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引言 干冰清洗機是一年四季均有干冰清洗機上市，也是家庭、餐桌上常見的菜種。干冰清洗機土生土長，沾附著泥土、有機肥、微生物等污物，這是不能入口的。洗菜時有水的機械沖刷作用，也有溶解過程。清洗的目的性已經非常明確，而目前針對農藥污染，清洗又把去除農藥殘留放在首位。所以清洗不僅僅是洗掉干冰清洗機表面的泥土，而是杜絕有害物質的重要方式，怎樣清洗干冰清洗機已經成為困擾人們的一個問題。傳統(tǒng)自來水洗洗、沖沖、泡泡的辦法、洗潔精浸泡法，其弊端顯而易見：農藥污染使水洗的安全性大打折扣，而且洗潔精以磷酸鹽和尿素為主，這樣的產品不僅危害皮膚健康，而且清洗不徹底還會對身體產生危害，最重要的是有害化學成份殘留在水中會對生活用水造成循環(huán)污染。 本文論述了研制自動化連續(xù)型干冰清洗機清洗機的必要性和可行性。干冰清洗機可以分為葉狀類干冰清洗機和根莖類干冰清洗機，針對葉狀類類干冰清洗機和根莖類類干冰清洗機這兩種干冰清洗機物理性質的不同，設計了葉狀類干冰清洗機清洗機。清洗機的工藝流程為浸泡清洗---噴淋清洗---超聲波清洗---出菜。我們著重設計了噴淋式清洗機，在次設備中，干冰清洗機通過不銹鋼絲編織網傳送帶傳送，由上下兩排噴頭進行沖洗，起清洗作用的主要是上面的一排噴頭，下面的噴頭主要是靠水的壓力使干冰清洗機處于一種層流狀態(tài)，使干冰清洗機的各部位都能清洗到，從而達到比較好的清洗效果。 干冰清洗機清洗機的設計主要是對干冰清洗機進行浸泡，為粘附于干冰清洗機表面上的污物進行初步清洗，并對較難分離的雜質進行浸泡,使泥沙雜質在水的浸泡變得松脫，以利于在以后清洗過程當中容易沖洗。在這一部分，主要設計用傳送帶實現(xiàn)對干冰清洗機的自動傳輸和水中浸泡，干冰清洗機在缸體中可實現(xiàn)較為緩慢的運動，通過干冰清洗機與干冰清洗機之間、干冰清洗機與水之間的動摩擦達到很好的預分離效果，而且?guī)缀醪粨p傷葉類干冰清洗機表皮，保證了干冰清洗機的營養(yǎng)成分。對于水的處理，采用水力旋流器對水進行分離澄清，實現(xiàn)水的循環(huán)利用。 設計出的清洗機其工作達到以下要求： 1. 保證干冰清洗機的完整性，減少表面損傷與折斷壓爛等易使營養(yǎng)成分流失的不利因素，努力達到顧客要求，保證干冰清洗機的質量； 2. 使干冰清洗機的各部位都能清洗到，從而達到比較好的清洗效果，設計出整套的清洗設備，并實現(xiàn)了干冰清洗機清洗的自動化； 3. 使干冰清洗機清洗過程變得快捷、方便、并且干凈。 設計的干冰清洗機清洗機能夠實現(xiàn)自動化連續(xù)清洗干冰清洗機，除了采用了傳統(tǒng)的浸泡、噴淋清洗方式外，還采用國際流行的超聲波凈洗法。它利用液體中聲的空化作用產生微沖流，微沖流在運動過程中小氣泡不斷爆炸，對被清洗干冰清洗機表面進行高頻振蕩和沖擊，徹底剝落殘留在干冰清洗機、水果表面上的農藥，并能殺滅殘留在其表面的細菌，既不破壞營養(yǎng)，還增加保鮮時間。對于葉片類干冰清洗機表面殘存的泥土、有機肥、化學農藥、微生物等，我們針對葉片類干冰清洗機本身比較嫩脆，形狀多為扁平細長，很容易折斷壓爛，不象根莖類干冰清洗機表皮強度較好，有的還要求去皮食用，不存在表皮損傷問題，所以我們在對葉片類干冰清洗機進行正式清洗之前，必須對葉片類干冰清洗機先進行浸泡，這樣有利于在以后的噴淋清洗中減少噴頭的水流速度和噴壓，保證干冰清洗機的完整性，減少表面損傷與折斷壓爛等易使營養(yǎng)成分流失的不利因素，努力達到顧客要求，保證干冰清洗機的質量。 設計出的清洗機由自動進料、自動出料、中間傳送裝置和噴水及其循環(huán)利用裝置組成。形成流水線清洗，由水泵出來的水從上下噴頭噴出對在傳送帶上運動的干冰清洗機進行清洗，從而實現(xiàn)了對干冰清洗機的自動化清洗。 第一章 課題分析 1．1 干冰清洗機清洗目的 一般數(shù)來,對干冰清洗機清洗的目的主要有以下兩個： 1． 除去干冰清洗機原料表面沾染的泥沙、雜質 干冰清洗機原料在其生長、成熟、采摘、貯存、運輸過程中，歷經時間長，歷經工序多，不可避免地會沾染泥沙、雜質等異物，特別是來自地下的果實，如土豆、紅薯等，更是不可避免地與泥土相粘連。這些泥土、雜質的存在,將會對產品的加工質量帶來極為不利的影響，所以必須將這些泥沙、雜質的洗滌除去。 1． 去原料表面沾染的農藥和微生物 干冰清洗機原料在生長過程中，為了控制病蟲害，常常對干冰清洗機要噴射一些農藥，這些農藥的存在會有損于人體健康。另外，干冰清洗機表面也會或多或少地沾染各種微生物，這些微生物有可能危害干冰清洗機原料和人體健康，因此必須將其除去。 干冰清洗機原料清洗目的是去除干冰清洗機原料中一切不符合作業(yè)要求的物質，尤其是微生物。在清洗前，正常的干冰清洗機原料表面上的微生物數(shù)量在10000-100000000個/g之間，某些干冰清洗機，由于往往粘附著泥土，微生物數(shù)量還要高得多。通過正確的清洗工藝，干冰清洗機原料的微生物數(shù)量會降低到初始數(shù)量的2.5-5%左右。 1．2 清洗工藝及設備設計的要求 在選擇清洗工藝及設備，必須考慮清洗要求達到的洗凈程度。對不同洗凈程度要求的清洗應選擇不同的清洗工藝和設備。洗凈程度要求越高，清洗成本也越高，而且生產成本是以幾何級數(shù)遞增的。 在設計清洗工藝及清洗設備時，主要從以下幾個方面進行考慮： 1. 可靠性 要求選用的清洗工藝及設備有穩(wěn)定的清洗質量，能達到所要求的洗凈程度； 2. 對待清洗對象的影響 要求在清洗過程中對待清洗對象造成的損傷盡可能小，并且不能對待清洗對象產生新的二次污染； 3. 利于自然環(huán)境的保護 要求清洗工藝及設備能夠防止或盡可能減少清洗廢液、噪聲、廢氣等對自然環(huán)境造成的破壞； 4. 效率 要求清洗工藝及設備具有效率高、節(jié)約勞動力的特點； 5. 良好的作業(yè)環(huán)境 要求所用的清洗工藝及設備能保持良好的作業(yè)環(huán)境，使工人的健康和安全得到保證； 6. 經濟性 要求采用既能達到洗凈程度要求，成本又低的清洗工藝及要求。 食品加工原料在其成熟階段以及運輸、貯藏過程中常常受塵埃、沙粒及微生物等污染，因此，在加工前必須認真清洗，并清除雜物及不合格部分，以便后道工序加工。 1．3 常見方案分析 1．3．1 刷淋式清洗機 刷淋式清洗機通過浸泡、刷洗和噴淋作用能夠有效地提高清洗效果，水槽中的清洗水還能采用蒸氣直接加熱，適用于蘋果、柑桔、梨、番茄等果蔬的清洗。 工作時，物料從進料口進入清洗槽內，在裝有毛刷的刷輥相對向內旋轉作用下，使物料在水的攪動形成的渦動環(huán)流中得到清洗，同時由于刷輥之間水流壓力差作用，物料自動向刷輥間流動而被刷洗。刷洗后的物料向上浮起，經翻料斗沿圓弧面移動，受高壓水噴淋沖洗，最后由出料口流出。 1．3．2 槳葉式清洗機 槳葉式清洗機是通過旋轉的槳葉，攪動浸泡在水中的原料，將物料進行翻滾、摩擦而完成清洗過程，主要適用于質地較堅硬和表面抗損較強的原料。 槳葉式清洗機主要由槽體、槳葉、撈料斗等組成。槽體是一個長方形臥式敞口槽，下部為半圓筒形的空花假底，其下是1-2個漏斗，可收集泥沙雜物。槽體一般用不銹鋼板焊接而成。主軸縱貫槽體，其上按一定間隔安裝有槳葉，相鄰槳葉互相垂直排列，槳葉具有鈍形棱角，可保護原料少受損傷。在槽體末端安有撈料斗，由主軸帶動回轉。 工作時，往槽體中先裝清水，再使主軸旋轉，然后將原料倒入槽體，由于槳葉的轉動，攪動原料，使其翻滾運動，另外，由于槳葉相對于主軸有一定角度，從而推動原料使其向槽體末端移動，在此過程中基本完成了對原料的清洗，至末端由撈料斗撈出，在原料撈出時，清水噴頭噴出清水，完成了對原料的清洗噶過程。而洗下的泥沙雜物則穿過空花假底，聚集于漏斗之中，可定期打開斗底排污閥將其排出機外。 1．3．3 浸泡式清洗機 浸泡噴洗機是先將原料浸泡于水中，使泥沙雜質在水的浸泡變得松脫，然后受到高壓水流的噴射，使原料表面的附著物沖洗掉而達到清洗的目的。 工作時，先將斜壁水槽中注滿水，再倒入需清洗的原料，經過一定時間浸泡后，開始傳動裝置使輸送帶運轉，輸送帶則帶動原料上行，在噴淋區(qū)內高壓水流從噴淋頭直噴向原料，將原料上沾染的泥沙、塵土、雜質沖洗干凈。若原料上沾染了化學試劑，也很容易除去。 浸泡噴洗機結構主要有斜壁水槽、輸送帶、噴淋頭、傳動裝置等組成。輸送帶呈傾斜安裝，與水平面的夾角為25~30o，輸送帶用金屬網制造，以利瀝水，在金屬網上間隔一定距離安裝一根橫條，以便擋住物料下滑。斜壁水槽的斜角與輸送帶的斜角相同，在輸送帶的中部上方裝有多排噴淋頭，輸送帶由傳動裝置帶動運動。 1．3．4 滾筒式清洗機 滾筒式清洗機是借助圓形滾筒的轉動，使原料在其中不斷地翻轉，同時用水管噴射水流來沖洗翻動原料，以達到清洗的目的。該機適合清洗柑橘、橙子、馬鈴薯等根莖類干冰清洗機。 滾筒式清洗機的特點是：結構簡單，清洗效率高，工作平穩(wěn)，不存在力不平衡現(xiàn)象, 對原料的適應性強。 另外由于沿滾筒內壁焊有幾根管子，大大地提高了滾筒的清洗效果。不足之處是整個機械的占地面積大。 針對葉片類干冰清洗機的特點, 只有刷淋式清洗機和浸泡式清洗機適合于清洗?，F(xiàn)在針對這兩種方式我們進行對比研究，力爭設計出最佳機構。 第二章 方案的設計 2．1 概述 針對葉狀類干冰清洗機的特點，最終確定清洗機的工藝流程為浸泡清洗（預處理）---噴淋清洗---超聲波清洗---出菜，根據小組的分工我們主要側重噴淋式清洗機的設計。 在浸泡清洗段主要是對干冰清洗機進行浸泡，為粘附于干冰清洗機表面上的污物進行初步清洗，并對較難分離的雜質進行浸泡,使泥沙雜質在水的浸泡變得松脫，以利于在以后清洗過程當中容易沖洗。在接下來的階段開始進行噴淋式清洗，在這一階段中，干冰清洗機通過不銹鋼絲編織網傳送帶傳送，由上下兩排噴頭進行沖洗，起清洗作用的主要是上面的一排噴頭，下面的噴頭主要是靠水的壓力使干冰清洗機處于一種層流狀態(tài)，使干冰清洗機的各部位都能清洗到，從而達到比較好的清洗效果。根據噴射壓力的不同，水噴射可以分為低壓水噴射、中壓水噴射、高壓水噴射和超高壓水噴射。在本清洗機中，由于清洗的對象是葉狀類干冰清洗機，所以我們選擇低壓水噴射對干冰清洗機進行上下兩個方向的沖洗，去除干冰清洗機表面的泥沙、微生物和部分殘留農藥，從而達到干冰清洗機清洗的目的。 另外，我們還考慮了廢水的處理問題，使清洗廢水可以重復使用，盡可能大的節(jié)約資源。 2．2 機械結構的設計 2．2．1 初步估算功率 根據要求設計產量要達到每天清洗葉片類干冰清洗機2—3T。 每天按8小時工作制計算，經過初步估算，初定傳送帶傳輸距離為3米，干冰清洗機在放進去到清洗完畢所經過的時間為3分鐘，由此確定傳送帶的傳送速度為1m/s。 傳動滾筒的功率： P0=(K1××v+K2××Q±0.0273Q×H) （2-1） (查《新編非標準設備設計手冊》) K1---空載運行功率系數(shù) K1=0.0192 ---輸送帶水平投影長度 =3m V ---帶速 v =1m/s K2---物料水平運行功率系數(shù) K2=9.55×10-5 Q---輸送量(t/h) Q=0.4t/h K3---附加功率系數(shù) K3=2.8 代入公式求得: P0=0.19kw 電動機功率計算: P=K×P0/η P=0.27 kw 取K=1.25 η=0.88 2．2．2 減速器的選擇 因為噴淋清洗機中傳送帶轉速很慢，根據葉片類干冰清洗機自身的性質和特點，我們選擇傳動比較大的擺線針輪減速機。 擺線針輪減速機適用范圍：本標準分單級和兩級。其中又分立式和臥式；雙軸型和直聯(lián)型。適用于冶金、礦山、建筑、化工、紡織、輕工等行業(yè)，其適用條件如下： 輸入功率P1： 單級0.6—75千瓦； 兩級0.052—13.41千瓦； 傳動比i： 單級11—87，共9種； 兩級121—7569，共18種； 高速軸的轉速不大于1500rpm,減速機可用于正反兩向運轉。 根據前面的設計要求，輸送帶速度v=1m/min,故我們選用雙級臥式擺線針輪減速器，型號為: BWY2215-35×17-0.34 此減速器輸出轉速為2.5r/min， P=0.24kw (查《機械設計手冊》) 2．2．3 傳動機構的設計計算 常用的傳動方式有鏈傳動和帶傳動，在此我們選用鏈傳動，鏈傳動有以下一些優(yōu)點: （1）沒有滑動； （2）工況相同時，傳動尺寸比較緊湊； （3）不需要很大的張緊力，作用在軸上的載荷較??； （4）效率較高； （5）能在溫度較高以及濕度較大的環(huán)境中使用。 1、已知:減速器的軸輸出轉速為2.5r/min，P=0.24kw, 輸出軸徑d=55mm，因為工作載荷較平穩(wěn)，所以鏈輪懸臂裝于軸上。 （1）鏈輪齒數(shù)： 減速器軸上鏈輪齒數(shù)為Z1=21，從動軸鏈輪齒數(shù)為Z2=21。 傳動比i: i= Z1/ Z2=1 （2）轉速： 主動軸鏈輪轉速n1=2.5r/min，從動鏈輪轉速n2=2.5r/min （3）設計功率： ≥×P/(×) =0.216kw 式中：=1.0 =1.11 =1 (查《機械設計手冊》) （4）鏈條節(jié)距P： 由設計功率P0=0.216kw和主動輪鏈輪轉速n1=2.5r/min 在手冊中查得節(jié)距P=12A，即 19.05mm。 （5）初定中心距a： 暫取 a=30P （6）鏈節(jié)數(shù)： （2-2） =81 取=80節(jié) （7）鏈實際中心距： （2-3） 取a=562mm （8）鏈速： v=×Z1×P/1000 v=1m/min=0.017m/s （2-4） 與估算相符 （9）有效拉力： F1=1000P/v F1=14117.6N （2-5） （10）軸上載荷： FQ=1.2KAF1 FQ=16941N 取KA=1 （11）潤滑方式選定： 根據滾子鏈節(jié)距P=19.05和鏈條的速度v=0.017m/s查圖選用潤滑方式為用油刷或油壺人工定期潤滑。 （12）鏈條標記： 根據設計計算結果采用單排12A滾子鏈，節(jié)距為19.05mm，節(jié)數(shù)為80節(jié)。 （13）鏈輪材料及熱處理： 材料為45鋼，熱處理滲碳、淬火、回火。 齒面硬度為HRC50—60。 表2-1 滾子鏈的基本尺寸 鏈 號 節(jié) 距P(mm) 排 距(mm) 滾子直徑(mm) 12A 19.05 22.78 11.91 二、鏈輪幾何尺寸計算 （1）主動鏈輪孔徑： =55mm＜=72mm （2）分度圓直徑： d=128mm （2-6） （3）齒頂圓直徑： =137.3mm （2-7） （4）齒根圓直徑： =d- =116.09mm （2-8） （5）最大齒根距離： =115.7mm （2-9） （6）齒輪凸緣直徑： ＜107.52mm （2-10） 查表得： h=18.0 （查《機械設計手冊》上冊表11-1） 取=100mm 根據《機械設計手冊》可查得其他參數(shù)： 倒角寬度： g=2.4mm 倒角深度： h=9.5mm 倒角圓弧半徑： r=20.3mm 圓角半徑： =0.5mm 齒寬： b=11.7mm 二、滾筒 滾筒可以分為傳動滾筒和該向滾筒。 傳動滾筒：傳動滾筒是傳遞動力的主要部件，可以為鋼制表面滾筒，包膠滾筒，一般為鑄造或薄鋼板卷制而成，在此用薄鋼板卷制而成。 改向滾筒：用于改變輸送帶的運行方向和增加輸送帶與傳動滾筒間的圍包角。 根據實際情況，我們選擇滾筒直徑為120mm，具體尺寸見零件圖。 三、輸送帶 輸送帶是輸送裝置中的曳引構件和承載構件，本清洗機中輸送帶采用特中不銹鋼編織而成，鋼絲直徑d=1.5mm，網格大小為10mm×10mm。輸送帶總長度C＝6151mm。 四、托輥 托輥是用與支撐輸送帶及輸送帶上所承載的物料，保證輸送帶穩(wěn)定運行的裝置。在該清洗機中采用平行上托輥，其外筒由無縫鋼管制成。 2．2．4 張緊機構的設計 輸送帶張緊裝置：使輸送帶具有足夠的張力，并限制輸送帶在個托輥間的垂度。在該清洗機中采用調節(jié)螺母調整改向滾筒橫向移動來張緊輸送帶。 鏈輪張緊裝置：采用張緊輪張緊，它從外向內壓緊鏈條，從而達到張緊目的，另外還可以使鏈條與鏈輪的包角增大，使傳動效率提高。 2．2．5 缸體的設計 在噴射清洗工藝中，缸體的主要作用是容納輸送帶在其中輸送干冰清洗機，并且容納噴淋頭所噴射出來的大部分水。缸體的尺寸決定了干冰清洗機清洗的產量，由于本清洗設備不但在自動化聯(lián)系清洗上有要求，而且在產量規(guī)?；灿幸欢ǖ臉藴剩愿左w也有一定的設計要求，應該主要根據實際情況來確定。根據經過我們的分析與計算，確定缸體的內壁尺寸為3000mm×1000mm×1000mm。外壁與框架進行焊接。 材料的選擇： 經查資料，我們選用不銹鋼，經查資料選用材料為2Cr13，主要用于較重要的鋼結構和構件，滲碳零件，壓力容器等。從材料性能和經濟因素各方面來說，對壁厚的設計為2毫米。 在下面一排噴頭的進水口，我們在缸體壁上開了一個與水管管道同一直徑的圓孔，并焊接一同直徑的水管，可用彎頭實現(xiàn)與泵出水口的連接。在缸體底部設計了兩個出水口，用來排放缸內的廢水，廢水通過專門的管道流到處理系統(tǒng)，經過一系列的處理達到可重復使用的標準，重新回到泵的進水口。 2．3 輔助設備的選擇 2．3．1 泵的選擇 根據實際生產情況，我們選擇MP6—30型號泵，MP表示小流量流程泵，流量Q選擇6m3/h，即1L/ m3。泵的揚程為30m。 MP型泵為單級懸壁泵，轉速有n=2900r/min和n=5900r/min兩種，MP型泵主要用以被輸送介質溫度小于80oc，其轉子由托架支撐。 軸封有填料密封及機械密封兩種，同過爪型彈性聯(lián)軸器與電機聯(lián)接。 按耐磨和耐腐蝕及使用溫度，泵的主要部件材料有六，根據需要我們選擇Ⅱ型。為了適應清洗不同的干冰清洗機，我們通過對泵的電機進行無機調速，從而達到調壓的目的。 2．3．2 軸承的選擇 從清洗機整體結構考慮，我們選擇深溝球軸承。 深溝球軸承的特點：結構簡單，主要受徑向載荷，也可承受一定的雙向軸向載荷。高速裝置中可代替推力軸承。摩擦系數(shù)小、極限轉速高、價廉。應用范圍最廣。GB276，軸承代碼為61805。 （1）軸承材料：本清洗機中的軸承不能避免磨損,因此要用在給定壓力、溫度、和速度范圍內磨損率低的材料制造。通常使用各種聚合物和碳石墨等作為無潤滑軸承的軸承材料。減小磨損率是選擇與之匹配的軸徑材料是應注意的問題，不銹鋼和鍍鉻鋼是最滿意的，如果環(huán)境無腐蝕性，低碳鋼也可以選用。采用非鐵金屬(銅/鋁)性能要差些。軸徑的表面硬度應大于軸瓦表面硬度。經查機械設計手冊，可知：碳石墨材料的軸承適用環(huán)境在水中為尚好或好，所以我們選擇碳石墨為軸承材料。 碳石墨材料的線脹系數(shù)較小，加入石磨的金屬，其線脹系數(shù)與金屬接近，故軸承間隙可取小些，為了排出磨屑的方便，直徑間隙最好≥0.075mm。 表面粗糙度，磨合期的磨損量和穩(wěn)定磨損期的磨損率均與配合表面的粗糙度有關。通常，表面粗糙度越低，磨損率越小，為了經濟，建議取Ra為0.2～0.4um， Ra值減小50%，磨損率可降低50%～80%。 軸瓦壁厚，塑料的熱導率比金屬低，且隨著軸承體積的增加，尺寸變化的影響變得明顯，故軸瓦壁厚應盡量小。為此,常用金屬作為軸瓦，然后壓入薄的塑料襯套，若在金屬瓦背上涂覆一層塑料襯，塑料襯的厚度可以很薄。塑料軸瓦的壁厚可查表選取。由于強度的原因，碳石墨軸承的厚度應大于金屬軸承的厚度，對于軸徑直徑＞10～20，壁厚S為3～5，我們選S=4。 軸承的安裝采用軸瓦在軸承座孔里的安裝方法，碳石墨軸瓦—過盈配合，用溫差方裝入。軸承座孔為缸體支撐的壁。 （2）滾動軸承的潤滑 查手冊可知，因我們設計軸轉速低，負荷較小，固選用潤滑脂或固體潤滑劑潤滑。 （3）滾動軸承的密封 密封是為了阻止?jié)櫥瑒妮S承中流失，也為了防止外界灰塵、水分等侵入軸承，沒有合理的密封，將大大影響軸承的工作壽命。密封按照其原理不同可分為接觸式密封和非接觸式密封兩大類。非接觸式密封不受速度的限制。接觸式密封只能用在線速度較低的場合，為保證密封的壽命及減少軸的磨損，軸接觸部分的硬度應在40HRC以上，表面粗糙度宜小于1.60mm-0.8mm。對軸承我們采用了脂潤滑，所以我們可采用氈圈密封（v<5m/s），性能特點為：結構簡單，壓緊力不能調整。 2．3．3 滾動軸承座的選擇 根據我們是用圓柱孔軸承，選擇代號為SN205的滾動軸承座，用一個止推環(huán)固定軸承。對它的密封我們采取在缸體壁上鏜一圓槽，放置O形橡膠密封圈密封，可有效防水滲透。 O形密封圈特點：有良好的密封性，是一種壓縮性密封圈，同時又具有自封能力，所以使用范圍很寬，結構簡單，成本低廉，使用方便，密封性不受運動方向的影響，因此得到了廣泛的應用。材料選用聚氨脂橡膠，適用水油，耐磨，但應避免高速使用。 第三章 超聲波清洗機 3.1 超聲波和氣泡清洗干冰清洗機的機理探討 3．1．1 超聲波清洗干冰清洗機的機理 利用高于20KHZ的超音頻電能，通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳入到清洗液中。超聲波在清洗液中疏密地向前輻射，使液體移動，并產生數(shù)萬計的微小氣泡，這些氣泡在超聲波縱向傳播的負壓區(qū)形成、生產、迅速閉合稱為空化現(xiàn)象。在空化現(xiàn)象中氣泡閉合時形成超過1000個大氣壓的瞬時高壓，連續(xù)不斷產生的瞬時高壓就像一連串小爆炸不斷地轟擊物體表面，使物體表面及縫隙中污垢迅速剝落，這種空化侵蝕作用就是超聲波清洗的基本原理。 SANYO 首先介紹世界沒有洗滌劑，將電解水作為動力的洗衣機，根據范圍和灰塵的類型可以選擇用洗滌濟或不用洗滌濟進行清洗。 SANYO 電氣股份有限公司－－世界在家庭用具的領導人于2001 年6月22 日在東京宣布首先使用超聲波和電解水而不需要洗滌濟的洗衣機出售。 直到現(xiàn)在，工業(yè)標準和傳統(tǒng)習慣都是利用水在洗衣機里的旋轉運動，肥皂可從衣服上除去灰塵和污垢。3年以前SANYO提出了不同于任何過去的清洗機的的一種洗衣機： 超聲波清洗機。 超聲波清洗的主要清洗動力是超聲空化作用存在于液體中的空化核在超聲場的作用下振動當聲壓達到某個臨界值時, 空化泡將迅速增長, 然后突然閉合,在空化泡閉合瞬間產生壓很大的沖擊波, 破壞干冰清洗機表面的污染物使之溶解在清洗液中?？栈輰ξ廴疚锏姆磸蜎_擊, 方面破壞污染物和干冰清洗機之間的吸附作用, 另一方面也會使污染物從干冰清洗機表面脫落?？栈瘹馀菰谡袷庍^程中, 伴隨一系列的復雜的聲學效應如產生輻射扭。輻射扭力能引起液體本身的環(huán)流運動, 該環(huán)流能對干冰清洗機表面的污染物造成破壞從而使之從干冰清洗機表面脫落。另外, 超聲高頻振蕩自身也對清洗有重要的貢獻。例如:頻率為20 kHz, 功率密度為2W?cm 2 的超聲波在液體中傳播時, 引起質點的振動位移1.32 Lm, 速度0.16m?s, 加速度2.04×104m?s2, 聲壓為2.5×105 Pa (2.45atm ) [ 5 ]。干冰清洗機表面的污染物主要有塵土、肥料、腐殖質和殘余農藥。如果上述干冰清洗機表面的污染物是不可溶解的, 超聲波的穩(wěn)態(tài)空化和微聲流可以在干冰清洗機表面處提供一種溶解機制而使污染物溶解, 在污染物層和干冰清洗機表面之間形成的穩(wěn)態(tài)空化泡會使腐殖質等污染物脫落。穩(wěn)態(tài)空化和微聲流有助于在水溶液中將農藥等油脂類污染物乳化, 使之脫落。超聲波的瞬態(tài)空化作用能擊碎塵土和肥料等不溶污染物, 達到干冰清洗機清洗的目的。 3．1．2 氣泡清洗干冰清洗機的機理 在含有許多氣泡的液體中, 當氣泡潰滅和回彈再生時, 會產生巨大的瞬時壓強。當潰滅的氣泡靠近過流的固體邊界時, 水流中不斷潰滅的氣泡所產生的高壓強的反復作用, 可破固體表面, 從而產生氣蝕現(xiàn)象。氣泡在干冰清洗機表面附近的破裂, 近于球形的氣泡隨射流運動到剛性固體表面附近。由于淹沒射流在固體表面形成一層很薄的漫流, 所以在氣泡與干冰清洗機表面之間存在著液流的橫向流動, 使氣泡壁距干冰清洗機表面近的一端(稱為近壁) 較遠的一端(稱為遠壁) 的液體壓力低, 向心運動速度也較其它部分慢。在氣泡中心向干冰清洗機表面移動時, 近壁與干冰清洗機表面的距離基本不變, 為保持動量守恒(不考慮液體黏性的影響) , 氣泡必須做加速運動, 遠壁向內凹進, 靠近近壁, 近壁被穿透形成速度很高的微射流, 這種微流指向干冰清洗機表面, 其破壞和沖蝕能力很強[ 6 ] , 如圖1 所示。Hamm it t 通過計算和實測得出, 移型氣泡潰滅時, 靠近固體壁面處的微射流速度可達70～180 m?s, 在固體表面的沖擊壓力達140～180MPa[ 7 ]。這么高的動壓力可以完全清洗掉干冰清洗機表面的污染物而且可以縮短清洗時間。而且，這僅僅是一次微射流作用于干冰清洗機表面的壓力； 當水中氣泡不斷產生、增長、破滅時，則氣泡潰滅的沖擊壓力連續(xù)不斷作用到干冰清洗機表面，有效的清除干冰清洗機面的污染物?！? 圖3-1 氣泡在剛性固體表面破裂的示意圖 氣流引起水的翻滾、漩渦等復雜的擾動在干冰清洗機清洗過程中，干冰清洗機、水和氣流一起組成一個非常復雜的固- 液- 氣三相流動。當氣體以一定的速度射入清洗槽中的液體時，將引起液體的流動。液體在流動過程中，運動較快的流層帶動較慢的流層，而運動較慢的流層又阻止較快的流層, 不同速度流層之間互相牽制，產生層與層之間的摩擦力。即流體在流動過程中由于液體的黏性而產生的內摩擦力[ 8 ]。管中的空氣以一的速度進入液體中時，在液體相鄰兩流層之間，存在內摩擦力和動量的交換。這樣直接導致清洗槽中的液體和清洗物無規(guī)則的擾動，這種無規(guī)則的擾動能有效去除干冰清洗機表面的污染物。 3.2 清洗工藝參數(shù)的確定 3．2．1 干冰清洗機清洗試驗機的設計 設計了以超聲波和氣泡作為干冰清洗機清洗動力的清洗試驗機，該試驗機由超聲波發(fā)生源、超聲換能器、風泵、氣閥、流量計、清洗槽和網孔面板組成。超聲換能器通過信號線與超聲波發(fā)生源相連。超聲換能器將超聲波發(fā)生源的高頻電振蕩信號轉換為機械振動信號，用來產生一定頻率，一定聲功率密度的超聲波。風泵是氣流的發(fā)生源。氣閥調節(jié)通入清洗槽中的風量，改變氣閥的開度大小達到調節(jié)氣流量的目的。流量計測量通風量的大小。網孔面板是產生氣泡的裝置。一定強度和大小的氣流通過網孔面板產生分流現(xiàn)象，導致一定壓力和速度的微小氣流產生，使清洗槽的液體產生氣泡和翻滾。清洗槽盛裝清洗液和清洗物。試驗機結構如圖2 所示。其中超聲波的功率為0～1000W 可調，工作頻率20 kHz；清洗槽內尺寸600 mm ×400 mm ×200 mm； 流量計的測量范圍為2.5～ 25m3?h；風泵的功率為1.2 kW。 3．2．2 試驗設計及數(shù)據分析 試驗目的是尋找最佳干冰清洗機清洗效果的工藝參數(shù)。即保證干冰清洗機清洗干凈和干冰清洗機無破碎的情況下清洗時間最短，耗費能量最少。為了對干冰清洗機清洗進行定量的分析研究，參照干冰清洗機行業(yè)業(yè)內人士的觀點，確定干冰清洗機清洗試驗結果的指標為洗凈率和破損率，分別定義如下: 洗凈率= 清洗干凈的干冰清洗機質量(g)/（清洗干凈的干冰清洗機質量(g) + 未被清洗干凈的干冰清洗機質量(g)）×100% 破損率= 清洗后無破損的干冰清洗機質量(g)/（清洗后無破損的干冰清洗機質量(g) + 清洗后有破損的干冰清洗機質量(g)）×100% 其中，清洗干凈的干冰清洗機定義為清洗后肉眼觀察干冰清洗機上無泥沙、無爛葉、無腐殖質。 由超聲波和氣泡清洗干冰清洗機的機理分析可知，試驗中影響試驗指標的因素將是超聲波的聲功率密度、氣泡強度和清洗時間以及它們之間的交互效應。通過分析對比正交試驗表格并考慮試驗實際情況，選擇三水平的正交試驗表格來安排試驗[ 9 ]。試驗為3 因素且考慮其交互作用的3 水平試驗，每兩個因素的交互作用占兩列，3 個因素的所有一級交互作用共有3 個，共占6 列；連同A、B、C 3 個因素自身在正交表中共占9 列，即為9 因素三水平的正交試驗，應當選L 27 (313) 正交表[ 10 ]。這9 個因素依次為: 超聲波的聲功率密度A 、氣泡強度B 、清洗時間C 以及它們之間的交互作用(A ×B ) 1、(A ×B ) 2、(A×C) 1、(A ×C) 2、(B ×C) 1、(B C)為了找到各因素的水平范圍，做了探索性預備試驗。氣泡強度和清洗時間對干冰清洗機清洗效果的影響氣泡強度B 依次選5、10、15、20、25 m3?h 5 個水平, 清洗時間C 依次選1、2.5、4 min3 個水平做小青菜清洗試驗，從試驗數(shù)據可知，當氣泡強度小于15 m3?h 時，干冰清洗機的洗凈率很低，當氣泡強度大于15 m3?h 時，洗凈率顯著提高；當清洗的時間1 min 為時，干冰清洗機的清洗效果很差，當清洗時間為2.5min 時，干冰清洗機的洗凈率顯著提高。 2) 超聲波對干冰清洗機清洗效果的影響 用不同功率大小的超聲波做干冰清洗機清洗試驗, 通過試驗發(fā)現(xiàn): 當超聲波功率超過600W 時, 干冰清洗機表面有明顯的破損痕跡；當超聲波功率低于300W 時, 干冰清洗機的清洗效果很差。通過氣泡強度和清洗時間對干冰清洗機清洗效果的影響與超聲波對干冰清洗機清洗效果影響預備試驗的分析, 確定因素選用如下三個水平。即: A : = 300W， = 450W， = 600W 對試驗數(shù)據分析 1) 極差分析 計算每列各水平下試驗指標之和、、。以第1 列為例，分別計算在不同超聲波功率水平下的試驗指標之和、、 和它們的平均值、、。 = 74 + 78 + 83 + 72 + 82 + 84 + 79 + 81 +90 = 723 （3-1） = 80 + 80 + 86 + 81 + 81 + 89 + 77 + 86 +86 = 746 （3-2） = 80 + 81 + 84 + 75 + 79 + 85 + 82 + 85 +85 = 736; （3-3） 第1列的極差 = - = 83 - 80 = 3。同理，可計算出表中其它各列的指標和、均值和極差。結果依次填入表2 中。由極差大小可以得出因素主次順序依次為C、A 、(A ×B ) 1、B 、(B ×C) 1、(A ×B ) 2、(A ×C) 1、(A × C) 2、(B × C) 2。由表2 中數(shù)據初步得出較優(yōu)水平組合為 [(A × B ) 1] 或A 2 或 [(A ×B )1]3。 2) 方差分析 根據極差分析初步找出比較好的水平組合，為了進一步找到最優(yōu)的水平組合，對數(shù)據進行方差分析，方差分析的結果可以看出，因素C 對試驗結果指標的影響是高度顯著的，因B 和因素A 對試驗結果指標的影響較大，其它因素對試驗結果指標的影響相對較小。由于試驗結果指標是干冰清洗機的洗凈率，數(shù)據越大說明清洗效果越好。從試驗方案和試驗數(shù)據表可以看出，因素A 應選取第2水平，因素B 應選取第3水平，因素C 應選取第3水平。通過試驗的數(shù)據分析可知，最好的干冰清洗機清洗參數(shù)為即超聲波功率為450W、氣泡強度為25 m3?h、清洗時間為4 min。 3) 驗證試驗及試驗結論 通過正交試驗和數(shù)據分析，找到比較合理的工藝參數(shù)。為了驗證該工藝參數(shù)的科學性與合理性，選取了上述試驗中清洗效果比較好的試驗參數(shù)條件做重復試驗。 7 刮板 6 超聲波蓄能器 13 從動輪 5 氣管 12 支架 4 超聲波發(fā)生器 11 輸送帶 3 驅動輪 10 底座 2 風泵 9 清洗槽 1 驅動電機 8 排污閥 圖 3-2 干冰清洗機清洗機結構示意圖 3.3　干冰清洗機清洗機結構設計 根據以上試驗數(shù)據，并結合生產實際條件和技術經濟指標，設計了干冰清洗機清洗機總體結構如圖3-2所示。該干冰清洗機清洗機由驅動電機、清洗槽、超聲波發(fā)生器、超聲換能器、風泵、輸送網帶(帶刮板)、氣管和排污閥等主要部件組成。驅動電機帶動傳動鏈軸的運轉，傳動鏈帶動輸送網帶。干冰清洗機在輸送網帶上刮板的作用下由進菜口運動到出菜口。清洗槽底部是超聲換能器和氣泡發(fā)生裝置，干冰清洗機在隨網帶的運動過程中受到氣泡和超聲波的清洗作用。新研制的干冰清洗機清洗機輸送網帶速度為0.95m?s；風泵的功率為2. 2 kW，出風口數(shù)量為8 個；超聲波的功率為0～ 1000W 可調。分別選取了青菜(葉類) 和土豆(根莖類) 進行測試試驗。結果表明，該清洗機每小時可以清洗葉類干冰清洗機320 kg 以上，其洗凈率大于95%，破損率小于2%；每小時可以清洗根莖類干冰清洗機540 kg 以上，其洗凈率大于90%，破損率小于1%。 第四章 清洗廢水的處理 為了節(jié)約水資源，清洗后的廢水要回收處理重復使用。清洗后，廢水中的主要成份有機械性雜質（主要是爛菜葉）和泥沙。機械性雜質可通過過濾網過濾掉，而泥沙則是成膠體狀混在水里，去除它需要采用專門的設備，經過查閱資料我們選用了水力旋流器。 水力旋流器是一種離心沉降設備，它靠泵（或靜水頭壓力）將懸浮液從圓柱殼體上部的入口有切線方向進入旋流器，在筒內產生旋轉運動，并由四邊向中心移動而形成一股強烈的旋渦運動，由上而下旋流。在錐體內液流中較粗顆粒受離心力作用向筒壁沉降并和殘留的液體由錐體錐頂處的底流口卸出。含細顆粒的那部分液體，則通過一個固定在頂部中心并伸至旋流器中的圓管排出，排出的水再經過活性炭過濾芯，利用活性炭的吸附作用可以吸附濾液中的較細顆粒，從而使水凈化可以重復使用。 圖 4-1廢水處理原理圖 第五章 遠紅外干燥殺菌 遠紅外干燥殺菌技術是利用遠紅外線輻射器發(fā)出的遠紅外線，為被干燥物質所吸收，直接轉變?yōu)闊崮芏_到干燥殺菌的目的。 遠紅外線干燥的特點有： 1 干燥速度快、生產效率高，特別適用于大面積、表層的加熱干燥； 2 設備小，生產費用低。與微波干燥、高頻干燥等相比，遠紅外加熱裝置更便宜、簡單； 3 干燥質量好。由于涂層表面和內部的物質分子同時吸收遠紅外輻射，因此加熱均勻，產品外觀、機械性能等均有提高； 4 結構簡單，便于推廣使用。 遠紅外線干燥器的主要組成部分： 1 輻射器 包括涂層、發(fā)熱體或熱源、基體及附件三部分； 2 加熱裝置； 3 反射集光裝置； 4 溫度控制等附加裝置。 工作原理如下圖所示： 圖 5-1 遠紅外線干燥器示意圖 設計小結 通過努力和查閱機械方面的相關資料最終設計出了能實現(xiàn)對干冰清洗機自動清洗的干冰清洗機清洗機，設計的同時也對一些機械方面的知識有了進一步的提高和掌握，對成型機械的設計方法、步驟有了較深的認識。熟悉了齒輪、軸等多種常用零件的設計、校核方法；掌握了如何選用標準件，如何查閱和使用手冊，如何繪制零件圖、裝配圖；以及設計非標準零部件的要點、方法。這次設計貫穿了所學的專業(yè)知識，綜合運用了各科專業(yè)知識，從中學習到很多平時在課本中未學到的或未深入的內容。相信這次設計對以后的工作學習都會有很大的幫助。 在設計前了解噴淋式清洗機、槳葉式清洗機、浸泡式清洗機、滾筒式清洗機等清洗機的工作過程進行了分析研究，針對葉片類干冰清洗機的特點, 只有噴淋式清洗機和浸泡式清洗機適合于清洗。最終我選擇了噴淋式清洗機的設計，最終確定清洗機的工藝流程為浸泡清洗（預處理）---噴淋清洗---超聲波清洗---出菜。 對清洗機的設計過程中主要對以下機構和裝置進行了設計計算： 1. 按工作制計算，傳送帶傳輸距離，干冰清洗機清洗完所經過的時間，傳送帶的傳送速度為1m/s；電動機功率為P=0.27 kw； 2. 因為噴淋清洗機中傳送帶轉速很慢，葉片類干冰清洗機自身的性質和特點、前面的設計要求及輸送帶速度, 減速器選用雙級臥式擺線針輪減速器，型號為:BWY2215-35×17-0.34，此減速器輸出轉速為2.5r/min， P=0.24kw； 3. 傳動機構的設計計算： 由減速器軸上鏈輪齒數(shù)和從動軸鏈輪齒數(shù)得傳動比i = Z1/ Z2=1，主動軸鏈輪轉速n1=2.5r/min，從動鏈輪轉速n2=2.5r/min； 由設計功率和主動輪鏈輪轉速確定鏈條節(jié)距P=12A，即19.05mm，鏈速v=1m/min=0.017m/s 有效拉力F1=14117.6N； 4. 輸送帶：輸送帶是輸送裝置中的曳引構件和承載構件，本清洗機中輸送帶采用特不 銹鋼編織而成，鋼絲直徑d=1.5mm，網格大小為10mm×10mm。輸送帶總長度C＝6151mm； 5. 為保證支撐輸送帶及輸送帶上所承載的物料，輸送帶穩(wěn)定運行的裝置，在該清洗機中采用平行上托輥，其外筒由無縫鋼管制成 6. 為使輸送帶具有足夠的張力，并限制輸送帶在個托輥間的垂度。在該清洗機中輸送帶張緊裝置采用調節(jié)螺母調整改向滾筒橫向移動來張緊輸送帶。 7. 為張緊輪張緊，從外向內壓緊鏈條，達到張緊目的，另外還可以使鏈條與鏈輪的包角增大，使傳動效率提高則使用鏈輪張緊裝置。 清洗后的廢水處理問題，采用了水力旋流器，從而使水凈化可以重復使用。 清洗過程中采用了遠紅外線對干冰清洗機進行干燥殺菌，遠紅外線為被干燥物質所吸收，直接轉變?yōu)闊崮芏_到干燥殺菌的目的。 在設計過程中所提及到的干冰清洗機清洗設備可以單獨使用也可以組合成一品種的專用清洗線，采用多種型式對干冰清洗機進行多次清洗。 致 謝 本次設計是在梁博老師的指導下完成的，通過做畢業(yè)設計讓我得到了一個很大的提高，也認識到了自己的不足——對問題掌握的不夠扎實、不夠系統(tǒng)，在做設計的同時得到了很大的改善?，F(xiàn)在鞏固了所學知識，熟悉有關資料，學會用所學的知識去處理新的問題，樹立正確的設計思想，掌握了設計方法，培養(yǎng)了實際工作的能力；能做到聯(lián)系實際情況考慮問題，分析問題和解決問題的能力有了很大提高，并培養(yǎng)了我認真仔細的習慣，也培養(yǎng)了我的耐心，也為我以后走上工作崗位提供了一個鍛煉的機會。 設計的題目是干冰清洗機噴淋清洗機，內容和目的來看完全符合本專業(yè)的培養(yǎng)方向，并能充分體現(xiàn)綜合訓練的目標，設計難易程度適當，工作量適中，與生產實踐相結合緊密，經濟性、實用性強。 在設計中，我深深的體味了老師對工作一絲不茍的態(tài)度和敬業(yè)的精神，從他們身上我感受到了科學的嚴肅性和治學態(tài)度的嚴謹性,科學要做到確鑿可信，簡明嚴謹。其次，指導老師在的專業(yè)技術方面的知識和能力，讓我感到自身還有很多不足之處，更堅定了我鍛煉和提高自己能力的信念。以后在工作中要積極主動的再學習，再提高，最為重要的是通過做畢業(yè)設計，拓寬了我專業(yè)方面的知識，著重復習了CAD軟件的運用。 在設計中，在從畢業(yè)設計的選題到最后設計圓滿的完成，這期間，曾遇到了不少的困難，在我得到了老師很多指導以及其他同學的大力幫助，在此向他們表示由衷的謝意和誠摯的祝福，謝謝！ 參考文獻 [1] 徐灝、石松副主編. 新編機械設計師手冊.機械工業(yè)出版社,1993 [2] 徐灝主編. 新編機械設計師手冊（下）. 機械工業(yè)出版社,1993 [3] 劉品.劉麗華主編. 互換性與測量技術基礎. 哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001 [4] 肖旭霖主編.食品加工機械與設備.中國輕工業(yè)出版社,1994 [5] 天津輕工業(yè)學院、無錫輕工業(yè)學院編.食品工廠機械與設備,1993 [6] 蔣迪清、唐偉強主編.食品通用機械與設備.華南理工大學出版社 [7] 杜朋編譯.果蔬汁飲料工藝學,農業(yè)出版社 [8] 胡小松、李積宏、崔雨林等編著.現(xiàn)代果蔬汁加工工藝學 [9] 包裝與食品機械.2001年19卷第4期 [10] 果脯蜜餞生產工藝與配方.中國輕工業(yè)出版社 [11] 李基洪、陳奇主編.物理清洗.化學工業(yè)出版社 [12] 陳旭俊主編.工業(yè)清洗機及清洗技術.化學工業(yè)出版社 [13] 邱宣懷主編.機械設計第四版.高等教育出版社 [14] 劉毅君、任述光、夏延斌主編.振動噴淋式干冰清洗機清洗機的研究.湖南農業(yè)大學 [15] 林仲茂、方啟平主編.超聲波清洗.中國科學院聲學研究所 [16] 胡小松，李積宏. 崔雨林編著. 現(xiàn)代果蔬汁加工工藝. 農業(yè)出版社,1995 [17] 任建新主編. 物理清洗. 化學工業(yè)出版社,2000 [18] 無錫輕工業(yè)學院編. 食品工廠機械與設備. 輕工業(yè)出版社,1986 [19] 天津大學化工原理教研主編. 化工原理. 天津科學出版社,1983 [20] 宋東嵐主編. 流體機械. 機械部通用機械研究所,1994 [21] Lynwander,Peter.Gear drive systems design and application.1983 [22] Shigley,Joseh Edward.Mechanical engineering design.4th ed.1983 27