《基于超声波的鲜花筐式清洗机的结构设计》6300字

基于超声波的鲜花筐式清洗机的结构设计目录摘要 11绪论 21.1目的与意义 21.2国内外研究现状 21.3研究内容 31.4技术路线 42总体方案设计 42.1清洗设计要求 42.2清洗方法的选择 42.3工作方式的选择 52.4输送形式的选择 52.5传动方式的选择 63结构设计 63.1清洗槽设计 63.1.1水流式清洗机 63.1.2超声波式清洗机 73.2水循环过滤装置设计 83.2.1水循环过程 83.2.2水泵选型计算 93.3料框升降装置设计 104结论与展望 114.1结论 114.2展望 12参考文献 12摘要：为了确保在清洗干净的前提下，降低鲜花损伤率，且易于后续加工处理。本论文以超声波技术为核心，设计了一种基于超声波鲜花连续清洗机，该清洗机主要由清洗槽、水循环装置、料框升降装置组成。本文在分析国内外清洗设备现状基础上，采用超声波式清洗方法，工作方式为筐式清洗法，料筐输送形式为升降式输送，升降传动系统采用气压传动。利用AutoCAD和Solidworks进行机械设计和三维建模，根据确定的清洗工艺对清洗槽、水循环过滤装置、料筐升降装置等主要组成部分进行结构设计并进行水泵、直线导轨等关键部件的参数计算与选型。关键词：鲜花、清洗机、低损伤、超声波式清洗1绪论1.1目的与意义随着近年来经济的发展和人民生活水平的提高，长期以来被作为观赏花类的植物，也走上了人们的餐桌。以玫瑰为例，玫瑰花的花瓣主要用于食品和提炼香精玫瑰油两方面。在食品方面，玫瑰花经常被拿来制成各种各样的点心，最常见的有玫瑰茶、玫瑰糕等[14]，在日常生活中常食用玫瑰制品可以起到柔肝醒胃，美容养颜，舒气活血的效果[16]。。花瓣是用于后期产品如鲜花饼的制作，花瓣需要经过清洗处理，分选掉破败的花瓣而后再将清洗完成的花瓣捣碎，用于制作鲜花饼的馅或制作鲜花饼的皮，花瓣除了作为食物食用外，还可以被用于装点食物、使其它食物的整体视觉效果得到提高，所以花瓣在加工过程中需要尽可能的保持完整性[18]。现有的鲜花处理方式主要是以人工清洗为主，因为鲜花的结构复杂，采用机械设备清洗会导致鲜花内的汁液流失，导致后期制作的鲜花食品的口感下降而且会降低原料的利用率[17]，,给企业造成较大经济损失。如果有一种设备可以很好的完成鲜花清洗的工作，不但省下了大量的人力物力，而且可以给企业带来不错的收益，但是我国目前这类设备还在起步阶段[19]，因此设计一个可以实际应用在鲜花加工前对花瓣进行清洗、能得到优良的花瓣且保证鲜花食物的口感的连续清洗设备，可以很好的解决目前鲜花清洗中的企业人力资源浪费与花瓣易破损等问题。1.2国内外研究现状当清洗技术最早应用到食品上时，它主要被用来对蔬菜和水果类的物料进行清洗，当时这些设备的机械结构与现在的清洗设备相比结构相对简单且清洗的作用力较强，但是这些设备对物料的损伤较大，不适合去清洗像鲜花这种易破损的物料。清洗技术在食品方面的设备开发首先在欧美等发达国家出现，经过长时间的发展，已经形成了一套完整的体系，他们的设备在结构和工艺等方面与其他国家相比都较为先进，在各个国家的食品企业中都能看到他们所生产的设备，经过长时间的发展，欧美等发达国家的食品清洗设备其类型较为全面，所以可以找到针对一种待清洗物料的特定设备，其专用性会很强，清洗效果也相对较为理想。如图1-1所示的GR系列翻滚式蔬菜清洗机，它是由日本细田工业株式会开发设计的。从图中可以看出它共拥有四个槽位，且在每一个槽位中都安装有一个翻运物料的设备来进行物料的运输，并且可以通过设计改变每一槽中的液体类型和物料在每一槽中清洗的时间来完成原物料从清洗到杀菌再到其他步骤的过程，以达到连续化清洗的目的。图1-1GR系列翻滚式蔬菜清洗机我国对食品清洗技术的研究与国外发达国家相比起步要慢一些，并且在基础方面也比国外发达国家要弱一些，国内的食品清洗设备大多是先进口国外发达国家的设备进行模仿制造的，因为进口设备的价格较高，所以只有经济较为发达地区的食品企业才会购买使用，在使用规模上与欧美各国存在一定差距；目前我国使用的设备其通用性较强，一套设备往往用于多种物料的清洗工作，没有对特定物料进行设计，因此与国外发达国家具有针对性的清洗设备相比其清洗之后的成果较差，甚至会出现物料损伤的情况，除了清洗效果差之外，国内设备往往都难以做到全自动化，有些设备甚至需要有人在机器旁一直进行辅助才能正常运作，不光浪费了大量的人力物力，还因为人工的存在，产品的安全卫生也收到了影响。综上所述，我国食品清洗技术研究起步比较晚，虽然取得了一定的成绩，但仍存在食品清洗设备品种短缺、规格型号少等情况。目前，国内清洗设备不太适合鲜花类，鲜花类原料在使用这些设备进行清洗过程中受损伤情况比较严重，且鲜花类原料在使用这些设备清洗完成后杂乱无序，后续包装整理比较麻烦，而本论文所设计的鲜花连续清洗机可以很好的解决鲜花类原料清洗后不便于后续包装处理、鲜花类原料在清洗中易受损等问题。1.3研究内容针对国内对鲜花进行加工的工厂对鲜花清洗的需求，设计并确定一种新型鲜花清洗设备，能做到鲜花在清洗的过程中花瓣不易破损，并且在清洗结束时鲜花花瓣可以集中在一起，方便包装整理，为之后的加工工序提供便捷。具体研究内容如下:（1）分析国内此类清洗设备的工作原理、工艺方法和结构组成，研究并确定鲜花清洗机所采用的清洗方法、工作方式、输送形式和传动方式[11];（2）对鲜花清洗机总体结构布置进行设计，包括清洗槽、水循环过滤装置、料筐升降装置等组成部分的结构设计，水泵、直线导轨等关键部件参数算与选型。1.4技术路线本研究所采用的技术路线如图1-2所示图1-2技术路线图2总体方案设计2.1清洗设计要求本论文设计的鲜花清洗机可以被应用于清洁各种鲜花类物料，能做到鲜花在清洗的过程中花瓣不易破损，并且在清洗结束时鲜花花瓣可以集中在一起，方便包装整理，为之后的加工工序提供便捷。由此对鲜花清洗机提出以下设计要求[10]：（1）鲜花在清洗完成后要保障清洗质量，其清洗后的鲜花表面无泥沙、昆虫等；（2）鲜花在清洗过程中要保障完整性，在清洗之后鲜花花瓣较为集中，易于包装整理；（3）超声波功率可调，可调范围为400W-800W；（4）控制系统分为手动和自动两种模式，人机交互界面操作；（5）可以实现水资源循环使用，节能环保。2.2清洗方法的选择滚筒式、毛刷式、喷淋式、气泡式、水流式和超声波式等是目前国内常用的食品清洗设备所使用的清洗方法[9]。上述6种清洗方式的特点及适用范围如图2-1所示。图2-1各清洗方法的特点及适用范围其中超声波式清洗作用力柔和，不会使待清洗物料破损，而且可以加快清洗槽中水的循环过程[12]。所以本论文的清洗方式选择在超声波式清洗的基础上结合水流式清洗的清洗方法。2.3工作方式的选择槽式清洗法和筐式清洗法是国内外食品清洗设备常见的清洗工作方式。两者的原理图由图2-2和图2-3所示。其中槽式清洗法在清洗时，物料直接被放在清洗槽内，物料在清洗槽中受到清洗设备所产生清洗作用力以达到清洗干净的目的。但是这种清洗方式对于鲜花类物料来说容易导致鲜花花瓣的破损，且清洗完成后，花瓣会散布在清洗槽的各个位置，对后续的整理工作造成很大麻烦。另一个筐式清洗法在清洗时，物料会先被放在一个用于装待清洗物料的筐内，在清洗过程中，物料会随着筐被放置在清洗设备的清洗槽中，通过清洗设备所提供的作用力来实现物料的清洗，物料在清洗完成后依旧在最开始装物料的筐内，为后续的整理工作提供了便利。图2-2槽式清洗原理图图2-3筐式清洗原理图1.清洗槽2.水位线3.物料1.清洗槽2.料框3.水位线4.物料综上所述，筐式清洗方式不会导致鲜花花瓣的破损，并且在清洗完成后花瓣依旧摆放较为整齐，为后续的工作提供了方便，所以本论文采用筐式清洗方式。2.4输送形式的选择传送带式输送和升降式输送是国内外食品清洗设备常见的物料输送形式[1]。两者的原理图如图2-3和2-4所示。图2-4传送带式输送原理图图2-5升降式输送原理图.1.清洗槽2.下输送带3.料筐4.上输送带5.水位线1.气缸2.清洗槽3.料筐4.支杆5.水位线因为本论文设计的鲜花清洗机所采用的工作方式为筐式清洗法，所以为了便于料框在垂直方向上的运输，输送形式选用升降式输送，在清洗时鲜花花瓣会随着料框下降到清洗设备的清洗槽中，在一段时间后清洗工作完成，鲜花会再随着料框上升至起始位置。2.5传动方式的选择气压传动、电气传动和机械传动等是国内比较常用的设备传动方法。其中机械传动要求安装时要非常精准，一旦安装精度差不光设备会严重磨损，还会出现噪音大的情况；电气传动虽然可以适用于本论文的鲜花清洗设备但是电气传动设备价格较为昂贵；气动传动与其他相比首先设备的结构较为简易，所以在之后的维修方面会更为容易，除此之外气动传动在使用过程中不会对食品物料造成污染，但是气动传动的运行精度与其他两种传动方式相比较差[8]。本设计鲜花清洗机料筐在综合多方面考虑后决定采用气压传动作为物料筐提升装置的传动方式。3结构设计在研究国内外鲜花清洗设备结构和工作原理的基础上，基于所采用的清洗工艺方法和路线,确定本设计鲜花清洗机主要由清洗槽、水循环过滤装置、料筐升降装置等部分组成。3.1清洗槽设计3.1.1水流式清洗机如图3-1所示，水流式清洗机的主要组成包括清洗槽、水泵、出水口等。首先水由水泵输送到管道，之后水通过管道从安装在清洗槽上喷头射到待清洗物料上，物料受到水流的冲击，物料表面的杂质会被冲离物料表面，除了利用冲击力外，水流式清洗机还通过利用物料与水之间的作用力和物料之间的作用力来达到清洗干净的目的。水流式清洗机在清洗过程中对待清洗物料的作用力比较小，所以本论文所设计的鲜花清洗设备可以采用这种清洗方式。图3-1水流式清洗机结构简图1.下射水口2.出水口3.清洗槽4.上射水口5.水泵3.1.2超声波式清洗机如图3-2所示，超声波式清洗机的主要组成包括超声波发生器、清洗槽等。超声波在液体中传播会出现空化现象。超声波发生空化作用时液体中的点会发生周期性的紧缩、胀大。当液体中的点胀大时，会出现负压，液体中所含的气体会析出，导致胀大的点形成空化核。空化核在形成后会在短时间内继续胀大，之后因为受到压力的作用，空化核会在短时间内完成收缩，直至破裂，空化核的破裂会对液体中物料施加冲击，待清洗物料表面的杂质会因为受到冲击而脱离，物料表面由此变的清洁。超声波的空化作用不光可以使待清洗物料表面的杂质脱离，还有杀菌的作用，所以选用超声波清洗为本论文的清洗方式不光可以达到清洗的目的，还可以降低致病菌等有害人体健康的病菌在食品中的残留。图3-2超声波式清洗机结构简图1.控制系统2.超声波发生器3.超声波换能器4.排水口5.进水口结合上述两种清洗机的结构简图，设计的清洗槽如图3-3所示，清洗槽是鲜花清洗机用于安装管路、阀等零部件的重要基体。通过查阅相关清洗机的清洗槽尺寸和本设计鲜花清洗机的装载物料料框尺寸，设计本论文鲜花清洗机的清洗池为1200mm×650mm×750mm，循环水池为500mm×650mm×750mm。在确定尺寸后为了使该鲜花清洗设备的排水效果更佳，设计两个槽底部有2°倾角。在清洗槽的内表面装有液体感应装置来实时测量清洗槽内水的高度和温度，当水的高度和温度低于设定的固定值时会发出警报来提醒进行补水和维修操作。图3-3清洗槽结构示意图3.2水循环过滤装置设计为了方便去除清洗槽中鲜花物料表面上脱离的泥沙等杂质设计了水循环过滤装置，其结构如图3-4所示。通过水循环过滤装置，在拦截泥沙等杂质的同时，循环水池中的水还可以通过水泵来进行加压并输送到管道，经过安装的两个阀后，由喷头喷出，一方面利用水流对待清洗的鲜花物料进行了冲洗，另一方面使循环水池中的水流到了清洗池，促进了水的循环利用。图3-4水循环过滤装置结构示意图1.水泵2.止回阀3.流量调节阀4.主流管路5.上分流管路6.喷水口7.下分流管路8.堵头3.2.1水循环过程本论文所设计的鲜花清洗设备清洗槽中的水的流动过程如图3-5所示。图3-5水循环过程示意图1.清洗池2.循环水池3.过滤网袋4.弯头5.循环水泵6.主流管7.喷头3.2.2水泵选型计算本论文设计的鲜花清洗设备主要靠水泵来提供清洗槽中的水从循环池运输到清洗池的动力，根据国家标准规定，水泵要能满足设备最大运行流量情况下的扬程，而且泵所拥有的扬程还应该要比正常所需的量要高出10%-20%[20]。本论文所设计的鲜花清洗设备选取上下分流管路直径38mm；喷水口水流速度2m/s；管路内壁的绝对粗糙度0.01mm；管路总长度2.0m；管路直径50mm；水的粘滞系数8.97×10-7m2/s；90°圆形弯头、圆形三通、变径圆管局部损失系数0.41、0.23、0.17；调节阀选择蝶阀其局部损失系数0.24。计算所设计的物理量的表示及单位如表3-1所示表3-1计算所设计物理量的表示及单位物理量名称水泵流量分流管路数量分流管路内水流流速泵进、出口截面处液体的压强泵进、出口截面处液体的平均速度泵进、出口截面中心到基准面的距离管路系统总阻力损失沿程压力损失局部压力损失表示方式Qnvp1，p2v1，v2Z1，Z2∑HfHfHm单位m3/h个m/sPam/smmmm物理量名称沿程阻力系数局部阻力系数管路总长度管路直径管路内壁的绝对粗糙度雷诺数当量直径流体流速流体粘度系数表示方式λξldKRedevμ单位mmmmmm/sQ=nπdQ=nπdH=pHf1λ=-2log(Rev2ReHfξ=ξ1+Hm=ξvHf=HH=0.4×105综上所述，本论文鲜花清洗设备确定选取MS330/1.5离心泵作为水循环装置的动力源，它是由南方泵业股份有限公司生产，其具体型号和参数如表3-4所示。图3-14MS330/1.5型轻型不锈钢卧式单级离心泵具体参数3.3料框升降装置设计本论文所设计的鲜花清洗设备中料筐的升降主要通过料筐升降装置来实现，其主要结构如图3-6所示。当装载待清洗鲜花花瓣的料筐被放置在托架上后，该料筐升降装置可以开始工作，首先压紧板在上方压紧装置的作用下，向下运动直到将装载待清洗鲜花的料筐上表面盖住但是又不会压紧，一方面防止鲜花花瓣在清洗过程中随着水流流出料筐，使得鲜花在清洗结束后依旧如清洗前一样摆放整齐，为后面的流程提供方便，另一方面，防止在清洗时鲜花物料之间间隔太少影响清洗的效果。之后，料筐随着托架沿着导轨垂直向下运动，使得料筐被沉浸在清洗槽的水位之下，在一段时间清洗完成后，料筐再随着托架沿着导轨垂直向上运动，直到上升到初始位置。图3-6料筐升降装置结构图1.气缸2.固定导轨架3.支撑装置4.导轨5.压紧装置6.压紧盖7.料筐8.托架4结论与展望4.1结论针对鲜花类物