荷藕清洗機設(shè)計及試驗研究-清洗機噴淋結(jié)構(gòu)設(shè)計及清洗試驗研究設(shè)計含12張CAD圖,清洗,設(shè)計,試驗,實驗,研究,鉆研,噴淋,結(jié)構(gòu)設(shè)計,12,十二,cad 1 摘要 由于蔬菜原料自身特性差異很大,選擇清洗工藝和配套的清洗設(shè)備時會受到 很大的限制,所以各種蔬菜原料的清洗設(shè)備有顯著差別。荷藕屬生鮮食品,是根 莖類蔬菜，其主要成分是水和有機物, 在一定條件下能保持生物活性, 同時也 是一類很易受外界物理、化學影響的脆弱物質(zhì)。清洗蔬菜既要保持其品質(zhì)不受 損害, 又要去除附著其上的雜質(zhì), 使之達到衛(wèi)生標準的要求。荷藕是一種外形 很不規(guī)則的蔬菜，整根藕一般由 3 節(jié)組成，每節(jié)藕的不同部位尺寸均不同，因 此在設(shè)計荷藕清洗機時對荷藕幾何尺寸進行統(tǒng)計分析是十分必要的。 按照設(shè)計要求參考相關(guān)資料，初步確定清洗機的各項參數(shù)。荷藕清洗機采 用了噴淋式清洗，噴嘴采用全方位均布的方式，較好的解決了荷藕清洗洗凈率 的問題。但是該機型仍存在最優(yōu)解的問題，可以通過試驗，對新型噴淋式蓮藕 清洗機進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，對改進后的蓮藕清洗機進行了清洗加工試驗，得 出：清洗效率有了明顯的提高，更能滿足設(shè)計的要求。 關(guān)鍵詞:清洗方式；蓮藕清洗；荷藕的特性；清洗試驗 1 Abstract on account of the great differences of the vegetable's identity,it will restrict a lot when to choose the cleanout technics and matched cleanout equipment,so there are great differences in cleanout equipments of the vegetable material. lotus root , raw and delicious ,belongs to the genus rhizome and its basis is water and organism,which can keep the organisms living in some conditions but also is vulnerable substance in the physical and chemical influence. when cleaning the vegetable , the impurity with it should be clear up and its character should not be damaged so that it will come up to the standard. lotus root is a kind of the vegetable with a anomalistic externality, generally making up of three nodes that have different sizes in different parts. Accordingly,it is necessary to make statistical analysis in designing the lotus root cleanout machine. according to the design request and related information, the parameter is preliminarily made out. In the cleaning machine of vibration spray type, the nozzles are fixed in an omnidirectional mode so that it solves the problem of the extent of cleaning out. But the problem of the prior resolvent still exists in this kind of machine. So we optimize the structure parameter in the cleaning machine of vibration spray type and perform experiments on the improved machine. We can get the conclusion from the experiments that the extent of cleaning is improved obviously and it is absolutely meet the demand. KEY WORDS: Cleaning methods, Lotus Cleaning; Lotus Roots features; cleaning test 1 目 錄 第一章 緒 論 .................................................................................................1 1.1 引言 ..................................................................................................................................................1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..............................................................................................................................1 1.3 蓮藕幾何形狀分析與研究 ..............................................................................................................4 1.4 蓮藕清洗機的介紹 ..........................................................................................................................7 1.5 主要設(shè)計內(nèi)容 ..................................................................................................................................9 第二章 蓮藕清洗機的設(shè)計 .............................................................................11 2.1 噴嘴的設(shè)計計算 ............................................................................................................................11 2.1.1 噴嘴參數(shù)的擬定 .....................................................................................................................11 2.1.2 噴嘴參數(shù)的校核 .....................................................................................................................12 2.2 水泵的選擇 ....................................................................................................................................13 2.3 參數(shù)的校正 ....................................................................................................................................13 2.4 噴嘴的安裝布置 ............................................................................................................................14 2.4.1 上下面的噴嘴的布置參數(shù) .......................................................................................................15 2.4.2 側(cè)面的噴嘴的布置參數(shù) .........................................................................................................18 2.5 其它部分 ........................................................................................................................................18 2.6 本章小結(jié) ........................................................................................................................................20 第三章 蓮藕清洗機的試驗研究 .......................................................................21 3.1 蓮藕清洗機理論樣機 ....................................................................................................................21 3.2 試驗物料 ........................................................................................................................................21 3.3 主要術(shù)指標 ....................................................................................................................................21 3.4 試驗方法 ........................................................................................................................................22 3.5 清洗試驗過程 ................................................................................................................................22 3.6 試驗結(jié)果分析 ................................................................................................................................24 3.7 本章小結(jié) ........................................................................................................................................25 2 第四章 總結(jié) ....................................................................................................26 4.1 總結(jié) ................................................................................................................................................26 4.2 展望 ................................................................................................................................................26 致 謝 ...........................................................................................................28 參考文獻 ..........................................................................................................29 1 第一章 緒 論 1.1 引言 我國是蓮藕生產(chǎn)大國，具有悠久的蓮藕種植歷史，蓮藕產(chǎn)量、加工量、出 口量均居世界前列。隨著我國加入 WTO，蓮藕制品的出口量也大幅增長。日本、 韓國、新加坡以及美國等國家紛紛從我國進口大量的水煮藕、脫水藕片等產(chǎn)品， 但是根據(jù)調(diào)查，我國大多數(shù)的蓮藕的清洗主要以人工清洗為主，這種生產(chǎn)方式 勞動強度大、功效低，難以滿足實際生產(chǎn)的需要，因此蓮藕清洗機的研制具有 重要的現(xiàn)實意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 蔬菜的清洗通常有清水清洗和果蔬專用清洗劑清洗兩大類型。用清水清洗 的方法可以方便地將泥土及附著的動、植物夾雜物去除干凈, 但要把油性污垢 和附著在清洗對象表面的寄生蟲卵和微生物完全去除干凈是困難的, 必須在清 洗水中加入果蔬專用清洗劑才可徹底清洗干凈。用清水清洗蔬菜一般需要借助 物理作用的配合, 食品工業(yè)中常用的方法有噴射方法、摩擦力清洗方法、攪拌 和研磨的方法、鼓風式清洗方法等。噴射方法是利用高壓水噴射直接作用到清 洗原料上, 清洗原料在旋轉(zhuǎn)的金屬網(wǎng)內(nèi)或者在輥式輸送帶上可以上下翻滾,通過 噴射水流對原料的沖刷作用進行清洗, 其缺點是可能造成清洗對象外表的損傷。 摩擦力清洗方法是先將原料浸泡, 然后通過一個帶有旋轉(zhuǎn)的軟質(zhì)橡膠圓盤的通 道, 利用圓盤與原料的摩擦作用使附著污垢被清除, 再用清水對原料進行沖洗。 攪拌和研磨的方法是利用強力攪拌和研磨的作用對原料進行脫皮和清洗, 通常 用于馬鈴薯、甜菜的清洗。鼓風式清洗的原理是利用鼓風機向清洗槽中送進空 氣, 使清洗水產(chǎn)生劇烈的翻動, 水中的原料也產(chǎn)生翻滾運動, 加速污物從原料 上洗去。淹沒水射流方式清洗的工作原理是: 具有一定速度的水從射水口射入, 使得洗菜槽中的水進行渦旋似的流動 ,當蔬菜放入到洗菜槽后, 隨水一起進行 運動, 使得蔬菜在水中處于攪動狀態(tài), 促使蔬菜與水以及蔬菜與蔬菜之間產(chǎn)生 摩擦和碰撞, 將蔬菜表面的泥土清洗掉。 2 現(xiàn)有的蔬菜清洗機有振動噴淋式和滾筒式兩種。振動噴淋式蔬菜清洗機有 兩個清洗池, 蔬菜先在振動清洗池中作往復運動, 進行初步清洗, 然后進入噴 淋池中用清水噴淋, 完成整個清洗過程。該清洗機耗水量大, 對葉類蔬菜有較 大的損傷。滾筒式清洗機的主體是一個傾斜的金屬網(wǎng)狀圓柱形旋轉(zhuǎn)體, 在圓柱 的中心軸部位裝有許多噴嘴的噴射水管, 蔬菜隨圓柱不停轉(zhuǎn)動的同時受到噴射 水流的沖刷作用, 達到清洗的目的。該清洗機只能完成土豆、山芋等根莖類蔬 菜的清洗, 且清洗時對蔬菜損傷較大, 不能應(yīng)用于葉類蔬菜的清洗。 由于蔬菜原料自身特性差異很大,選擇清洗工藝和配套的清洗設(shè)備時會受到 很大的限制,所以各種蔬菜原料的清洗設(shè)備有顯著差別。荷藕屬生鮮食品,是根 莖類蔬菜，其主要成分是水和有機物, 在一定條件下能保持生物活性, 同時也 是一類很易受外界物理、化學影響的脆弱物質(zhì)。清洗蔬菜既要保持其品質(zhì)不受 損害, 又要去除附著其上的雜質(zhì), 使之達到衛(wèi)生標準的要求。 近年來，為了滿足我國藕制半成品國內(nèi)消費和對外出口的需求，降低人工 的勞動強度，我國科研單位和企業(yè)針對蓮藕清洗技術(shù)難題，也開展了對蓮藕清 洗機的研究和開發(fā)： 長江大學機械工程學院的彭三河研制一種噴淋式的荷藕清洗機，如圖 2.1 所示。該清洗機的清洗原理為：將上耦板均勻地放置到移動的網(wǎng)鏈上，具有一 定壓力的水通過上下噴水管的孔口按規(guī)律分布形成射流，作用到從中通過的蓮 藕上，將荷藕上的污泥去掉。 該荷藕清洗機的優(yōu)點是清洗速度快，生產(chǎn)率高，水的利用較高，節(jié)約用水， 圖 2.1 蓮藕清洗裝置示意圖 1-送耦板 2-上噴水管 3-供水管 4-鏈網(wǎng) 5-鏈輪 6-下噴水管 7-射流 8-荷藕 3 缺點是清洗的洗凈率不高。分析其原因是由于該荷藕清洗機的清洗只是一次性 的過程，沒有進行反復清洗，在節(jié)省水源的同時，卻造成了清洗效率的下降。 哈爾濱東北林業(yè)大學的方迪研制了一種滾筒式清洗機，該清洗機也適用于 荷藕的清洗，如圖2.2所示。該清洗機的主要部件是清洗滾筒，清洗滾筒由很多 根沿水平方向直徑10mm的圓鋼繞滾筒直徑方向焊接而成，它被圖示中的兩個支 座支撐在水池上，滾筒式清洗機的動力來自如圖所示的電機，傳動可以采用鏈 輪或電機直聯(lián)機構(gòu)。滾筒式清洗機的工作原理借鑒了滾筒式洗衣機的洗衣原理。 滾筒洗衣機的工作原理是洗衣桶的底部有水，衣服被提到滾筒的高處，在重力 作用下降到水面，以此洗凈衣物。其優(yōu)點是：1，省水。滾筒洗衣機是使衣物落 下與水拍打，需要水量較小。2，滾筒則是采用浸泡、敲打、摔打、噴淋等多種 方式，將磨損程度降到最低。滾筒式清洗機的工作過程是將被清洗物在清洗溝 槽中被水浸泡后，附著在表面的相當一部分大塊泥土脫落，經(jīng)傳送帶送入滾筒 式清洗機入口。隨著滾筒的轉(zhuǎn)動被清洗物在滾筒中上下翻滾, 被清洗物之間、 被清洗物與水之間產(chǎn)生相互摩擦, 使被清洗物的表面得到清洗。同時隨著滾筒 的轉(zhuǎn)動, 被清洗物被滾筒內(nèi)表面焊有的螺帶向出口方向運送, 在靠近出口的滾 筒內(nèi)表面焊有提升裝置, 將被清洗物從螺帶中提升出來。至此完成了整個清洗 過程, 被清洗物沿出口被送入下一道工序。 該滾筒式清洗機的優(yōu)點是清洗速度快，生產(chǎn)率較高，對水的進行了充分的 利用，節(jié)約用水，但仍然存在清洗的洗凈率不高、損傷率較高等缺點。分析其 原因是由于該滾筒式清洗機由于反復清洗會有淤泥沉積在滾筒底部，需要經(jīng)常 清洗，造成使用的不方便，且清洗水直接與軸承接觸，容易污染水源，同時由 圖 2.2 滾筒式清洗機結(jié)構(gòu) 4 于滾筒的構(gòu)造存在銳角，造成了被清洗物的破損率上升。 國外引進成套設(shè)備中清洗工藝采用2 臺或3 臺板式清洗機串聯(lián)。板式清洗 機主要的優(yōu)點是, 能滿足設(shè)計要求, 清洗效果較好, 清洗后, 可以進行連續(xù)生 產(chǎn); 板式清洗機主要的缺點是, 整臺設(shè)備尺寸較大, 結(jié)構(gòu)較復雜, 功率較大, 耗水量較大, 被清洗物的破損率較大。 從現(xiàn)有資料分析，國內(nèi)外對蓮藕清洗技術(shù)的研究還非常少，目前所研制的 蓮藕清洗機主要以噴淋方式為主。另據(jù)市場調(diào)查了解，荷藕清洗機的功能單一， 只能在荷藕生產(chǎn)基地得到大量的運用，但是價格過高，限制荷藕清洗機的推廣。 因此，國內(nèi)外（包括荷藕食品消費大國日本、韓國）目前生產(chǎn)的蓮藕食品仍是 以人工清洗為主。 1.3 蓮藕幾何形狀分析與研究 準確測定蓮藕的幾何形狀特征，對正確制定加工工藝、選擇合理的加工方 法及確定加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)都有著密切的關(guān)系。因此在進行加工設(shè)備的設(shè)計 和試驗前，有必要首先測定蓮藕的幾何形狀特征。 1.形狀特征分析 蓮藕一般有三節(jié)，分為第一節(jié)（首節(jié)） 、第二節(jié)和第三節(jié)，每一節(jié)分為前端、 中間和后端，各部分名稱劃分如圖 3-1。 2.鮮藕各部分尺寸分析 蓮藕的幾何尺寸是正確選擇加工設(shè)備和確定其結(jié)構(gòu)尺寸的主要依據(jù)。對蓮 藕的測試主要包括：節(jié)長、直徑、質(zhì)量。 從大量鮮藕中隨機抽取 100 節(jié)蓮藕進行測量。測量節(jié)長，從根毛著生處水 圖 3-1 蓮藕各部分名稱 5 平切一刀，切去兩端的根梢，量取剩余的純藕長度，以 mm 表示;測量節(jié)徑，量 取藕節(jié)部最寬處。對蓮藕以個體質(zhì)量等級不同分類所得節(jié)長、縱斷面直徑（節(jié) 徑） 、平均重量見表 3.1。 測量結(jié)果顯示，節(jié)長、節(jié)徑呈同步增長的關(guān)系，藕節(jié)越粗，節(jié)徑越大，對 應(yīng)的質(zhì)量也越大。 蓮藕個體之間的差異大小、蓮藕兩端和中間的直徑差異對清洗設(shè)備中噴頭 的設(shè)計安裝和水的利用率都有很大影響，測量時，應(yīng)以節(jié)來劃分，分別對第一 節(jié)、第二節(jié)、第三節(jié)進行測試。 對第一節(jié)的節(jié)徑進行測量，節(jié)徑在 30mm～80mm 之間，分為 6 個等分，每等 分 10mm，統(tǒng)計每一等分個體數(shù)占總個體數(shù)的百分率，其節(jié)徑最大值分布分別見 表 3.2、圖 3-2。 第 2 節(jié)節(jié)徑在 60mm～110mm 之間，分為 6 個等分，每等分 10mm，統(tǒng)計每一 等分個體數(shù)占總個體數(shù)的百分率，其節(jié)徑最大值分別見表 3.3、和圖 3-3。 第三節(jié)節(jié)徑在 40mm～90mm 之間，分為 6 個等分，每等分 10mm，統(tǒng)計每一 等分個體數(shù)占總個體數(shù)的百分率，其節(jié)徑最大值分別見表 3.4 和圖 3-4。 表3.1 加工蓮藕外形尺寸均值表 Table3.1 Mean value of the lotus root shape size table 樣品 節(jié)長（mm ） 節(jié)徑(mm) 平均重量 (Kg) 1.0㎏以上 224 78 1.03 1.0～0.5㎏ 191 60 0.75 0.5㎏以下 160 52 0.35 平均 192 63 0.71 表3.2 第一節(jié)節(jié)徑（最大值）分布表 Table 3.2 The first section the mast diameter distributes 節(jié)徑（㎜） 40 以下 40～50 50～60 60～70 70～80 80～90 所占百分 比（﹪） 3.7 9.2 19.2 41.5 23.1 3.3 6 表 3.3 第二節(jié)節(jié)徑（最大值）分布表 Table2.3 The second section the mast diameter distributes 節(jié)徑 (mm) 60 以下 60～7 0 70～ 80 80～ 90 90～100 100～ 11 0 所占百分比 （ ﹪） 5.2 11.5 18.5 31.2 23.5 10.1 圖 3-3 第二節(jié)直徑分布 圖 3-2 第一節(jié)節(jié)徑分布 7 表 3.4 第三節(jié)節(jié)徑（最大值）分布表 The table 3.4 The third section diameter distributes 節(jié)徑(mm) 40 以下 40～5 0 50～60 60～7 0 70～80 80～90 所占百分比 （﹪） 3.3 17.8 24.2 34.3 12.1 8.3 圖 3-4 第三節(jié)節(jié)徑分布 Fig.2-8 The third section diameter distributes 從圖 3-2、圖 3-3、圖 3-4 所示結(jié)果可以看出節(jié)徑基本分布在 40mm～80mm 之間，其個體總數(shù)占總個體數(shù)比例大約是 90%左右，但從整體上看，分布較為 分散，考慮清洗裝置應(yīng)適應(yīng)不同尺寸的蓮藕，所以要對清洗機的實用性做全面 的考慮。 1.4 蓮藕清洗機的介紹 針對噴淋式荷藕清洗機清洗的洗凈效率不高的缺點，本課題組在吸收噴淋 式荷藕清洗機的工作原理的基礎(chǔ)上，對于該方案進行了改進，設(shè)計研制了一種 改進型噴淋式荷藕清洗機，并做了一些理論方面的論證研究。 1.荷藕清洗機的工作原理 如圖 4.1 所示：荷藕清洗機的結(jié)構(gòu)簡圖，主要由水管、噴嘴、水泵、傳送 鏈、減速器、電機等組成。荷藕清洗機工作原理為：首先將需要清洗的荷藕放 8 置到傳送鏈上，布滿整個傳送鏈。利用電動機帶動，中間連接一個減速箱，帶 動傳送鏈運動，均勻布置在傳送鏈周圍的噴嘴開始對蓮藕進行往復清洗。蓮藕 放在物料傳送鏈上，每次放置荷藕需要鋪滿整個傳送鏈，依靠上面蓮藕的自重 產(chǎn)生的摩擦力，使其與傳送鏈一起運動。清洗行程末了，已清洗完的荷藕在自 重的作用下掉落到到物料槽內(nèi)。 圖 4.1 荷藕清洗機結(jié)構(gòu)簡圖 2 清洗機的結(jié)構(gòu)參數(shù) 蓮藕清洗機設(shè)計參數(shù)的確定分為兩個部分，分別是噴淋和傳送鏈兩個部分 的設(shè)計參數(shù)。首先，傳送鏈部分的設(shè)計參數(shù)：第一、根據(jù)蓮藕的長度分布情況， 確定蓮藕清洗機的傳送機構(gòu)的行程至少為 200mm，同時考慮到要求的連續(xù)清洗， 從而選定傳送鏈的長度為 115mm；第二、根據(jù)生產(chǎn)能力確定動力源的功率，選 擇合適的電機，進而確定減速比，設(shè)計減速機構(gòu)，確定傳送鏈的速度，校核其 轉(zhuǎn)速滿足生產(chǎn)要求的輸送速度；此外在清洗機上還需要設(shè)計傳送鏈的寬度，以 及電機、減速器的布置等。其次，對于噴淋部分的設(shè)計，主要需要考慮：第一、 噴嘴的選擇，主要考慮噴嘴的流量，噴嘴的直徑，噴嘴的噴射角度，噴嘴的安 裝方式；第二、對于已選擇的噴嘴，考慮其在清洗機上的布置安裝，如安裝高 度、噴嘴間的間隔、噴嘴的連接等使其達到設(shè)計的要求；第三、根據(jù)選擇的噴 嘴的流量以及需要的噴嘴的個數(shù)確定所需要的水泵的類型、功率、流量、最大 壓力等參數(shù)。最后，要綜合考慮整體的布局，完成設(shè)計。 9 1.5 主要設(shè)計內(nèi)容 本文針對噴淋式蓮藕清洗機的噴淋部分進行了具體設(shè)計。設(shè)計清洗機構(gòu)首 先需要將噴淋系統(tǒng)分為幾個小的部分，分別是動力系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)， 操縱盒控制系統(tǒng)。 1、 蓮藕清洗機噴淋部分的執(zhí)行系統(tǒng)。噴淋部分的噴淋清洗主要是靠噴嘴， 對于噴嘴的相關(guān)參數(shù)，主要有直徑、流量、個數(shù)，接著需要對噴嘴的安裝布 置做合理考慮。執(zhí)行系統(tǒng)通常處在機械系統(tǒng)的末端，直接與作業(yè)對象接觸， 其輸出是機械系統(tǒng)的主要輸出，其功能是機械系統(tǒng)的的主要功能。因此，執(zhí) 行系統(tǒng)有時也被稱為機械系統(tǒng)的工作機。執(zhí)行系統(tǒng)的功能及性能，直接影響 和決定機械系統(tǒng)的整體功能。 2、 荷藕清洗機噴淋部分的動力系統(tǒng)。在噴嘴的流量以及個數(shù)確定的基礎(chǔ)上， 充分考慮現(xiàn)場的能源條件，執(zhí)行系統(tǒng)的機械特性和工作制度，機械系統(tǒng)的使 用環(huán)境、工況、操作和維修，機械系統(tǒng)對啟動、過載、調(diào)速及運行平穩(wěn)性等 的要求，并應(yīng)有良好的經(jīng)濟性和可靠性，選用合適的動力源。 3、 荷藕清洗機噴淋部分的傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)是把動力機的動力和運動傳 遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置，傳動系統(tǒng)的主要功能有減速或增速、變速、改變 運動規(guī)律或形式、傳遞動力等。傳動系統(tǒng)在滿足執(zhí)行系統(tǒng)上述要求的同時， 應(yīng)能適應(yīng)動力機的機械特性，盡量簡單。對于荷藕清洗機的傳動系統(tǒng)主要是 水管，構(gòu)造簡單，滿足要求。 4、 荷藕清洗機噴淋部分的操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都是 為了使動力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)運行，并要準確可靠的完成 整機功能的裝置。良好的控制系統(tǒng)可以使機械處于最佳運行狀態(tài)，提高其運 行穩(wěn)定性和可靠性，改善操作條件，并有較好的經(jīng)濟性。由于該產(chǎn)品的使用 者是一線的操作工人，操作和使用的要求都不需要太高，所以之需要安裝簡 單的開關(guān)進行控制即可。 5、 蓮藕清洗機的清洗試驗研究。根據(jù)清洗試驗仿真優(yōu)化結(jié)果，對噴淋式蓮 藕清洗機進行結(jié)構(gòu)改進。 11 第二章 蓮藕清洗機的設(shè)計 2.1 噴嘴的設(shè)計計算 由于缺少原始數(shù)據(jù)所以設(shè)計步驟無法立即開展，需要首先擬定一些參 數(shù)，根據(jù)擬定的數(shù)據(jù)設(shè)計選擇出合適的噴嘴，在對已經(jīng)選出的噴嘴的參數(shù) 進行校核，判斷其是否滿足設(shè)計要求，若滿足則進行下一步設(shè)計，若不滿 足則須回到起點，再次擬定參數(shù)進行設(shè)計選擇，直到滿足設(shè)計要求為止， 繼續(xù)進行下一步的設(shè)計。 2.1.1 噴嘴參數(shù)的擬定 初步擬定噴嘴口處的液體的流速為 15m/s,噴嘴的直徑初選為 2.0mm， 則根據(jù)液體動力學流量的概念：在單位時間內(nèi)流過某一通流截面的液體體 積稱為體積流量，簡稱為流量。 Av??q 其中 q 為流量，單位是 L/min,v 為液體的流速，單位是 m/s,A 為通流 截面，單位是 m2。 根據(jù)已有參數(shù)可以確定出噴嘴的流量 q 為： =15m/s×∏×(2.0×10 -3)2m2=4.71×10-5m3/s=2.83L/minAv??q 考慮到所選用的噴嘴是進行噴淋清洗用的，所以應(yīng)選用實心圓錐形噴 嘴，以便于實現(xiàn)大面積噴淋清洗。 噴嘴的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計參數(shù)參考上海守望者噴霧智能系統(tǒng)有限公司生產(chǎn) 的通用實心圓錐形噴嘴，如表 2.1，表 2.2。 12 表 2.1 2.1.2 噴嘴參數(shù)的校核 根據(jù)擬定的參數(shù)參照上海守望者噴霧智能系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的通用實 心圓錐形噴嘴，確定噴嘴的相關(guān)參數(shù)如下： 選擇的噴嘴采用外螺紋連接形式的廣角度實心圓錐形噴嘴，材料是不 銹鋼，凈重 0.02kg,連接尺寸為 1/8 英寸，A 的大小為 32.5mm,B 的大小為 14.3mm, 表 2.2 13 噴嘴的等效孔徑為 2.0mm，最大的暢通直徑為 1.0mm，工作壓力為 2.0bar, 流量為 2.8L/min，噴著角度初選為 120 度。經(jīng)過校核計算基本滿足設(shè)計要 求。 2.2 水泵的選擇 由于該噴淋裝置共使用了 13 個噴嘴，則可以確定出水泵的中的流量 Q，進而可以初步確定所要選用的水泵型號，選擇使用的水泵設(shè)備是從臺州 信溢農(nóng)業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的水泵設(shè)備中選用的。 Q=13q=13×2.8L/min=36.4L/min 則初步確定使用的產(chǎn)品型號為 TF-45/168,由于該產(chǎn)品自身帶有動力源， 可以直接使用，少了考慮動力源這一環(huán)節(jié)，減少了工作量。該產(chǎn)品的主要 性能參數(shù)如下： 配套動力為 3.8kw,液泵形式是三缸柱塞泵，水泵的流量為 20- 34L/min，液泵最高的工作壓力為 3.5Mpa,連續(xù)運轉(zhuǎn)時間≥20 小時，總的重 量為 35kg。 2.3 參數(shù)的校正 根據(jù)擬定的參數(shù)選擇出來的噴嘴以及水泵都存在一些偏差，需要通過 校正參數(shù)使其更加合理化，更符合設(shè)計要求。 14 當選擇噴嘴的參數(shù)如上所示時，噴射角度為 120 度，射流不集中，覆 蓋 表 2.3 面積太大，同時可能會造成部分射流噴射不到荷藕上，造成水源的浪 費，清洗的效果不理想，所以應(yīng)對噴嘴的參數(shù)進行校正。 對于水泵，由于噴嘴的流量為 2.8L/min，所以水泵的最大流量應(yīng)盡量 大于 13 個噴嘴的總的流量，而選擇的水泵的最大流量沒有用比 13 個噴嘴 的總的流量大，所以應(yīng)在矯正的噴嘴的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。 選擇的噴嘴采用外螺紋連接形式的標準角度實心圓錐形噴嘴，如表 2.3 所示。材料是不銹鋼，凈重 0.02kg,連接尺寸為 1/8 英寸，A 的大小為 32.50mm,B 的大小為 14.3mm,噴嘴的等效孔徑為 2.0mm，最大的暢通直徑為 1.0mm，工作壓力為 1.5bar,流量為 2.1L/min，噴著角度最終確定為 120 度。 經(jīng)過校核計算滿足設(shè)計要求。 在最終選定的噴嘴的基礎(chǔ)上，在對水泵的參數(shù)進行更正。首先計算出 13 個噴嘴總的流量 Q: Q=13q=13×2.1L/min=27.3L/min 計算出的總的流量 Q 在已選出的水泵的適當范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求，故水 泵的設(shè)計參數(shù)不需要改動。 15 2.4 噴嘴的安裝布置 在噴嘴參數(shù)確定的情況下需要考慮噴嘴的安裝布置，而噴嘴的安裝 布置又與傳送鏈的尺寸大小有關(guān)。根據(jù)相關(guān)設(shè)計，借鑒相關(guān)參數(shù)，噴嘴的 布置采用傳送鏈上下方各均布 3 個噴嘴，噴嘴安裝角度垂直于傳送鏈表面， 直接噴射在荷藕表面，側(cè)面布置的噴嘴安裝略高于傳送鏈表面，大概位置 處于放置的荷藕的中心位置，從側(cè)面觀察，與上下方的噴嘴錯開布置，已 達到最好的噴射效果，側(cè)面布置的噴嘴的噴射角度平行于傳送鏈，如圖 2.1，圖 2.2 所示布置。 圖 2.1 在噴嘴的布置位置大體確定的情況下，需要在已有參數(shù)的基礎(chǔ)上對噴 嘴布置的具體尺寸參數(shù)進行計算。 16 2.4.1 上下面的噴嘴的布置參數(shù) 已知傳送鏈的寬度為 360mm,整體的寬度為 600mm,噴嘴的噴射角度為 84 度，而荷藕的直徑基本在 50-80mm 范圍內(nèi)，對于這兩個極限值，只需考慮 直 圖 2.2 徑最大時的安裝布置，當直徑小于最值時，由圖 2.6，噴嘴一定會清洗到直 徑較小的荷藕，所以進行計算設(shè)計時只需要考慮直徑最大的荷藕即可。 只考慮直徑為 80mm 的荷藕這種情況，一種情況是當噴嘴邊緣布置的情 圖 2.3 圖 2.2 17 況，如圖 2.3，此時是一種極限情況，荷藕處于傳送鏈的最末端，噴嘴的射 流正好與荷藕相切。另一種極限情況如圖 2.4，此時荷藕處于兩個噴嘴的中 間位置，兩個噴嘴的射流正好噴射到荷藕的最上端。在這兩種情況的基礎(chǔ) 上 圖 2.4 展開計算。從正視圖 2.2 可以看出，正面在同一平面一共安裝了 3 個噴嘴， 設(shè)噴嘴距離傳送鏈的距離為 X，傳送鏈總的寬度為 360mm。則根據(jù)圖 2.3 所 示的數(shù)學關(guān)系可以計算出兩兩噴嘴間的距離 L1=2（X-80）·tan42°， 則由圖 2.2 的整體結(jié)構(gòu)可以計算出所有相鄰噴嘴間總的距離為 L1 總 =4（X-80）·tan42°， 則根據(jù)圖 2.3 所示的數(shù)學幾何關(guān)系可以計算出靠近傳送鏈邊緣的兩個噴嘴 距離傳送鏈邊緣的水平距離分別為 L2=X·tan42°-40/tan24°， 則由圖 2.2 的整體結(jié)構(gòu)示意圖可以計算出所有的邊緣噴嘴距離傳送鏈的總 的水平距離為 L2 總 =2·（X·tan42°-40/tan24°） ， 又已知傳送鏈總的寬度為 360mm,則 18 L 總 =L1 總 +L2 總 =360， 即 2·（X·tan42°-40/tan24°）+4（X-80）·tan42°=360 經(jīng)計算，噴嘴的安裝高度 X 為 153mm,于是噴嘴安裝的其它參數(shù)也可以通過 數(shù)學的幾何關(guān)系求解出。 邊緣安裝的噴嘴距離傳送鏈邊緣的距離為 L2=X·tan42°-40/tan24°=153×tan42°-40/tan42°=48mm 兩個噴嘴間的距離為 L1=2（X-80）·tan42°=2（153-80）×tan42°=132mm 以上是在直徑為 80mm 這一極限情況下計算出來的理論值，在保證整體 的尺寸保持不變的情況下需要進行修正。 對于兩個噴嘴間的距離只能在原有距離的基礎(chǔ)上減小，而靠近傳送鏈 邊緣的噴嘴安裝的距離會在原有的基礎(chǔ)上增大，因為荷藕的放置不可能正 好與傳送鏈的邊緣連接，所以校正后的邊緣安裝的噴嘴距離傳送鏈邊緣的 距離為 L2=55mm 根據(jù)總體尺寸不變的原則，可以計算出兩個噴嘴間的距離為 L1=125mm 2.4.2 側(cè)面的噴嘴的布置參數(shù) 側(cè)面布置的噴嘴要與上下面布置的噴嘴錯開布置，又已知上下兩個噴 嘴覆蓋的面積為直徑為 55mm 的圓，所以先將側(cè)面的噴嘴錯開的距離設(shè)定為 19 圖 2.5 50mm.對于側(cè)面噴嘴距離傳送鏈的距離同樣可以按照極限情況進行考慮。對 于直徑在 50-80mm 的荷藕，同樣只要考慮直徑為 80mm 的情況。當荷藕直徑 為 80mm,且放置在荷藕的邊緣位置時，如圖 2.5 所示，側(cè)面布置的噴嘴根據(jù) 數(shù)學幾何關(guān)系可以計算出距離傳送鏈邊緣的距離為： L=40/（sin42°·sin48°）=80.4mm 計算出來的值只是在極限情況下的理論值，由于放置荷藕時不可能正 好處于傳送鏈邊緣，所以還需要進行參數(shù)的校正。在原有計算出的尺寸基 礎(chǔ)上距離要有縮小，經(jīng)校正側(cè)面布置的噴嘴距離傳送鏈邊緣的距離為： L=50mm 2.5 其它部分 在噴淋部分大體結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，需要對部件的連接，材 料的選擇等方面做進一步考慮。根據(jù)噴淋部分的結(jié)構(gòu)示意圖可以看出該噴 淋機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，由于水泵的工作壓力不是很大，所以選用通用水管即可， 考慮到各方面的因素 ，如該清洗設(shè)備的使用環(huán)境，設(shè)備的使用壽命等考慮 應(yīng)該使用鍍鋅水管來進行水的輸送，噴嘴與水管的連接采用一個三通管式 螺紋連接，為了防止產(chǎn)生滲漏，在接口處水管和連接件之間加裹防滲膠帶。 這樣的結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點： 1、安裝簡易方便 20 該管是采用傳統(tǒng)的螺紋連接的方式連接，連接方便，便于產(chǎn)品的安裝和運 輸。 2、密封效果好 該水管是采用螺紋的壓力密封，其內(nèi)、外螺紋的接口均具圓錐管型， 所以螺紋接口配合和密封效果可靠。管道連接的接口處即使承受較大的水 壓，也不會出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。 3、強度高、剛性好 由于該水管的材料為鋼材，相比于其它材料具有較高的強度和較好的 剛性。 4、應(yīng)用成本低 由于該水管材料是鋼材，價格對比于其它材料有較高的性價比。 鋼管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.9 所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為： 圖 2.6 水管外徑為 20mm,內(nèi)徑為 14mm，螺紋倒角為 55°。 2.6 本章小結(jié) 在已有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對噴嘴的安裝尺寸進行了設(shè)計計算，下一步根據(jù) 已經(jīng)確定的參數(shù)進行圖形的繪制。 21 23 第三章 蓮藕清洗機的試驗研究 對蓮藕清洗機進行試驗研究的目的是：通過對蓮藕清洗機理論樣機的 試驗研究，對荷藕損傷率、荷藕的洗凈率以及耗水量這幾個方面對蓮藕清 洗機的清洗效果影響較大的指標進行評價。從而蓮藕清洗機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化， 進一步達到預期的設(shè)計目標。在介紹了荷藕清洗機原理和設(shè)備的基本做成 的基礎(chǔ)上，建立荷藕清洗的數(shù)學模型，優(yōu)化清洗裝置的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)， 分析了各個參數(shù)對清洗性能的影響規(guī)律。通過試驗分析，得出該產(chǎn)品的優(yōu) 勢及運用前景。 3.1 蓮藕清洗機理論樣機 如圖 3.1 所示為試驗所用的噴淋式荷藕清洗機的理論試驗裝置，本裝 置采用電機驅(qū)動，主要由清洗噴淋機構(gòu)、傳動鏈機構(gòu)等組成。 圖 3.1 3.2 試驗物料 人工收獲后的蓮藕，因其含有許多雜質(zhì)，不能夠直接進行清洗，需要 進行必要的處理。首先從原料地隨機的抽取一定數(shù)量的蓮藕，根據(jù)《抽樣 技術(shù)》中抽樣原則，從 200 ㎏的樣品中隨機的抽取 10 ㎏以上的樣品，剔 除兩端的節(jié)疤以及附著在上面的雜物，然后將其分為若干份，從實驗的角 24 度，基本定為一個試驗單元為 5 ㎏，且當進行每個試驗組時，試驗中所有 單元來源于同一次抽樣的樣品。 3.3 主要術(shù)指標 1. 荷藕清洗機的洗凈率要達到 90%以上。 2. 傳送鏈的輸送速度必須大于 0.5m/s。 3. 荷藕清洗機每小時的生產(chǎn)能力要大于 500kg。 4. 荷藕清洗機采用 2 相制，電壓為 220V，頻率為 50Hz 的電源。 5. 清洗機的額定功率在 1.0KW 左右。 6. 清洗機的控制特征是人工上料自動控制。 7. 能滿足各種規(guī)格形狀的蓮藕。 3.4 試驗方法 在荷藕的清洗試驗中采用的分析方法是回歸性分析法。所 謂 回 歸 分 析 法 ， 是 在 掌 握 大 量 觀 察 數(shù) 據(jù) 的 基 礎(chǔ) 上 ， 利 用 數(shù) 理 統(tǒng) 計 方 法 建 立 因 變 量 與 自 變 量 之 間 的 回 歸 關(guān) 系 函 數(shù) 表 達 式 （ 稱 回 歸 方 程 式 ） 。 回 歸 分 析 中 ， 當 研 究 的 因 果 關(guān) 系 只 涉 及 因 變 量 和 一 個 自 變 量 時 ， 叫 做 一 元 回 歸 分 析 ； 當 研 究 的 因 果 關(guān) 系 涉 及 因 變 量 和 兩 個 或 兩 個 以 上 自 變 量 時 ， 叫 做 多 元 回 歸 分 析 。 此 外 ， 回 歸 分 析 中 ， 又 依 據(jù) 描 述 自 變 量 與 因 變 量 之 間 因 果 關(guān) 系 的 函 數(shù) 表 達 式 是 線 性 的 還 是 非 線 性 的 ， 分 為 線 性 回 歸 分 析 和 非 線 性 回 歸 分 析 。 通 常 線 性 回 歸 分 析 法 是 最 基 本 的 分 析 方 法 ， 遇 到 非 線 性 回 歸 問 題 可 以 借 助 數(shù) 學 手 段 化 為 線 性 回 歸 問 題 處 理 。 它 是 一 種 從 事 物 因 果 關(guān) 系 出 發(fā) 進 行 預 測 的 方 法 。 在 操 作 中 ， 根 據(jù) 統(tǒng) 計 資 料 求 得 因 果 關(guān) 系 的 相 關(guān) 系 數(shù) ， 相 關(guān) 系 數(shù) 越 大 ， 因 果 關(guān) 系 越 密 切 。 通 過 相 關(guān) 系 數(shù) 就 可 確 定 回 歸 方 程 ， 預 測 今 后 事 物 發(fā) 展 的 趨 勢 。 通 常 ， 求 一 個 變 量 對 另 一 個 變 量 的 因 果 關(guān) 系 ， 叫 一 元 回 歸 分 析 ； 而 求 多 個 變 量 之 間 的 因 果 關(guān) 系 ， 叫 多 元 回 歸 分 析 。 對 于 該 試 驗 ， 由 于 傳 送 鏈 速 度 噴 嘴 的 直 徑 噴 嘴 的 流 速 以 及 噴 嘴 的 安 裝 高 度 對 于 清 洗 機 的 清 晰 性 能 均 由 影 響 ， 所 求 的 是 多 個 變 量 之 間 的 因 果 關(guān) 系 ， 所 以 該 試 驗 分 析 是 多 元 回 歸 分 析 。 25 3.5 清洗試驗過程 試驗研究的性能指標有未洗凈率和損傷率，設(shè)未洗凈率為y 1，損傷率為 y2。試驗因子有傳送鏈速度X 1,噴嘴的流速X 2,噴嘴直徑X 3，噴嘴的安裝高度 X4。 四個試驗因子二次通用旋轉(zhuǎn)回歸的試驗因子水平編碼見表1，試驗次數(shù) N=31,所得因子編碼空間內(nèi)各性能指標的回歸方程如下: Y1=4.9126+0.3411X1+0.6371X2-1.4211X3+2.7119X4-0.3619X1X3- 0.4211X2X3+0.6121X2X4+0.5791X32-0.6921X3X4+0.5677X4Y2=2.1123- 0.1151X2+0.2123X3-0.2761X4-0.0771X1X4+0.0617X1X4-0.0812X22- 0.0746X3X4 將 X 1=(V1-0.14)/0.03 X2=(V2-12)/-3 X3=(d-4)/1 X4=(h-200)/50 代入以上方程，整理后可得性能指標對各個試驗參數(shù)的回歸方程。 為了便于分析試驗參數(shù)對兩性能指標的影響程度和規(guī)律，將各個方程 的系數(shù)F檢驗值列于表2。 下一步需要進行參數(shù)的優(yōu)化和驗證。未洗凈率是荷藕清洗裝置的主要 性能指標。本試驗以未洗凈率Y 1為目標，約束條件為：Y 2≤2.5%。優(yōu)化獲得 傳送鏈速度V 1=0.12m/s,噴嘴的直徑d=5mm,噴嘴的安裝高度h=150mm。預測的 26 性能指標有：未洗凈率Y 1=2.65%，損傷率Y 2=2.4%。 由于優(yōu)化提供的最佳組合并未在回歸方程中出現(xiàn)，因此需要對優(yōu)化結(jié) 果進行試驗驗證。驗證結(jié)果見表 3： 顯然，驗證值和預測值比較接近，說明回歸性方程是可靠的，可以用 于荷藕清洗性能的分析。 3.6 試驗結(jié)果分析 為了直觀了解某一結(jié)構(gòu)或運動參數(shù)對清洗性能的影響規(guī)律，在此將回 歸方程中 4 個變量的三個固定在優(yōu)化點，使清洗性能依另一參數(shù)變化（見 圖 2） 。 27 (a)傳送鏈速度 V1/m·s (b)噴嘴的流速 V2/m·s (c)噴嘴的直徑 d/mm (d)噴嘴的安裝高度 h/mm 圖(2)各參數(shù)對性能的影響規(guī)律 (a)傳送鏈的速度對性能的影響(b)噴嘴的流速對性能的影響 (c)噴嘴的直徑對性能的影響 (d)噴嘴的安裝高度對性能的影響 3.7 本章小結(jié) 四個因子對清洗性能均有影響，提高傳送鏈的速度，生產(chǎn)能力可得到提 高，由于水流與荷藕接觸時間相應(yīng)縮短，未洗凈率增大，但損傷率幾乎不 變。減少噴嘴的流速，射流沖擊力變小，未洗凈率增大和損傷率下降。增 大噴嘴的直徑，單個噴嘴的流量增大，射流對蓮藕表面的覆蓋率增大，有 些地方受到交叉沖擊，當然未洗凈率呈下降趨勢，而損傷率有所提高。提 高噴嘴的安裝高度，射流對蓮藕的沖擊力變?nèi)酰又淞鲹p失增大，故未 洗凈率顯著增大，而損傷率下降較快。 28 第四章 總結(jié) 4.1 總結(jié) 荷藕清洗機該產(chǎn)品的設(shè)計是針對我省荷藕種植加工企業(yè)處于勞動密集 的生產(chǎn)方式，機械化程度很低，荷藕的清洗加工主要以人工為主，勞動強 度大，效率低這一狀況，依托江蘇省農(nóng)機三項工程，對荷藕清洗加工機械 的設(shè)計及研究試驗。荷藕清洗機的研究推廣在降低勞動強度的同時還能增 加收入，提高我國農(nóng)業(yè)機械化的作業(yè)水平。采用機械化作業(yè)，可以大幅提 高對水源，勞動力等資源的利用效率，提高了勞動生產(chǎn)率，降低了消耗， 大幅度提高了作業(yè)的精度，質(zhì)量和效率，減輕了勞動者的勞動強度。 本文在荷藕清洗機已有的大體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行的具體設(shè)計，主要分 為兩個方向進行的，一個是噴淋部分的構(gòu)造設(shè)計，另一部分是傳送鏈部分 的設(shè)計計算。本論文針對噴淋部分的結(jié)構(gòu)進行了具體設(shè)計。噴淋部分的設(shè) 計主要考慮了噴嘴的選擇，噴嘴的安裝布置，水泵的選擇等，特別是采用 了側(cè)面交叉布置的噴嘴，增加了噴嘴的數(shù)目，提高了清洗的效率，以及采 用的傳送鏈一次洗凈的布置，減少了勞動的強度，提高了工作效率。 該荷藕清洗機具有洗凈率高，對水資源的利用率大，很大程度上降低 了勞動的強度，但是該清洗機仍存在可以改進的地方。如噴嘴的安裝布置， 需要可以進行進一步的優(yōu)化還可以在已有的結(jié)構(gòu)上進行一些結(jié)構(gòu)的改進。 4.2 展望 近年來，全世界蔬菜貿(mào)易額不斷增加，亞歐美國家對蔬菜的需求越來 越大。以日本為例，近 20 年蔬菜進口逐年遞增，1996 年已達 209.4 萬。隨 著中國加入 WTO 世貿(mào)組織的日益深入以及糧改棉改等國家相關(guān)政策的出臺 為蔬菜業(yè)的發(fā)展提供了空間。 我國是世界上蔬菜種類最多、種植面積最大的國家，具有較大的出口 潛力。例如去年我國蔬菜出口量是進口量的 30 多倍，出口金額是進口金額 29 的 50 多倍，在國際市場極具競爭優(yōu)勢。江蘇省出口蔬菜 1991 年為 2．78 噸，1995 年達到 4 萬噸，1998 年提高到 14 萬噸。出口成倍增長，呈現(xiàn)出 強勁的發(fā)展勢頭。1998 年江蘇省蔬菜等農(nóng)副產(chǎn)品年出口約為 6 億美元，而 其他沿海地區(qū)，如福建省、山東省和廣東省蔬菜出口規(guī)模更大，其創(chuàng)匯總 額分別為江蘇的 2 倍、2．5 倍和 3 倍，存在著