自锁机构，电机停止转动，活塞杆立即停留在一定的位置，压力油处于保压状态16。根据上料系统的要求，所用的电液推杆具体的型号编制为：DYT T 16000 - 2500 /500 - P DYT代表电动液压推杆。T代表分离多缸同步式，因为要同时推入四组液体瓶进入装瓶器，所以是用四缸同步式，而且推杆的缸距为266.1mm。16000代表额定推力为100N，这个是根据四个液体瓶所装液体的质量，2L=2KG，总压力N=4个X2KGX10M/S2=80N，考虑瓶子与输送带的摩擦因数取值f=0.4，则摩擦力大小F=Nf=40N，四组所需的摩擦力共40x4=160N，选用推力大小为160N的推杆。2500代表电液推杆的行程，四个液体瓶收尾长度为300mmX4=1200mm，另外还有1000mm的过渡行程，所以取值为2500mm，满足要求。500代表推杆速度是500mm/s，因为行程是2500mm，电液推杆的复位时间是2s ,所以推杆速度是1250mm/s。P代表推杆是水平推式的，上料系统是水平运行的。推杆座是一个方形的座，用来放置电动液压推杆和调节电液推杆高度和位置的，保证推杆的行程能够将上料输送架尾部的四组液体瓶完全推入进装瓶器内，还有推杆的圆柱面和上料输送带平面相切，在同一个水平面上。3.2.2链轮与链轴根据链条的规格、架子上安装链轮的位置以及链条整体的受力，选择所用主动链轮的型号为24A-1，其齿数为Z=75。在整个链条的传输过程中，还安装有若干组大小链轮其型号也是24A-1,大小链轮齿数分别为Z1=41和Z2=25。链轮如图3.3.3所示，作用有两点：首先是对链条起到传导作用，然后是对链条起到一定的支撑作用。因为整个系统传递是一根整体的链条，长度较长，链条间承载质量较大的装满液体瓶的装瓶器，所以在传递的过程中，需要若干的链轮对链条定位和保持链条足够的张力，使链条不松弛，有效平稳运行17。图3-7 链轮和轴图3-8 链轮因为链条的传输速度和上料输送带的传输速度是同步的，同时同距离的停止与运行，这是因为装瓶器的中心距离位置是一定的，链条的速度v,=240mm/s18。输送链轮的工作转速： n=5r/min3.2.3 灭菌时间根据灭菌温度灭菌时间以及灭菌路线的限制，T1高温蒸汽灭菌时，T1=8min；T2冷却水冷却时间，T2=10min；l1高温灭菌的距离，l1=25m；l2冷却水冷却距离，l2=30m；S一个循环之间链条传输需要运行的距离，S=3x266+4x110=1238mm；P链条节距，7P=266mm；t链条传输距下一个停顿时间；T上下料的节拍控制时间，T=2s；T总一个循环需要的总时间；h灭菌效率(个/min)；v链条的线速度；L装瓶器间隔为。得出下列方程式： (1) (2)t=2s (3)T总=T+t (4)计算得出v约为0.06m/s，传输送料的速度也为0.06m/s。这样可以通过节拍控制内部传输和上料前的传输送料，保证他们同步传输19。t=2s=20.6s灭菌时一个节拍的循环的总时间为传输时间和上下料节拍停顿时间之和。T总=T+t=22.6s在上料过程中，每个装瓶器都是对直径为10cm，长度为30cm的瓶子四个一排进行上料。h=(4x4)/22.6x60=42个/min这套灭菌工艺的灭菌效率为每分钟可以对2L的瓶罐装牛奶或饮料进行灭菌数值为42个。第4章 2L液体瓶筒式灭菌生产线的上料系统的结构设计4.1底座与上料架底座是由钢板焊接成，其上放置上料架的主体和高温灭菌的主筒，架子和主筒连接在一起，可以保证上料架和主筒高度可调而且一致，而且能够增加上料系统整体的稳定性。图4-1 底座上料架子四周利用螺栓精确钉紧在底座上，方便安装和拆卸。上料架子的宽度根据底座宽度设计，高度是根据灭菌主筒盛装液体伸出来部分的高度确定。图4-2 上料架三维模型图上料架合适的位置打通有四组轴承孔，安装的是外圈无挡边圆柱滚子轴承N213，对应部位安装四根链轴和链轮，主动链轮轴和主动链轮，大链轮轴和大链轮，两对小链轮轴和小链轮。过渡板是焊接在上料架中部合适位置的厚10mm的钢板。因为装瓶器口到上料输送架靠近上料架的一面之间还有一定的距离，过渡板上有过渡槽，目的是：当电动液压推杆将上料输送架上的液体瓶推出架子的时候，经过过渡板上的过渡槽顺利到达装瓶器中。4.2装瓶器装瓶器被安装在链条之间的两根销轴上如(图3a)所示，装瓶器的间隔为266.1mm，厚2mm，液体瓶推入口直径为126mm100mm，末端口直径为80mm100mm，入口大于瓶子直径方便瓶子推入，末端口小于直径保证液体瓶不会推出装瓶器。图4-3 装瓶器与链条装配装瓶器跟随链条同步的移动和停止。停止的时候，同时进行上料工作和下料工作，移动的时候，依次进入主筒内，随着链条传动进行动态的灭菌。装瓶器材料为不锈钢，因为主筒内是一个高温湿热的环境，不锈钢既能承受高温又耐腐蚀，本身材料强度较高，不易变形。装瓶器的外壁开许多通孔，一方面可以减轻质量，节约材料，另一方面，进入灭菌主筒内，高温蒸汽能够有效进入装瓶器内对其内装载的液体瓶进行灭菌，增加灭菌效果。装瓶器的长度是根据两侧的链条之间的距离确定的，其长度必须大于四个液体瓶的高度1200mm,但要小于链条间距，定值为1250mm。第五章 总结与展望5.1 总结与展望总结：忙碌而充实的三个多月的毕业设计任务基本结束了。从开始的对液体瓶筒式灭菌上料系统的一筹莫展，到最后通过自己的学习和导师的指导，设计出了带有自己想法的一套液体瓶灭菌上料系统，自己收获不少书本外的知识，锻炼了自己独立思考和运用知识的能力，加深了对灭菌设备和灭菌领域的了解。本2L液体瓶筒式灭菌生产线上料系统的有益效果是：1上料连续化，因为只要上料输送架上有料往尾部输送，上料电动液压推杆正常运行，就能实现自动上料，液体瓶进入灭菌主筒内进行高温蒸汽灭菌。2上料效率较高，因为整个系统是动态进行的，免去了人工搬运的费时费力，利用电动液压推杆机构不间断的运行，有效提高上料灭菌的效率，上料有序可靠。3上料稳定，不会对瓶子和产品产生损害。因为瓶子在上料和输送过程中都是平稳运行的，减少产品的颠簸和晃动。但本2L液体瓶筒式灭菌自动上料系统有些地方存在不足，在上料输送架导料槽处，液体瓶放到输送带上还未能实现自动化，需要进一步的改进和设计优化，使上料更加自动化，达到提高上料效率和充分利用资源的目的。展望：随着科学技术的进步和人们对医疗食品安全问题态度的提高，越来越完善的更加自动化的灭菌设备会被设计制造出来，进一步的提高灭菌效果，生产出更健康和安全的产品，为人类的生活带去更多的便利，企业的生产效率更加高效。5.2 论文成果在本论文的灭菌设备和工艺设计中，得到了三份发明专利授权书和两份实用新型授权书。发明专利授理书 ：授理书1：申请号或专利号：201510268189.7申请日期： 2015/05/25授理书2：申请号或专利号：201510267915.3申请日期： 2015/05/25授理书3：申请号或专利号：201510281919.7申请日期： 2015/05/28实用新型授权书：授理书4：申请号或专利号：201520339064.4申请日期： 2015/05/25授理书5：申请号或专利号：201520339230.0申请日期： 2015/05/25第六章 致谢这次毕业设计我们是在王琪老师的指导下展开的，从任务书下发开始到论文答辩的过程中，王琪老师都给予我们很大的支持和帮助，他亲自给我们推荐相关的论文和资料，有时候会来到我们身边，问我们毕业设计的进展情况，并给予悉心指导，在这里对王琪老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。另外，我们所做的是团队毕业设计，每个人都为了整个筒式灭菌系统付出了很多汗水和时间，我们献计献策，其中，董冲负责整体的方案，肖华做了很多零部件的校核工作和文献的整理，李雨对灭菌主筒部分进行了有限元的分析，钱佳磊负责整个系统的控制部分，本人则主要承担的是整个系统的上料系统部分，也参与了部分的校核工作。