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開題報告 ZRJ-350A真空乳化機(jī)傳動系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)設(shè)計
ZRJ-350A真空乳化機(jī)傳動系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)設(shè)計
1 綜述
1.1 概述
人們進(jìn)行混合操作時,首先想到的是傳統(tǒng)的攪拌方法，它既簡單又直觀，但攪拌的效率往往不是很高，不能很好的充分混合，分散技術(shù)則不然，它能將液相或固相破碎成極小的顆粒，然后分散到連續(xù)的液相介質(zhì)中去，形成均勻而穩(wěn)定的混合體，它導(dǎo)入介質(zhì)的能量是攪拌的1000倍，因此往往只需幾分鐘,甚至幾秒鐘。
而能實(shí)現(xiàn)這一高速攪拌方法的機(jī)器就是乳化機(jī)。乳化機(jī)是攪拌機(jī)的另一形態(tài)，它將水和油的一方分散到另一方中。而均質(zhì)乳化過程是依靠攪拌裝置的機(jī)械作用所產(chǎn)生的剪切力，將分散相撕碎成微小顆粒而分散在連續(xù)相中，形成乳狀均化物。因此，不同的均質(zhì)攪拌裝置制得的乳狀液其分散相的粒度差別很大，而延長攪拌時間也不能提高分散效果。粒度的大小影響著乳體的內(nèi)在質(zhì)量。好的均質(zhì)攪拌裝置主要應(yīng)滿足乳化力強(qiáng)，分散性能好。粒度直徑一般要小于2微米。
乳化機(jī)的用途十分廣泛，適用于化妝品、生物制藥、霜類產(chǎn)品、石油化工、涂料以及一些精細(xì)化工的生產(chǎn)，尤其對基質(zhì)粘度大，固料含量比較高的物料乳化配制更顯功效。[1]
1.2 ZRJ-350A真空乳化機(jī)傳動和攪拌系統(tǒng)設(shè)計的目的
真空乳化機(jī)是食品、藥品、化妝品等生產(chǎn)過程中的專用設(shè)備，而我國現(xiàn)今的乳化設(shè)備在設(shè)計和機(jī)械性能方面還有一些缺陷，所以該課題目的在于通過設(shè)計新穎的攪拌系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，提高真空乳化機(jī)的乳化效果并能在衛(wèi)生要求方面順利通過國家的GMP認(rèn)證。
1.3 ZRJ系列真空乳化機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
ZRJ系列真空乳化機(jī)是引進(jìn)消化日本乳化機(jī)技術(shù)研制的較為先進(jìn)的產(chǎn)品，具有整體性強(qiáng)，測試功能全、操作方便、乳化效果好等特點(diǎn)、被輕工部列為替代進(jìn)口產(chǎn)品。如圖1.1，圖1.2，圖1.3所示，表1.1是ZRJ真空乳化機(jī)在各個工作容積下的主要技術(shù)參數(shù)。
1.擋流板2.刮板3.框式攪拌槳4.均質(zhì)器5.乳化鍋6.乳化鍋夾套7.保溫材料8.中間（固定）攪拌槳9.溫度傳感器
圖1.1 ZRJ系列真空乳化均質(zhì)鍋內(nèi)部結(jié)構(gòu)
表1.1 主要技術(shù)參數(shù)
型式
全容量
乳化馬達(dá)
攪拌馬達(dá)
外型尺寸
H.P.
R.P.M
H.P.
R.P.M
長
寬
高
全高
BX-ZRJ
100
2
300-3600
1
19-75
1800
800
2000
2650
BX-ZRJ
150
3
500-3600
1
19-75
1900
800
2100
2900
BX-ZRJ
200
3
500-3600
2
19-75
2000
950
2200
3100
BX-ZRJ
300
5
500-3600
3
19-75
2200
1050
2400
3400
BX-ZRJ
500
5
500-3600
3
19-75
2500
1100
2600
3600
BX-ZRJ
650
7.5
500-3600
5
19-75
2750
1200
2950
3950
BX-ZRJ
800
7.5
500-3600
7.5
19-75
2950
1400
3050
4150
BX-ZRJ
1000
10
500-3600
7.5
19-75
3100
1520
3100
4250
圖1.2 ZRJ350真空乳化機(jī)全圖
圖1.3 真空混合乳化機(jī)
其工作原理：物料在水鍋、油鍋內(nèi)通過加熱、攪拌溶解后，采用抽真空的方式吸入乳化鍋內(nèi)，再經(jīng)過乳化鍋內(nèi)的刮壁攪拌漿葉混合攪拌后，再被吸入高速旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)器后，經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的切割輪與固定的切割套之間所產(chǎn)生的強(qiáng)力的剪斷、沖擊、亂流等過程，物料在剪切縫中被迅速切割破碎成微粒，由于乳化鍋內(nèi)處于真空狀態(tài)，物料在攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡會被及時的抽走。
其特點(diǎn)：料鍋蓋為自動升降式，乳化鍋鍋體是翻轉(zhuǎn)可傾式，便于清洗，并可通過電熱管對鍋夾層內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱來實(shí)現(xiàn)對物料的加溫，加熱溫度任意設(shè)定，自動控制。在夾層內(nèi)接入冷卻水即可對物料進(jìn)行冷卻，操作簡單、方便，夾層外設(shè)有保溫層。均質(zhì)器與槳葉攪拌可分開使用，也可同時使用。而鍋內(nèi)刮板攪拌器的作用就是將罐壁上的物料不斷刮下，使全部物料能進(jìn)行均衡而充分的熱交換，防止過熱或過冷，從而保證產(chǎn)品受到均勻的攪拌和混合。
乳化設(shè)備對乳化有很大影響，其中之一是攪拌速度對乳化的影響。攪拌速度適中是為使油相與水相充分的混合，攪拌速度過低，顯然達(dá)不到充分混合的目的，但攪拌速度過高，會將氣泡帶入體系，使之成為三相體系，而使乳狀液不穩(wěn)定。因此在設(shè)計過程中要注意轉(zhuǎn)速的控制和密封條件的保持。[12]
1.4 ZRJ-350A真空乳化機(jī)均質(zhì)鍋的攪拌系統(tǒng)的特點(diǎn)
基于乳化機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品大多是給人們直接食用或者外敷的，因此對其衛(wèi)生狀況要求很高，一般都要通過GMP認(rèn)證，GMP是英文good manufacturing practice 的縮寫，中文的意思是良好作業(yè)規(guī)范，或是優(yōu)良制造標(biāo)準(zhǔn)，是一種特別注重制造過程中產(chǎn)品質(zhì)量與衛(wèi)生安全的自主性管理制度。它是一套適用于制藥、食品等行業(yè)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，要求企業(yè)從原料、人員、設(shè)施設(shè)備、生產(chǎn)過程、裝運(yùn)輸、質(zhì)量控制等方面按國家有關(guān)法規(guī)達(dá)到衛(wèi)生質(zhì)量要求，形成一套可操作的作業(yè)規(guī)范幫助企業(yè)改善企業(yè)衛(wèi)生環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，加以改善。[16]
我所設(shè)計的乳化機(jī)中的攪拌軸是采用單向轉(zhuǎn)動攪拌，利用蝸桿蝸輪傳動的轉(zhuǎn)動軸，其帶動攪拌葉輪使其產(chǎn)生單個方向的攪拌轉(zhuǎn)動（中間攪拌轉(zhuǎn)動軸為兩層），這樣攪拌雖然沒有采用雙向轉(zhuǎn)動攪拌來的充分均勻混合，即利用圓錐齒輪傳動三層套的二、三層的轉(zhuǎn)動軸（中間軸為均質(zhì)器的轉(zhuǎn)動傳動軸），并帶動攪拌葉輪使其產(chǎn)生相反兩個方向的攪拌轉(zhuǎn)動。但是采用單向轉(zhuǎn)動攪拌比雙向的結(jié)構(gòu)要簡單且緊湊，尤其是中心轉(zhuǎn)動軸部分，夾層為兩層，這減少了泄漏的幾率，所以不易污染產(chǎn)品的生產(chǎn)。
1.5 乳化機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.5.1 乳化機(jī)的分類
均質(zhì)乳化機(jī)是現(xiàn)代國際上普遍采用的一種在真空狀態(tài)下無菌制造乳、膏狀均相產(chǎn)品的設(shè)備，通常被廣泛應(yīng)用在化妝品、醫(yī)藥、食品、化工等行業(yè)。如食品工業(yè)的番茄醬、花生醬、調(diào)味劑、嬰兒食品等；化妝品行業(yè)的雪花膏、美容霜等；醫(yī)藥工業(yè)的油膏、軟膏、乳劑、洗劑、栓劑等；化學(xué)工業(yè)的某些涂料、染色劑等。
目前乳化機(jī)的類型按工作原理來分主要有三種：乳化攪拌機(jī)、膠體磨和均質(zhì)器。乳化機(jī)的類型及結(jié)構(gòu)、性能等與乳狀液微粒的大?。ǚ稚⑿裕┘叭闋钜旱馁|(zhì)量（穩(wěn)定性）有很大的關(guān)系。一般如現(xiàn)在還在化妝品廠廣泛使用的攪拌式乳化機(jī)，所制得的乳狀液其分散性差。微粒大且粗糙，穩(wěn)定性也較差，也較易產(chǎn)生污染。膠體磨和均質(zhì)器是比較好的乳化設(shè)備。近年來乳化機(jī)械有很大進(jìn)步。
除了以上的分類，按乳化燃料來分有重油乳化機(jī)、煤焦油乳化機(jī)、柴油乳化機(jī)，按工作方式來分有高剪切乳化機(jī)、多功能混合乳化機(jī)等，按用途來分有瀝青乳化機(jī)、果汁飲料乳化機(jī)、涂料油墨乳化機(jī)、油脂化乳化機(jī)等。如圖1.4所示。[1]
（a）高剪切混合乳化機(jī) （b）VME-10C真空均質(zhì)乳化機(jī)
（c）SVME-C型三重四功能真空均質(zhì)乳化機(jī) （d）VME-80C型真空均質(zhì)乳化機(jī)
圖1.4 各類乳化機(jī)
1.5.2 國外乳化機(jī)的發(fā)展
要制造優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的乳狀體產(chǎn)品，除選用合格的原料，適當(dāng)?shù)呐浞?，合理的餓工藝技術(shù)路線外，設(shè)備的先進(jìn)性就成為關(guān)鍵因素。均質(zhì)乳化機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵是其罐內(nèi)三種不同類型的均質(zhì)攪拌裝置。
目前在世界上通行的乳化機(jī)代表基本上分為三大派系，即美國ROSS公司，日本TK公司及德國IKA公司。國內(nèi)雖然已有仿制進(jìn)口的均質(zhì)乳化機(jī)，但某些性能上仍有一定差距。
美國ROSS公司是由美國查理斯羅斯父子于1841年創(chuàng)建，是專業(yè)性混合設(shè)備制造公司，以生產(chǎn)混合器、混合機(jī)和研磨機(jī)而聞名于世。ROSS公司的乳化機(jī)具有分散、混合、乳化、剪切、均質(zhì)的功能，其特點(diǎn)是中心吸料徑向噴射式，以湍流混合為主體，液體的翻動劇烈，分散、混合、乳化作用明顯，用戶代表有揚(yáng)州膚美靈。
日本TK公司，其公司正式名稱叫特殊機(jī)化工業(yè)株式會社，創(chuàng)立于1927年（大阪福鳥區(qū)）。其乳化機(jī)的特點(diǎn)是軸流式剪切乳化，主要考慮流體上下翻動，呈周期復(fù)合分散、乳化、均質(zhì)、混合系統(tǒng)。其產(chǎn)品主要用于化妝品及醫(yī)藥行業(yè)，在中國的典型應(yīng)用代表是北京資生堂。
德國IKA公司，具有上百年歷史的德國IKA公司在全球有很多分公司，中國廣州的IKA公司就是其中之一。IKA產(chǎn)品主要在實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)備方面有著獨(dú)到的一面，產(chǎn)品注重以分散為主體的功能，因而，在需要進(jìn)行剪切的工況下，就明顯的力不從心，另外在大型工業(yè)設(shè)備方面不具有優(yōu)勢，其用戶代表有深圳小護(hù)士。[13]
1.5.3 國內(nèi)乳化機(jī)的發(fā)展
1988年，第一臺高剪切乳化機(jī)在中國試制成功（原國營啟東長江廠）。
2000年，第一臺高剪切乳化機(jī)在納米碳酸鈣的合成中成功應(yīng)用（內(nèi)蒙蒙西高新技術(shù)）。
2001年，第一臺高剪切乳化機(jī)應(yīng)用于瀝青 （上海威宇和長安大學(xué)合作）。
2002年，中國最大的200KW乳化機(jī)應(yīng)用成功（克拉瑪依煉油廠）。
2004年，中國最快的生產(chǎn)用管線式乳化機(jī)（泵）以8000rpm的高轉(zhuǎn)速在威宇公司研制成功（北京某研究所）。
1.5.4 乳化機(jī)的發(fā)展趨勢
產(chǎn)品趨向高檔，乳化設(shè)備外形結(jié)構(gòu)緊湊、精巧，尤其是智能控制技術(shù)的成功運(yùn)用，使得乳化設(shè)備的技術(shù)水平得到了進(jìn)一步的提升。環(huán)保型的乳化設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)成為企業(yè)重要的一項(xiàng)工作。節(jié)能技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用已到了必須直面的時候。采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計，提高操作的智能化，減少噪聲和振動，注重外觀造型設(shè)計的要求更高。
例如生產(chǎn)食品的乳化機(jī)，通常，用于乳壯物均質(zhì)乳化的乳化機(jī)壓力是150kg/cm2左右，若壓力是200-300 kg/cm2，在食品方面則可以滿足任何要求。但近來由于腸胃營養(yǎng)劑等乳化安定，微?；艽龠M(jìn)體內(nèi)吸收，要求的壓力更高，這樣就需要高壓乳化機(jī)，高壓乳化機(jī)主要用于延長保存時間，改善口感，食感，保持風(fēng)味，抑制氧化，穩(wěn)定香和色，減少添加劑，高附加值的材料和商品的個性化。
現(xiàn)在一些混合設(shè)備還根據(jù)混合專家的經(jīng)驗(yàn)和常識，將攪拌混合設(shè)備與自動控制技術(shù)相結(jié)合，在混合設(shè)備選型和設(shè)計中運(yùn)用人工智能技術(shù)（AI）和基于知識的系統(tǒng)（KBS），即實(shí)現(xiàn)了混合設(shè)備選型和設(shè)計的智能化。[12]
2 方案論證
2.1總體方案的擬訂
2.1.1 兩套總體方案的介紹
在對本課題的調(diào)研極其研究后，了解了真空乳化機(jī)的工作原理和一些技術(shù)要求，于是確定了兩套總體方案。
方案一：傳動系統(tǒng)設(shè)計采用蝸輪蝸桿傳動，攪拌系統(tǒng)設(shè)計采用單向轉(zhuǎn)動攪拌。
方案二：傳動系統(tǒng)設(shè)計采用圓錐齒輪傳動，攪拌系統(tǒng)設(shè)計采用雙向轉(zhuǎn)動攪拌。
2.1.2 兩套總體方案的比較
第一套方案中傳動系統(tǒng)設(shè)計采用蝸輪蝸桿傳動，這樣就能帶動攪拌的葉輪，使其能夠進(jìn)行單個方向的攪拌轉(zhuǎn)動，這樣就可以使中間攪拌轉(zhuǎn)動軸只有兩層，這種方案可以使乳化機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊湊。
第二套方案中的傳動系統(tǒng)設(shè)計采用圓錐齒輪傳動，這樣可以帶動攪拌葉輪進(jìn)行雙向的攪拌轉(zhuǎn)動，為了達(dá)到這樣的效果，中間的轉(zhuǎn)動軸就要有三層，這種方案由于可以進(jìn)行相反兩個方向的攪拌轉(zhuǎn)動，可以使物料充分得到均勻混合。
2.1.3 總體方案的最終確定
通過對兩套方案的比較，最終我決定采用第一套方案。因?yàn)榈谝惶追桨冈诮Y(jié)構(gòu)上較為緊湊，尤其是中心轉(zhuǎn)動軸部分夾層只有兩層，這樣一來可以明顯減少潤滑油泄露的幾率，雖然單向攪拌沒有雙向攪拌來得能使物料得到很充分的混合，但由于真空乳化機(jī)生產(chǎn)的大多是食品，藥物等供人們食用的產(chǎn)品，所以很忌諱其產(chǎn)品受到污染。
2.2設(shè)計任務(wù)
本課題來自于上海貝思特包裝機(jī)械有限公司。乳化機(jī)主要就是為了攪拌混合所加的物料，使物料能夠得到充分均勻的混合，因此這次我所要設(shè)計的內(nèi)容就是ZRJ-350A真空乳化機(jī)的攪拌系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)。
2.2.1主要工作內(nèi)容
a) 調(diào)研并寫出開題報告。
自己通過各種渠道查找與本課題相關(guān)的資料文獻(xiàn)，仔細(xì)研讀后，了解并熟悉掌握相關(guān)的知識和內(nèi)容。在知道設(shè)計任務(wù)后開始構(gòu)思設(shè)計過程，并著手撰寫開題報告。
b) 傳動系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)設(shè)計（0號圖）。
設(shè)計并繪制合理的傳動系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)的原理圖。
c) 電動機(jī)的選擇、運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)計算。
根據(jù)刮板槳轉(zhuǎn)速和均質(zhì)器轉(zhuǎn)速選擇適當(dāng)功率的電機(jī)，計算并記錄運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)。
d) 軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
根據(jù)傳動特點(diǎn)，設(shè)計轉(zhuǎn)動軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并根據(jù)攪拌軸及其葉輪所受到的力計算最大扭矩和最大彎矩，校核所設(shè)計的軸系結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以達(dá)到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
e) 傳動零件的設(shè)計計算。
由攪拌輪單向轉(zhuǎn)動攪拌，采用蝸輪蝸桿傳動，計算蝸輪蝸桿的傳動比，并計算和校核蝸輪蝸桿的強(qiáng)度。
f) 軸承類型的選擇和壽命計算。
根據(jù)傳動軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)選擇合理的軸承，并選擇合理的密封和潤滑措施，并計算校核其強(qiáng)度。
g) 其它零件的強(qiáng)度校核。
根據(jù)均質(zhì)鍋的密封真空效果，采用合理的密封配件，并計算校核其強(qiáng)度；根據(jù)所選軸承選擇合理的軸承支承結(jié)構(gòu)，并計算校核其強(qiáng)度。
h) 撰寫論文和答辯。
由所設(shè)計的各參數(shù)和機(jī)構(gòu)圖撰寫論文，并做到熟悉掌握每一個部件的設(shè)計過程及原理，充分做好答辯的準(zhǔn)備。
2.3主要技術(shù)指標(biāo)
a) 工作容積：350L
b) 刮板漿轉(zhuǎn)速：(10－60)r/min，無級調(diào)速，功率0.92KW
c) 均質(zhì)器轉(zhuǎn)速：(500－2900) r/min，無級調(diào)速，功率4.62KW
d) 使用年限：5年
2.4進(jìn)度計劃
a) 調(diào)研、查閱文獻(xiàn)資料（1-4周）
b) 方案設(shè)計及比較、確定方案，運(yùn)動和動力參數(shù)計算（5-6周）
c) 傳動系統(tǒng)設(shè)計和零件強(qiáng)度計算、校核（7-11周）
d) 攪拌系統(tǒng)設(shè)計和零件強(qiáng)度計算、校核（12-16周）
e) 整理資料，撰寫論文（17周）
f) 答辯（18周）
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