《罐装乳制品自动灭菌设备结构设计》9000字

罐装乳制品自动灭菌设备结构设计目录TOC\o"1-2"\h\u22590摘要 1320111绪论 2124851.1研究背景及意义 2288371.2国内外研究现状 370591.3主要研究内容 4102521.4技术路线 5133162总体设计方案 5123892.1设计要求 5320222.2灭菌方式 6106132.3工作过程 695273硬件设备选型 7181163.1电动机选型 775083.2传送带托辊支架选型 8150823.3输送带选型 9177934.总体结构设计 10261504.1送桶装置的设计 10173244.2桶孔位检测装置的设计 10109184.3桶孔位校正装置的设计 11320694.4灭菌装置的设计 1172184.5计数与保护装置的设计记数与保护出机构的运动组行。 12129885设备工作方式 12118035.1送桶装置运行 12297565.2桶孔位检测装置运行 13229295.3桶孔位校正装置运行 1384735.4灭菌装置运行 14183926结论与展望 15286126.1结论 1599706.2展望 15摘要：为了解决目前市面上饮料灭菌设备存在的工作效率低、操作复杂、价格昂贵等问题，研究设计出一台操作方便、可与饮料生产下一环节对接、灭菌效率高、实用性高的饮料罐装桶紫外线自动灭菌设备，该设备主要由传送装置、孔位检验装置、孔位校正装置、灭菌装置、计数与保护装置等模块组成。本文对装置所需关键零部件进行了选型和设计。本设计旨在解决传统的饮料生产不能实现全套自动化，需要一定的人工来操作，生产环节复杂，成本大的问题。相比传统高温灭菌、微波灭菌等设备，本设备采用紫外线杀菌来完成乳制品饮料生产线罐装前的罐装桶灭菌，以达到饮料罐装生产线的全套自动化生产，降低成本，提高效率，并能更好的满足罐装桶的灭菌。关键词：罐装桶；灭菌；自动化生产1绪论1.1研究背景及意义近些年随着改革开放的进行，随着国民经济的快速发展，人们对物质生活的追求不断提高[1]。奶饮料的需求在增加，要求也不断提高，饮食行业也因此进入了快速发展的时期。虽然我国各地对乳制品饮料口味的喜好各不相同，但是几乎每种饮料都是需要对其进行加工的。可传统人工加工的方式不仅操作麻烦，效率还不高。因此，中国的饮料产业逐渐成为有活力的新产业。据统计，2020年我国生产饮料总产量为16347.3万吨，其中碳酸饮料的总产量达到2000万吨，牛奶和乳制品饮料的产量为2992万吨，瓶（罐）装饮用水的产量为2959万吨[2]。饮料行业的总产值达到了20000亿元，其中销售收入为974.7亿元，利税总额为203.6亿元，利润总额为165.3亿元[3]。20世纪80年代我国饮料生产的平均年增长率接近30%，10年增长了近10倍，90年代我国饮料生产的平均年增长率也在22%以上。而2002年我国饮料的总产量约为2024.97万吨，比上年增长20%，2003年的饮料生产的年增长率为17%。从我国饮料工业的发展进程来看，这种持续的增长是合理的。可以说，我国的饮料工业总产量在这20多年来一直保持了快速的增长，近年的增长虽然说略微有点放慢，但是总体仍然是在一个高速发展的阶段[4]。2003年虽然我国的国民经济受到了非典侵袭的影响，但即使是在这种艰难的时期，我国饮料工业依然在快速稳定的发展[5]。这充分体现了中国饮料市场正在往成熟的趋势不断迈进，中国饮料生产能力以及饮料工业内涵的提高。“民以食为天，食以安为先，以质为本”。食品的质量与安全一直以来都是全球广泛关注的焦点问题。随着国民生活水平的提高，人们更注重食品的质量和安全性，在要求营养和风味的同时，还要保证贮藏期。这要求企业在生产的时候要避免食品被细菌污染。而饮料行业在食品行业中占有举重若轻的地位，饮料中的细菌和霉菌主要是来自外部环境的污染，其中，饮料外包装带的细菌菌是重要因素，包装带在经历生产、加工、储存、运输到使用的全程数十个工序过程中，相当一部分的工场、食库和运输工具的卫生条件差，包装过程大部分还停留在手工操作，这使得包装带染上许多细菌和霉菌，对食品卫生产生了严重影响。目前，市面上主要采用高温灭菌、紫外线灭菌、巴氏杀菌、超声波灭菌等几种主要灭菌方式[6]。比较多的饮料包装袋灭菌设备，像紫外线杀菌炉、喷淋式巴士杀菌机、杀菌釜等，这些杀菌设备虽然可以将饮料包装带进行杀菌，但不是专门应用于饮料外包装袋的灭菌设备，这就可能导致饮料生产的自动化程度不高，环节变复杂，生产成本变高。而目前市面上很少能检索到专门应用于饮料加工生产线的饮料罐装桶自动灭菌设备。正对此问题本课题设计出一种适用于饮料生产线的乳制品罐装桶自动灭菌设备，采用紫外线杀菌的方式来完成乳制品饮料生产线罐装前的罐装桶灭菌，提高饮料生产线的自动化程度，降低生产成本，提高生产效率，并能更高的满足乳制品罐装桶的灭菌。1.2国内外研究现状通过查阅有关资料发现，目前市面上对于饮料外包装的灭菌方式主要是高温灭菌和微波灭菌紫外线灭菌和巴氏杀菌[7]。如目前市面上的瓶装饮料杀菌设备，改设备主要采用微波杀菌的方式，只需将饮料瓶放入到灭菌箱内，开动微波处理装置，就能实现对饮料瓶的灭菌处理，且微波杀菌装置能够深入瓶装饮品内部，结合外部的喷液环管，对瓶装饮料进行内外同时杀菌，提高了杀菌效率[8]。重庆达沃斯食品有限公司发明的“一种瓶装酸奶饮料杀菌设备”，该设备在杀菌池内对酸奶瓶进行杀菌，在杀菌池的两侧分别设进瓶机构和出瓶机构，并在杀菌池内部设加热装置、温度传感器。该设备虽然解决了酸奶瓶杀菌不彻底的问题，但是该设备安装要求较高，且占地面积大，成本上有点大[9]。现代牛奶工艺广泛使用巴氏杀菌技术，巴氏杀菌机也应运而生，如一种喷淋式巴氏杀菌机，该设备可以对饮料、啤酒等瓶装容器进行杀菌，但目前市场上这种针对饮料瓶灭菌的巴氏杀菌机的自动化程度不够高，需要人为控制饮料瓶进出灭菌室。伊利集团设计出的紫外线杀菌设备，该装置适合于不宜于干热或者湿热灭菌的包装材料和容器，像白板纸盒、复合纸容器等[10]。目前紫外线杀菌技术在食品外包装的灭菌上应用很广，国外现在也有很多灭菌设备采用紫外线灭菌方式，美国食品行业就在广泛推广紫外线灭菌技术的应用[11]。相比于国内的灭菌设备，国外的灭菌设备自动化程度更高。如利乐公司推出的“利乐超高温灭菌系统”，这是一套适用于多种饮料生产灭菌环节的设备，性价比高，使用灵活。该设备可以说是一整套灭菌生产线，因为该设备不仅仅是针对饮料的灭菌，还可以对饮料罐装瓶进行灭菌，然后进行无菌包装。另外，新一代的杀菌系统也拥有其他先进的自动化功能系统。例如,当运行过程中设备的运行参数与预定参数出现偏差时，系统就会自动识别并发出信号，从而可以让操作员立刻采取行动,确保运行处于优化状态。而对于设备的每一项维护要求,系统还会自动发出通知,避免设备突然出现意外停机,耗费成本[12]。虽然现在我国市场上也有许多自主研发的饮料罐装桶自动灭菌设备，但是其灭菌的效率和效果可能对比国外先进设备有不少差距。因此，许多食品加工企业会选择购买国外进口设备，但国外进口设备虽然灭菌效果好，自动化程度高，但价格昂贵且维修不方便，不适合我国的小型商户，而国内针对饮料外包装灭菌设备的需求未来会越来越强。因此，我们国内加强对饮料罐装桶自动灭菌的设备的自主研发变得越发重要。1.2.1现有灭菌设备分类近年来各种样式的灭菌设备应运而生，目前市面上的灭菌设备种类繁多，但其原理都是对罐装桶进行灭菌，主要分为以下几类：超高温管式灭菌机。如图1-1a所示，该设备主要是通过物料和过热蒸汽之间的非接触性热交换，使流体物料在短时间内达到灭菌温度。低温紫外线杀菌炉。如图1-1b所示，该设备可以对日用品、食品、以及包装容器、包装辅助物以及包装件等的微生物进行灭杀，使其降低到允许范围内的机器。卧式杀菌釜。如图1-1c所示，该设备是利用压缩空气作压力的圆筒杀菌设备，其锅盖锁紧式是采用自锁楔块啮合方法，开闭起动方便，适用于罐头、饮料对马口铁罐的杀菌处理工作。喷淋式巴氏杀菌机。如图1-1d所示，该设备主要是用热水为介质，利用细菌不耐热的性质，用适当的温度将有害细菌杀死。主要适用于瓶装类饮料、啤酒、米酒等的杀菌。(b)(c)(d)图1-1现有灭菌设备图现有灭菌设备普遍存在以下几个问题：（1）能耗大。如超高温杀菌机在杀菌过程中，频繁的进行装料-密封-加压-保压-减压—卸料操作，环节复杂，且所需温度高，效率低，能耗居高不下。（2）效率低。现有灭菌灭菌设备大部分人采用单个灭菌场所，下一批次的待灭菌罐装桶要等待上一批次灭菌完成后，才能进行灭菌处理，效率低下。（3）存在安全隐患。高温灭菌设备常常采用快速开合装置，构造复杂，还要保证装置内严格的密封性，防止装置内压力不稳定，安全系数小，存在较大安全隐患。综上所述，与传统的饮料罐装桶灭菌设备相比，本设备改进传统灭菌设备效率低、能耗高等缺点，使饮料罐装桶灭菌设备朝着高效率、低能耗、自动化程度高、装置安全可靠的方向迈进，具有广阔的研究领域和较高的推广价值。1.3主要研究内容（1）对所需灭菌的罐装桶进行参数测定，初步拟定本课题自动灭菌设备的总体结构设计，并绘制出结构原理图，给出自动灭菌设备对罐装桶进行灭菌的流程方案。(2)对自动灭菌设备的具体结构进行计算和分析，制定合理的运行方案。选定电动机、传送带、传送带托辊支架等的型号。（3）用三维设计软件Solidworks对自动灭菌设备的零件进行三维建模，并将各部分的零件进行装配，装配成灭菌设备的整机，最后用二维绘图软件CAD进行零件工程图的绘制。1.4技术路线根据本文主要研究内容制定的技术路线如图1-5。国内外灭菌设备研究现状调查国内外灭菌设备研究现状调查研究方案制定研究方案制定总体设计方案制定总体设计方案制定硬件选型硬件选型总体结构设计总体结构设计灭菌装置桶孔位校正装置桶孔位检测装置送桶装置灭菌装置桶孔位校正装置桶孔位检测装置送桶装置组装样机组装样机设备运行设备运行图1-5技术路线图2总体设计方案2.1设计要求本设计主要是对乳制品罐装桶进行灭菌，因此需要对罐装桶的各项参数进行测定，根据测定的参数为要求来完成对灭菌设备各项结构的设计和所需关键零部件的型号选定。图2-1罐装桶

表2-1乳制品罐装桶参数材质长度宽度高度厚度孔径质量304不锈钢242mm242mm422mm0.3mm60mm2kg2.2灭菌方式本设备主要采用紫外线灯管来对乳制品罐装桶进行灭菌，因为采用紫外线来灭菌具有其他灭菌工艺所不可比拟的优势，克服了传统灭菌技术的缺点。采用紫外线灭菌的优势主要体现在：紫外线灭菌有较高的杀菌效率，并且运行安全可靠。采用紫外线灭菌只需要几秒就可达到其他灭菌方式同样的效果。可伸入到罐装桶内部，保证罐装桶可以得到充分的灭菌。紫外线灯管占地面积小、运行维护简单、成本低。图2-2紫外线灭菌灯表2-2紫外线灭菌灯参数额定功率灯管直径适用面积灯管长度辐射强度灯头类型15W45mm15～25m200mm60uWE27通用型2.3工作过程本罐装桶自动灭菌设备的运行方式主要为，罐装桶通过输送装置到达罐装桶孔位检测装置进行孔位检测，检测并校正完成后传送到灭菌位置进行灭菌，最后将灭菌完成的罐装桶传送到饮料生产线的下一环节。图2-3工作流程图 3硬件设备选型3.1电动机选型电机可以三相交流电动机。而自动灭菌设备所用到的传送机构属于一般机械，无特殊要求，考虑到能耗问题，所选电动机的功率不必过大。对电动机功率计算：设输送带传送速度V=0.8m/s，由前面知单个罐装桶重为2kg，取最大输送个数6个，并考虑到皮带与托辊间的静摩擦，取输送带牵引力F=0.125KN。输送带功率：；（2-1）电机功率：;（2-2）取电动机与驱动滚筒之间的传达效率，一般取η=0.85～0.95，取值0.90[13]；则有;（2-3）；（2-4）得到所需电动机的功率为220W。通过查阅《现代机械设计手册》并考虑到电机的安装方式，61K250RNG-CF型电动机最为合适[14]。该设备如图2-1所示，技术参数和安装尺寸如表2-1和表2-2所示。表2-1电动机技术参数型号额定功率转速额定电压质量61K250RNG-CF250W35r/min380V10kg图2-161K250RNG-CF型电动机表2-261K250RNG-CF型电动机参数（单位;mm）中心高外形尺寸安装尺寸轴长轴直径键槽宽度52104ⅹ104ⅹ297104ⅹ104371553.2传送带托辊支架选型3.2.1托辊支架材料选择输送装置所需要的输送带托辊必须保证输送装置可以顺畅运行，在运行时不会出现打滑，导致罐装桶不能再输送带上平稳传送。根据查阅资料知道满足设计要求的托辊有以下几种，如表2-3所示：

表2-3托辊支架类型托辊支架类型托辊材料性能及优点缓冲托辊支架高分子材料缓存托辊重量是普通托辊重量的一半左右，旋转惯性小，托辊与皮带之间的摩擦较小。槽型托辊支架钛合金根据角度，可以分为35度槽支架、45度槽支架和35度槽前倾支架。槽型调心托辊支架铝合金用于带式输送机载荷侧的支撑以及调整输送带的跑偏，防止其发生S形移动，确保输送带保持稳定运行。不锈钢圆筒托辊支架不锈钢大容量、高速、稳定的运输，可以实现多种多样的共线运输、稳定的运输。回程分支托辊支架不锈钢用于下分支支撑输送带，当V型和V型同时使用时，可以形成能够有效防止传送带偏差的菱形断面。分析后最终采用不锈钢圆筒托辊支架，理由如下：造价便宜，更换方便，老化后易于更换。使用寿命长，皮带不容易跑偏，输送量大而且速度快。表面平滑和传送带的摩擦阻力小，耐磨性好，不易磨损。3.2.2不锈钢圆筒托辊尺寸设计如图所示，托辊长度为440mm，直径为40mm，辊芯直径为12mm，槽宽3mm,槽长10mm。图2-2圆筒托辊3.3输送带选型3.3.1输送带材料输送带的材料有很多种，本次设计的机器所用到的输送带应该遵循两点原则，第一不能对罐装桶产生污染；第二耐磨耐用。根据查阅资料知道满足设计要求的输送带材料有耐热输送带、尼龙输送带、整芯阻燃输送带、PVC、PVG输送带、聚酯输送带等。因为乳制品罐装桶灭菌机属于食品工业设备，应该采用食品级输送带，所以应该使用符合标准的PVC输送带。3.3.2输送带长度、宽度选择输送带长度：L=(2R0+δN)Nπ其中R0δ—输送带厚度0.002m；N—输送带卷取的圈数17；输送带宽度选择应考虑如下两点：（1）由前面知道乳制品罐装桶的底部边长为242mm，输送带宽度应该保证可以容纳罐装桶，同时输送带多余宽度可以容纳其他零部件，但也不宜过宽，避免材料浪费。（2）输送带宽度应该与输送带托辊宽度相同，这样不易跑偏，可以平稳输送罐装桶。分析后最终使用长度为3.95m，宽度为400mm的输送带。3.3.3输送带类型市面上绝大多数输送设备所使用的输送带均为环形输送带，通过查阅环形输送带相关信息如表2-6，本设备也将采用环形输送带。本设备应该选用长度为3.95m，宽度为400mm，类型为环形带的PVC输送带。表2-6环形输送带输送带类型长度L极限偏差环形带L<15m±50mm15m≤L<20m±75mmL≥20m±0.5%4.总体结构设计4.1送桶装置的设计为了解决罐装桶在灭菌过程中，各个环节搬运所带来的费时间、费人力等问题，采用带式输送机来解决人工各个环节的搬运罐装桶的问题。三维设计方案如图4-1所示，1、输送皮带2、输送机铝型材支架3、流利条5、轴承座36、电机一37、传达机构一38、电机二39、传动机构二40、到位传感器41、限位气缸图4-1送桶装置设计因考虑到搬运速度和灭菌速度的不同，采用两条可调节带速的带式输送机来完成设计的实现。两条带式输送机主体主要由长度为3.95m、宽度为400mm、厚度为2mm的传送带，宽度为40mm的标准铝型材支架，以及两台61K250RNG-CF型电动机组成。输送机整体安装高度为560mm,为了保证罐装桶的传送路线不跑偏，在距离输送皮带上方17cm处安装流利条来限制罐装桶的传送路线。为保证可以检测到罐装桶的是否到位，在距离输送皮带上方2cm处安装到位传感器，通过到位传感器传递信号给系统以此来调节两台输送机的速度，最终实现逐个送桶的目的。4.2桶孔位检测装置的设计桶孔位检测装置主要是为了检测罐装桶的孔位置是否正确，避免因孔位错误导致灭菌灯不能伸入罐装桶内部进行灭菌。三维设计如图4-2所示。孔位检测装置主要由一个到位传感器和四个方位传感器以及限位气缸组成。为保证罐装桶到达检测位置时不在向前传送，在距离输送皮带上方2cm、起始端10cm处安装到位传感器。考虑到桶的尺寸，在距离输送皮带上方8cm、起始端36cm处安装限位气缸。通过到位传感器传递的信号使限位气缸伸出，从而使罐装桶停留在检测位置。固定四个方位传感器的固定板为长50cm、宽14cm铝板，其安装在距离输送皮带上方50cm、起始端20cm处。根据罐装桶孔的位置，在固定办中间以间距为15cm打四个直径为2.5cm的圆孔来安装到位传感器，通过到位传感器来检测孔在哪一个方位，是否正确。4、罐装桶6、到位传感器7、限位气缸10、限位气缸29、提升气缸30、步进电机系统31、旋转快32、小气缸33、方位传感器35、方位传感器固定板图4-2桶孔位检测与校正装置图4.3桶孔位校正装置的设计桶孔位校正装置主要是为了将孔位检测装置检测出的错误孔位进行正确的校正。其三维设计如图4-2所示。孔位校正装置主要由限位气缸、提升气缸、到位传感器、步进电机系统、选择块、小气缸组成。安装在距离输送皮带上方2cm、起始端70cm处的到位传感器检测罐装桶位置，然后由安装在距离输送皮带上方3cm、起始端75cm处的限位气缸将罐装桶阻挡。提升气缸安装在距离输送皮带上方58cm、起始端62cm处的中心位置，并通过铝型材固定。步进电机固定在提升气缸下面。旋转滑块为长度33、宽度3.5、厚度2.5的铝块，旋转滑块固定在步进电机的轴上。用来吸附罐装桶的小气缸固定在旋转滑块两端。当桶孔位错误时，提升气缸带动步进电机下移，然后小气缸吸附罐装桶，通过步进电机旋转一定角度使孔位调整为正确孔位。4.4灭菌装置的设计罐装桶到达位置后，由灭菌装置进行灭菌，其三维设计图如图4-3所示。灭菌装置是由紫外线灭菌灯、电机系统、链传动系统、到位传感器、、导轨、滑块、流利条、同步带轮固定件、同步带传动机构、限位气缸、带座轴承、铝型材灭菌架以及固定构件等组成。其中灭菌灯固定板为长度90cm、宽度为58cm的铝板，其中间还有三个等间距直径为15cm的圆洞用以固定灭菌灯底座，固定板固定在宽度为40mm的标准铝型材上。电机系统放置在灭菌灯上方，并固定在铝型材支架上。同步带固定件固定在铝型材框架中间，安装上同步带在电机系统的作用下可以实现灭菌灯的上下运动。在灭菌装置两边以间距为38cm的距离对称安装4根导轨，并通过滑块连接在灭菌灯固定办上，以此保证灭菌灯上下运动的平稳。19、同步带固定机构20、同步带21、灭菌灯22、带自锁电机加速器23、电机系统24、链条25、导轨27、滑块28、灭菌灯固定板42、同步带固定件图4-3灭菌装置图4.5计数与保护装置的设计

记数与保护装置由到位传感器和各动作输出机构的运动组成。在输送机尾端安装一个到位传感器，此传感器作为相邻的限位气缸的触发传感器，同时此传感器也用作对罐装桶的计数。当灌装桶在完成灭菌后，输送带运送灌装桶离开灭菌设备，灌装桶输送至到位传感器的检测位置时，会触发到位传感器，当传感器累计计数三次时，限位气缸不移动，继续触发到位传感器时，则限位气缸伸出，重新进行计数，进入到下一个计数循环，促使灭菌装置对灌装桶完成批量灭菌。前面限位气缸没有被触发时，其后面的传感器与限位气缸是锁住的，不触发也不运作。在灭菌装置对灌装桶进行批量灭菌时，前输送机停止运行，当灭菌完成后灭菌装置进行复位时，触发到上限位传感器时，前输送机才能重新启动，实现灭菌设备的安全运行。5设备工作方式5.1送桶装置运行在后面一个输送机上，罐装桶以任意间隔距离放置，在罐装桶进行分离之前，两台输送机以相同速度的同时运转，当罐装桶在传送过程中到达指定位置时就会被到位传感器检测到。然后到位传感器就会将检测到罐装桶的信号传达给控制系统，控制系统随即给两台输送机传达指令，使两台输送机以不同的速度运行，实现逐个输送罐装桶的目的。图5-1送桶装置5.2桶孔位检测装置运行当罐装桶被传送至到位传感器的检测位置时就会触发传感器，然后限位气缸就会伸出，罐装桶就会在限位气缸的作用下停止向前移动，然后由4个方位传感器检测被限位气缸阻挡下停止移动的罐装桶的孔位置，将检测出的孔位置信息传达给控制系统，当检测完孔位置信息后。限位气缸缩回，罐装桶继续向前传送。图5-2孔位检测装置5.3桶孔位校正装置运行当罐装桶被传送至到位传感器的检测位置时，传感器被触发，限位气缸就会伸出，灌装桶在限位气缸的阻档下停止移动，此时提升气缸下移，到达指定位置时，小气缸伸出对灌装桶轻微挤压，并扣住灌装桶沿吸附罐装桶，为灌装桶的提升提供向上升力，小气缸伸出到位后，提升气缸上移，到达预定位置后，步进电机系统按照控制系统存储的罐装桶孔方位信息，得到相应指令并旋转相应角度，使孔位正确，旋转完成后，提升气缸下移，小气缸释放罐装桶，提升气缸再次上移，等待下次旋转，较正过程完成后，限位气缸缩回，罐装桶继续向前传送。图5-3孔位校正装置5.4灭菌装置运行经过孔位校正的罐装桶在输送装置的作用下向前传送，当罐装桶被传送至最前端的到位传感器时，就会触发到位传感器，随即限位气缸就会伸出，阻挡罐装桶