全液相CQC50-600物理灭菌机设计

I全液相 CQC50-600 物理灭菌机设计摘 要摘要：食品安全卫生越来越受到重视，特别是非热杀菌时代的到来，食品杀菌系统出现了一次新的革命。超高压灭菌技术被誉为二十一世纪十大尖端技术之一，在很多领域都有着很大的应用潜力。尤其在食品工业中采用高压保存食品是一种很有前途的技术，因为它在食品保鲜期的延长、较低的营养破坏及良好的口感特性等方面较传统技术有很大改变，超高压食品也开始步入人们日常生活中。本文介绍了超高压食品灭菌技术的发展历史、应用原理及所面临的技术难题，同时也对超高压食品灭菌技术和传统热杀菌从多方面进行了比较。本设计是为了研制开发一种主要用于食品生产的非热杀菌系统，详细阐述了本设计产品进料、出料系统设计，高压容器的计算及高压源的工作原理。关键词： 食品安全/超高压灭菌技术 /高压容器IILiquid CQC50-600 full physicalsterilization machine designABSTRACTThe Food Safety and Health and more attention, especially non-arrival of the era of heat sterilization, food sterilization system has a new revolution. One of the ten cutting-edge technology known as high pressure sterilization technology the 21st century, in many areas have great potential applications. In particular, the use of high-pressure food preservation is a promising technology in the food industry, because it has changed dramatically in terms of the more traditional food preservation techniques of prolonged, low nutrient destruction and good taste characteristics, high pressure food also started to enter peoples daily lives. This paper describes the development of high pressure food sterilization technology history, theory and application of technical difficulties faced, but also on high pressure food sterilization technology and conventional thermal sterilization were compared in many ways. This design is mainly used for research and development of a non-thermal sterilization of food production systems, the design of products elaborated feeding, feeding system works out the design, calculation and high pressure high pressure vessel source.KEY WORDS Food Safety ，high pressure sterilization technology ，high pressure vesselI目 录摘 要 .IABSTRACT.II1. 绪论 .11.1 超高压食品处理技术的发展历程 .11.2 超高压食品处理技术的国内外研究现状 .21.3 超高压食品处理技术的原理 .31.4 超高压食品处理技术在食品工业的应用前景 .41.5 超高压食品处理技术投入生产应用的关键 .41.6 超高压食品处理技术目前需要解决的问题 .52. 总体方案设计 .62.1 制订设备生产工艺 .82.2 进料系统介绍 .132.3 出料系统介绍 .132.4 进 料系统的选型 .142.5 出料系统的选型 .152.6 移动框的设计 .222.7 超高压设备框架 .232.8 高压容器 .233. 设计计算 .233.1 进料系统 .233.2 出料系统 .27II3.3 进料系统控制电路设计 .353.4 超高压设备框架的应力分析 .363.5 高压容器的仓体计算 .414. 典型结构分析 .514.1 高压源工作原理介绍 .514.2 高压容器筒体介绍 .54结 束 语 .56致 谢 .57参考文献 .5811. 绪论随着人们生活水平的提高，人们对食品的质量及安全性越来越重视，要求营养、原汁原味、具有更长的货架期和新鲜的口味，防腐剂和其他化学添加剂尽可能少用，利用超高压技术加工食品是一个物理过程，它能顺应这一趋势，被誉为“食品工业的一场革命” ，引起了人们的高度重视。利用超高压技术加工食品，有效地克服了传统热加工处理方法带来的种种弊端，较好地保持了物料原有的营养成分，而且加工后的食品口感适宜、色泽鲜艳、保质期较长，而且整个食品加工过程的能量消耗也较传统的加工工艺有着很大程度地降低。因此，对作为“21 世纪十大尖端科技”之一的超高压技术的研究，有着重要的意义。1.1 超高压食品处理技术的发展历程超高压技术的出现已经有近 100 年的历史。在很早很早以前，欧美国家的一些沉船打捞业者在打捞海底沉船的时候，偶然发现沉船中的咸肉等食品竟然仍保持当时的新鲜度，这种现象的原因与超高压食品加工技术在理论上有很多相似之处。在 1895 年，Royer 率先进行了超高压处理杀死细菌的研究；到 1899年美国化学家 Bert Hire 发现牛奶、果蔬和饮料中的微生物对压力十分敏感，并证明经过 450MPa 的高压处理能延长牛奶的货架期，并通过大量的研究工作证明高压对多种食品和饮料的灭菌效果 1。1914 年，美国物理学家 P.W.Briagman提出了静水压下蛋白质变性、凝固的报告。他指出：白蛋白在 500MPa 作用下会凝固，在 700MPa 作用下会变成硬的凝胶状态 2。1924 年，Cruss 提出高压可以用于商业上果汁的加工 3。但在以后的几十年中由于技术上的困难，以及商业上的市场需求还不是很强烈，当时的研究仅限于高压对酶和蛋白质作用效果的理论研究，随着工业的发展和技术的提高，到八十年代初，这方面的研究又重新兴起。1986 年，日本京都大学林力丸教授倡导在食品方面采用非热高压(100-1000MPa)的加工方法，率先开展高压食品试验，1991 年 4 月，日本开始生产第一号经超高压处理的食品果酱，到 1994 年已经发展到 18 种产品当时的工作主要集中在果蔬汁饮料等产品，广泛的研究了高压条件下各种因素对食品微生物和酶的影响 4，发现高压可以灭菌和酶，在较低温度下可以达到杀菌和使酶失活的作用，高压处理食品可在一定范围内满足人们的需求。目2前日本有近 100 家单位从事超高压食品加工技术的研究与开发工作，已拥有大量的食品超高压处理实验机和生产设备，从 90 年代初至今，已有一些高压食品相继问世。该项技术已被列为日本十大关键科技之一美、欧等经济发达的国家也不甘落后，紧追日本，对超高压食品加工的原理、方法、技术细节和应用进行了研究，新的超高压食品相继问世。可以预测，超高压加工的食品将不久出现在人民的菜篮子中。我国学者也注意到国外超高压技术的发展并开展了食品 高压技术的研究。2003 年“超高压低温密集恩工艺和设备”被列入国家 863 计划 5。1.2 超高压食品处理技术的国内外研究现状自 1986 年日本的林力丸教授发表高压食品研究报告短短十年，超高压食品的开发已经被发达国家重视。日本在超高压食品处理方面处于国际领先地位。1989 年，日本农林省组成 21 个财团进行商业化技术开发，并于 1991 年 4 月推出了 7 种经超高压处理果酱，广泛的受到消费者的欢迎，但由于产品中残留的活性酶和溶解氧的影响，产品的色泽受到了一定程度的影响。1991 年底，日本又推出了超高压处理的果汁调味剂，该产品保持了果汁的天然风味，并能长期保质储藏，vc 及可溶性固溶物、氨基酸、溶存蛋白质与鲜果汁基本无差别。到1995 年日本的超高压食品处理技术已经对乳制品、鸡蛋、水产品、高粘性食品进行了广泛的应用研究，如可以通过高压杀菌技术杀灭对鸡蛋和畜肉产品有重要影响的冰核酸等，并取得了良好的应用前景 6。目前，日本大洋渔业公司研究所，采用超高压技术生产鱼糕，处理后的口感、风味均十分理想，弹性比原产品还高出 50日本学者试验表明：贝类食品经过高压处理、贮存是完全可行的 7。法国技术研究部也正致力于高压食品加工的研究，组成 10 个研究所进行高压结合温度对微生物、酶、蛋白质感观特性影响的研究。并联合三家大食品企业(Bon-GrainBSNPemcxt-Richard)对高压处理食品选择最佳工艺条件(如温度、压力、时间)的研究。1993 年底法国生产出高压杀菌鹅肝小面饼，并已面向市场目前，法国的研究人员用 200MPa 压力对牛腿肉进行加工试验，制成牛排，味道和灭菌效果理想，并已开始半工业试制。美国已将超高压食品开发列为 21 世纪食品加工、包装的主要研究项目，并3己进行小规模工业化生产。美国 FMC 公司，英国凯氏食品饮料公司(Cam 洳 Food Ding)开始建立商业化的高压杀菌食品的工艺。近年来高压食品技术已引起我国食品界和众多科研院所的关注，兵器工业52 研究所、杭州商学院、华南理工大学等单位先后成立课题组从事这方面的研究 8，并在试验室阶段取得一定成绩，发表了一些有价值的论文。五二研究所从事超高压技术研究 30 多年，在超高压厚壁圆筒的材料、结构设计、自紧技术、疲劳寿命的预测与设计、密封技术等研究与开发方面取得了很多成果，在超高压技术方面获得了丰富的理论、设计、加工制造的经验 913，并在军工中得到了大量的推广应用。1993 年，五二研究所利用军转民的超高压技术，率先从事超高压食品加工技术的研究，先后对各种蔬菜、水果、肉类、蛋类、海产品、大米、果汁、粉条等进行了大量的超高压加工研究，对加压压力、时间及包装袋等进行了系统的研究，取得了很多灭菌、保鲜加工工艺的参数，获得了超高压食品加工设备的中国专利。目前，可以设计制造 l 升到 100 升的各类超高压食品加工设备。但是我国高压食品尚未面世，因此加快高压食品加工技术研究，对我国参与国际竞争具有重要意义。1.3 超高压食品处理技术的原理根据 Le Chatelier 定律，外部高压会使受压系统的体积减小（即V=产物的体积-反应物的体积） ，反之也成立。因此食品的加压处理会使食品成分中发生的理化反应向着最大压缩状态的方向进行，反应速度常数 k 的增加或减小则取决于反应的“活性体积” （V*=反应复合物体积-反应物体积）是正还是负。以水为例，当水溶液被压缩时，压缩能量 E=2/5pcV0(其中 p 为外部压力 c为溶液的压缩常数 V0 为体积的初试值)。在压力为 400Mpa 下 1 升水的压缩能量为 19. 2KJ 这与一升水从 20升至 25时所吸收的 20.9KJ 的热量大致相当。再根据帕斯卡定律外加在液体上的压力可以在瞬时以同样的大小传递到系统的各个部分 故而如果对液体在外部施以高压的话 将会改变液态物质的某些物理性质。 仍旧以水为例，对其在外部施压，当压力达到 200Mpa 时，水的冰点将降至-20；把室温下的水加压至 100Mpa，将会使其体积减少 19% ；30的水经快速加压至 400Mpa 时将会产生约 12C 的温升。同样，食品的高压处理过程中，高压也会改变食品中某些生物高分子物质4的空间结构，使生物材料发生某些不可逆的变化。研究发现，食品在液体中，加压 1001000Mpa，并保持一定的作用时间之后食品中的酶、 蛋白质、淀粉等生物高分子物质将分别失活、 变性和糊化，对食品达到了杀死其中细菌等微生物的灭菌目的。上升过程是一个纯物理过程，它与传统的食品加热处理工艺机理完全不同。 当食品物料在液体介质中体积被压缩之后，形成高分子物质立体结构的氢键、 离子键和疏水键等非共价键即发生变化，结果导致蛋白质、淀粉等发生变性酶失去活性，细菌等微生物被杀死。 但在此过程中，高压对形成蛋白质等高分子物质以及维生素、色素和风味物质等低分子物质的共价键无任何影响，故此高压食品很好地保持了原有的营养价值、色泽和天然风味，这一特点正好迎合了现代人类返朴归真、 崇尚自然、 追求天然低加工食品的消费心理。1.4 超高压食品处理技术在食品工业的应用前景超高压食品保持原有食品的风味、味道、营养状况，为人类提供即保持自然风味、感官特性又耐储藏的食品，具有广泛的应用前景。首先。根据超高压技术对食品的影响，如高压可以改变脂类的塑性，沸点等，可以生产出不同口感和感官特征的食品，如巧克力、冰淇淋等。利用高压对淀粉的作用，可以进行大米和豆类食品的软化加工，为快熟大米和豆类提供了一个可行的加工手段。另外，用超高压食品加工技术生产的保健食品比热加工处理的保健食品营养成分提高 30，对于有中国特色的中药材、绿茶、保健食品以及其他价值高、对热敏感较高的食品，采用高压处理将会保留其原有的营养成分，不会对其疗效和风味产生影响。超高压低温消毒和灭菌作用，可以延长鸡蛋、鲜肉、鲜鱼的保存期，不会有加热法带来的变色、变味、以及冷藏冷冻法引起的食物组织细胞的破坏。利用超高压解冻技术可以保持鲜肉的风味和重量，降低肉汁液的丢失。根据高压冰点下降原理和压力传递可瞬间完成原理，进行高压速冻和不冻冷藏，可以为高水分食品(如水果、蔬菜、豆腐等)的速冻冷藏开创新的途径。超高压食品加工技术为食品的开发开辟了可行的加工手段，满足人类对食品提出的自然、营养、安全、方便的要求。此外，高压还可应用于食品相关的医学、化学、物理等基础学科的研究，有待于科研人员、食品专业人员的进一步研制开发。51.5 超高压食品处理技术投入生产应用的关键超高压食品加工技术的关键是超高压食品加工装置。国内外食品加工装置通常是由高压容器和加减压系统组成。高压容器承受压力高，循环载荷次数高，对简体材料的力学性能与疲劳强度要求很高。目前高压容器多为圆筒型。容器所用材料是高强度钢，加工工艺较为复杂。这些都使得高压食品加工装置制造难度较大，价格昂贵。密封结构的设计又是高压设计的关键，目前，日本三菱重工、三本水压等厂都有自己的专利技术用于高压容器顶、底盖、高压活塞等的密封，其基本结构都是采用楔型环、 “0”型环等组合成自紧式密封。超高压设备的压力来自于高压泵，输出压力一般在 400-700MPa，经高压阀来完成保压，处理结束后，开启高压阀实行减压。目前，高压装置的结构有两类。一类是倍压式(内部加压法)，一类是单腔式(外部加压法)，倍压式本体结构大，但不需高压泵和高压配管，整体性好，适用于高压力的小型试验装置。单腔式本体结构小，高压容积利用率高，相对造价低，保压性好，高压容器为静密封，适合于大中型生产装置。总之，超高压食品加工装置制造难度较大，价格昂贵是制约高压食品产业化的关键，而提高高压装置的利用率和生产效率也是降低高压食品成本的关键。实验室用的高压设备约为 10 万美元左右，有的甚至售近 100 万美元，容积很小，更大容量的设备造价更高。目前，日本神户特钢厂已生产出具有挠性内筒高压装置。三菱重工生产的可伸缩风箱室高压装置，大大提高了生产效率降低了成本。我国高压食品装置设计尚无完善的标准，这给高压食品装置的设计带来了一定难度。但是，我们应本着结合本国实际情况，设汁经济的、轻便的高压装置，提高高压装置的利用率和生产效率。尽早实现高压装置的“定型化，标准化，产业化” 。这样，优良价廉的高压食品将走进千家万户。1.6 超高压食品处理技术目前需要解决的问题在众多食品加工和贮存的方法中，食品超高压处理技术是一项很有发展前景的食品加工新方法，但由于其产生、发展时间较短，因此需要进行更加深入而广泛的研究，目前急需解决下列问题：1.6.1 包装材料的制约问题6食品的加工，首先要求先包装后处理，由于超高压食品处理工艺的特殊性，要求包装材料具有：加压可变形，压力解除后可复原，热融性和透气性低，符合条件的包装材料只有塑料、铝箔，制约了传统包装材料。1.6.2 无法减轻农产品农药的残留问题食品原料中农药的残留量是食品质量的重要标准，超高压处理技术在加工工艺中无法减轻农药的残留。因此这种加工方法对原料的要求严格(要求使用不残留农药的农产品)。1.6.3 超高压食品处理设备如前所述，超高压加工装置制造难度大，价格昂贵，制约了超高压食品的产业化另外由于反复加压，高压密封体容易损坏，加压容器易发生损伤。因此，研究如何提高高压装置的利用率和生产率是摆在当前高压食品研究人员面前的主要问题。1.6.4 加压同加热同时作用的研究加压同加热相处理相结合，可以在短时较低压力下杀菌，研究加压结合加热处理所需的温度和压力工艺。可以达到在较低压力下高压处理食品的效果，这是食品高压研究需进一步研究的问题。72. 总体方案设计为了突破国外某些大国对我国技术的封锁，提升我国在该技术领域的地位，实现我国未来食品行业的进步，创建美好幸福生活为契机；在我国前面几代科研人员的研究与国家制造加工业技术设备的更新换代，为超高压设备设计、加工制造奠定了坚实的基础。以上，是本次设计的主要目的。通过这次设计，将展现近期即将加工制造超高压设备的实物三维图，并通过一些参数的计算校核，验证本次设计的可行性、准确性及合理性。本次设计的内容是 600MPa /50L 超高压设备系列技术，解决包括超高压装备快开式双堵头密封技术、低压系统与高压系统流量匹配技术；新型增压器结构设计、超高压框架结构设计、超高压控温与传压系统设计、超高压装备生产、制造、组装工艺等难题。我主要参与设计了进料、出料系统的设计计算，高压仓材料选择及受力分析计算，高压源的测绘绘制及工作原理介绍。该超压设备的相关技术参数如下：（1）压力介质： 纯水；（2）介质温度： 5-35； （3）高压仓最大工作压力：600 MPa； （4）介质过滤的过滤等级： 10 m；（5）交换载料筐：小于 2min；（6）升压时间： 4min；（7）高压仓形式：钢丝缠绕；（8） 卸压时间：1 min；（9）控制方式：程序控制。（10）工作缸有效直径：300mm（11）工作缸有效高度：1500mm（12）卸压方式：自动卸压（13）装料方式：卧式（14）温控方式：双温82.1 制订设备生产工艺主机装配工艺流程主机框架总成总成供水系统 安全系统进料系统控制系统 高压源系统出料系统试压 1图 2.1试压 2试压 3试压 4包装9控制系统装配工艺控制系统组装控制系统调试设备异常控制系统纠偏调试安全保护调试图 2.210高压源装配工艺增压缸元件检测增压缸组装总成装配高压源控制系统低压系统安全系统控制系统低压性能检测系统图 2.3试压 1试压 2试压 3试压 4工作状态试压超负荷试压待装11主仓生产工艺原材料电渣处理成分检测锻造热处理机械性能检测图 2.4粗加工热处理精加工检测预应力缠绕检测待装12主机框架生产工艺原材料电渣处理成分性能检验锻造热处理组装预应力缠绕检测防潮处理图 2.5粗加工检测精加工检测外仓处理检测待装132.2 进料系统介绍2.2.1 进料系统的作用进料系统是超高压食品加工系统中不可缺少的，对进料系统进行专门的分析和设计，对超高压食品市场化、商品化有着很重要的意义。食品加工的高效率生产是建立在设备自动化的基础之上，合理制定其辅助系统对整体效率的提升，有着不可忽视的作用。进料系统作为超高压系统的一部分，主要是实现半自动化或自动化送料作业，一方面是降低工人劳动强度，另一方面是提高设备的利用率，在可控制范围内，实现超高压食品的量产，降低成本。其具体功能，就是能够自动或半自动推出高压缸已加工处理过的产品，推入待加工产品，实现高效率的流水线加工。该系统，在工作中主要把移动框送到高压容器内，同时推出内部已完成加工的食品进入下一步工序。2.2.2 进料系统的工作环境由于超高压处理食品的工作介质为水，所以进料系统工作的环境必须考虑到水对进料系统的影响；由于待加工产品是食品，必须保证设备本身在一定温度范围内及工作环境中不会直接或间接对待加工产品造成污染，同时环境卫生应该达到一定标准。总的来说就是进料系统设备材料的选用必须兼顾到食品安全，反之，我们通过其工作环境及待加工产品性质，来作为设计进料系统时参照的标准。2.3 出料系统介绍2.3 .1 出料系统的作用出料系统也是超高压食品加工系统中不可缺少的，出料系统作为超高压系统的一部分，主要是实现半自动化或自动化送料作业，一方面是降低工人劳动强度，另一方面是提高设备的利用率，在可控制范围内，实现超高压食品的量产，降低成本。其具体功能，就是能够自动或半自动推出高压缸已加工处理过的产品，推入待加工产品，实现高效率的流水线加工。该系统，在工作中主要把移动框送到限定位置，通过摆动装置，实现移动框加工食品的自动下落，进入下一个加工过程。142.3.2 出料系统的工作环境由于超高压处理食品的工作介质为水，所以出料系统工作的环境也必须考虑到水对进料系统的影响（主要因水造成的腐蚀） ；由于待加工产品是食品，必须保证设备本身在一定温度范围内及工作环境中不会直接或间接对待加工产品造成污染，同时环境卫生应该达到一定标准。总的来说就是出料系统设备材料的选用必须兼顾到食品安全，反之，我们通过其工作环境及待加工产品性质，来作为设计出料系统时参照的标准。2.4 进料系统的选型2.4.1 控制系统的选用控制系统选用 PLC 控制系统。因为其可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。只是在很小的系统中，考虑到经济因素，不宜使用。2.4.2 导轨副的选用由于所承载载荷不大，在此我们选用圆柱形直线导轨。而且，这种导轨，具有很多优点，如：防锈蚀性、组装容易、互换容易、低成本化等，同时满足工作环境对其要求。2.4.3 链轮的选用由于所承受载荷变化不大，且不要求急速转向等多种因素，在此选用链轮传动。链轮传动没有弹性滑动，需要的张紧力小，可以减少轴承的摩擦损失，同时链轮传动能够在轴心较远的情况下传递运动和动力，且作用在轴和轴承上的力较小。同时，也符合工作环境的要求，耐腐蚀且有较长的使用寿命。2.4.4 电动机的选用由于系统运行过程要求平稳，且要求有较小的冲击，故在选择电机时，选用变频电机，实现软启动。目前，该电机多与减速机配套减速使用，以方便生产、生活的需要。2.4.5 检测装置的选用检测装置选用光电式传感器，因为光电传感器具有频谱宽、不易受电磁干15扰的影响、非接触测量、高精度、高分辨力、高可靠性、反应快等优点。2.5 出料系统的选型2.5.1 气缸的选用液压缸工作稳定，输出力的范围大，气缸工作有冲击，输出力的范围较小；但是液压缸存在漏油原因，不符合食品安全、环保要求。而气缸工作来源为气体，基本无污染，符合食品安全、环保的要求。同时，工作中所需工作的工作动力，气缸与液压缸均能满足其生产要求，但是气缸的成本比液压缸要少很多。故从食品安全、环保，经济成本等方面综合考虑，选用气缸作为该出料系统的动力源。2.5.2 气缸的安装方式气缸的安装固定方式大体分为两种：（1）固定式气缸（2）轴销式气缸。该出料系统中，气缸作为摆动系统的动力输出部分，在工作中要求转动，以消除工作中产生的附加力矩对该系统的影响，从而保证其正常的工作。因此，采用第（2）种轴销式气缸，以下是气缸安装定位示意表格 3.1。16根据该表格，我自己根据出料系统的参数等采用气缸尾部轴销MT4 式，头部通过铰链固定。其三维图如下图 3.1。172.5.3 气缸安装件的选用根据Festo 圆形气缸手册 14安装附件规格可知，气缸驱动单元的安装元件为：耳轴安装件（包括与其配合使用的附件） 、双耳环支座、关节轴承等。其选用规格如下图所示图 3.2。18a、耳轴安装件b、安装附件c、双耳环支座19d、活塞杆附件-关节轴承2.5.4 传动带系统的设计出料系统中设计该传送带，是为了当最后一个载物框从高压舱内出来后，能够到达摆动系统的限定位置，从而实现后续的操作，达到生产的要求。传送带一般按有无牵引件来进行分类。 具有牵引件的传送带一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。牵引件用以传递牵引力，可采用输送带、牵引链或钢丝绳；承载构件用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驱动装置给输送机以动力，一般由电动机、减速器和制动器(停止器)等组成；张紧装置一般有螺杆式和重锤式两种，可使牵引件保持一定的张力和垂度，以保证传送带正常运转；支承件用以承托牵引件或承载构件，可采用托辊、滚轮等。 具有牵引件的传送带设备的结构特点是：被运送物料装在与牵引件连结在一起的承载构件内，或直接装在牵引件(如输送带)上，牵引件绕过各滚筒或链轮首尾相连，形成包括运送物料的有载分支和不运送物料的无载分支的闭合环路，利用牵引件的连续运动输送物料。 没有牵引件的传送带设备的结构组成各不相同，用来输送物料的工作构件亦不相同。它们的结构特点是：利用工作构件的旋转运动或往复运动，或利用介质在管道中的流动使物料向前输送。例如，辊子输送机的工作构件为一系列辊子，辊子作旋转运动以输送物料；螺旋输送机的工作构件为螺旋，螺旋在料槽中作旋转运动以沿料槽推送物料；振动输送机的工作构件为料槽，料槽作往复运动以输送置于其中的物料等。20根据传送带的工作原理，考虑出料系统的工作环境，故设计如下传送带传动方案简图图3.3。2.5.5 滚筒的选用滚筒分为动力滚筒与无动力滚筒两种，考虑到工作环境有水，使用动力滚筒时需要采用防水措施，且价格较为昂贵。同时，动力滚筒的规格很难与我设计的出料系统匹配，故我选择无动力滚筒 15。该滚筒可根据自己的需求加工制造，成本较低，且对工作环境无特别的要求。滚筒的规格如下表 3.2。21其载荷分布如下图 3.4。2.5.6 减速电机选用传送带系统动力源采用电机+减速机+链轮的组装方式。其中，减速机与电机可选用两者的组装体-减速电机，这样解决了人工安装中因为不同工人组装22中导致的电机与减速机不同心的问题，缩短了整个出料系统装配时间。同时，不用担心电机与减速机之间的密封问题。2.5.7 检测装置的选用检测装置选用光电式传感器，因为光电传感器具有频谱宽、不易受电磁干扰的影响、非接触测量、高精度、高分辨力、高可靠性、反应快等优点。2.6 移动框的设计考虑到被加工产品的性质和用途，移动筐必须选用在工作环境和平时室温下不会散发出有害物质的材料制造。在这里我们选用食品行业常用的聚丙烯（PP）材料，其工艺成熟，经济实惠，安全可靠。工作中，由于摆动装置工作到限定位置后，要求移动框中的东西可以依靠自重落下，故将移动框设计成可拆卸的装配体，如下图 3.4。a、整体剖视图b、局部视图232.7 超高压设备框架2.7.1 材料参数：（1）板层 Q460： 弹性模量 2.06E+11 泊松比 0.280 （2）内部半圆柱：弹性模量:2.13E11Pa 泊松比：0.2892.8 高压容器承压筒体（高压容器）采用高强度双层缩套结构，用于承受设备内压产生的径向力。塞体采用 17-4PH 不锈钢精炼、锻件制造；超高压芯筒采用 17-4PH不锈钢精炼、锻件制造，芯筒内衬 0Cr18Ni9 不锈钢保温套，保温套内通热水保温，水温可以自动调节。3. 设计计算3.1 进料系统3.1.1 部分部件的重量估算移动框的质量：m =3.203Kg1所装物品的质量：m =50Kg2总质量：m =53.203 G=532.03N33.1.2 推杆推力的计算通过网上查相关资料，取移动框与增压缸摩擦系数 =0.33，故摩擦力的大小：f = G=175.57N13.1.3 链轮的计算与选型取移动框的运行速度 V=0.5m/s=30m/min24因动、静摩擦系数均为 0.33，故 f = f =175.57Nmax1链条传递的功率：P =FV= f V=87.785W11取主、从链轮齿数：Z =Z =1612计算当量单排链的计算功率 P :caP = P （4.1）caZAK查机械设计课本表 9-6，工况系数 K 取 1.1；A查机械设计课本图 9-13，主动链轮齿数系数 K 取 1.55；Z传动链为双排链，K =1.75，故 P =0.08553Kw.Pca确定链条型号和节距 P:取链条型号为 08A，节距 P=12.7mm;链轮节圆直径：d=65.1mm 17, 齿顶圆直径：d =68mm;a根据链条速度 V=0.5m/s, V=r*2 n n= =146.76r/min;rV2符合机械设计课本图 9-1116,取值合适。在设计过程中，因工作台移动可调，链节数可取偶数，避免过渡链节。V 取 0.5m/s,按机械设计课本图 9-14,链条润滑选择定期人工润滑。计算传动链作用在轴上的压轴力 F ：p压轴力 F 可近似取为：F K F （4.2）ppe该传动为水平传动，K 取 1.15，F 为有效圆周力，且eF =1000 =175.57NVP故 F =201.9055Np3.1.4 轴承的计算与选型25轴承径向载荷：F =100.188Nr初步计算当量动载荷 P:P= f （X F +Y F ） (4.3)pra查机械设计课本表 13-6, f =1.0 1.2,取 f =1.2。p查机械设计课本表 13-5,X=1,Y=0,则 P=120.2256N。根据机械设计课本式（13-6）,求轴承应有的基本额定动载荷值C=P （4.4）610hnL查机械设计课本表 13-3,推荐轴承预期计算寿命 L =60000,故 C=838.7N。h按照机械零件手册选择 C= 14000N 的 6205 轴承，此轴承的基本额定静C =7850 N,验算如下：0根据机械设计课本式（13-5)L = （ ） =4.6*10 h60000h (4.5)hn601PC8达到预期计算寿命，此时装载轴承处的轴颈 d =25mm,满足工作要求。13.1.5 轴及联轴器的计算与选型轴上的功率：P =0.087785Kw1转 速：n=146.76r/min转 矩：T=9550 =5715.87N*mmnp求作用在链轮轴上的力圆周力：F =175.57N 压轴力：F =201.9055Ne p初步确定轴的最小直径：按机械设计课本式（15-2）初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为 3Cr13钢，调制处理.根据课本表 15-3，取 A =100，于是的026d = A =8.43mm （4.6）min031P根据条件,轴选用轴径 d=30mm。联轴器的计算转矩 T =K T,查机械设计课本表 14-1, K =1.5caA A则 T =8.574N*mca按照计算转矩 T 应小于联轴器的公称转矩的条件，查机械设计零件手册，选用 JMI1-20 膜片联轴器，其公称转矩为 25N*m.半联轴器的孔径 d =20mm,长度 L=164mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度 L =60mm.对应单链轮宽度L=（1.252）D；即 L=37.560mm则双链轮齿宽：L =1.5L=60mm,平键用 A 平型 19：分别为 b*h*l=8*7*30mmb*h*l=6*6*50mm同时，为了保证链轮与轴配合有良好的对中性,故选择链轮轮毂与轴的配合为 ；同样，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处直径67gH尺寸公差为 m6。确定轴上圆角和倒角尺寸参照机械设计课本表 15-2,取轴端倒角为 1*45 ,轴肩处的圆角为 R1.o求轴上载荷：水平面 H 垂直面 V支反力 F F = F =87.785N F = F =100.953N1N21N2弯 矩 M M =8734.61N*mm M =10044.82N*mmHV总弯矩 M = =13311.34 N*mm12V按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度高。根据机械设计课本式（15-5）及上述中的数据，以及轴的双向旋转，扭转切应力为对称循环变应力，取 ，轴上的计算应力：127= =13.72Mpa （4.7）caWTM212)(根据前面选定轴的材料 3Cr13 钢，调制处理，由机械设计课本表 15-1 查的 =75Mpa，因此 Fymin=305.55N,故该气缸满足生产的动力需求。3.2.3 轴承的校核该摆动装置为低速摆动系统，根据摆动框的作用位置分析可知。力 F2的作用分解到每个轴承上力的大小：F3=F4= =152.775N2根据机械设计课本可知，该摆动装置中的轴承尺寸应根据轴承的静强度来选择。分析可知，轴承上作用的径向载荷 和轴向载荷 ，应折合成一rFa个当量静载荷 ，Po即 = + （4.1）oXrYOa因工作中轴向载荷 很小，基本可以忽略，则Fa=1， =0oO= =PrF3按轴承静载能力选轴承的公式为30 (4.2)CoSPo根据机械设计课本表 13-8， 取 1.3，则有 =1.3 =198.6075Nooo该装置中轴承选用规格型号为 6204 深沟球轴承 18，其基本额定动载荷=6.65KN，满足工作要求。Co3.2.4 传送带系统的计算工作中传送带的速度： =0.5m/s1V滚筒直径： =80mmd1则滚筒角速度： = (4.3)w123.2.5 链轮的计算与选型滚筒链轮的线速度： = (4.4)V2d1滚筒链轮分度圆直径 =65.1mm，可知传送带传送轴上大链轮的线速度:0= 32因大、小链轮的分度圆直径 相等，故小链轮的线速度： = =0.407m/s0dV43由上可知，减速电机链轮的线速度： =54则减速电机输出轴的转速：= =1.99r/s=119.43r/min1n05dV令滚筒受到的力为 N，为使得传送带满足工作要，须使移动框与滚子的摩擦力与移动框与传送带的摩擦力大小相等，则有（G-N） =N （4.5）12从百度文库 20摩擦资料中查得， = =0.2531平均到每个滚筒上的力 = = =76.38NN48G根据德马滚筒手册规格表查得，该滚筒在本工作长度内可承受最大压力：=4500N =76.38N N满足工作要求传送带皮带提供力： = N =76.38N1F2皮带的速度： =0.5m/sV链条传递的有效功率： = =38.19W1PV主、从链轮的齿数: =Z2计算当量单排链的计算功率 = P （4.6）caZAK查机械设计课本表 9-6，工况系数 取 1.4；A查机械设计课本图 9-13，主动链轮齿数系数 取 1.55；Z传动链为单排链， =1，故 =82.87wPKca根据德马滚筒手册规格表可知，推荐与链轮匹配链条的型号 10B，节距P=15.875mm。链轮节圆直径： =65.1mm,齿顶圆直径： =68mm0dad链轮转速：n=119.43r/min,前面已求，符合机械设计课本图 9-11，故取值合适。设计过程中，链节数取偶数，可避免出现过度链接；链轮齿数取奇数，使链轮、链条磨损均匀。工作中，链条的线速度为 0.407m/s，按机械设计课本图 9-14 查的，链条润滑选择人工定期润滑。计算传动链作用在轴上的压轴力 F p压轴力 F 可近似取为：pF K F （4.7）pe32该传动为水平传动，K 取 1.15，F 为有效圆周力，且FpeF =1000 =76.38NVP故 F =87.387Np3.2.6 轴承的校核轴承径向载荷：F =43.82Nr初步计算当量动载荷 P：P= f （X F +Y F ） （4.8）pra查机械设计课本表 13-6, f =1.0 1.2,取 f =1.2。p查机械设计课本表 13-5,X=1,Y=0,则 P=52.70N。根据机械设计课本式（13-6）,求轴承应有的基本额定动载荷值：C=P （4.9）610hnL查机械设计课本表 13-3,推荐轴承预期计算寿命 L =60000,h故 C=397.76N按照机械零件手册选择 C= 14000N 的 6205 轴承，此轴承的基本额定静载荷 C =7850 N,验算如下：0根据机械设计课本式（13-5）L = （ ） =4.6*10 h60000hhn601PC8达到预期计算寿命，此时装载轴承处的轴颈 d =25mm,满足工作要求。13.2.7 链轮轴的设计与校核轴上的功率：P =0.08287Kw1转 速：n=119.43r/min转 矩：T=9550 =6626.55N*mmnp33求作用在链轮轴上的力圆周力：F =76.38N 压轴力：F =87.387Ne p初步确定轴的最小直径：按机械设计课本式（15-2）初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为3Cr13 钢，调制处理.根据课本表 15-3，取 A =100，于是的0d = A =8.85mmmin031P根据条件,轴选用轴径 d=20mm.确定轴上圆角和倒角尺寸参照机械设计课本表 15-2,取轴端倒角为 1*45 ,轴肩处的圆角为 R1。o求轴上载荷：水平面 H 垂直面 V支反力 F F =64.00N F = 73.224N1N1NF =12.38N F =14.163N2H2V弯 矩 M M =3008.00N*mm M =3441.528N*mm总弯矩 M = =4570.796 N*mm12VH其轴的载荷图如下图 4.2。34按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度高。根据机械设计课本式（15-5）及上述中的数据，以及轴的双向旋转，扭转切应力为对称循环变应力，取 S，轴上的计算应力：= =3.29Mpa (4.10)caWTM212)(根据前面选定轴的材料 3Cr13 钢，调制处理，由机械设计课本表15-1 查的 =75Mpa，因此 ,故安全.1ca13.2.8 电机的规格参数35根据链轮转速 n=119.43r/min，查机械设计课本图 9-11，其电机应选功率为 1kw,故减速机电机选择 BWY11-87-Y1.5。3.3 进料系统控制电路设计根据实际要求，控制系统主要是控制电机的正转、反转和停止，从而控制与滚子链相连的滑块的移动方向和停止位置。工作过程中，其应该实现以下动作：1. 按下启动按钮 SF1，电机正转，滚子链带动滑块在导轨上向前移动