輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機的設(shè)計

王棟 ，盧禹銘，袁越錦，CHUNG Lim Law，董繼先*，王加隆

1. 陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院（西安 710021）；2. 諾丁漢大學(xué)馬來西亞分校（吉隆坡 43500）；3. 輕工業(yè)西安機械設(shè)計研究院有限公司（西安 710086）

在果蔬加工前，燙漂預(yù)處理可有效鈍化果蔬中引起色澤和品質(zhì)劣變的酶[1]，抑制其酶促反應(yīng)，極大地保留果蔬原有的色澤、風(fēng)味及營養(yǎng)成分[2]。熱水與常壓蒸汽這2種燙漂方法因其不僅具備護色效果，還可在后續(xù)干制加工中提高果蔬傳質(zhì)效率[3-5]，在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但熱水燙漂方法一方面會造成果蔬中水溶性成分大量流失，另一方面則會產(chǎn)生大量污水，并且這些污水不經(jīng)處理排放會引起水體富營養(yǎng)化，造成環(huán)境污染[1-3,6]。常壓蒸汽燙漂技術(shù)克服熱水燙漂的問題，卻仍存在燙漂不均勻[7-8]、只適用于薄層物料加工[9]等問題。陳添明[10]設(shè)計一種帶式氣體射流沖擊蒸汽燙漂機，除存在上述常壓蒸汽燙漂的問題以外，還存在燙漂過程中大量蒸汽外泄、熱量浪費嚴(yán)重等問題。

巨浩羽等[11]開發(fā)罐式真空-蒸汽脈動燙漂設(shè)備，通過對物料進行真空-蒸汽-真空處理后，消除空氣熱阻使得燙漂室內(nèi)各處的溫度均勻上升，提高燙漂均勻性和裝載量。但是此類燙漂設(shè)備為間歇式人工操作，每批物料加工均需要人工進行加料、開啟和擰緊承壓罐體等操作，存在勞動強度大、生產(chǎn)效率低、不能與生產(chǎn)線融合等問題。

針對現(xiàn)有真空-蒸汽脈動燙漂設(shè)備存在的問題，設(shè)計一種輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機，通過對該設(shè)備關(guān)鍵部件的設(shè)計、計算與選型，以期獲得可與果蔬生產(chǎn)線融合良好、生產(chǎn)效率高、蒸汽余熱回收、燙漂均勻的新型農(nóng)產(chǎn)品燙漂加工裝備。

1 輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機的總體設(shè)計和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機主要由燙漂箱體、蒸汽系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

燙漂箱體為矩形腔室，上下兩側(cè)各開有物料進出口。物料從上方進料口進入燙漂箱體內(nèi)，經(jīng)過真空-蒸汽脈動燙漂后，從下方出料口輸出。蒸汽系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生器、蒸汽調(diào)節(jié)閥、蒸汽輸送管路和蒸汽分布器組成。蒸汽由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，通過蒸汽輸送管路輸送，經(jīng)蒸汽分布器均勻分布于燙漂箱體內(nèi)。真空系統(tǒng)由真空泵、真空電磁閥、余熱回收器和真空泵冷卻水箱構(gòu)成。物料輸送系統(tǒng)由翻斗、輸送帶、滾筒、電動機、減速器組成。密封系統(tǒng)主要包括出入口閥門密封和軸密封。控制系統(tǒng)由溫度傳感器、壓力表和控制箱組成。

1.2 工作原理

物料由前段輸送帶輸送至翻斗內(nèi)，翻斗內(nèi)的物料達到一定量時，打開物料入口閥，操作翻斗，使物料落入到內(nèi)部輸送帶上，并隨輸送帶一起運動；內(nèi)部輸送帶運行時間達到設(shè)定值即物料輸送至燙漂箱內(nèi)部最左側(cè)時，同時關(guān)閉內(nèi)部輸送帶和前段輸送帶，并關(guān)閉物料入口閥，打開抽真空閥，開啟真空泵抽真空；待真空度達到設(shè)定值時，關(guān)閉抽真空閥和真空泵，此時完成抽真空階段；打開蒸汽入口閥，進入到蒸汽燙漂階段，通入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽進行燙漂，待燙漂時間達到設(shè)定值時，關(guān)閉蒸汽入口閥；完成一個真空-蒸汽脈動燙漂周期。根據(jù)燙漂物料的不同，真空-蒸汽脈動燙漂周期可按照一定次數(shù)進行循環(huán)。在此過程中，每次抽真空時，完成燙漂的蒸汽廢氣通過抽真空管道進入余熱回收器，經(jīng)余熱回收器對蒸汽的余熱進行快速換熱回收后，進入水環(huán)真空泵及真空泵水箱，回收的熱量可用于對蒸汽發(fā)生器的進水進行加熱，降低加工能耗，并有效減緩真空泵溫升；待達到設(shè)定好的循環(huán)次數(shù)后，打開物料出口閥，燙漂好的物料從出料口落入到后段輸送帶上，由后段輸送帶輸出；待內(nèi)部輸送帶上的物料輸出完畢，關(guān)閉物料出口閥，完成整個真空-蒸汽脈動燙漂加工過程。

圖1 輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機結(jié)構(gòu)示意圖

表1 輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機主要技術(shù)參數(shù)

2 主要部件設(shè)計

2.1 燙漂箱體設(shè)計

燙漂箱體是物料進行真空-蒸汽脈動燙漂加工的場所。燙漂室殼體采用AISI 304不銹鋼材料制造；考慮到便于密封內(nèi)部輸送帶傳動軸以及提高空間利用率，將燙漂箱體設(shè)計為800 mm×800 mm×400 mm的矩形腔室。為保證燙漂箱體受壓后不變形，選取寬度40 mm、高度60 mm、厚度δ=5 mm的6號槽鋼（鋼號為Q235-B）作為加強筋，對其結(jié)構(gòu)進行加強設(shè)計，整個燙漂箱體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燙漂箱體結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 箱體壁厚的計算

箱體的壁厚可根據(jù)矩形平板校核，見式（1）[12]。

式中：K為特征系數(shù)，0.69；b為加強筋間距，150 mm；p為設(shè)計壓力，根據(jù)預(yù)試驗測定壓力值與安全系數(shù)，設(shè)計壓力為0.2 MPa；[σ]t為許用應(yīng)力，137 MPa；代入計算，得箱體壁厚δ1為4 mm。

2.1.2 箱體的靜力學(xué)分析

圖3 箱體的位移云圖

圖4 箱體的應(yīng)力云圖

采用ANSYS有限元分析軟件對燙漂箱體進行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，從而驗證其可靠性[13-14]。箱體的位移變形云圖及應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。

由圖3可知，整體最大變形發(fā)生在箱體上部中間部位開孔處，最大變形量為0.269 mm，小于設(shè)計箱體的容許變形（箱體應(yīng)變面上的最大長度800 mm/1 000=0.8 mm）；由圖4可知，箱體最大應(yīng)力也發(fā)生在機體上部中間部位開孔處，且最大應(yīng)力為98.595 MPa，小于材料許用應(yīng)力137 MPa，對于設(shè)計的燙漂箱體，其容器變形范圍和靜強度能滿足設(shè)計要求。

2.2 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 蒸汽發(fā)生器的計算選型

蒸汽燙漂時燙漂室的典型壓力為0.11 MPa[11]，則蒸汽質(zhì)量m由式（2）求出：

式中：ρ為蒸汽密度，0.645 kg/m3；V為燙漂箱體積，0.256 m3，代入計算，求出蒸汽質(zhì)量為0.165 kg，按設(shè)計要求10 min可完成3個燙漂周期計算，則總共需要0.495 kg蒸汽，選用型號為WDR 0.034-0.7（選自上海華征特種鍋爐制造有限公司）的電加熱飽和蒸汽發(fā)生器。

2.2.2 蒸汽分布器設(shè)計

圖5 多管式蒸汽分布器三維模型圖

如圖5所示，多管式蒸汽分布器由一個分布器主管和若干帶噴射孔的分布器支管組成，分布器支管沿分布器主管對稱分布；蒸汽管選用Φ15 mm×1.5 mm的304不銹鋼管，其上開有沿分布器支管軸線等距分布的Φ3 mm噴射孔。燙漂時，飽和蒸汽進入蒸汽分布器，經(jīng)分布器主管，從分布器支管上的噴射孔均勻噴出，對物料進行燙漂，提高物料燙漂的均勻性。

2.3 真空系統(tǒng)的計算

2.3.1 真空泵的計算與選型

整個真空系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作需要計算選取合適的真空泵[15]。選擇真空泵時，根據(jù)工藝操作參數(shù)，計算真空管道中流體通導(dǎo)能力U，再綜合分析真空系統(tǒng)的總抽氣量，確定系統(tǒng)所需的抽氣速率。依據(jù)流導(dǎo)U和抽氣速率Se求出實際抽速Sp，其計算過程如式（3）～（6）所示[15]。

式中：D為真空管道內(nèi)直徑，0.02 m；L為真空管道當(dāng)量長度，1 m；p為真空管道平均壓力，1 000 Pa；μ為黏度，1.25×10-5Pa·s；Q1為真空系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生的氣體量，取0.078 3 kg/h；Q2為真空系統(tǒng)的放氣量（因真空度為粗真空，忽略放氣量），為0 kg/h；Q3為泄漏量，取1.5 kg/h；Q為總抽出氣體量，1.578 3 kg/h；R為通用氣體常數(shù)，8.31 kJ/（kmol·K）；T為抽出氣體溫度，303.15 K；PS為真空系統(tǒng)的工作壓力，5 kPa；M為抽出氣體的平均分子量，18。

計算可得Sp=4.57×10-3m3/s，即0.27 m3/min，根據(jù)抽氣速率和真空度要求，選用2BV-2061型水環(huán)式真空泵。

2.3.2 抽真空時間的計算

根據(jù)所選真空泵的技術(shù)參數(shù)，可求出抽真空時間[11]。

式中：V為真空系統(tǒng)的容積，0.256 m3；S為真空泵的抽氣速率，0.87 m3/min；P1為初始真空度，101 kPa（絕壓）；P2為要求真空度，5 kPa（絕壓）。可得抽氣時間t為30 s，滿足該燙漂機對抽真空時間的要求。

2.4 物料輸送系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計中燙漂機采用滾筒帶式輸送裝置。輸送帶為耐溫防粘結(jié)的特氟龍材質(zhì)網(wǎng)格帶（寬度500 mm，網(wǎng)孔大小5 mm×5 mm），在工作過程中物料輸送速度穩(wěn)定且可調(diào)。

2.4.1 軸承選用

由于設(shè)計中的軸承應(yīng)用于高溫高濕的環(huán)境中，若選用普通軸承，軸承中的潤滑脂揮發(fā)對食品質(zhì)量安全有很大影響。陶瓷軸承具有耐高溫高濕、自潤滑、免維護、可應(yīng)用于高真空的場合等優(yōu)點，所以設(shè)計軸承選用陶瓷軸承。

2.4.2 驅(qū)動電機計算

2.4.2.1 網(wǎng)帶運動所需功率

式中：m1為網(wǎng)帶及滾筒總質(zhì)量，30 kg；m2為網(wǎng)帶所要承受的物料總質(zhì)量，15 kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；ν為輸送網(wǎng)帶運動速度，0.06 m/s。

計算得P1為0.259 kW。

2.4.2.2 電機額定功率

傳動裝置的功率損失可用傳動效率η代替，因此驅(qū)動電機的額定功率P如式（9）所示。

式中：P1為網(wǎng)帶運動所需功率，0.259 kW；η為傳動裝置的功率損失率，0.9。

計算可得P1≥0.288 kW，所選電機（Y80M1-2）功率為0.75 kW，電機帶蝸輪蝸桿減速器，轉(zhuǎn)速2 830 r/min，減速比為100。

2.5 密封系統(tǒng)設(shè)計

2.5.1 出入口閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計

物料由輸送帶輸入輸出燙漂箱體，但在箱體上直接開矩形物料進出口難以選擇合適的元件對其進行密封，無法進行后續(xù)的真空-蒸汽脈動燙漂加工過程。因此，為同時滿足輸送與密封這兩項要求，如圖6所示，燙漂箱體的上部物料入口設(shè)計為上方下圓的漏斗形結(jié)構(gòu)，物料出口設(shè)計為上圓下方的漏斗形結(jié)構(gòu)。物料出入口與箱體之間設(shè)有氣動刀型閘閥，連接形式為對夾式，一方面可滿足物料進出口的頻繁啟閉要求，另一方面氣動刀型閘閥采用活動密封結(jié)構(gòu)，使得出入口的密封性得以保證。

圖6 出入口閥門結(jié)構(gòu)示意圖

2.5.2 軸密封設(shè)計

輸送帶的運轉(zhuǎn)需要電機及減速器等裝置通過傳動軸來驅(qū)動，將電機放置于通入高溫高濕蒸汽的燙漂箱內(nèi)則無法保證其正常工作，電機與減速器放置于燙漂箱外則會帶來傳動軸的密封問題。永磁連軸器是一種通過永磁體的磁力將原動機與工作機聯(lián)接起來的聯(lián)軸器，因其具備全封閉的結(jié)構(gòu)特性，能夠消除一些機械裝置中動密封存在的泄漏問題。因此，設(shè)計選用套筒式永磁聯(lián)軸器對傳動部件進行軸密封。如圖7所示，永磁連軸器主要由外轉(zhuǎn)子、隔離套、內(nèi)磁體、輸送軸鍵、外磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子等組成，外轉(zhuǎn)子與減速器軸相連，安裝在隔離套和內(nèi)轉(zhuǎn)子外。隔離套為一層薄壁圓筒，將內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子隔開，并與燙漂箱體密封連接，對燙漂箱體內(nèi)介質(zhì)起全封閉作用，內(nèi)轉(zhuǎn)子則與滾筒軸相連，減速器軸與滾筒軸靠內(nèi)外磁場進行傳動，無需機械連接。

圖7 軸密封裝配圖

3 結(jié)論

設(shè)計輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機，該機由燙漂箱體、蒸汽系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等部分組成。對其關(guān)鍵部件進行設(shè)計、計算與選型。

1) 設(shè)計帶有加強筋結(jié)構(gòu)的矩形燙漂箱體，并使用ANSYS有限元分析軟件對箱體進行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，最大變形和最大應(yīng)力都發(fā)生在箱體上部中間部位開孔處，最大形變量0.269 mm，最大應(yīng)力98.595 MPa，小于箱體的容許變形和許用應(yīng)力，箱體的剛度和強度滿足設(shè)計要求。在蒸汽系統(tǒng)中設(shè)計了多管式蒸汽分布器，提高了燙漂的均勻性。

2) 采用刀型閘閥對頻繁啟閉的漏斗形物料進出口進行密封設(shè)計，對承壓箱體內(nèi)外傳動的傳動軸采用永磁聯(lián)軸器進行密封。

新型輸送帶式真空-蒸汽脈動燙漂機能夠與連續(xù)加工的果蔬生產(chǎn)線融合，工作效率高，蒸汽余熱回收利用，促進真空-蒸汽脈動燙漂技術(shù)的推廣應(yīng)用。