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毕业设计（论文） 题 目 生姜清洗机设计 学 院 名 称 专 业 名 称 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 生姜清洗机设计 学生姓名： 班级： 指导老师： 摘 要：生姜，是我们日常生活中很普通的一种调味菜，但是生姜的价值已深入到医疗功效，药材，食品加工等等。生姜，能开胃止呕，化痰止咳，散寒发汗等等。生姜的用途是越来越广泛，以至于很多的农户都种植生姜。随着现代生活节奏的加快和生活水平提高，生姜的需求量会越来越大。而作为生姜生产中不可缺少的工序，生姜清洗对于生姜加工品的质量至关重要。生姜清洗主要是为了清洗生姜表面的泥沙、杂质、寄生虫卵等，为后续的生姜加工提供干净的菜源，它是生姜加工中的重要环节。当前，我国的生姜清洗仍以手工为主的清洗方式，手工清洗具有劳动强度大、效率低下、耗水量大、清洗分散等缺点。因此，采用生姜清洗机或清洗设备，可以提高劳动生产效率。针对目前状况设计了生姜清洗机，其目的是解决生姜体型匀称，不易清洗，靠人工清洗费力的技术问题，主要是对茎类物质的清洗。该清洗机中，采用了水流清洗和气泡清洗相结合的清洗方式，能有效去除生姜表面的污染物，对生姜结构损伤微小甚至无损伤。关键词：生姜清洗机；机械设计；水流清洗；气泡清洗 指导老师签名：Design of the Ginger cleaning machine Abstract: Ginger , it is a very ordinary condiment in our daily lives, but the value of ginger has been deep into the medical efficacy , medicine , food processing and so on . Ginger , can appetizing and stopping vomiting , preventing phlegm from forming and stopping coughing , eliminating cold and sweating , and so on . The purposes of the gingers are more and more widely . So many farmers are planting gingers . Along with the rhythm of modern lifes speeding up and living standards improvement , peoples demands for gingers consumption are increasing . As the essential procedure during gingers processing , gingers cleaning is crucial for the quality of gingers goods . Gingers cleaning is to remove the surface of the sediment , impurities and parasite eggs , etc . Gingers for subsequent processing to provide a clean source of food , it is important link in the process process of gingers processing . Dominated by hand at present , Chinas gingers cleaning method , manual cleaning ,with large labour in tensity , low efficiency , high water consumption , and clean dispersion , etc . Therefore , using ginger cleaner or cleaning equipment , can improve labour productivity . According to the present position , the ginger cleaning device was designed , Its purpose is to solve the technical probems that involved the ginger shape well-balanced not easy to clean , and not clean easily by artificial , mainly for the stem of material in cleaning . The ginger cleaning machine , using a new-style cleaning method by adopting the combination of water jets cleaning and air bubble cleaning . When the machine is used to clean gingers , the contamination of gingers surface is clear away effectively and the ginger organization structure is not damaged .Keywords: Ginger cleaning machine ; Mechanical design ; Water jets cleaning ; Air bubble cleaning Signrature of the adviser:目 录1 引言11.1 选题背景以及目的11.2 蔬菜清洗机的研究现状21.3 国内蔬菜清洗机的发展情况21.4 对国内蔬菜清洗技术的展望31.5 我国蔬菜清洗技术存在的问题与发展趋势42 根茎类蔬菜清洗机结构、设计特点52.1 滚筒式蔬菜清洗机52.1.1 滚筒式清洗机的结构52.1.2 滚筒式清洗机的设计特点62.2 振动喷淋式蔬菜清洗机62.2.1 振动喷淋式蔬菜清洗机的清洗原理及结构72.2.2 振动喷淋式蔬菜清洗机的设计特点73 生姜清洗机的设计83.1 设计思路83.2 清洗机的设计93.2.1 动力源的型号选择93.2.2 生姜清洗机箱体设计103.2.3 管路设计113.2.4 洗菜篮的设计133.2.5 直线往复运动机构143.2.6 绘制三维模型184 水流清洗、气泡清洗的清洗机理及清理废水的处理204.1 水流方式清洗机蔬菜的机理204.1.1 淹没水射流清洗的概念204.1.2 淹没水射流清洗蔬菜的机理204.2 气泡方式清洗蔬菜的机理234.2.1 气泡清洗的概念244.2.2 气泡清洗蔬菜的机理244.3 水流清洗、气泡清洗的相同点与不同点254.4 清洗废水的处理265 毕业设计总结27参考文献28致 谢29南昌航空大学学士学位论文1 引言1.1 选题背景以及目的 近些年来，由于中国经济的快速增长，人民的生活水平也大大提高了，而在食品生产方面的质量也要求更高了。而生姜，是我们日常生活中很普通的一种调料菜。现在，生姜的价值已深入到医疗功效，药材，食品加工等等。味辛，性温。能开胃止呕，化痰止咳，发汗解表。口嚼生姜，能够引起血压升高。生姜的姜辣素对口腔和胃粘膜具有刺激作用，可以促进消化液分泌，增强食欲。可使肠张力、节律和蠕动增加。有末梢性镇吐作用，有效成分为姜酮和姜烯酮的混合物。对呼吸和血管运动中枢有兴奋作用，能促进血液循环。体外实验，姜辣素对伤寒杆菌、霍乱弧菌有明显的抑制作用。姜辣素用于脾胃虚寒，感冒风寒，鼻塞头疼，食欲减退，恶心呕吐，恶心发热或痰饮呕吐，胃气不和的呕吐。查阅资料可以发现，原来生姜当中所含有的姜辣素与二苯基庚烷类的化合物的结构都有很强的抗氧化和清理自由基的作用；抑制肿瘤作用；吃姜能抗衰老，老年人常吃生姜可除“老人斑”。正如我们所知，在炎热的夏天，我们或多或少有点厌食的症状，因为到了夏天，我们人体的胃液的分泌会减少，此时此刻，我们嚼上生姜片，就能够增进食欲。这就是人们口中经常说的“冬吃萝卜，夏吃姜”、“饭不香，吃生姜”的深理。在炎热的气温下吃一些生姜能起到兴奋、排汗、降温，提神的作用。头昏、脑痛、胸闷、气短、恶心等暑热表现的患者，喝点姜汤是有极大好处的。我们的老祖宗很早之前就发现了这点，所以在就在人丹中加入生姜，做成传统的防暑中成药，它的作用就是神清、气爽、健胃、提神、醒脑。生姜还有极好的杀菌效果，其杀菌作用绝对不逊色于大蒜和香葱。生姜中还含有较多的挥发油，能够抑制人体对胆固醇的吸收，以防止肝脏以及血清胆固醇的蓄积。使用生姜、红糖熬制的鲜姜汤能够活血驱寒，预防感冒，从古至今就是风寒和感冒的食疗良药。生姜的用途是越来越广泛，以至于很多的农户都种植生姜，在这快速的社会发展中，生姜的需求量会越来越大。在这样的背景下，我们研究生姜清洗机就有了现实的意义。因为在生姜在做成这些产品之前，有一道必须的工序，就是清洗干净。因此，我们的研究对象是为了解决生产、生活中的实际问题，具有很大的可行性。 本课题主要用于研究生姜清洗机。生姜清洗机的应用，节省了人工，提高了效率，为企业节约成本，提高了机械化程度。分析了水流和气泡作为生姜清洗动力的机理，设计制造了以水流和气泡为清洗动力的生姜清洗试验机。该清洗机中，采用了水流清洗和气泡清洗相结合的清洗方式，能有效去除生姜表面的污染物。在接下来的篇章中，将具体对生姜清洗机进行设计计算。1.2 蔬菜清洗机的研究现状 随着生物技术、蔬菜加工技术的迅速发展，使人们获得干净卫生、无公害、无污染的新鲜蔬菜将会成为当前的主流。在蔬菜消耗量较大的学校、酒店、工厂食堂以及各种蔬菜加工厂等，手工清洗显然不能满足其需要。所以需要研究蔬菜清洗机。在20世纪90年代的中后期，我国的科研工作者们不断地研究清洗机，经过科学家们多年的努力研究，也终于获得了一定的可喜可贺的成果。1.3 国内蔬菜清洗机的发展情况 1996年，袁巧霞等研发制做了一台GL-I型根茎类蔬菜清洗机，主要用来对根茎类蔬菜的清洗，它的回转滚筒的截面是正六边形的 ，回转滚筒都用横向板条焊接而成，滚筒回转时会和清洗的物料发生碰撞，正因为这种碰撞冲击作用而使要清洗的根茎类蔬菜达到清洗的目的，与之同时在他们还沿滚筒长度的方向安装喷水管，目的就是为了让它的进料口至出料口都可以以同样大小的水喷射清洗根茎类蔬菜。但是这种方法缺点还很明显，就是它的耗水量极其的大，必需不断的换水。 2000年，高英武分析了蔬菜中的运动和力量，建立运动，速度和加速度式的清洗过程，并分析了叶类蔬菜的损伤机理。 2001年，李云飞论证了蔬菜清洗关于加强清洁效率的气流机制的作用，而且要研究对蔬菜流通扰动条件和水会影响蔬菜的清洗效果。实验结果证明，大量的气泡一股脑地聚集在水的上部且会使清洗槽的液面膨胀29mm。但仅靠气泡带动水流的运动方式对蔬菜进行清洗，于是水流对蔬菜的作用力影响有限，从而导致清洗时间过长，效率不高。 2003高翔使用超声波清洗泡对鲜切芹菜新鲜处理，通过实验得到了超声波清洗泡泡鲜切蔬菜10分钟，更有利于杀菌让酶失活，保险，从而延长保质期。该清洗方式支队清洗或半清洗以后的蔬菜实行第二次清洗有较大效果，不适合对蔬菜的初次清洗。 陈玉凡从理论上分析了高压水射流清洗机的两个主要参数（压力与流量）对清洗效果的影响，该射流束以喷嘴中心轴呈对称分部并且为锥形分散分部。即使在数百个大气压下通过高压泵加压的普通水，孔通过的能量高度集中的高压水（也称为水弹），一个或多个细股喷嘴喷出哪个速度通常在亚音速和超音速，它有一个类似子弹的能量用于冲洗污垢，具有很大冲击力的和破坏性。此种方法能对杂质、污垢等清除更彻底，而且方便快捷、清洗效率高。但较大的射流能量容易破坏蔬菜组织，不适合于蔬菜清洗，但高压水射流技术对蔬菜清洗的研究具有一定的参考价值。 2004年吴玉发等研究了水汽浴叶清洗机，该清洗机利用气泵在水下产生的气体，使气体在向上冒的过程中冲击叶菜，并将其振荡翻滚，气体涌动的水浪以及气泡爆裂以后溅开的水花进入菜叶表面凹凸缝隙和茎秆夹缝处，冲击泥沙杂物达到清洗目的。7但是水流的运动主要来源于喷淋水管的作用，从而使得蔬菜的清洗效果下降，而且也很浪费水资源。2008年赵长兵等研制了爆气扰水式蔬菜清洗机。他开发的清洗机清洗运动流趋向于防止静止或运动发生死区，而使用的方式，两组孔隙间歇工作，利用摩擦的气泡的碰撞与水或蔬菜的表面，使气泡坍塌产生高速微抛丸水和冲击力，从而去除表面污染物的蔬菜。但在气泡在蔬菜的向上的力的双重影响的底部，从而使蔬菜的表面上的力减弱，从而削弱了蔬菜翻转，从而延长洗涤时间，它减少了蔬菜表面清洗的效果。1.4 对国内蔬菜清洗技术的展望 我国自2001年加入WTO以后，已经有8年的时间，特别自2008年世界经济出现危机以来，世界工业的步伐开始放缓，甚至出现了倒退现象。在这种新形势、新情况下，我国的蔬菜清洗技术需努力向一下方向发展： （1）建立产、学、研相互结合的运行模式，提高产品的研发水平与科技创新能力。当前的蔬菜清洗机对于根茎类蔬菜（比如土豆、生姜、番茄、萝卜等）的清洗的效果较好，却对于叶菜类蔬菜（比如菠菜、小白菜、包菜等）的清洗的效果不是很理想，由于叶菜类蔬菜在清洗的时候所受力过大或运动没有规律，所以茎和叶子很容易受到损伤，从而使得蔬菜的营养价值明显下降。因此对于叶菜类蔬菜而言，则需要综合地考虑运动的方式及速度、蔬菜的受力大小以及清洗装置的安装位置和高度等等因素，不仅要满足清洗率的要求，还得满足蔬菜不受损伤从而保持营养的价值的要求。 （2）加大对蔬菜清洗技术的研究投入力度，同时注重对节水、节电的研究。因为蔬菜清洗装置需要消耗整个清洗机的极大部分的能量与清洗时消耗极大量的生活所需用水，所以在保证蔬菜的清洗效果的与之同时，如何如何降低能源的消耗、充分使用水资源等方面还是需要科研的工作者们不断的研究和改良。 （3）着重高新的技术的转化及其应用，不断地将电气化、机械化、智能化、自动化、智能化以及计算机技术等融入到对蔬菜清洗的技术的研究，提高产品的科技的含量的水平，从而获取科学利用的价值，又能够产生较大的经济效益和社会效益。1.5 我国蔬菜清洗技术存在的问题与发展趋势 我国对蔬菜清洗技术的研究经过多年的发展，然取得了一定的成绩，但纵观各类蔬菜清洗机可知，还存在无多有待解决的问题： （1）蔬菜清洗机的品种单一。振动喷淋式蔬菜清洗机和滚筒式蔬菜清洗机等等是现在市场上的主流蔬菜清洗机。 （2）机电一体化程度不高。目前研制的蔬菜清洗机大多是以机械的方式实现对蔬菜的清洗，而机电一体化与自动化程度水平应用较少，几乎没有应用智能化。 （3）技术与计算机技术。因此科技含量不高。 （4）清洗结构单一，通用性较差。因为设计对象，设计内容的差异性，导致的结果就是各种蔬菜清洗机零部件，工作方式和机械结构都不一样，所以零部件上的通用性较差，从而增加维修的麻烦、困扰。 （5）基本处于研究阶段，进入产业化生产规模还有一定距离。目前，我国的蔬菜清洗机由于大多数处于在各类大学或研究机构的研制阶段，则生产的机型就更少，鼓励产业化还有较长的路要走，远远不能满足蔬菜加工的产业化。集约化生产规模的需求，供求矛盾较为突出。292 根茎类蔬菜清洗机结构、设计特点根茎类蔬菜采摘后，表面往往带着泥土、沙子、腐殖质、残余的农药等等污染物，所以我们必需清洗来去除这些污染物。目前，我国根茎类蔬菜的清洗一般用水浸泡法和手工清洗来完成，然而这些方法的机械化程度极低。比较适合根茎类蔬菜（如生姜、土豆、马铃薯等）的清洗机也只有华中农业大学张华珍副教授研制的滚筒式蔬菜清洗机和湖南农业大学高英武研制的振动喷淋式蔬菜清洗机。2.1 滚筒式蔬菜清洗机滚筒式清洗机是借圆形滚筒的转动(如图2-1)，使物料在滚筒里不断地翻转，同时不断用水管喷水来冲洗翻动的物料，从而达到清洗的目的。污水和泥沙由滚筒的网孔经底部集水斗排除。该类清洗机适合清洗生姜、萝卜、土豆、生姜等根茎类的蔬菜，是比较实用的一种食品初加工机械。图2-1 滚筒式清洗机结构图1.传动轴；2.出料槽；3.清洗液筒；4.摩擦滚筒；5.进料斗；6.传动系统；7.传动轮；8.喷水管；9.托轮；10.集水斗2.1.1 滚筒式清洗机的结构滚筒式清洗机是由机架、电机、皮带传动系统、减速器、联轴器、链轮传动系统、轴承、螺旋式滚筒、冲洗水管、挡料板、出料机构组成。电机、减速器固定在机架上，电机通过皮带传动系统与减速机相连，减速机通过联轴器与小链轮相连，大链轮带动滚筒上的摩擦轮而使得滚筒转动，滚筒内部有螺旋导板，在旋转的同时，带动食品排出。2.1.2 滚筒式清洗机的设计特点机构简单、能耗低、工作可靠、制造成本低和节约用水。2.2 振动喷淋式蔬菜清洗机振动喷淋式蔬菜清洗机的运用可集中在蔬菜基地去除粘附在蔬菜表面的泥土、有机肥料、残余的化学农药、微生物，使从田间收获回来的蔬菜成为净菜，包装后再往市场销售。10不仅方便了消费者，还可以减少城市垃圾。同时净菜也可以延长蔬菜的货架期和保质期，能大量减少蔬菜在储运过程中的损失。图2-2 清洗机振动清洗部分的结构图1.无级变速器；2.往复振动发生器；3.可调式曲柄滑块；4.振动床；5.轴承；6.清洗池；7.装菜篮图2-3 清洗机喷淋部分的结构图1.进水管；2.调节阀；3.三通球阀；4.过滤器；5.水泵6.旁通阀；7.文丘里管；8.压力计；9.机架；10.振动器；11.喷淋罩；12.分配水管；13.喷嘴；14.振动床；15.水槽；16.泥沙过滤收集器2.2.1 振动喷淋式蔬菜清洗机的清洗原理及结构 被清洗的蔬菜（已除去了烂叶、黄叶、菜根）须经过振动清洗池和喷淋清洗池两道工序。清洗机中有两个清洗池，振动清洗池里（池内注入了清水与清洗剂）装有蔬菜的洗菜篮先浸泡23分钟，然后再做往复运动，粘附于蔬菜的表面上的污染物与残余的农药在往复振动的惯性力以及水的切向阻力和清洗剂的综合性作用下脱落。10经过振动清洗的蔬菜再放入到喷淋清洗池。喷淋的清洗池内设有软管的喷头一边高速地喷水作喷淋清洗，一边作往复运动。喷水顺序依次为先上方、后下方、然后前后方，喷淋的水起始为一定浓度的清洗液，最后为干净的洁净的水。振动清洗池内设有的振动发生器为含两个移动副的曲柄滑块机构（图2-2），无级变速器和往复振动发生器相联接，往复振动发生器再和振动床相联接，从而使振动床带动洗菜篮在水中作往复振动。10在喷淋清洗池内设有动力源-电机，电机通过链传动可以带动着喷头做顺序喷淋清洗及其往复运动。供水部分是由水泵、三通球阀、过滤器、旁通阀、文丘里管、压力计等组成，喷淋部分是由振动器、喷淋罩、分配水管、喷嘴、振动床组成，接水槽、泥沙过滤收集器则组成水回收部分（图2-3）。前期喷淋用循环水，最后使用干净的水。清洗机的机架走轨上的洗菜篮可以由喷淋罩的一端进去，另一端排出，实现了流水作业。2.2.2 振动喷淋式蔬菜清洗机的设计特点工作效率比较高；块茎类蔬菜几乎不造成损伤且对叶类蔬菜的损伤也极小；净菜机械化；工作可靠。3 生姜清洗机的设计3.1 设计思路由于本课题的研究需要集结多种清洗方式，有水流清洗和气泡清洗。而市场上出售的生姜清洗机大多是滚筒式清洗,这种清洗方式清洗生姜,生姜的破损率较高。因此要设计一个比较创新的生姜清洗机。在构建生姜清洗机的时候,以多槽的自动输送式蔬菜清洗机与蔬菜食品机械加工厂生产的气泡式蔬菜清洗机为设计原型。8在生产中极其常见的水流式与气泡式蔬菜清洗机的构建简图如图3-1所示：图3-1 清洗机构造简图1.洗菜篮；2.箱体；3.喷气管；4.上水射流管；5.下水射流管 如图3一1所示,洗菜篮1盛有蔬菜；水箱2盛有清洗液（水）；喷气管3则用于气泡式清洗；上水射流管4和下水射流管5用于水流式清洗。一般而言,排气管要安装在洗菜篮的左下方,而水射流管安装在洗菜篮的下方。考虑到喷气管与上、下水射流管之间的安装位置没有相互干扰,为了方便起见,设计时可以将排气管和喷水管同时安置在同一个箱体中,就是让水流清洗和气泡清洗两种清洗方式可以在同时实现。8为了方便试验观察蔬菜清洗效果,该清洗机会采用一些透明的材料(比如普通玻璃、有机玻璃等)用于制作箱体。但喷气管、水射流管和其他相应的管路元件会采用PPR材料（聚丙烯）进行制作。 在部件的联接方面,管件与箱体之间的联接方式可以考虑使用螺纹连接,比如采用内螺纹接头和外螺纹接头搭配的方式,将水射流管和喷气管与外部的管路相联接。对于清洗机清洗过程中流量的调节,可以在管路中加入流量计量设备,（比如玻璃浮子流量计），配合分流装置使用。生姜清洗机的整体结构如图3一2所示: 图3-2 水流-气泡式生姜清洗机1.下水射流管；2.溢流口；3.箱体；4.上水射流管；5.洗菜篮；6.喷气管；7.流量表；8.止回阀；9.流量调节阀；10.叶轮式鼓风机；11.分流调节阀；12.支架；13.玻璃浮子流量计；14.流量调节阀；15.分流管路；16.分流调节阀；17.集水箱；18.离心泵；19.抽水管3.2 清洗机的设计生姜清洗机的设计原则是以现有的水流式与气泡式蔬菜清洗机为原型,整个构成可以分为动力源、箱体、管路、直线往复运动机构和洗菜篮这五个部分。最后再画出生姜清洗机的3D建模图。3.2.1 动力源的型号选择水流式的蔬菜清洗机的动力源一般都是采用离心式水泵,但是气泡式蔬菜清洗机的动力源一般则采用叶轮式鼓风机,而生姜清洗机带动洗菜篮作直线往复运动的动力源则选用57系列步进电机，型号选用57BYGH56。其主要性能参数见表3-3。参照国内外一些比较常见的蔬菜清洗机动力源的配置以及任务书中所要求的流体流速：水流流量5800L/h、气流流量800L/min,在本清洗机中分别选取GDL型立式多级离心泵（上海朝隆泵业有限公司生产）和GF系列鼓风机(广东日生集团生产)作为两种清洗方式的动力源,其型号和相关参数见下表3-1，表3-2:表3-1 40GDL6-12*3立式离心泵主要性能参数型号口径（mm）流量（）扬程（m）效率（%）电机功率（Kw）电压（V）转速（r/min）40GDL6-12*340636701.52202900表3-2 GF750叶轮式鼓风机主要性能参数型号排气量（L/min）排气压力（kPa）工作压力（kPa）电压（V）电机功率（Kw）频率（Hz）管径（mm）GF750105015122200.755040表3-3 57BYGH56步进电机主要性能参数型号电流（A）歩矩角（）转矩（N*M）推力（KG）水平负载（KG）效率（%）往返精度（mm）57BYGH561.21.81.21550980.030.053.2.2 生姜清洗机箱体设计该生姜清洗机的箱体采用10mm厚的玻璃钢制作,外尺寸为720mmx580mmx510mm。玻璃钢（FRP）是一种纤维强化塑料，也可以叫作GFRP，以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢，注意与钢化玻璃区别开来。玻璃钢质轻而硬，不导电，性能稳定.机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。图3-3 箱体结构示意图1.溢流口；2.水射流安装孔；3.排水管安装孔；4.喷气管安装孔 如图3-3所示，在箱体底部开有两个孔,分别为水射流管和排水管的安装口；箱体左侧面开有一个孔4,用于安装排气管。然后在箱体的右侧面还需开一溢水口3,可以使得水箱中的水流入到集水箱中(集水箱则主要用于收集这个溢水口处流出来的水),水泵就可以直接从这个集水箱中抽水来供给喷水管,从而可以达到循环用水，节约用水的目的。3.2.3 管路设计（1）水流管路的设计生姜清洗机的水流管路的结构如图3-4所示：图3-4 水流管路结构图1. 水射流管；2.箱体；3.螺纹接头；4.玻璃浮子流量计；5.流量调节阀；6.分流调节阀；7.分流管路；8.离心泵从图3-4可以看出，为了能够使水射流管喷射出的水流对清洗槽即箱体中的生姜有较好的冲击作用,则要求水射流需要有比较足够的流速。不改变水泵出口流量的状况下,流过水射流管中的水流流量就不会发生变化,从公式q=vA=常量可以知道,当流量不变时,水管管口的截面积越小,则流速越大,所以在上、下水射流管的设计中就采用逐步减小管径的方法来增大水射流的出口的流速。水射流管上设有四个喷水口,可以增大水射流冲击力的作用的范围。水射流管与水流管路的联接情况为:水射流管1穿过箱体2上的定位孔由螺纹接头3可以固定在箱体底部,在箱体的外部有水流管路与之相联接。水流管路中必需安装玻璃浮子流量计4与流量调节阀5,方便生姜在清洗的过程中可以调节水流量的大小。分流管路7设计在水泵8的出口处,水流量过大的时候可以方便减小水流量。8（2）气流管路的设计生姜清洗机的气流管路中,喷气管的设计会采用主管路与支管路相结合的方式,如图3-5所示,气流管路的主管路采用外径为40mm的PPR管(聚丙烯管),而其支管路则会采用外径为20mm的PPR管（聚丙烯管）以熔接的方式和主管路相联接。8而且在喷气管的主管路与支管路上都会钻有若干个大小直径为3mm的喷气孔,然后用管堵在管口处进行封堵,以防气泡从圆孔中溢出来。喷气管6和气流管路的联接情况为:喷气管穿过箱体的左侧上的定位孔,和之前的水流管路一样，也采用螺纹接头来固定在箱体壁上,外部会有气流管路和它相连。为了使箱体中的水不通过气流管路回流到叶轮式鼓风机中,我们在气流管路中还加入了止回阀3。在清洗过程中气压表可以随时测得气流压力,如果气流量过大，还可以打开分流调节阀12来进行分流。图3-5 气流管路结构图1.鼓风机；2.流量调节阀；3止回阀；4.气压表；5.箱体；6.喷气管；7.喷气孔；8.小管堵；9.大管堵；10.螺纹接头；11.分流管路；12.分流调节阀3.2.4 洗菜篮的设计 洗菜篮的设计模型如图3-6所示：图3-6 洗菜篮模型图如图3-6所示，洗菜篮的五个面上都冲有若干个直径为10的圆孔，使得清洗过程中清洗的区域内外的水可以交换，气流所产生的气泡可以从洗菜篮底部到达至洗菜篮中破裂，能够使清洗篮中的生姜更好的清洗干净。另外，洗菜篮左右两个侧面与底板可以设计成底角为80度的锐角，可以预防生姜在清洗过程中形成清洗死角。3.2.5 直线往复运动机构为了使洗菜篮中的生姜更好的得到清洗，所以有必要让洗菜篮可以左右移动起来，那么问题就来了，就有必要在洗菜篮的底部设计一个可以载着洗菜篮（装有生姜）作直线往复运动的机构。曲柄滑块机构、凸轮往复机构、液压气动往复机构、丝杠螺母传动机构等，他们是现在比较用的多的直线往复运动机构。而曲柄滑块机构和凸轮往复机构作直线往复运动时所占用的空间过大，而所设计生姜清洗机（720mmx580mmx510mm）明显不能满足其空间，所以不予考虑，液压气动往复机构成本又比较高，不经济，也不予考虑。所以采用丝杠螺母传动机构来使洗菜篮实现直线往复运动。丝杠螺母传动机构也称为螺旋传动机构。该机构主要用于将螺旋运动转化成直线运动。丝杠螺母机构按照其运动方式又可以分为滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动丝杆螺母机构的结构很简单，加工也很方便，但它的摩擦阻力矩比较大，传动效率比较低，只有30%40%左右。所以在生姜清洗机设计其直线往复运动机构的时候不予以考虑。滚珠丝杠螺母机构则没有这么大的摩擦阻力，它的最大优点就是摩擦阻力小、传动效率也很高，可以达到92%98%左右，精度也高，系统的刚性也好，运动还具有可逆性，可实现往复运动，所以选用滚珠丝杠螺母机构。 需要选定的项目:选择螺杆轴径、导程；选择电机；选择机械精度；选择机械系列。选择螺杆轴径、导程（1） 导程(Ph)、螺杆长度(L)由电机最高转速，计算可得，=2.4(mm) 导程选定为4mm，电机转速只需900r/min（15r/s），就能达到最大移动速度3.6m/min（60mm/s）。螺杆长度暂定为：L=最大行程+螺帽长度+轴端预留量=400+100+100=600（mm)（2） 螺杆轴径高速进给时，由所允许的最高转速来决定轴径。轴承支撑结构选择固定支持方式，这种方式最为普遍。由危险临界速度来计算所需的螺杆轴径： (3.1)推算出其中L临界转速的计算长度（mm)；E滚珠丝杆弹性模量(MPa)，取E=2.1105MPa；滚珠丝杆密度（g/mm）N/mm；g重力加速度（mm/s),g=9.810mm/s；I滚珠丝杆的最小惯性矩（mm4),取；A滚珠丝杠的最小截面积（mm），；安全系数，取=0.8；f与支承方式有关的系数；在此螺杆长度L=最大行程+螺帽长度/2+轴端预留量=(400+50+100mm)=550mm支承方式为固定支持，查表3-4得：f=15.1dr9.4mm若电机最高转速要达到1500r/min,螺杆根径dr应该大于10mm,所以螺杆外径D取12-25mm，取16mm.表3-4 丝杆副的各种支承方式支承方式简图f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9 直线往复运动机构简图如图3-7所示：图3-7 直线往复运动机构简图选择电机 已知规格要求：最高转速为1500r/min；达到最高转速所需时间1s。(1) 惯性矩螺杆轴： （3.2）kgfcms=0.000281kgfcms可动部： (3.3)式中，丝杆螺距；W可移动的总重量。kgfcms=0.00070kgfcms联轴器:=0.0005kgfcms传动件惯性矩的总和为：=0.001481kgfcms(2) 匀速时的驱动扭矩 （3.4）式中，丝杆螺距；F等速度时轴向力；，：导引面摩擦系数，取0.01。Ncm=0.09Ncm(3)选择电机选择条件如下：最高转速Nmax应大于等于1500r/min电机的额定扭矩电机的额定转子惯性矩根据上述条件电机的规格预选为：最高转速=1500r/min转子惯性矩= 0.01kgfcm额定扭矩=1.20Nm综合所述，57BYGH56步进电机完全满足电机选择的要求。(4) 计算扭矩有效值T=0.09Ncm120Ncm；满足要求。选择机械精度定位精度：0.10/550mm，所选精度必须在0.10/550mm以上，查照表3-5的精度表，得选择精度为5等级。精度为：0.027/550mm表3-5 各种螺杆长度之导程误差（单位um）行程（mm）C0级C1级C2级C3级C5级100mm以下33055818100mm200mm3.54.571020200mm315mm4681223315mm400mm5791325400mm500mm68101527500mm630mm69111630630mm800mm710131835800mm1000mm8111521401000mm1250mm9131824461250mm1600mm1115212954选择机械系列支撑方式为固定侧支持侧。3.2.6 绘制三维模型 接下来就是生姜清洗机的3D建模环节，我用的三维建模使用的软件是solidworks，solidworks和UG一样是很强大的三维软件，除了基本的零件建模，还有装配功能，也可以由零件模型生成工程图。先把清洗机所需的零件画出来，然后把这些零件装配成子装配体，（如直线往复运动机构，箱体，水流管路等），然后把这些子装配体装配在一起就可以了。生姜清洗机的建模完成，如图3-8。图3-8 生姜清洗机的三维模型4 水流清洗、气泡清洗的清洗机理及清理废水的处理4.1 水流方式清洗机蔬菜的机理本课题所研究的水流清洗为淹没水射流清洗方式，其在水利工程、环卫、化工、石油、环境工程等领域里的研究与应用较多,但是在农副产品的清洗上却少之又少,相关的研究也较少，尚未见报道。4.1.1 淹没水射流清洗的概念液体从喷管或者孔口中喷出,脱离固体边界的束缚,在液体或者气体中做扩散流动,即为射流。11射流一般都为紊流流型,具有紊动扩散的作用,能够进行动量、质量和热量传递。然而流入相同介质中的液体射流,就称为淹没射流。通俗点讲，是指一种流体射流流体到从排放口或喷口周围的环境，并发生混合的流动状态。通常将水从喷口射入空气中形成的水流称为水自由射流。而水从喷口射入同一介质的水中所形成的水流称为淹没射流。当射流出流后,它的扩展受到界壁的限制, 则叫受限射流。根据喷嘴的几何形状，该喷射流可以分为圆形，狭缝喷嘴，矩形喷嘴等。淹没水射流及周边固定媒体质量和动量交换发生，靠近介质夹带流一起喷流被增加和减少的流量随后均化，扩大其断面。淹没水射流射流常用来水力发电、消防水枪、农田灌溉、人工喷泉、清洗汽车、清洗飞机场跑道等。4.1.2 淹没水射流清洗蔬菜的机理 根据流体力学原理可知,流线不能相交,也不能转折,而只能是一条续光滑的曲线,液体质点不可能有横越流线的流动。清洗槽清洗机在有限的空间，无论是上或下水管位被设置，所有接近水的界面，在流前进的方向也槽壁阻挡，因此扩展将通过射流边界壁被限制更多。然而由于水射流受到多界壁的限制,射流的直径与流量则不是一直沿程增加,反而是增加到了一定程度后又逐渐减小。当射流达到一定部分中，运动参数根本性的变化，超出边界线喷流开始产生回流，射流开始沿主流动减少。回流区流线呈闭合状,射流与回流共同形成旋涡中心。射流为上位时,水槽上部为射流区,下部为回流区;射流为下位时,水槽下部为射流区,上部为回流区。无论上位或下位射流,都会在清洗槽内形成涡旋式流动。如图4-1所示。图4-1 受限水射流水流状况示意图本生姜清洗机试验装置中的水流清洗部分可以采用(水平)单层多股水射流清洗方式,这种水射流的压力损失(或者说是能量消耗)较少,流态稳定性也较好,能够保证蔬菜在清洗过程中能形成稳定，有条不紊的清洗状态,并且有足够的冲击力推动其搅动。图4一2所示即为淹没水射流清洗毛豆的情况。图4-2 淹没水射流清洗毛豆1.螺旋运动中心点；2.洗菜蓝；3.上水射流管清洗时,上水射流管喷出的水流(称为强水流)冲击着毛豆,使得水射流管管口旁边的毛豆开始往洗菜篮左侧运动聚拢。由于上水射流管四个分支管口喷出的强水流相互之间存在着干扰,水流冲击的“覆盖”范围有限,使得毛豆在运动聚拢到洗菜篮左侧板附近时,就大大减缓了运动速度,因此大部分的毛豆就不太可能被冲击到左侧板上产生堆积现象。8同时在小水射流管所喷出的水流(称为弱水流)的作用力下,强水流产生回流现象。在刚才这种回流的带动的作用下,刚才的参与运动的那些毛豆也会沿着图4一2中所标示的方向移动,从洗菜篮底部向中部“前进”,在这一个过程中又推动洗菜篮的底部与中部的毛豆发生移动。其中部和底部的毛豆在水流推动作用下运动到洗菜篮的上部,然后又重复刚才的运动过程,与之同时那些毛豆还进行了水平方向的输送移动。总而言之,蔬菜在洗菜篮中的移动过程可以看作是以O点为中心原点的螺旋运动。当这些质点进入水射流范围时就把自己的动量传递给与水射流相接触的液层,又由于能量消耗而会使得流速逐渐降低。在淹没水射流清洗过程中,对于密度大于水的密度的蔬菜，其螺旋运动为顺时针方向的,而对于密度小于水的的密度的蔬菜而言,它们在洗菜篮中的运动是逆时针方向的螺旋运动,如图4一3所示。图4-3 淹没水射流清洗生姜1.螺旋运动中心点；2.洗菜蓝；3.下水射流管 根据水力学的原理，水绕过在以恒定的速度的流体运动的一个或多个对象，该对象将受到该水体的力。这个力可以分为两个分量，一个分量是用流动的方向相一致，这是一个目的是通过水在流动的方向上的力，而且还受到物体的反作用力的可以称为扰流阻力；另一个分力垂直于水流方向，称为升力。蔬菜所受的力有重力、升力、浮力以及绕流阻力。要是不考虑蔬菜在水流中由于吸水作用引起的密度的变化，可以将重力与浮力视为定值，而升力与绕流阻力两个都是变量。绕流阻力由两部分组成，即摩擦阻力和压差阻力。在对象的在无穷远处的动作的流动方向上的摩擦表面上的投影的摩擦的总和，它是由于在流体在流体的粘度与对象之间产生的摩擦而产生。压差阻力指作用在物体表面法线方向的压力投影在无穷远处来流方向的总和。对于理想流体的绕流，压力分布前后对称，故压差阻力为零。而当实际流体流过物体时，由于黏性的关系，发生分离，产生旋涡，在旋涡区的压力未恢复到原来的势流时的压力，旋涡区的压强远小于物体迎水面的压强，在来流方向会形成压力差。当水流达到一定速度时，压差阻力在绕流阻力中占主导地位。清洗过程中,生姜主要受到了两个方面的作用。其一是水射流的冲击力,上(下)水射流管喷出的强水流只冲击着管口附近的生姜,在冲击压力的作用下,这部分生姜上的污物得以清除。同时水射流管喷出的水流还引起大量微水射流的产生,这些微水射流的速度较高,对生姜表面上的污物的打击力大,其他大部分未被强水流直接冲击的生姜在微水射流的冲击作用下,表面吸附的污染物也得以被破坏。一般来说,水射流的直接打击力与水射流的动压力和流量有关,流量或动压力越大,打击力度越大,生姜清洗的就更干净。在改变水射流管出口流量或压力的情况下,生姜的清洗效果会大大不同。因此水射流的冲击力度也是影响生姜清洗的一个最重要因素。另外，生姜在清洗过程中受到另一方面的作用就是摩擦作用。洗菜篮中的生姜做螺旋运动时,个体之间频繁地发生碰撞和摩擦。同时洗菜篮内水流的搅动,也引起了洗菜水和生姜之间的摩擦,正是因为这些搅动，促使生姜表面污染物与生姜脱离，使生姜清洗干净。4.2 气泡方式清洗蔬菜的机理鼓风机把压缩的干净空气在一定的条件下通过清洗槽左下部的进气管道排向清洗槽,气流通过清洗槽底部的带网孔的洗菜蓝时将会产生分流作用,以至于产生一定压力和一定大小的气泡,而生成的气泡在清洗槽当中迅速的上升同时造成水的扰动。而且气泡破灭时所产生的冲击力连续地不断冲击蔬菜的表面,使蔬菜的表面的污染物脱落。气流引起清洗液的扰动、翻滚现象导致被清洗物与清洗液之间存在相对流动和动动量的交换,促使污染物从被清洗物表面分离。该清洗方法具有能耗低和耗水小的用水量的优点，它被广泛用于管道清洗和食品加工中的根茎类蔬菜的清洗。4.2.1 气泡清洗的概念叶轮式鼓风机产生的气体冲向水底，在水底的气泡连绵不绝地往上冒，不断地冲击蔬菜,致使蔬菜翻转,这些水气泡爆炸后所溅开出来的水花进入到蔬菜表面的凹凸缝隙与茎杆的夹缝处,可以冲刷掉泥沙和杂物等污染物,从而来达到洗干净蔬菜的目的。84.2.2 气泡清洗蔬菜的机理（1）气泡溃灭时产生的气蚀作用气蚀是一种破坏性很大的失效形式。当液体中的气泡到达了高压区的时候,气泡则在高压下瞬时爆炸破灭,产生冲击压力。冲击压力反复作用在固体物质表面,使得材料的表面出现蜂窝状、海绵状和斑点状的磨损痕迹,我们可以称这种破坏行为为气蚀。在含有大量气泡的水中,当气泡破灭和回弹再生的时候,将会产生极大的瞬时压强。当破灭的气泡靠近固体边界时,则水流中不断破灭的气泡则会产生高压强的反复作用,能够破坏固体表面,因此产生了气蚀现象。8气泡在蔬菜表面附近的破裂，近于球形的气泡随水射流运动到刚性固体表面附近。由于淹没射流在固体表面上，以形成一个薄的溢出，有气泡和蔬菜，气泡远离蔬菜壁面侧的表面之间的交流的流动（称为近壁）的远边（称为远壁）中的流体压力的低，向心力速度比其它部分要慢。8在气泡中心向固体表面移动时,近壁与固体表面的距离基本不变,为保持动量守恒(不考虑液体粘性的影响),气泡必须做加速运动,远壁向内凹进,靠近近壁,近壁被穿透形成速度很高的微射流,这种微水射流的方向指向蔬菜表面,其破坏和冲蚀能力很强。如图4-4所示。图4-4 气泡在刚性的固体表面破裂的示意图研究表明,只要有效控制气流的速度,就能够计算出蔬菜表面的动压力,从而很好的清洗掉蔬菜表面的污染物且不损伤蔬菜。此外,Hammitt通过计算和实测得出,游移型气泡溃灭时,靠近固体壁面处的微射流速度可达7018O米每秒,在固体表面的冲击压力可达140170Mpa.这么高的动压力可以完全清洗掉蔬菜表面的污染物而且可以缩短清洗时间。并且,这仅仅就是一次微水射流作用蔬菜的表面的压力；当水中的气泡不断产生、增长、破灭的时候,则气泡破灭的冲击力连续地不断作用至蔬菜表面,能够有效清除掉蔬菜的表面的污染物。（2）气流引起水的翻滚、漩涡等复杂扰动在蔬菜清洗过程中,蔬菜随着水流的扰动一起翻滚,形成了一个十分复杂的运动体系。蔬菜,水和气流一起组成了一个非常复杂的固一液一气三相流动。如图4-5所示。图4-5 蔬菜清洗过程示意图当管道中的气体以一定的速度射入清洗槽中的液体时,将引起液体的流动。液体在其流动的过程中,运动比较快的流层会带动较慢的流层,并且运动比较慢的流层又要阻止运动比较快的流层,所以不同速度流层之间则会互相牵制,从而产生层与层之间的摩擦力，就是流体在流动的过程中由于液体粘性产生的内摩擦力。根据自由射流理论,当射流管中的空气以一定的速度进入液体中时,在液体相邻两流层之间,存在内摩擦力和动量的交换。这样直接导致了清洗槽中水没有规则的运动，正是这种无规则的运动，蔬菜表面的污染物才得以脱落。且清洗槽中的水扰动的越厉害对蔬菜的清洗效果越好。4.3 水流清洗、气泡清洗的相同点与不同点在这两种清洗方式下,蔬菜的运动的规律都有一定的相似性,就是蔬菜在水中的运动都是沿着某一中心原点作螺旋运动的；两种清洗的方式作用机理的相同点在于:它们都能够引起清洗液体也就是水的剧烈的扰动，并且在水中形成微射流；两种清洗方式作用机理的不同点在于:淹没水射流清洗主要是靠强水流以及大量微水射流的冲击作用来实现蔬菜的清洗的,而气泡清洗方式是靠气流的气蚀作用来破坏蔬菜表面的污染物的。84.4 清洗废水的处理为了节约水资源，合理利用水资源，生姜清洗机清洗生姜后的废水要回收处理且重复回收利用。清洗机清洗后，废水当中的主要成分是泥沙等。泥沙是成胶体状混合在水中，去除他则需要使用专门的设备，通过翻阅资料，我们选取了Y型
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