分段式热风干燥设备的三维设计.docx

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分段式热风干燥设备的三维设计

在工农业生产中，干燥工艺的应用十分普遍，然而导这一研究的进展却很缓慢。

传统的晾晒干燥法已不再适用于现代化生产，而且干燥物的质量难以保证，干燥技术的研究在食品加工行业已涉及到各种产品，主要的方法有：

机械干燥、物理化学干燥、热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、介质接触干燥、辐射干燥等。

本次设计的粉丝干燥机是六段式热风干燥机，通过设定每一段温度及干燥时间，进行参数的优化设计，得到最好的干燥效果。

基于现有的热风干燥装备，通过调整蒸汽源和风机系统来控制温度，通过调整传输带的长度来控制每一段的干燥时间，通过控制传动速度来实现粉丝干燥。

通过对分段式粉丝干燥机的分析，对干燥机的传动系统，干燥系统和检测系统的分析，利用proe完成对设备的三维设计。

关键字：

分段式粉丝烘干机、热风干燥、传动系统、干燥系统、检测系统；

1绪论

现今，分段式热风干燥设备以其干燥速度快且不影响食品的质量，在食品干燥方面已越来越多被应用。

本次设计是基于现有技术的基础上对粉丝烘干机进行设计。

由于粉丝烘干机是框架式结构，这里运用proe三维软件对其进行分析和设计，做出烘干机的三维图。

主要内容有烘干机传动系统的分析与设计，烘干系统的分析与设计和检测系统的分析与设计。

1.1烘干机的现状与发展前景

1.1.1烘干机的作用

甘薯粉丝是甘薯的深加工产品，也是人们餐桌上常见的食品。

我国是甘薯粉丝的生产大国，同时也是甘薯粉丝的消费大国。

据有关部门统计，全国甘薯粉丝、粉条年销售量约140万吨，粉丝出口量约为20～30万吨，而且这一数字还在呈不断上升的趋势，所以甘薯粉丝的生产技术和质量检测的研究是非常重要的。

甘薯粉丝的生产工艺流程一般为：

新鲜甘薯→洗薯→磨浆分离→粗过滤→初级流槽→除杂质→精过滤→精粉流槽→处理淀粉→提纯→吊包脱水→制芡糊→揉粉→真空抽气→漏勺成型→煮粉糊化→捞粉上挂→冷凝→冷冻→解冻干燥→包装→成品粉丝。

工艺步骤繁多，其中干燥过程对甘薯粉丝的质量好坏有着非常大的影响，干燥速度的大小也影响着甘薯粉丝的生产效率。

本文旨在通过对甘薯粉丝干燥机理的研究，探索其干燥过程湿分迁移的数学模型，以此为干燥生产过程提供理论支持；并分析其干燥参数，如干燥温度、湿度、干燥时间等诸多因素，进行它们的最优化设计，从而得到最好的干燥效果。

因此，研究用于甘薯粉丝干燥的技术和设备是非常需要的，它是粉丝规范化和标准化生产的必然趋势。

1.1.2国内外的研究现状

在工农业生产中，干燥工艺的应用十分普遍，而对干燥理论的研究，也从二十世纪初就已经开始了。

但由于多孔介质内部的容水结构复杂、传输过程的物理机制多样、尺度细微，并且影响因素繁多，以及过程观察的困难性等多方面因素，导致这一研究的进展比较缓慢。

目前在食品领域，经常采用的干燥理论主要有液态扩散理论、蒸发冷凝理论、Krischer与Berger以及Pei理论等，这些理论都是基于连续介质假设模型的湿分迁移理论。

20世纪90年代，新近发展起来了孔道网络干燥理论、多尺度干燥理论、分形理论等，这些都将是干燥理论研究的新的探索方向和趋势。

在甘薯粉丝的生产技术的研究方面，国内外主要是针对加工用淀粉的特性、生产工艺的改进及生产装备的研制。

例如，北京轻工业学院机械工程系通过对薯类淀粉性质的研究，提出低成本高质量粉丝开发的前景和途径；机械工业部食品装备设计研究所通过对粉丝加工工艺的探讨，总结出生产粉丝的最佳途径，并讨论了加工粉丝的机械设备以及粉丝废液的综合利用；湖南省娄底市农机研究所研制的薯类淀粉、粉丝加工成套设备，其特点是从洗薯到粉丝包装采用一条龙流水线生产作业；四川国基实业有限公司的薯类快餐粉丝生产线提高了加工的连续性，实现工业化自动生产。

但是对于粉丝的干燥，多数仍然是采用传统方式，也就是在露天大晒场进行自然干燥，即将干燥物料直接置于阳光下晾晒。

这种方法简便、易行、经济，并有杀灭细菌的作用。

但干燥物易被空气和尘埃污染；干燥物有效成分遇到光和热，易被破坏和损耗；产品形状单一，不能满足市场需求；阴雨天气，不能及时晾晒，限制了产量和生产率，不利于规模化、规范化和标准化生产。

尽管如此，甘薯粉丝生产厂家仍然很少采用现有的干燥设备，原因主要是这些干燥设备不能满足其生产需求；干燥过程的控制复杂，自动化程度不高；干燥粉丝的质量无法保障。

干燥技术的研究在食品加工行业已涉及到各种产品，主要的方法有：

机械干燥、物理化学干燥、热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、介质接触干燥、辐射干燥等。

目前，将多种干燥技术相结合是国际上比较看好的技术。

如日本采用高频和常规蒸汽联合干燥113mm×113mm的柳杉方柱，与单纯蒸汽干燥相比，干燥时间缩短了4倍以上，而干燥成本（包括设备、能耗和人工费）降低了3%。

又如将除湿干燥和蒸汽干燥联合，与蒸汽干燥相比，其节能率在4O%以上。

用热管换热器回收排气热能，其热能回收率略低于除湿机，但由于没有运动部件，本身不消耗能量，且易于操作管理，因此，有较好的推广应用前景。

我国甘薯粉丝的干燥设备主要是利用带式或隧道式热风干燥装备进行改进而成的，这主要原因是粉丝加工企业的热源丰富，可以直接用于干燥，所以应用简便；其次设备和加工成本较低；三是粉丝的干燥与工艺有很大的关系，它不是单纯的去除水分，而要考虑其干燥后的质量，特别是食用质量，热风干燥方法对粉丝的干燥比较合适。

但是由于对粉丝干燥工艺的研究不足，没有一个统一的规范和标准，所以提高热风干燥的质量和效益是本课题的研究重点。

本次设计的粉丝干燥机是六段式热风干燥机，通过设定每一段温度及干燥时间，进行参数的优化设计，得到最好的干燥效果。

基于现有的热风干燥装备，通过调整蒸汽源和风机系统来控制温度，通过调整传输带的长度来控制每一段的干燥时间，通过无级变速系统来调整输送带的速度，从而完成对设备的优化设计。

1.2Proe的学习和在粉丝烘干机设计中的运用

在设计之前对proe的基本知识进行了学习，如proe环境设定，草图绘制，新建基准，拉伸，扫描，混合，proe装配。

在设计中，运用proe知识对粉丝烘干机结构进行分析，并利用拉伸，扫描，混合，proe装配进行粉丝烘干机三维图的绘制。

1.3粉丝烘干机的工作原理

甘薯粉丝属于多孔介质。

关于多孔介质的干燥机理，中国农业大学刘相东在《多孔干燥理论的回顾与展望》、《干燥过程原理研究概况》等文中进行了较为全面的分析。

作者介绍了固体物质中湿分传递的主要理论和模型，包括传统的连续介质假设模型和为了克服它们在描述微观结构特性上的不足而创立的应用于多孔介质的体积平均理论。

用于描述干燥中的质量传递过程的理论有液态扩散理论、毛细理论、蒸发冷凝理论、Luikov理论、Philip与DeVries理论、Krischer与Berger理论等，这些理论关于湿分的迁移形态和迁移动力有不同的认识。

其中蒸发冷凝理论比较适合描述甘薯粉丝的干燥过程，认为蒸汽的温度梯度所造成的蒸汽压力梯度是驱动湿分气相迁移的主要动力。

正由于粉丝的这种特性，我们把粉丝用粉盒承装，并送入烘房，同时热风机不断的往烘房通入加热的空气，对粉丝不断的加热，使粉丝所含的水份蒸发出来。

对于粉丝蒸发的水份，这里设计排湿风机，用它来排去烘房里的水蒸气；最后干燥的粉丝由传输带运到出料段，这样我们就能提高粉丝的烘干效率。

2设计过程

粉丝烘干机由传动系统，烘房，热风机，排湿风机和检测装置组成。

我们把粉丝放在粉盒中，由固定在同步皮带上的粉盒将粉丝送入烘房，热风机向烘房通入加热的空气，使粉盒中的粉丝处于较高的空气中，从而使粉丝烘干。

整套设备设计结构紧凑、占地面积小、自动化程度高，可减轻劳动强度，提高工件质量及生产效率。

这里为了使粉丝得到充分的干燥，且因为烘干设备的体积较的，为了制造方便，现将烘干设备分为六段，及利用分隔式干燥原理使粉丝烘干。

其结构图如图1：

图1

2.1烘干机传动系统分析

烘干机的传动系统由电动机，平带，减速器，滚子链，主动轴组合，同步皮带，从动轴组合和粉盒组成。

由电动机通过平带带动减速器，减速器与主动轴通过滚子链连接，从而把动力传给主动轴组合，再由同步皮带带动从动轴组合，这样就形成了烘干机传动系统的循环运动，从而不断的把粉丝送入干燥系统并把干燥的粉丝送出。

2.1.1电机的选用

电动机工作功率为：

式中，Pw为主动轴所需工作功率，指工作机输出功率，kw；ηa为由电动机至主动端运输带的总效率。

Pw按下式进行计算：

式中，F为主动轴的工作阻力，N；v为主动轴的线速度，m/s。

主动轴承受载荷来源于：

输送带与轨道之间的滑动摩擦阻力F,

F=F1+F2

F1为输送带与上滑道的摩擦力；F2为输送带与下滑道的摩擦力；

F1=M1

;F2=M2

；

输送带、粉盒、粉板的质量为M1；粉丝的质量为M2；

为同步皮带与轨道的摩擦系数；

每条输送带质量为200Kg；粉盒、粉板皆采用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，密度为7.85×103kg/m3；粉板尺寸为长1220mm；宽250mm；厚1mm；粉板尺寸为：

直径Φ125mm，高60mm，厚0.8mm；每个粉盒盛放粉丝约0.7kg

总体积为V1=

18=0.033

因此有：

M1=200+（0.033

+13）

135=37120kg

M2=200+0.033

135=36715kg

故M=M1+M2=37120+36715=73835kg

传输带摩擦系数为0.2，所以F=Mg×0.2=73835×9.8×0.2=144717N

工作机输送带线速度为1m/min，即0.017m/s，故有：

根据功率，查表得同步皮带选用梯形模数制同步带，其节距为27.4，宽度为30mm，皮带厚度为8mm；

齿厚味5mm；

因为ηa应为组成传动装置的各部分运动副效率之乘积，即

ηa=η1·η2·η3·····ηn

式中，η1、η2、η3···ηn分别为每一传动副（齿轮、蜗杆、带或链）、每对轴承、每个联轴器及卷筒的效率。

本烘干机所用传动副为一个带传动、两个链传动，因此

ηa=η1·η2·η3=0.95×0.92×0.96=0.839

所以

考虑到粉丝的湿度不一以及载荷的不稳定等工作环境，根据电机类型选用Y160M1-8电动机。

根据电机功率，平带选用普通平带，带宽为32mm；带轮宽为40mm；

查表得:

电机额定转速w=720r/min；额定功率为4kw；

2.1.2主动轴和从动轴的设计计算

由电机的额定功率可知主动轴的承受的载荷功率

因为主动轴的最小直径

所以代入数据得

；又因为轴承是标准件，根据轴承的型号，确定

=45mm；

所以主动轴的尺寸如图2：

图2

所以从动轴尺寸如图3：

图3

2.1.3其它传动件的选用

因为平带的传动比为4，所以电动机的角速度w

=3r/s;

这里减速器的变速比选为20，所以减速器输出轴的角速度w

=0.15r/s;

所以减速器与主动轴所用的连接带选用滚子链，齿距为27.4mm；

因为传送带的线速度应保证在1m/min，所以w

=0.063r/s，

故减速器与主动轴的传动比n

=w

/w

=r

/r

=2.38

根据载荷和传动比，主动轴与减速器传动的链轮2的参数为节距P=25.4；齿数Z=38；齿形为GB1244-85;材料为45钢；

其大小尺寸和相关配合尺寸，公差要求如图4所示:

图4

主动轴上的链轮1的参数为节距P=25.4；齿数Z=32；齿形为GB1244-85；材料为45钢；其大小尺寸和相关配合尺寸，公差要求如图5所示：

:

图5

减速器链轮的参数为节距P=25.4；齿数Z=15；齿形为GB1244-85；材料为45钢；其大小尺寸和相关配合尺寸，公差要求如图6:

图6

2.2传动系统的三维设计

2.2.1电机与减速器之间的传动

采用平带连接，这样有利于在工作超载时对电机起到保护作用。

利用proe做电动机与减速器之间传动的三维图，这里用到拉伸，混合，旋转，阵列等方法，对于平带的三维图采用扫描的方法，然后利用proe中的零件装配，将这一级传动表示出来，如图7：

图7

2.2.2减速器与主动轴之间的传动

减速器通过可拆卸式链条与主动轴保持同步运动，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，

传动效率高，又因链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向压力较小；链传动的制造和安装精度较低，成本

较小；所以用链传动能够较经济且传动精密。

这里链通过proe中的拉伸，装配，阵列等方法做出三维图，如图8：

图28

2.2.3主动轴组合

主动轴组合是由主动轴，轴承，轴承盒，主动轴链轮1和主动轴链轮2组成。

主动轴链轮1和2通过键连接与主动轴配合，主动轴通过轴承，轴承盒与出料段装配。

利用proe用键连接将链轮1和链轮2装配在主动轴上，其三维图如图9：

图9

2.2.4从动轴组合

从动轴组合由从动轴和链轮组成，链轮通过键连接与从动轴配合，从动轴通过轴承，轴承盒与进料段装配。

如图10：

图10

2.2.5粉盒

粉盒是用来承装粉丝，并通过螺栓固定在齿形皮带上从而达到传送粉丝的目的。

如图11：

图11

由于粉盒的宽度是250mm，当粉盒随皮带绕链轮转动时，如果粉盒固定在皮带上，那皮带将很难与链轮粘合转动，现在只用一根直径为11mm的螺栓将粉盒固定在皮带上，此时，当粉盒随皮带绕链轮转动时，粉盒在随皮带转动时，可以绕螺栓摆动，从而使皮带能够与链轮之间保持同步运动。

如图12;

图12

2.2.6传动系统三维图

这些就是传动系统的各个传动零件，通过皮带和链条将电动机的动力传个粉盒，从而使粉盒把粉丝送入烘房，从而达到使粉丝干燥的效果，下面是传动轴的总装图。

如图13:

图13

2.3烘干系统的分析

本生产线采用的是分段式变温控制，根据粉丝的干燥情况，采用温度变化的方法使被干燥的粉丝具有良好的性能。

主要通过分段式的热风干燥设备，针对甘薯粉丝的湿度不同，通过对蒸汽源的量的控制、循环风机的风速的控制、除湿风机风速的控制、输送带速度的控制等，达到控制各段粉丝干燥的温度及干燥时间。

干燥过程是：

首先由锅炉产生水蒸汽，通过PPC塑料管道进入热风机组合内部安放的钢质散热片，由此对周围的空气进行加热，所产生的热空气被热风机鼓入进风弯管，从而进入干燥生产线；然后热空气与甘薯粉丝表面接触，带走其所含水分，所产生的湿空气通过出风口进入热风机组被反复加热，遇到通风段或者排湿机则被排出干燥线之外。

工作部分主要由热风机、排湿风机、机架。

考虑到工厂生产车间占地面积，设计烘干机生产线总长约34m，其中进料段长约3m；共有8台热风机，间距3～4m；另有3台排湿风机，分布在第一台与第二台热风机之间、第四台与第五台热风机之间、第六台与第七台热风机之间，第一台排湿风机离进料段约3m，第二台与第一台排湿风机间距为11m，第三台与第二台间距约为7m。

如图14：

图14

2.3.1热风机结构设计

.热风机由热风电机，电机机架，风扇，烘房，进风弯管，电机外罩，出风管组成。

烘干系统由电机带动风扇，把空气抽入出风管，出风管中装有散热片，当空气通入出风管时，通有热蒸汽的散热片将空气加热，被加热的空气流入烘房从而将烘房中的粉丝烘干。

热风机进风管

进风管由进风弯管，进风口组成;其尺寸根据对空气的流量的要求和体积的限制。

如图15：

图15

电机外罩

电机外罩主要是将风扇封闭在烘干系统中，使空气能够通过散热片。

其尺寸如图16：

图16

热风机出风管

出风管由出风管1，出风管2.，出风口组成，其尺寸如图17--19：

图17

图18

图19

2.3.2热风机三维设计

根据设计尺寸，利用proe中的拉伸，混合，扫描，阵列，零件装配做出烘干系统的的三维图，如图20：

图20

2.3.3排湿风机的设计

排湿风机是为了排去烘房中的水蒸气，使粉丝干燥效率提高。

排湿风机由电动机，风扇，机架，进风管，电机外罩组成，根据现有排湿风机的设计，以及实际使用中所需的排湿量，其尺寸要求如下:

进风弯管尺寸如图21：

图21

进风口尺寸如图22：

图22

电机外罩尺寸如图23：

图23

2.3.4排湿风机的三维设计

根据设计尺寸，利用proe中的拉伸，混合，阵列，零件装配等方法做出排湿风机的三维图，如图24：

图24

2.4粉丝烘干效果检测

首先通过肉眼和显微镜来观察三种干燥温度下所得粉丝的性状差异：

（1）直径差别不大，粗细较均匀，截面呈不规则扁形。

（2）干燥温度为40℃时所得粉丝颜色较亮、较白，通透性好，气泡较多，局部发白；干燥温度为50℃时所得粉丝颜色较暗，通透性一般，气泡较少；干燥温度为60℃时所得粉丝大部分发白，有大量气泡。

（3）干燥温度为40℃时所得粉丝有稍许潮湿感，粉丝较软；干燥温度为50℃时所得粉丝较干燥，各部分脆性差别较大；干燥温度为60℃时所得粉丝很干燥，脆硬易断。

为了得到较好干燥效果的粉丝，在第二和第五两段安装测量范围在0--200摄氏度的温度计。

如图25：

图25

在粉丝的干燥过程中不可能对每个热风机等干燥系统进行调节，这里安装温度计主要是当同批次粉丝或者不同批次粉丝的湿度有太大的差距，对热风机等干燥系统进行调节，从而达到粉丝干燥的效果。

结论

通过对分段式烘干设备和分段式烘干技术的学习以及烘干机的制造，将烘干机分为六段进行分析；通过对传动系统的分析和计算，确定电动机的型号，皮带轮、链轮的大小尺寸和工艺要求，同步皮带、平带、可拆式滚子链条的尺寸和型号；由现今市场对粉丝质量的要求以及当今的分段式粉丝烘干技术，可以选取热风机电机和排湿风机的型号，同时设计出热风机进风管，出风管，电机外罩和排湿风机的进风管，电机外罩的尺寸和工艺要求；参照不同干燥温度对粉丝质量的影响，选用适合的温度计对烘房温度进行测量，从而确保粉丝达到干燥要求。

学习proe三维软件并用proe软件绘制零件的三维图。

通过对烘干机的尺寸和形状的分析，利用proe软件中的拉伸，混合，扫描，边界曲面，混合扫描，零件装配等方法作出烘干机各零件的三维图和各系统的三维图，并给予说明，从二完成对分段式粉丝烘干机的三维设计。

其总装图如图26——28：

图26

图27

图28

参考文献：

1詹友刚。

《Pro/E中文野火版教程》清华大学出版社。

2TheUniversalEncyclopediaofMachines,1974.

3MabicHH.MechanismsandDynamicsofMachinery,johnwiley&Sois,1978.

4MachineElementsinMechanicalDesign,1976.

5成大先，王德夫等。

《机械设计手册》化学工业出版社。

6陈铁明。

《机械设计》哈尔滨工业大学出版社。

7龚桂义，罗圣国等。

《机械设计课程设计指导书》高等教育出版社。

8杨丹彤。

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广东高等教育出版社,1999。

9《农业机械的设计和计算》。

中国农业机械出版社。

10《机械设计》（课本）。

邱宣怀，郭可谦等。

高等教育出版社。

Abstract:

Inindustrialandagriculturalproduction,thedryingtechnologyhasbeenwidelyused,buttheresearchprogressofthisguideisveryslow.Thetraditionalairdryingmethodhasnolongerappliesmodernproduction,andtoguaranteethequalityofdry,drytechnologyresearchinthefoodprocessingindustryhasinvolvesvariousproducts,themainmethodsare:

mechanicaldry,physicalchemistrydry,hotairdrying,vacuumdrying,freezedrying,mediumcontactdrying,radiationdry,etc.

Thedesignofthedryerissixsectionsfan,airdryerbysettingeachsegmentoftemperatureanddryingtime,theoptimaldesignparameters,andgetthebesteffect.Basedontheexistingdryingequipment,andbyadjustingthesteamsourceandfansystemtocontrolthetemperature,andbyadjustingthelengthofthebelttransmissioncontroleachsegmentofthedryingtime,throughthecontroloftransmissionspeedtorealizefansdry.Basedonpiecewisetypefandryer,thetransmissionsystemofdryer,dryingsystemandtestingsystemusingproecompleteequipment3ddesign.

Keywords:

segmentedfansdryer,drying,drivingsystemanddryingsystem,detectionsystem；