食品加工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)初探

宋永忠

包頭市稀寶博為醫(yī)療系統(tǒng)有限公司 內(nèi)蒙古包頭 014030

食品加工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)初探

宋永忠

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食品機(jī)械設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)比較特殊的工作，既要考慮機(jī)械設(shè)計(jì)的一般特點(diǎn)；又要考慮食品在加工過(guò)程中的食品安全問(wèn)題，防止食品被污染；同時(shí)被加工食品種類(lèi)繁多，食品加工機(jī)械的種類(lèi)繁多，所以設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)被加工食品的特點(diǎn)綜合考慮。

機(jī)械設(shè)計(jì)，食品設(shè)備，結(jié)構(gòu)要求，選材要求

縱觀國(guó)內(nèi)外食品機(jī)械行業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的食品機(jī)械發(fā)展水平與國(guó)外存在著一定的差距，尤其是與發(fā)達(dá)國(guó)家比，普遍存在技術(shù)含量低、產(chǎn)品質(zhì)量差、成套性不強(qiáng)等問(wèn)題，先進(jìn)大型的食品設(shè)備的進(jìn)口量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)產(chǎn)量，這種狀況在乳品機(jī)械和包裝機(jī)械方面表現(xiàn)尤為突出。

我國(guó)的食品機(jī)械工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了幾十年的歷程，一個(gè)從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)，逐步發(fā)展壯大、完善起來(lái)的過(guò)程，特別是近些年來(lái)，隨著我國(guó)科技水平及人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品種類(lèi)的需求以及對(duì)食品質(zhì)量的要求也逐漸提高，由于需求的增加促進(jìn)了食品機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。食品機(jī)械工業(yè)逐步形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的機(jī)械工業(yè)。

基于我國(guó)食品安全日趨嚴(yán)峻，國(guó)家對(duì)食品機(jī)械的研究與使用非常重視，2009年1月發(fā)布了《GB16798-食品機(jī)械安全衛(wèi)生》標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)明確了設(shè)計(jì)人員在從事食品機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)要遵循的一些基本原則；材料選用方面注意事項(xiàng)；在制造、加工方面的一些安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于食品加工機(jī)械，同樣也適用于食品包裝機(jī)械。此標(biāo)準(zhǔn)為廣大工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)食品機(jī)械的過(guò)程中指明了方向。食品設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)要符合一般機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)律及原則，同時(shí)食品設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)也有其特殊性。

1 食品機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)要求

1.1 設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用于產(chǎn)品輸送管道布局和連接部分應(yīng)過(guò)渡光滑，不應(yīng)有凹陷及死角。

1.2 食品機(jī)械與食品接觸的零部件盡量不采用焊接結(jié)構(gòu)，以免焊接時(shí)破壞不銹鋼的成分以降低產(chǎn)品耐腐蝕能力。

1.3 轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械部件與被加工產(chǎn)品接觸并需要加裝軸承時(shí)，應(yīng)選用非潤(rùn)滑型的。如確需選用潤(rùn)滑型的軸承，應(yīng)該在加工產(chǎn)品與軸承之間設(shè)計(jì)密封裝置，以防軸承上的潤(rùn)滑脂污染加工產(chǎn)品。

1.4 食品機(jī)械的加工區(qū)域應(yīng)該與外部環(huán)境隔離，在特殊情況下，如果無(wú)法與外部環(huán)境完全隔離至少應(yīng)加保護(hù)罩來(lái)進(jìn)行防護(hù)。

1.5 在與產(chǎn)品設(shè)備接觸表面上的塑料件、橡膠件等應(yīng)連續(xù)黏結(jié)牢固，保證在正常工作狀態(tài)下不脫落。

1.6 有些食品加工設(shè)備的工作壓力或工作溫度較高，設(shè)計(jì)之初要考慮必要措施以免密封損壞時(shí)傷及操作者。

1.7 食品設(shè)備中需要拆洗的部件，應(yīng)設(shè)計(jì)成很容易拆卸的結(jié)構(gòu)，在拆裝過(guò)程中最好不用特殊工具就能完成操作。例如，物料管道連接處采用快拆結(jié)構(gòu)；夾緊機(jī)構(gòu)盡量采用蝶形螺母等。

1.8 食品加工設(shè)備中不可拆卸零部件需要清洗時(shí)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于清洗及清洗后的檢查。

1.9 設(shè)備排料口部位應(yīng)設(shè)計(jì)成向排口方向傾斜一定的角度，以利于物料的排出。

2 選材要求：

在食品機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)中涉及的材料非常廣泛，除了應(yīng)用各種金屬材料、各種合金材料外，還有一些非金屬材料被用到食品設(shè)備的設(shè)計(jì)當(dāng)中。由于食品生產(chǎn)的影響因素較多、工藝條件復(fù)雜，對(duì)材料及其性能有著不同的要求，所以要求設(shè)計(jì)人員必需熟練掌握各種材料性能，才能在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用自如，做出正確的選擇。

2.1 碳鋼材料：

普通碳鋼的含碳量一般小于2.11%，除了鐵、碳基本元素和一些少量雜質(zhì)（硅、錳、磷、硫等含量限定）外，不含其他合金元素。工業(yè)用碳鋼的含碳量一般控制在0.05%～1.35%以內(nèi)。碳鋼的機(jī)械性能主要取決于含碳量的多少。隨著碳鋼中含碳量的增加，碳鋼的機(jī)械強(qiáng)度、硬度隨之升高，塑性、韌性和焊接性能則變差。與其他鋼類(lèi)相比，因其成本低，加工制造工藝簡(jiǎn)單，韌性和塑性很好，焊接性能優(yōu)良，沒(méi)有回火脆性，綜合性能較好，在一般機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。由于本身材料成分的原因，容易生銹，耐腐蝕性能較差，不應(yīng)該被用在有直接接觸的食品介質(zhì)中。主要用在食品機(jī)械的機(jī)座、箱體、機(jī)架等結(jié)構(gòu)部件上。

碳鋼材料在耐磨損、耐疲勞、沖擊韌性等方面的性能非常優(yōu)越，因此也可用在食品機(jī)械的傳動(dòng)、動(dòng)力部件上。

2.2 不銹鋼材料：

不銹鋼是不銹耐酸鋼的簡(jiǎn)稱，是指在空氣、化學(xué)腐蝕或蒸汽等弱腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種合金鋼；它的耐腐蝕能力取決于它的材料組成、表面機(jī)械加工狀態(tài)、使用環(huán)境和所接觸介質(zhì)的類(lèi)型。

食品中的腐蝕性物質(zhì)包括醋酸、蘋(píng)果酸、乳酸、酪酸等；食鹽、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)；部分食品添加劑；在食品加工過(guò)程中，機(jī)械零部件與腐蝕性物質(zhì)之間會(huì)通過(guò)相互摩擦、碰撞，化學(xué)反應(yīng)等形式造成零部件材料的腐蝕。這些被腐蝕掉的金屬離子可能會(huì)溶入食品中，會(huì)破壞食品的風(fēng)味或?qū)θ梭w健康造成傷害。不銹鋼能夠有效抵制這些物質(zhì)的腐蝕，從而被普遍應(yīng)用于食品機(jī)械行業(yè)中。

在食品機(jī)械中不銹鋼廣泛應(yīng)用于設(shè)備的泵體、閥類(lèi)、熱交換器、真空容器等部件中，材料的耐腐蝕性對(duì)結(jié)構(gòu)材料的選擇常起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)食品機(jī)械設(shè)備時(shí)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)《 GB 12075 -食品工業(yè)用不銹鋼管與配件》有關(guān)規(guī)定。例如：設(shè)備上和產(chǎn)品直接接觸的進(jìn)出料管道、輸送管道及管件閥門(mén)應(yīng)采用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的不銹鋼材料，一般采用316型或316L型不銹鋼；設(shè)備的泵體、閥類(lèi)一般采用1Cr17Ni2類(lèi)不銹鋼；罩殼類(lèi)涉及外觀的部件可采用304類(lèi)不銹鋼板。

2.3 非金屬材料：

非金屬材料用在食品機(jī)械設(shè)備上的種類(lèi)主要有塑料和橡膠。常用的塑料有聚甲醛、ABS樹(shù)脂、氟四、聚酯、聚酰胺以及苯醛塑料、環(huán)氧樹(shù)脂、各種泡沫塑料、聚碳酸酯塑料、有機(jī)玻璃等。

在食品機(jī)械上選用塑料和橡膠材料，應(yīng)符合《GB16798-食品機(jī)械安全衛(wèi)生》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定只有對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害的非金屬材料才能與被加工食品接觸，并且此材料不能在食品中溶解或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不能影響食品的味感。零部件在清洗或工作狀態(tài)下應(yīng)不變形、保持其基本特性，并能滿足《GB9687-食品包裝用聚乙烯成型品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、《GB9692-食品包裝用聚苯乙烯樹(shù)脂衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)要求。低分子聚合物的塑料產(chǎn)品一般都有毒性。某些塑料或橡膠材料在高溫環(huán)境下，易分解并擴(kuò)散到產(chǎn)品中，使產(chǎn)品變質(zhì)，在食品機(jī)械中不宜使用塑料及橡膠材料在食品機(jī)械上使用非常廣泛。例如：各種密封圈、輸送機(jī)械上提刮板式斜槽、螺旋式斜槽、風(fēng)機(jī)護(hù)罩、料斗等；

3 制造成本及工藝性要求

材料加工成本和加工工藝也是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的另外一個(gè)重量因素。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從加工物料的選擇、零件的制作工藝、零件的熱處理方式等多方面進(jìn)行綜合考慮。有時(shí)為了降低制造成本，可以改變加工工藝，例如為了使零件既要耐腐，成本又不會(huì)太高，可以將零件進(jìn)行耐腐蝕表面處理來(lái)提高其耐腐蝕能力；如果想提高零部件的機(jī)械性能可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行噴涂、電鍍和刷鍍等表面處理。

4 食品機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

面對(duì)國(guó)內(nèi)食品機(jī)械行業(yè)整體水平遠(yuǎn)落后于世界發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)狀及種種不足，我們應(yīng)該認(rèn)真分析原因、找出差距。在當(dāng)今科技高速發(fā)展的時(shí)代，我們要抓住機(jī)遇、面對(duì)挑戰(zhàn)，利用各種的技術(shù)創(chuàng)新手段提升產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、全方位提升產(chǎn)品技術(shù)水平和檔次。行業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，我們的食品機(jī)械應(yīng)該向大型化、集成化、智能化發(fā)展并做大做強(qiáng)，否則我們?cè)趪?guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中將處于劣勢(shì)地位，可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大我們與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。為此，我們要從下面兩個(gè)方面著手考慮。

4.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究：

我國(guó)食品機(jī)械設(shè)計(jì)起步較晚，一些食品加工機(jī)理和基礎(chǔ)技術(shù)研究不夠深入。例如在乳制品技術(shù)領(lǐng)域，我們要加強(qiáng)加工機(jī)理的研究，深入研究乳品加工過(guò)程中物料受到摩擦、擠壓、剪切、爆炸等作用力對(duì)物料品質(zhì)的影響。制造企業(yè)要多與大中專院校、科研單位合作，使他們所研究出來(lái)的新理論、新結(jié)構(gòu)、新工藝最新成果能被快速應(yīng)用到企業(yè)當(dāng)中去。另外，還要引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，先進(jìn)設(shè)備，，去其糟粕，取其精華。在消化吸收的基礎(chǔ)上，充分調(diào)動(dòng)我們自主研發(fā)的積極性，研究出帶有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)。掌握行業(yè)和市場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)。

4.2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在產(chǎn)品自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保。當(dāng)今時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及人工智能技術(shù)等各種現(xiàn)代技術(shù)日新月異，我們要充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的新理論和新方法，將各種新技術(shù)有機(jī)融合，使我們的食品機(jī)械不論是在質(zhì)量上還是在規(guī)模上都有一個(gè)質(zhì)的飛躍?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)的食品機(jī)械是集光、電聲、磁、化、生等于一體的高技術(shù)、高智能產(chǎn)品。

5 結(jié)論

食品機(jī)械的設(shè)計(jì)工作要考慮的因素很多，設(shè)計(jì)人員不僅要考慮機(jī)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，材料的選用及材料表面處理工藝，同時(shí)還要考慮食品本身的加工特點(diǎn)、工藝條件，因此必須全面、準(zhǔn)確了解材料的各種特性，才能做出精確的判斷、選擇，使機(jī)械設(shè)計(jì)達(dá)到最理想的效果。在當(dāng)今智能工業(yè)時(shí)代，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)加上傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期孕育的工匠精神一定能夠制造出更好的產(chǎn)品。

[1] 《GB16798-食品機(jī)械安全衛(wèi)生》. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社. 2009

[2] 《QB/T 2467-食品工業(yè)用不銹鋼管》. 中國(guó)輕工業(yè)出版社. 2017

[3] 戴啟勛. 《金屬材料學(xué)》第二版 . 化學(xué)工業(yè)出版社. 2011

Talking about the mechanical design in food equipment

Food machinery design in mechanical design is a relatively special work, should not only consider the general characteristics of mechanical design;Also want to consider food food safety problems in the process, to prevent food contamination;Processed food variety at the same time, there are many types of food processing machinery, so the designers at design time should be according to the characteristics of the processed food comprehensive consideration.

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