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    可食膜流延机的几项关键技术的研究

      发布时间:2018-03-18 07:04

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      硕 士 学 位 论 文 可食膜流延机的几项关键技术研究 Study on Several Key Technologies of Edible Film Casting Machine 学 科 门 类: 工学 作 者 姓 名: 章笑吟 指 导 教 师: 余顺年 教授 专 业 名 称: 机械设计及理论 学位授予单位: 集美大学 论文答辩日期: 2013 年6 月9 日 学术诚信声明 兹呈交的学位论文,是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此 论文产生的权利和责任。 声明人(签名): 时 间: 保护知识产权声明 本人完全了解集美大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意集美大学可以 用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作 者(签名): 导 师(签名): 时 间: 可食膜流延机的几项关键技术研究 摘 要 可食膜是一种对健康无害的新型绿色环保包装材料,可以作为食品成份直接食 用,且具有一定的机械及物理性能,目前已逐渐代替塑料袋对食品的包装。流延机一直以 来是生产多种塑料薄膜的设备,如今也应用于可食膜的制备上,但生产效率较低。其主要 是由于流延机烘道内温度的不稳定及不均匀,导致可食膜的透气性、水溶性、阻隔性等物 理性能发生改变,影响了可食膜的成型,且承载可食膜的钢带在温度变化的烘道内易打滑 及断裂,从而降低了流延机的稳定性及效率。因此,对可食膜流延机的几项关键技术的研 究具有重要意义。 本文是以提高流延机的稳定性及生产效率为设计初衷,结合本校 “福建省水产品深加 工工程研究中心”的蛋白类可食膜流延机特性,对其几项关键技术展开研究工作。首先, 针对可食膜流延机钢带稳定性的不足,研究了钢带在工作过程中受温度影响的应力变化情 况,并校核强度。其次,针对流延机干燥效率低及能耗高等问题,利用PRO/E 软件建立流 延机烘道的简化模型,基于ANSYS CFX 仿真分析对烘道内流体进行数值模拟,分析烘道 结构的缺陷,得出烘道内流场及温度场在不同工艺参数条件下的分布情况,并通过测试验 证仿真结果。第三,基于仿真的结构不合理之处,提出了烘道内风口及相关部分结构的优 化改进,通过仿真研究改进结构的优势。最后,针对流延机烘道内干燥温度控制准确性的 不足,设计了一种基于模糊控制的电动调节阀温控系统,温度偏差及其变化率模糊化为控 制系统的输入语言变量,并选择PWM 占空比为输出语言变量,建立模糊控制规则,利用 单片机的脉宽调制技术控制调节阀的开关量,实现流延机烘道内干燥温度的模糊控制。 本文针对流延机几项关键技术研究,有利于流延机的结构改进,提燥效率、稳定 性及可靠性。该研究方法也可应用于干燥装置的设计方面。 关键词:可食膜流延机,钢带,力学分析,温度场,模糊控制 I Study on Several Key Technologies of Edible Film Casting Machine Abstract Edible film is a new kind of healthy and environmental packaging material, which can be used as food ingredient, replacing the plastic bags increasingly. Nowadays the film is produced by casting machine that has been used to make a variety of plastic films. However, the production efficiency has been low. There is instability and uneven temperature in the drying tunnel of the machine that easily lead to some change in physical properties of edible film, including permeability, soluble and barrier property, one of which is decisive factor for film performance. The steel strip is easily caused the slide as well as breakage that bearing film in the tunnel is affected by the changed temperature. All those lead to the decrease of stability and efficiency of the machine. Therefore, study on the key technology of the machine has a great significance. In this paper the design was based on the improvement of stability and production efficiency of the casting machine, combining with existing characteristics of protein edible film casting machine in The Engineering Research Center for Intensive Processing of Aquatic Products based at Jimei University in Fujian province, in which several key technologies were studied. First of all, the stress variation of the steel belt affected by changed temperature in the tunnel was studied and checked by analyzing the faults of steel strip of the machine. Secondly, the fluid finite element simulation for the drying tunnel of the machine was put forward for the shortcomings of drying efficiency as well as the increase of energy consumption. The simplified model of the tunnel was established by PRO/E software. The fluid in the tunnel was numerically simulated, which was based on the advantages of simulation analysis on ANSYS CFX. The structure defects of drying tunnel and the distribution of flow and temperature field in a variety of different technology parameters was analyzed. The simulated results were checked by test. Third, in view of the tunnel structure defects, the tuyere as well as the relevant parts was improved. The advantage of the improved structure was studied by the simulation analysis. Finally, a kind of temperature control system based on fuzzy control for electric control valve was designed because of the insufficient control to drying temperature on the drying tunnel of the casting machine. The temperature deviations and the change rate were fuzzed as input language variable of the control system. The PWM duty cycle was selected as output of language variable. The fuzzy control rules were established. The valve switch was controlled by the pulse II width modulation technology of MCU. Therefore the fuzzy control of drying temperature on the machine was achieved. The several key technologies can greatly improve the structure of the casting machine in the paper. The drying efficiency, stability and reliability were enhanced as well. Moreover, the study method can be used on some variety of devices with drying tunnel, which is of more wide adaptability. Keywords:Edible Film Casting Machine Steel Belt Mechanical Analysis Temperature Field Fuzzy Control III 目 录 第1 章 绪论 1 1.1 可食膜的发展概况 1 1.1.1 可食膜简介 1 1.1.2 可食膜的种类及特性 1 1.1.3 可食膜的研究现状 2 1.2 可食膜流延机概况 3 1.2.1 国内外流延机的发展现状 3 1.2.2 可食膜流延机工艺过程及其参数概述 5 1.2.3 可食膜流延机存在的问题 5 1.3 可食膜流延机的设计要求 6 1.4 课题提出及研究意义 6 1.5 课题研究的主要内容 7 第2 章 可食膜流延机钢带的力学分析 8 2.1 可食膜流延机的传送机构 8 2.2 受力分析概述 9 2.2.1 强度分析理论 9 2.2.2 温度应力分析理论 11 2.3 钢带传动时受力分析 12 2.4 流延机工作时钢带的应力分析 12 2.5 钢带的强度校核 14 2.6 小结 15 第3 章 可食膜流延机烘道内流体的仿线 物理模型 16 IV 3.2.2 流体模型 17 3.3 基于ANSYS ICEM 软件的模型网格划分 20 3.4 仿线 边界条件定义 22 3.5 CFX-Solver 数值求解 22 3.6 仿线 温度场分布 25 3.7 烘道内温度测试 30 3.7.1 测试目的与方法 30 3.7.2 测试结果分析 31 3.8 小结 33 第4 章 可食膜流延机烘道的结构设计 34 4.1 风口结构设计 34 4.2 烘道左端口结构设计 35 4.3 结构改进后烘道内流体的仿线 章 可食膜流延机干燥温度的控制系统设计 42 5.1 流延机温度控制系统研究的意义 42 5.2 控制系统概述 42 5.3 系统硬件电路设计简介 42 5.4 单片机输出电路设计 44 5.4.1 整形滤波电路设计 44 5.4.2 驱动电路设计 44 5.5 系统软件设计 46 V 5.5.1 PWM 输出设计 46 5.5.2 模糊设计 47 5.6 模拟样机建立 52 5.6.1 硬件结构简介 52 5.6.2 控制程序概述 53 5.6.3 控制结果分析 54 5.7 小结 54 第6 章 结论与展望 55 6.1 结论 55 6.2 展望 55 致 谢 57 参考文献 58 附 录 61 在学期间发表的学术论文 72 VI 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 第1 章 绪论 1.1 可食膜的发展概况 1.1.1 可食膜简介 [1] 可食性包装薄膜(简称可食膜)是一种作为食品成份直接食用的特殊包装材料 。它 是以可食性生物大分子为主要原料,加以可食性增塑剂,通过流延机加工(混合、加热、 加压、挤出、干燥及收卷等工艺)后形成一种具有一定特殊功能的薄膜。这种薄膜可以通 过包裹、浸渍、涂布、喷洒等方式覆盖在食品表面,以阻止食品失水、吸水、氧化等,从 [2,3] 而达到保鲜和延长食品架货期的目的 。 据不完全统计,每年因采后处理技术和管理不当等原因,至少造成30%果蔬、12%肉 类、15%水产类食品在消费之前损失,数量达6000 万吨,由此带来的经济损失每年在1000 [4] 亿元以上 。由此可见,食品的有效保存已经成为人们密切关注的问题。 众所周知,塑料袋曾经是一种流行的包装方式,其高效、低成本、易携带等优点给人 们很多方便,但同时它又是一种很难降解的薄膜,使用不当会给环境造成严重的污染,而 且对还具有一定毒害作用。如今,随着人们环保意识的增强,越来越多的人开始减少 使用塑料袋,国家也在对塑料袋的使用进行限制。为了延续塑料袋的优点,发展可自然降 解的膜处理技术已经成为当今时代更新的需要,这对改善食品质量和延长保存期都具有潜 在的效益和意义。其中对可食膜处理技术的应用与发展,更是迎合了时代可持续发展的战 略,在未来的发展趋势中,可食膜将逐渐地代替塑料袋对食品的包装,是一种对健康 [5,6] 无害的“绿色包装” 。 1.1.2 可食膜的种类及特性 可食膜可以通过原料成份或加工工艺的不同而形成具有特殊功能或不同特性的膜,并 应用于一些有特殊要求的包装产品上。这种薄膜可以与不可食用的薄膜一起作用于被包装 [2] 食品,从而构成多界面、多层次、多功能的复合性包装 。 可食膜的性能主要包括物理和机械性能,其中物理性能主要是指薄膜特性对食品保鲜 的影响,如透光度、水溶性、阻湿性、隔油性、透水性等。如可食膜的阻隔性能,这种性 [7] 能可以延缓食品中水和油等成分的扩散或流失 。又如薄膜可选择透气性,这种特性可以 [4] 降低瓜果类食品的呼吸速率。可食膜机械性能主要包括薄膜的抗拉强度、伸长率等 。 一般根据制备可食膜的主要物质不同可分为:蛋白质类可食膜、多糖类可食膜、脂类 [8] 可食膜及混合型可食膜 。 (1)蛋白质类可食膜的主要物质是由蛋白质构成的,且具有很多特性。如优良的阻 气性,在适中的相对湿度下,对于油脂、氧气及风味气体有较好的阻隔特性,可生物降解, 1 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 降低环境污染。 (2 )多糖类可食膜是由淀粉、食用胶原及纤维素混合物等原料制成的,由于多糖具 [9] 有特殊的长链螺旋分子结构,化学性质比较稳定,可以长时间储存于各种环境中 。 (3 )脂类可食膜,其主要原料包括石蜡、蜂蜡、硬脂酸、软脂酸等等。它们具有分 子间极性弱且易于形成网状结构的特点,膜的阻水能力较强,但其强度较低。 (4 )为了提高薄膜的机械性能,通常将脂质与蛋白质、多糖等混合形成一种复合性 [10] 薄膜 。这种薄膜具有更全面的功能,可以满足多种不同食品的包装要求。 然而,可食膜的制备并不简单,而且受多种因素的影响。例如可食性生物大分子基质、 [7] 辅助原料的种类和浓度、流延机制膜的工艺过程等 。因此,在制备可食膜之前,需要对 这些因素做一定的分析与研究,设定最佳的原料种类和浓度的比例,以及最佳工艺参数, 如干燥温度,风机功率,干燥时间等,才能保证可食膜优异的性能及其稳定性。 1.1.3 可食膜的研究现状 [11] 可食膜的研究是一个非常活跃的领域,其在食品包装中的应用有比较悠久的历史 。 早在12 至13 世纪初,人们就知道使用蜡来涂覆桔子或柠檬等水果,以延长它们的保鲜时 [4] 间 。在上世纪初,肠衣的包装材料都是由动物大小肠所制成的,这种肠衣不仅可以安全 食用,而且在受热时收缩与肉类保持一致,但受到了资源的严重限制,导致其应用范围降 [12] 低 。于是人们研究了几种合成类型的肠衣材料,主要用于肉类腊肠的制作,其中纤维类 应用的最广,甚至沿用至今。 到了20 世纪60 年代,人们的研究逐渐地从单一性原料发展到多种原料的混合,即为 复合膜,它可以满足包装食品的多方面需求。例如英国学者Unilever.N.V 研究了纤维状蛋 [11] 白与多糖的混合薄膜,Emanuel R Liberman 研究了胶原——明胶原料制成的肠衣薄膜 , 他们并对这些研究结果申请了专利。 到了20 世纪80 年代,这是可食膜发展最为活跃的阶段。美国及欧洲等国家对于可食 膜的研究始终保持领先地位,他们不仅对可食膜的原料,而且对添加剂及工艺等方式都有 [13] 一些研究,在此期间,日本、苏联等国家的很多科学家也投入到该领域之中 。美国的研 究学者Thom an 使用非胶原原料作为分散剂,并通过机械工艺方式分散胶原。日本的一些 研究专家将分散的胶原蛋白与水解胶原混合,并在模板上成膜成型,这种薄膜的厚度只有 [14,15] 0.33mm,有很好的拉伸强度及延伸率 。苏联的一些学者通过改变明胶薄膜中添加剂, 从而提高包装材料的储存时间。在此之后,日本学者对于可食膜的研究逐渐增多,并且大 量地投入到复合膜的研究中。 进入 21 世纪以来,可食膜技术已经有了较快的发展,塑料食品包装已逐渐地被新型 纸质包装袋及可食性包装袋代替,这也是自然选择的结果。就目前而言,可食膜在果蔬保 鲜、肉制品保鲜、方便食品等包装上都有很广泛的应用,人们也开始研究各种可食膜的特 [5] 性以及它对食品的保鲜程度 。如美国加工食品研究所研究生产出各种色泽的以水果和蔬 2 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 [12] 菜为基本原料的可食膜,它具有抗菌成分,能抑制病原菌的产生 。同时,我国有很多专 家学者也在研究该领域的相关问题,如李欣欣等学者研究了脂质-马铃薯淀粉基可食膜,并 分析得出该膜有很好的阻气性及阻油性,这种薄膜也被大量地应用于方便面内调料包的包 装上。姚晓敏,孙向军等学者研究了乳清蛋白膜,该膜可以降低番茄的失重率,延长番茄 [11] 的存储时间 。又如孙庆申等学者以亚油酸钠、大豆分离蛋白、和的油酸等原料制备 了复合性可食薄膜,这种薄膜能很好地减弱草莓的蒸腾作用,提高果品的保鲜程度,降低 [5] 烂果率 。蓝炎阳、吴士彬等学者通过研究澳大利亚可食膜保鲜技术和方法在蜜柚上的应 用,筛选出了最佳的膜配方和保鲜方法,用过滤水、杀菌剂、膜剂涂膜处理后结合低温冷 [6] 藏保鲜 ,贮藏半年后损失量低于 12% 。总之,这些薄膜如今都被广泛地应用于果蔬食品 的包装上。 1.2 可食膜流延机概况 1.2.1 国内外流延机的发展现状 在近几年来中国流延机市场处于高度发展的状态,随着新医疗卫生用品和食品工业的 不断发展,对特种薄膜的需求也在不断加大。由于流延机集合了一整套生产包装薄膜的生 产线,随着多功能、高性能、优质的包装基材不断出现,流延设备也在不断地改善和创新 [16] 。 早期国内的流延机薄膜生产线几乎全部依赖于国外进口,大多是单层生产线 年代后,我国先后从美国戴维思-标准(David-Standard )、巴尔马(Bramag )、巴登费尔德 (Barrefeld )、意大利柯林斯(Colines )、德国莱芬豪舍(Reifenhauser )、日本的三菱重工 [16] 等企业引进多层流延膜生产线 。 在国外的一些优秀流延机制造企业之中,莱芬豪舍应该算是该行业的先驱,其设计和 [17] 制造技术一直是领跑在世界前列,近年来越来越为广大的中国客户所熟悉和认同 。该企 业的流延机生产线在技术上的不断创新,其采用高精确的定量加料系统,高效冷却工艺和 平滑运行的流延辊及最先进的控制系统,如西门子可编程控制系统 S7-400 和新一代 Baumüller 伺服驱动及通讯系统等,从而使其称量的精度高达±0.3-0.5%左右,在整个流延 o [18] 辊表面的温度控制能达到±1 C ,保证了薄膜最佳的质量 。 在国外制造企业中除了莱芬豪舍以外,巴顿菲尔应被视为世界塑料加工机械行业的领 头羊。一般而言,CPP 膜产品为3~5 层;流延阻隔膜产品为5~17 层;流延拉伸膜产品则 [17] 采用 3~9 层结构 。巴顿菲尔已经开发设计出了 17 层的流延阻隔膜生产线,根据客户的 要求,还可以扩展为34 层生产线 层进料组合模头、多功能模头 和增加型流延膜单元,都有助于减少昂贵的阻隔膜树脂的用量[19,20] 。 与国外的流延机行业巨头相比,国内也涌现了一批先进的流延设备制造企业,如佛山 [16] 俊嘉、广东仕诚、佛山德士威、南通三信、松德、瑞安金达等企业 。这些企业在流延机 3 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 的机械结构及其性能的创新上都投入大量的研究,其机型也已经从原来的单层结构发展到 多层结构,在生产线中的薄膜宽幅也逐渐地向2500mm 以上发展,而且设备的功能也在不 [21] 断地增加,并带有一定的特色,制造出来的一些薄膜产品已经处于国内领先地位 。图1.1 所示为国产加长型流延机和国产多风口型流延机。 (a)多风口型流延机 (b)12米加长型流延机 图1.1 多功能流延机 由于国内流延机制造在 21 世纪初还处于起步发展阶段,国产设备在控制精度、高速 性、可靠性、成套性等方面与进口设备还存在较大的差距,多层共挤流延膜的高端产品如 [20] 高阻隔性薄膜、高档金属化薄膜还依赖于进口设备 。 在流延机设备的发展制造过程中,多数仍然采用国际上比较高端的设备零配件来提高 整机的各项性能。例如佛山俊嘉公司创造出的三层共挤3000mm 宽幅流延机,采用的是比 利时瓦伯莱根企业的高性能自动挤压模头、美国NDC 企业的FG710 红外测厚仪传感器、 丹麦 Vetaphone 企业制造的电晕装置、德国 HAHL 企业制造的冷却辊和流延辊、日本 [22] OMRON 公司制造的PLC 等 ,这种高配置的流延机通过总体的设计及配置的改进,提高 了生产效率及稳定性,同时可以替代进口设备,满足国内市场的广泛需求。 如德仕威公司推出的 TWFC-3500 五层共挤流延膜生产线,采用了德仕威专利的减速 箱与分配箱合二为一的整体式设计。这种流延机具有很好的节能效果,并具有高扭力、低 噪音、高可靠性等优点。该生产线的一些关键部件选用了世界上比较高端的元件,如德国 的Lenze 伺服电机、法国的TE 系列电器元件、西门子的S7300PLC、日本的欧姆龙温控模 [23] 块等,这些元件都极大地保证了设备运行的稳定性和可靠性 。 经过不断地研发,松德公司在 2008 年自主创新了节能环保高效的4500mm 宽幅多层 高速流延机,能够满足流延机的高速、高产量、高稳定性、节能、环保的需求,是国内第 [18] 一台自主组织设计及研发制造的一整套流延机 ,在当时也体现了中国宽幅流延机薄膜的 最高水平。 4 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 1.2.2 可食膜流延机工艺过程及其参数概述 流延膜在制备可食膜的生产工艺方法与其他塑料薄膜相同,其中包括缝隙挤出法、滑 移法、逆转辊法等。这些方法的基本原理均是利用薄膜原料的表面张力及在运动条件下缝 [24] 隙中的定量拖动,定量挤压流动和凹痕定量等原理的组合 。 缝隙挤出法是应用较多的一种工艺方法,流程图如图 1.2 所示。首先是将可食膜原料 配比后放入搅拌设备中熔融,并计量出需要制备薄膜的熔融体积,通过流延模头定型,其 中包括旋转模头(管膜法)或T 型模头(平膜法),由钢带承载定型后的薄膜在烘道内对流 干燥,最后由聚冷辊收卷获得成型的薄膜。 熔融 计量 定型 承载 干燥成型 原料配 流延模 挤出机 钢带 烘道 收卷 比 头 图1.2 工艺流程图 在对于原料挤出的两种工艺方法中,使用平膜法处理的生产速度较快,通常是管膜法 的 2~3 倍,而且生产的薄膜透明性好,光泽度高和厚度均匀。所以在多数生产线] 采用T 型模头的平膜法工艺 。在流延机上实现的工艺流程是一种制备薄膜的有效方法, 通过这种方法制备的塑料薄膜性能均较好,能满足多方面的要求。 尽管上述工艺方法比较固定,但工艺参数却是根据薄膜的性能不断改变的。其中包括 流延机烘道内热风的设定温度、流体入口及出口风机风速、流延刀温度、薄膜的宽度及厚 度、轮毂转速等,这些工艺参数都需要通过多次实践操作或工人的经验拟定,并根据不同 [25] 的工艺阶段做相应的调整,才能保证薄膜的最佳成型效果 。 1.2.3 可食膜流延机存在的问题 随着物品包装档次及要求的提高,薄膜生产设备、工艺也得到了发展。物品的包装不 仅要保护被包装物的外形及质量,而且要具有包装物的防静电、防紫外线] 这些都给制备薄膜的设备提出了很高的要求 。 流延机集成了一整套流延膜生产线,在该生产线上可以有效地生产多功能及高性能的 各种类型可食膜。可食膜的成膜成型受流延机烘道内温度的影响非常大,烘道内温度场的 [23] 高低及均匀性都会在一定程度上改变薄膜的性能 。与此同时,对于流延机结构而言,有 [27] 很多需要改进及研究的地方,如钢带材料的选用 ,烘道内风口的结构和位置分布,以及 轮毂的结构及大小等。流延机稳定性、可靠性及生产效率的不足主要表现在以下几个方面: (1)流延机设备中钢带的稳定性没有得到保证,由于钢带的选用通常是在普通状态 [28] 下根据最大承受应力而选取的 ,但受到流延机烘道内变化温度的影响,钢带的拉伸强度 发生很大变化,从而影响钢带寿命及整个设备的稳定性。 (2 )投送料是以纯手工的方式,不能有效且恒定地控制挤出量,结果导致产品厚薄 5 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 不一致。 (3 )干燥温度控制普遍不理想,很大程度上是由于烘道内结构设计的不合理或工艺 参数的错误拟定,导致了烘道内温度场的大幅度变化,使薄膜的性能发生改变,且引起薄 膜的脱模性变差,甚至无法脱模。 (4 )测厚仪只能检测到薄膜横向的厚度,对于纵向的厚薄并没有检测,更不能自动 控制及调整,从而影响到薄膜的成型效果。 (5 )市场上多数流延机存在反面电晕现象,这对制备充气类包装材料以及镀铝基材 [28] 等都是不利的 。 (6 )对于大多数流延机而言,能耗过大导致的用电成本增加以及能源浪费一直是普 遍存在的问题。 1.3 可食膜流延机的设计要求 对于流延机的设计主要表现在两个方面:首先是对流延机部分结构进行优化设计;其 次是配置相关工艺参数的自动化控制系统。 针对可食膜流延机的结构设计而言,需要满足以下几点设计要求: (1)保证流延成膜成型的可行性,生产线中各个结构必须具备良好的动静态特性; [29] (2 )钢带传动需要实现恒张力自动控制,且无跑偏传动 ; (3 )实现高效自动化干燥控制,且沿着钢带传动方向温度场分布均匀; (4 )流延原料熔体实现等流量供给,并具有严格地过滤处理; (5 )建立生产过程的实时监测及控制系统,提高了设备的可靠性,可维护性等; [30] (6 )设备操作过程中应该尽可能地减少人的直接参与,提高自动化控制 。 合理的结构设计及配置是提高流延机工作效率和稳定性的重要部分,通过对关键部分 结构的优化设计可以有效提燥速度,减少能源消耗。同时建立工艺参数的自动控制系 统可以提高整个设备的生产效率及其可靠性,缩短薄膜的生产周期,改善薄膜的成型效果。 1.4 课题提出及研究意义 流延机一直是生产多种塑料薄膜的设备,如今也应用于可食膜的制备上,但生产效率 一直较低。主要由于流延机烘道内温度的不稳定及不均匀,导致可食膜的透气性、水溶性、 阻隔性等物理性能发生改变,影响了可食膜的成型,且承载可食膜的钢带在温度变化的烘 [31] 道内易打滑及断裂 ,从而降低了流延机的稳定性及效率。因此,结合本校“福建省水产 品深加工工程研究中心”的蛋白类可食膜流延机特性,研究流延机的工艺参数、温度分布 及控制等关键技术。 根据上述流延机的设计原则可知,钢带是整个设备的重要组成部分,且效率是机器设 备设计成功的重要指标之一。在流延机生产过程中,钢带贯穿整个生产线 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 原料特性,选用了防化学反应且稳定的特殊钢带,在常温下校正钢带的受力情况,能够保 证钢带在常温作用下正常运行,但在可食膜流延机的烘道内,它除了受到一般的拉力影响 外,还受到了变化温度的影响,从而很容易导致钢带跑偏、打滑、甚至拉断[32,33] 。因此, 这种影响对于钢带的可靠性起很大的决定性作用,是完全不能忽略的。干燥温度是影响效 率的一个关键因素,它对可食膜的成型起决定性作用,为了提燥效率,必须要对流延 机烘道内的干燥温度进行分析,借助计算机软件的辅助功能,对流延机烘道内流体进行仿 真研究,同时设计温度对流延机烘道内平均温度进行控制,其结果不仅有利于烘道 内结构的改进及工艺参数的拟定,而且有助于提燥效率。 通过对可食膜流延机的几项关键技术研究,帮助了解流延机在生产可食膜的过程中部 分模块的性能变化情况,促进流延机针对可食性薄膜的结构改进及最佳参数的选择,实现 流延机烘道内平均温度精确控制,提高对人类有益且环保的可食膜有效快速生产的效率。 1.5 课题研究的主要内容 以可食膜流延机为研究对象,根据蛋白类可食膜的制备需求,对可食膜流延机的几项 关键技术进行研究,旨在保证可食膜流延机的基本稳定性,提高设备的生产效率。本文研 究内容将主要包括以下几个方面: (1)针对可食膜流延机钢带稳定性的不足,研究钢带在工作过程中受温度影响的应 力变化情况,并校核强度。 (2 )利用PRO/E 软件建立流延机烘道的简化模型,基于ANSYS CFX 仿真分析对烘 道内流体进行数值模拟,分析烘道结构的缺陷,研究不同工艺参数作用下烘道内流场及温 度场的分布情况。 (3 )提出了烘道内风口及相关部分结构的优化改进,并对改进结果进行仿线 )设计一种基于模糊控制的电动调节阀温控系统,建立模糊控制规则,利用单片 机的脉宽调制技术控制调节阀的开关量,实现流延机烘道内干燥温度的模糊控制。 7 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 第2 章 可食膜流延机钢带的力学分析 随着食品工业的快速发展,对可食膜流延机的性能及效率提出更高的要求。钢带是流 延机上的核心部件,它不仅传送物料,而且运载物料在烘道内循环运转。由于钢带较长, 受烘道内温度变化的影响较大,其不仅使钢带热胀冷缩,引起钢带的跑偏,而且会产生较 大的温度应力,严重时会导致钢带断裂。本章是以本校“福建省水产品深加工工程中心” 的制备鱼皮明胶蛋白膜的流延机为研究对象 (如图2. 1 所示),分析流延机钢带在各个阶段 中的应力变化,包括在烘道内产生的温度应力,对其钢带进行受力计算,并校核强度。该 分析对于流延机稳定性的提高是有意义的。 图2.1 可食膜流延机 图2.2 钢带传动 2.1 可食膜流延机的传送机构 流延机的传动系统图如图2.3 所示。主要由驱动系统、干燥系统、传动系统、纠偏系 统等组成。其中驱动系统包括电机、减速齿轮箱等,为钢带的轮毂提供驱动动力;干燥系 统主要包括烘道、通风管道以及加热箱等,其作用是将热风通入烘道,并与钢带表面上的 可食膜原料之间对流传热,使原料吸收能量,蒸发水分,从而达到干燥的目的;传动系统 主要包括钢带及主被动轮毂,通过钢带与主、被动轮毂之间的摩擦力,实现机械传动;纠 [34] 偏系统主要为钢带提供张紧力,并且防止钢带的打滑及跑偏 。 4 1 3 2 1.驱动系统; 2.干燥系统; 3.传动系统; 4.纠偏系统 图2.3 流延机传动系统图 8 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 (1)流延机钢带的选用 传动是所有设备中的必要部分,也是关键部分。理想传动包括较大的传动动力、较好 的平稳性、噪声小且稳定性好等。在传统的机械学科中,应用较多的传动是齿轮传动、带 传动及链传动,这三种传动针对不同的场合发挥自身的优势。随着现代化的发展和需要, 带传动在各种机械设备传动中的应用越来越广泛,在一定程度上替代了齿轮传动和链传 [35] 动,并且向精密、高速、轻量、低噪、高效、多元等方向发展 。 如图2.2 所示,钢带是继橡胶带、皮革带、纤维带、钢丝带之后的弹簧钢材料在带传 动上的应用,既继承了传统传动带平稳、能缓冲吸振的传动优点,又拓展了新材料在带传 [36] 动领域的应用 。针对流延机传动的特点,故选用了钢带传动,且这种传动能够满足流延 机设备的基本要求。但由于传动部件占用了流延机结构的很大一部分,且运行时间较长, [37] 所以钢带的选择也变得非常重要 。 对于钢带的选择在满足基本受力要求作用下,还需要考虑薄膜原料及温度变化对钢带 的影响。一般情况下,人们对钢带的选用只分析钢带的基本受力情况,保证最大拉应力, [38] 并校核强度 。当然,钢带的选用还需要考虑薄膜原料的性质,因可食膜原料具有一定的 化学性质,它们作用在钢带表面,受到变化温度的影响,从而容易腐蚀钢带。因此,必须 要选用一种可以防腐蚀,高强度的钢带。不锈钢钢带既是一种很好的耐腐蚀型钢带,并且 被广泛地应用于航空、石油、化工、纺织、食品、医疗器械中[39,40] 。 (2 )不锈钢钢带的特性 对于不锈钢钢带一般有两种制造类型,一种是热轧钢带,另一种是冷轧钢带。其中热 轧的处理温度是在再结晶以上,形成的化学成分符合GB/T 4237 和GB/T 1220 的规定,而 冷轧处理温度在再结晶以下,且形成的化学成分符合GB/T 1220 的规定。在力学性能上, 两种类型的钢带相差不大,而且钢带成型的后处理方式几乎是相同的,即进行相应的热处 理(固溶、退火、淬火、回火、时效等)并进行酸洗或类似处理(光亮处理除外),根据 [41] 客户的需求还可以增加一些特殊处理等 。 热轧钢带的厚度风别在2.0 、2.5 、3.0、3.5、4.0 、4.5 、5.0、6.0、7.0、8.0;而冷轧钢 [42] 带的厚度 相对较小,且分别在0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5、2.0 、 2.5 、3.5 。 2.2 受力分析概述 2.2.1 强度分析理论 在流延机的使用中,钢带最多的失效形式是最大应力超过极限强度而伸长或断裂,因 此钢带的应力分析和计算变得非常重要。由于钢带传动是一个非常对称结构,所以在研究 中常常将其理想化,再进行强度分析及论证等。 [39] 根据弹性力学的经典理论,可以用下述微分方程描述 。 9 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 平衡方程(纳维叶方程)     x  yx  zx  X 0  x y z      y zy yx     Y 0  (2.1) y z x      z  xx  yz  Z 0  z x y   几何方程(哥西方程) u   x  x  v  y  (2.2) y  w  z  z  w v   yz   y z  u w   zx   (2.3) z x  v u   xy   x y  物理方程(广义虎克定律) 1     v(  ) x E x y z   1    (2.4)   v(  )  y E y z x  1     v(  ) z E z x y   2(1 v)   yz E yz   2(1 v)   zx zx  (2.5) E  2(1 v)   xy E xy   对于钢带结构,其厚度h 远小于宽度或长度(至少小于1/10),根据Kirchhoff-love 假 设(该假设已经被大量实验证明): (1)垂直于中面方向的正应变 ,其值非常小,可以忽略不计;  z    (2 )应力的三个分量 、 、 远小于其他三个应力风量,可认为是次要的,故 zx yz z 可不计其变形。 10 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究 2.2.2 温度应力分析理论 (1)基本原理 当钢带的温度改变时,其各部位将随温度升高而膨胀,并随着温度降低而收缩,这种 [43] 由于温度的改变而引起的变形称为温度变形,也可以成为热变形 。热变形只产生线]  ,其中 是材料的线膨胀系数, 是钢带的当前温度直,而 是初始温度值 。  T T  T 0 0 如果钢带的热变形不受任何约束,则钢带上虽有变形但却没有温度应力,所以在钢带升温 的过程中,对于缠绕在轮毂上的钢带并没有温度应力的产生。但当钢带在降温的过程中收 [43] 缩受到轮毂的限制作用,即钢带受到了约束,产生了温度应力 。 (2 )温度应力的计算 温度应力是随着温度的改变而产生的,即可以把温度的改变看作是作用于钢带上的热 [45] 载荷 ,设物体在两个瞬时温度分别为 和 ,即变温为 ,由于钢带的厚度非 T T T T T 1 2 1 2 T 常小,可以将其看作平面应力问题,即各点温度都是位置坐标x,y 的函数,变温 也是 x,y 的函数,即T T(x,y ) 。 结合上述弹性力学微分方程,当弹性体内在变温作用下,体内各部分不受任何约束时, T [46] 变温 即会产生应变T ,由于钢带是各向同性 ,则:  0  0 T x y   (2.6)  0 0  XY  即平面应力问题的物理方程为: 1   (  ) T x E x y   1   (  ) T  (2.7) y E y x  2(1 )   xy E xy   平面应力方程解出得: E   (  T) x 2 x y  1  E   (  T)  (2.8) y 12 y x  E E 1  xy  xy 2  xy  2(1) 1 2  即    x        (2.9)    D (    ) y 0     xy  式中,D 为弹性矩阵,即: 11 集美大学硕士学位论文 可食膜流延机的几项关键技术研究    1  0  D E 2  1 0  (2.10) 1   0 0 1   2  T     0 T  (2.11)  0    2.3 钢带传动时受力分析 钢带以一定的预紧力套在两个轮毂上,当轮毂运转时,通过钢带与轮毂之间的摩擦力 [47] 带动钢带运转。由钢带欧拉公式 得: F / F eck (2.12) T 1 T 2 F F F 紧边拉力 、松边的拉力 与预紧力 以及摩擦 之间的关系如下所示: F T 1 T 2 T 0 f ck ck FT 1 2FT 0e /(1e ) (2.13) FT 2 2FT 0 /(1eck ) (2.14) Ff 2FT 0 (eck 1) /(eck 1) (2.15) 只有当 大于有效拉力 时,才能保证钢带的有效传动。但由于钢带运行速度较低, F F f e 可以忽略其产生的离心力,则有效摩擦力为: F F (2.16) f e 2.4 流延机工作时钢带的应力分析 (1)初始阶段应力分析 在流延机刚启动时,热风机并未加热,钢带的温度没有发生变化。调整钢带预紧力, L 通过调节两轮毂之间的距离 设置张紧力,当中心距增加 时,整个钢带长度拉伸了2l , l 1 1 [39] 根据胡克定律 可知:  l F Rd EA  F L 2EA  F L 2EA 1  T T 1 T 2

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