毕业设计（论文）-液体瓶筒式灭菌生产线上料系统设计（全套图纸）.pdf

毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 1 2L 液体瓶筒式灭菌生产线上料系统设计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 摘摘 要要 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：关键字：高温筒式灭菌；自动连续；上料系统 CAD 加 153893706 2 Abstract Most 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. 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. Keywords: high temperature canister sterilization； automatic continuous； feeding system 3 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 . 5 1.1 引言. 5 1.2 国内外灭菌设备研究现状. 5 1.2.1 国外灭菌研究现状. 5 1.2.2 我国灭菌研究情况. 1 1.3 课题的目的和意义. 2 1.4 本课题主要研究内容. 2 第二章第二章 2L 液体瓶筒式灭菌生产线的总体设计与相关计算液体瓶筒式灭菌生产线的总体设计与相关计算 . 3 2.1 筒式灭菌生产线的总体设计. 3 2.2 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 第三章第三章 2L 液体瓶筒式灭菌生产线的上料系统与相关计算液体瓶筒式灭菌生产线的上料系统与相关计算 . 9 3.1 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. 12 3.2 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 第四章第四章 2L 液体瓶筒式灭菌生产线的上料系统的结构设计液体瓶筒式灭菌生产线的上料系统的结构设计 . 17 4.1 底座与上料架. 18 4.2 装瓶器. 19 第五章第五章 总结与展望总结与展望 . 20 4 5.1 总结与展望. 21 5.2 论文成果. 22 第六章第六章 致谢致谢 . 23 参考文献参考文献 . 24 附录附录 . 25 5 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 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。 6 1.3 课题的目的和意义课题的目的和意义 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。 7 第二章第二章 2L 液体瓶筒式灭菌生产线的总体设计与 相关计算 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 8 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筒式灭菌生产线的相关计算 2.2.1 输送电机输送电机 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 9 送带的带速： v=60mm/s； 滚筒所承受压力为 F5=160N， 拉力 F=mg= 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 ()1001 10.24/ 1001000 c nsD vm s i i = ， 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1 c i = ， 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： ()1001 100 p c ns n i i = 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 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 10 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 X 16.5m，长度；DIN 22131，运用标准；PH，制造商缩写；1284，上料输送带 11 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： 12 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 22 0.1 0.14 10 h tS g = 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。 13 2.2.5 滚筒滚筒 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。 14 第三章第三章 2L 液体瓶筒式灭菌生产线上料系统与相 相关计算 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 15 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、 16 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灭菌生产线上料系统相关计算 3.2.1 上料电液推杆上料电液推杆 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， 17 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 40 x4=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。 18 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 19 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= 60 1000v pZ = 60 1000 0.24 38.1 75 =5r/min 3.2.3 灭菌时间灭菌时间 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