畢業(yè)設計---大容量間歇出料工業(yè)化固體發(fā)酵設備設計

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)設計</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　設計總說明I</b></p><p>　　introductionII</p><p><b>　　1前言1</b>&l

2、t;/p><p>　　1.1發(fā)酵過程監(jiān)控的主要指標參數(shù)2</p><p>　　2固體發(fā)酵設備總體設計方案3</p><p><b>　　2.1發(fā)酵箱3</b></p><p>　　2.2通風供氧系統(tǒng)3</p><p>　　2.3攪拌行車結構及攪拌系統(tǒng)3</p><

3、;p>　　2.4管路系統(tǒng)4</p><p>　　2.5電氣控制系統(tǒng)4</p><p>　　3發(fā)酵箱的設計與選用4</p><p>　　3.1發(fā)酵箱的總體結構4</p><p>　　3.2發(fā)酵箱的幾何尺寸確定5</p><p>　　3.3攪拌器結構設計6</p><p&g

4、t;　　3.3.1攪拌器葉輪與罐徑比6</p><p>　　3.3.2攪拌器尺寸參數(shù)設計7</p><p>　　3.3.3電機的初選與攪拌器功率計算7</p><p>　　3.4攪拌電機和減速器選用8</p><p>　　3.4.1電動機的計算及選用8</p><p>　　3.4.2減速器的選用

5、8</p><p>　　3.5聯(lián)軸器的選用9</p><p>　　3.6行車氣缸與導軌的選用10</p><p>　　3.6.1計算行車Z向氣缸的推力10</p><p>　　3.6.2計算行車Y向無桿氣缸的推力12</p><p>　　3.6.3計算行車X向卷揚機的拉力12</p>

6、<p>　　4管道接口及氣、水路的設計及溫度控制方法15</p><p>　　4.1管道接口15</p><p>　　4.2溫、濕度傳感器接口15</p><p>　　4.3氣路設計16</p><p>　　4.4水路設計16</p><p>　　4.5溫度控制18</p>

7、<p>　　5電氣控制設計19</p><p><b>　　5.1概述19</b></p><p>　　5.2箱體監(jiān)控系統(tǒng)設計（51單片機+PLC）19</p><p>　　5.2.1傳感器的選用19</p><p>　　5.2.2基于51單片機的溫濕度采集20</p>&

8、lt;p>　　5.2.3箱體PLC控制部分設計23</p><p>　　5.2.4上位機監(jiān)控軟件編制25</p><p>　　5.3行車控制系統(tǒng)25</p><p><b>　　總 結28</b></p><p><b>　　鳴 謝29</b></p><

9、;p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　設計總說明</b></p><p>　　當前，許多工農(nóng)業(yè)殘渣、城市生活垃圾已成為人們的社會公害，對人類的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。隨著人們對固態(tài)發(fā)酵機理認識不斷加深，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術可以將這些材料進行降解、修復、轉(zhuǎn)化為對人們有益或無害的物質(zhì)、既無損于既定的自然生態(tài)系統(tǒng)，又

10、可以成功解決環(huán)境問題、減輕自然危機。固態(tài)發(fā)酵是解決當前人類所面臨的“三大”危機的一個有效手段。</p><p>　　本設計是對工業(yè)化固體大容量間歇出料發(fā)酵設備的設計，針對粕類發(fā)酵的特點和工藝流程來設計其發(fā)酵設備和流水線。</p><p>　　本設計包括固體發(fā)酵箱、通風供氧系統(tǒng)、攪拌行車結構及攪拌系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。此設計主題由一組兩人共同完成。</p><p&

11、gt;　　固體發(fā)酵設備總體設計方案：</p><p>　?。?）發(fā)酵箱 發(fā)酵箱需要便于清洗滅菌，箱體的內(nèi)部結構要求盡量圓滑過渡，避免有死角和縫隙，防止沉積雜物無法清洗或滅菌不徹底。本設計中，箱體采用方形容器，材料為不銹鋼。為防止發(fā)酵過程菌體收污染，發(fā)酵箱箱體密封性要好。</p><p>　?。?）通風供氧系統(tǒng) 本設計中將無菌空氣從發(fā)酵箱底部通入，出氣設置在發(fā)酵箱頂部。另外在發(fā)酵箱底部設

12、計三層篩網(wǎng)，使空氣進入箱體時能分散開來，同時利用攪拌使空氣和物料充分混合。</p><p>　　（3）攪拌行車結構及攪拌系統(tǒng) 攪拌行車結構及攪拌系統(tǒng)是本設計的重點和難點。本設計中攪拌器和噴灑裝置安裝在行車，并隨行車而移動，當發(fā)酵箱體需要攪拌或加濕時，行車就移動到箱體的上方對其進行攪拌或加濕。</p><p>　?。?）管路系統(tǒng) 氣路系統(tǒng)設括有通風系統(tǒng)設計，氣缸運動系統(tǒng)設計。水路系統(tǒng)包括

13、有噴灑加濕系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、接種系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。</p><p>　?。?）電氣控制系統(tǒng) 電氣控制系統(tǒng)的設計分為兩部分，一部分為行車的運動控制和噴灑控制，另一部分為是箱體監(jiān)控系統(tǒng)的設計。箱體監(jiān)控系統(tǒng)的設計部分包括單片機數(shù)據(jù)采集，PLC狀態(tài)控制，PC上位機顯示三部分。單片機數(shù)據(jù)采集模塊及PLC狀態(tài)控制器通過串口與PC相連，PC作為數(shù)據(jù)顯示及控制終端，將單片機數(shù)據(jù)采集模塊收集到的溫濕度數(shù)據(jù)及PLC的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過串口傳

14、送給電腦。</p><p>　　主要技術資料：設計說明書一份、光碟一張、設備結構裝備圖四張、非標準零件圖若干張等。</p><p>　　關鍵詞：粕類；固體發(fā)酵箱；間歇出料；攪拌器；自動化控制。</p><p>　　introduction</p><p>　　Currently, many industrial and agricultura

15、l residues, municipal solid waste has become a social nuisance of the people have a negative impact on the survival of the human environment. With the solid-state fermentation mechanism, a growing awareness of modern sol

16、id-state fermentation technology of these materials degradation, repair, translate into people beneficial or harmless substances, and not undermine the established natural ecosystems, they can successfully solve environm

17、ental problems to </p><p>　　The design is the large capacity of the industrialized solid intermittent batch fermentation equipment design, feed meal fermentation characteristics and process design of ferment

18、ation equipment and pipeline.</p><p>　　The design includes a solid state fermentation tank, ventilation and oxygen supply system, stirring lane structure and mixing systems, piping systems and electrical con

19、trol systems. This design theme is completed by a group of two.</p><p>　　Overall design of solid state fermentation equipment:</p><p>　　(1) fermentation tank fermentation tank needs to facilitat

20、e the cleaning of sterilization, box of the internal structure of the requirements as far as possible smooth transition and avoid dead ends and cracks to prevent deposition of debris can not be cleaned or incomplete ster

21、ilization. In this design, the box is a square container, stainless steel. In order to prevent the fermentation process bacteria, pollution, fermentation box enclosure seal better.</p><p>　　(2) ventilation a

22、nd oxygen supply system of this design will be sterile air to pass from the bottom of the fermentation tank into the outlet set at the top of the fermentation tank. In addition, three-screen in the bottom of the fermenta

23、tion tank design, so that air can enter the box, spread out, while taking advantage of mixing the air and the material is fully mixed.</p><p>　　(3) mixing the vehicle structure and the agitation system to st

24、ir the vehicle structure and mixing system is the focus of this design and difficulty. The design of mixers and sprinklers installed in the road, and accompanying vehicle and mobile, when stirring or humidification ferme

25、ntation box, driving move to the top of the cabinet to be stirred or humidification.</p><p>　　(4) The piping system, air system set up including the ventilation system design, the cylinder motion system desi

26、gn. Waterway system includes a spray humidification system, cleaning system, the vaccination system and drainage system.</p><p>　　(5) The electrical control system of electrical control system design is divi

27、ded into two parts, the part of the driving motion control and spray control, another part of the cabinet monitoring system design. Cabinet Monitoring System part of the SCM data acquisition, PLC state control, the PC ho

28、st computer display of three parts. Microcontroller data acquisition module and the PLC state controller via the serial port with a PC connected to the PC as a data display and control terminals, SCM dat</p><p

29、>　　The main technical data: design of a manual, a CD-ROM, the device structure and equipment Figure four, non-standard parts diagram of Zhang et al.</p><p>　　Keywords: feed meal; solid fermentation tank;

30、intermittent discharge; blender; automation and control.</p><p>　　大容量間歇出料工業(yè)化固體發(fā)酵設備設計</p><p>　?。C械設計制造及其自動化，2008114112xx，xxx）</p><p>　　指導教師：xx,xx</p><p><b>　　前言<

31、;/b></p><p>　　固態(tài)發(fā)酵指利用自然底物做碳源及能源，或利用惰性底物做固體支持物，其體系無水或接近于無水的任何發(fā)酵過程，微生物的生長及形成的產(chǎn)物均在基質(zhì)表面。固態(tài)發(fā)酵是接近于自然的狀態(tài)的一種發(fā)酵，它與液態(tài)深層發(fā)酵有許多的不同。固態(tài)發(fā)酵歷史悠久，其起源可追溯到數(shù)千年前。</p><p>　　固態(tài)發(fā)酵是解決當前人類所面臨的“三大”危機的一個有效手段。當前，許多工農(nóng)業(yè)殘渣、城市

32、生活垃圾已成為人們的社會公害，對人類的生存環(huán)境均產(chǎn)生不利的影響。隨著人們對固態(tài)發(fā)酵機理認識不斷加深，現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵技術可以將這些材料進行降解、修復、轉(zhuǎn)化為對人們有益或無害的物質(zhì)、既無損于既定的自然生態(tài)系統(tǒng)，又可以成功解決環(huán)境問題、減輕自然危機。</p><p>　　粕類固體發(fā)酵是把難以消化利用的纖維素等高分子碳水化合降解轉(zhuǎn)化為易被動物吸收消化利用的養(yǎng)分，增加可消化性蛋白質(zhì)的含量。能擴大飼料來源節(jié)約糧食，提高營養(yǎng)價值

33、，減少公害，增加肥源。而粕類固體發(fā)酵具有操作簡便、能耗低、發(fā)酵過程容易控制、對無菌要求相對較低、不易發(fā)生大面積的污染等優(yōu)點，更重要的是，真菌在靜態(tài)的環(huán)境中生長得更好，次生代謝物積累的效率更高。這說明固體發(fā)酵技術具有很大的發(fā)展?jié)摿?。固體發(fā)酵有許多液體發(fā)酵無所比擬的優(yōu)勢，如為非均相系統(tǒng)，有利于特定培養(yǎng)物的自組織行為；液固相接觸比表面積大，一般無液體發(fā)酵所面臨的高密度培養(yǎng)時溶氧水平不足。生產(chǎn)過程中幾乎沒有廢水排放，不需要進行污水處理。然而固體

34、發(fā)酵的缺點也是顯而易見的，主要體現(xiàn)為產(chǎn)能太低，現(xiàn)有的技術條件不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。</p><p>　　固態(tài)發(fā)酵應用具有巨大的潛能，但與液體發(fā)酵研究相比，固態(tài)發(fā)酵在傳質(zhì)、傳熱等方面缺乏有效的研究，難以實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)。其原因主要為：通風散熱困難；易染菌；基質(zhì)利用率低；缺少固態(tài)發(fā)酵反應器設計和放大的統(tǒng)一標準；缺少完善的傳質(zhì)、傳熱數(shù)學模型；檢測手段不完備等。</p><p>　　固體

35、發(fā)酵的技術水平目前依舊停留在比較低的生產(chǎn)水平上，雖然固體發(fā)酵已在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中逐步應用，但不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)仍然是固體發(fā)酵的致命弱點，并不能得到廣泛的利用。</p><p>　　本設計的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：</p><p>　　發(fā)酵箱的機械結構設計。發(fā)酵箱主要由箱體和加熱裝置，以及位于行車上的攪拌裝置，傳動裝置,和其它的一些附件組成。根據(jù)固體發(fā)酵的特性，選擇箱體材料，確定箱體

36、外形、箱體的壁厚；根據(jù)計算發(fā)酵攪拌所需的功率選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置等一些附件的確定；在參考相關的市場相關生產(chǎn)產(chǎn)品對其他的接管進行設計，對整體發(fā)酵箱的設計進行布局，確定各個部件的裝配位置，完成整個裝備圖。</p><p>　　水路、氣路的設計。根據(jù)發(fā)酵微生物產(chǎn)生的發(fā)酵熱、發(fā)酵箱的裝物料量、加熱及冷卻方式等進行冷卻和加熱裝置的設計、計算；對于實現(xiàn)接種和加濕，根據(jù)發(fā)酵箱的幾何形狀合理的對水、氣路管道進行布局。&l

37、t;/p><p>　　控制部分的設計。根據(jù)固體發(fā)酵的特點需要實現(xiàn)自動調(diào)整量溫度、水活度、供氧（空氣）量，在參考相關的市場相關生產(chǎn)產(chǎn)品對傳感器的選用，利用微機與PC上位機實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)溫度、濕度，完成接種和攪拌等工作。</p><p>　　發(fā)酵過程監(jiān)控的主要指標參數(shù)</p><p><b>　　溫度</b></p><p>　　

38、在發(fā)酵過程中，需要維持生產(chǎn)菌的適宜的培養(yǎng)條件，其中比較重要的就是保持菌生長和合成產(chǎn)物所需要的最適溫度。因為微生物的生長及產(chǎn)物的合成都是在各種酶催化下進行的，而溫度恰恰是保證酶活性的重要因素，所以在發(fā)酵系統(tǒng)中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境。</p><p>　　發(fā)酵過程的熱量主要來源于發(fā)酵自身反應產(chǎn)生的熱量和攪拌所產(chǎn)生的熱量。正常發(fā)酵時，前期菌體生長繁殖旺盛時升溫較快，發(fā)酵后期，升溫較緩慢，為了維持菌體生長，必須在發(fā)

39、酵過程隨時調(diào)節(jié)溫度，即實現(xiàn)保溫、升溫或降溫的功能。</p><p>　　采用較為簡單的方法，由于固體發(fā)酵時其內(nèi)部各部分溫差不均勻，利用在箱體上均勻分布幾根溫度計對其溫度進行監(jiān)測。然后，對照發(fā)酵工藝所需參數(shù)，調(diào)節(jié)控制通入夾套冷卻水或蒸汽的閥門，實現(xiàn)對其溫度的控制。通過熱敏傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號，然后與控制儀表相連，通過程序指令控制冷卻或加熱裝置，使箱溫維持恒定。溫度控制時需注意出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象，需要通過實驗對其

40、進行分析。</p><p><b>　　濕度</b></p><p>　　固體發(fā)酵過程中，濕度是指發(fā)酵箱內(nèi)環(huán)境空氣的濕度?？諝鉂穸忍。锪先菀滓蛩终舭l(fā)而變干，影響生長；濕度太大，影響空氣的含氧量，造成環(huán)境缺氧，往往又因冷凝使物料表面變濕，影響菌體生長或污染菌體，影響產(chǎn)品質(zhì)量。濕度的監(jiān)測和控制比較困難，發(fā)酵過程中升溫以及蒸發(fā)都有可能帶走一定的水分，過濕的情況一般較少

41、存在，因此對濕度的控制主要為補濕。由于固體發(fā)酵濕度變化不大，可在箱體排氣口處安裝一空氣濕度計對箱體內(nèi)的流動空氣進行監(jiān)測，當濕度降低過大時，通過傳感器將信號傳至控制系統(tǒng)，并控制執(zhí)行元件進行補濕。執(zhí)行元件可以是在行車上安裝一穿孔的水管。并通過攪拌使物料濕度均勻。</p><p><b>　　三、通風量</b></p><p>　　固體發(fā)酵過程中通入空氣的目的是提供反應所需

42、要的氧，移走反應熱和產(chǎn)生的二氧化碳，提高傳質(zhì)速率。固體發(fā)酵利用的微生物幾乎都是好氧性的，在發(fā)酵過程中大部分時間都在通潔凈的空氣，空氣的的通氣率對發(fā)酵過程特別重要。對空氣的流量進行實時監(jiān)測就顯得特別重要。采用流量計及流量閥可對通風量進行監(jiān)控。</p><p>　　固體發(fā)酵設備總體設計方案</p><p><b>　　發(fā)酵箱</b></p><p>

43、;　　發(fā)酵箱需要便于清洗滅菌，箱體的內(nèi)部結構要求盡量圓滑過渡，避免有死角和縫隙，防止沉積雜物無法清洗或滅菌不徹底。本設計中，箱體采用方形容器，材料為不銹鋼。為防止發(fā)酵過程菌體收污染，發(fā)酵箱箱體密封性要好。</p><p><b>　　通風供氧系統(tǒng)</b></p><p>　　固態(tài)發(fā)酵沒有自由水，微生物直接從空氣中汲取氧氣。而固態(tài)發(fā)酵利用的微生物幾乎都是好氧性的，通氣率

44、特別重要。通入空氣的目的在于提供反應所需的氧，移走反應熱和產(chǎn)生的二氧化碳，提高傳質(zhì)速率。通風的速率則由微生物本身的特性決定。本設計中將無菌空氣從發(fā)酵箱底部通入，出氣設置在發(fā)酵箱頂部。另外在發(fā)酵箱底部設計三層篩網(wǎng)，使空氣進入箱體時能分散開來，同時利用攪拌使空氣和物料充分混合。</p><p>　　攪拌行車結構及攪拌系統(tǒng)</p><p>　　攪拌行車結構及攪拌系統(tǒng)是本設計的重點和難點。由于固態(tài)

45、發(fā)酵物料黏度度較大，相較液態(tài)發(fā)酵而言，采用葉片式的攪拌器并不適宜，經(jīng)查閱《固態(tài)發(fā)酵技術與應用》和《攪拌設備》等書籍，本固態(tài)發(fā)酵設備應采用螺桿式的攪拌器，其流動狀態(tài)為軸流型。本設計中攪拌器隨行車而移動，當發(fā)酵箱體需要攪拌時，行車就移動到箱體的上方，然后對其攪拌。</p><p><b>　　管路系統(tǒng)</b></p><p>　　氣路系統(tǒng)設括有通風系統(tǒng)設計，氣缸運動系統(tǒng)設

46、計。</p><p>　　水路系統(tǒng)包括有噴灑加濕系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、接種系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。</p><p>　　氣路和水路設計主要考慮液壓氣壓設備和閥門的選擇，同時考慮管道的布置。</p><p><b>　　電氣控制系統(tǒng)</b></p><p>　　電氣控制系統(tǒng)的設計分為兩部分，一部分為行車的運動控制和噴灑控制，另一部分為是

47、箱體監(jiān)控系統(tǒng)的設計。箱體監(jiān)控系統(tǒng)的設計部分包括單片機數(shù)據(jù)采集，PLC狀態(tài)控制，PC上位機顯示三部分。單片機數(shù)據(jù)采集模塊及PLC狀態(tài)控制器通過串口與PC相連，PC作為數(shù)據(jù)顯示及控制終端，將單片機數(shù)據(jù)采集模塊收集到的溫濕度數(shù)據(jù)及PLC的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過串口傳送給電腦。</p><p><b>　　發(fā)酵箱的設計與選用</b></p><p><b>　　發(fā)酵箱的總體結

48、構</b></p><p>　　發(fā)酵箱提供生物生長的環(huán)境，可以阻止外物進入和內(nèi)部物質(zhì)的外溢，必須無毒、耐振動、不易腐蝕，有良好的攪拌、通風、散熱、冷卻系統(tǒng)，能夠進行無菌操作。目前，箱式發(fā)酵裝置有幾種類型，它包括敞開固定式、密閉固定箱式、移動箱式和多層箱式。本設計中參照移動箱式發(fā)酵裝置。將料床做成固定的，由一個或多個料床組成，上面加蓋，底部加篩網(wǎng)，從底部出料。箱體上方安裝攪拌行車，行車上的攪拌機裝置由傳

49、動裝置，軸封裝置，支座，工藝接管和一些附件組成。攪拌裝置由攪拌器組成，其形式通常由工藝設計而定。傳動裝置主要由電機，減速器，軸承支座，聯(lián)軸器和傳動軸等組成。通過行車的移動給需要攪拌操作的箱體進行攪拌及加濕操作。</p><p>　　發(fā)酵箱的幾何尺寸確定</p><p>　　已知：有效裝料容積2，即公稱容積為。</p><p>　　本設計為粕類固體發(fā)酵，采用箱式發(fā)酵裝

50、置，有利于提高攪拌效率，同時能使固體物料充分混合。因為是粕類固體發(fā)酵，本設計以豆粕固態(tài)發(fā)酵為例。常規(guī)豆粕發(fā)酵工藝一般采用米粉作為發(fā)酵基質(zhì)生產(chǎn)根霉孢子作為發(fā)酵劑。由于孢子萌發(fā)形成需要較長的延期（約7~10h），因此發(fā)酵時間較長需要48~72小時。本設計為48h為一個發(fā)酵周期，出料時間為3h。箱體壁的材料選用0Cr18Ni10Ti。</p><p>　　根據(jù)文獻[2]公式（8-1）</p><p&

51、gt;　　式中： ——公稱容積，；</p><p>　　——發(fā)酵箱全容積，；</p><p>　　——裝料系數(shù)，通?？扇?.6～0.85，對于物料反應平穩(wěn)且黏度較大的可取0.8～0.85，本設計取=0.8。</p><p><b>　　故</b></p><p>　　考慮攪拌器及其他附件體積，取全容積 。</p&g

52、t;<p>　　根據(jù)設計要求和實際情況，本設計立方體箱式發(fā)酵箱選定長=2m，寬b=1.5m,高h=0.8m。而符合要求。</p><p>　　對于不銹鋼發(fā)酵箱，其箱體的最小壁厚，由于本設計固體發(fā)酵箱壓力較小，故選取厚度為2mm即可滿足設計要求。發(fā)酵箱如下圖所示。</p><p><b>　　攪拌器結構設計</b></p><p>

53、<b>　　攪拌器葉輪與罐徑比</b></p><p>　　本設計攪拌器型式采用螺桿式攪拌器，如圖2-2所示。假設箱體是由若干個直徑D為0.75m箱體組成。由于是物料黏度較大，所以螺桿直徑與罐徑之比應取得大些，根據(jù)文獻[2]表2-4，可得螺桿直徑與罐徑比為：</p><p>　　式中： ——箱體直徑，mm；</p><p>　　——螺桿直徑，m

54、m。</p><p><b>　　攪拌器尺寸參數(shù)設計</b></p><p>　　由攪拌器與罐徑比，計算可得螺桿直徑為：</p><p>　　又因為根據(jù)文獻[2]表2-4取，所以 </p><p>　　于是得螺桿式攪拌器主要參數(shù)如下：</p><p>　　表3-1 螺帶螺桿式攪拌器主要參數(shù)/mm&

55、lt;/p><p>　　電機的初選與攪拌器功率計算</p><p>　　根據(jù)文獻[2]表2-4可以知道螺桿式攪拌器的轉(zhuǎn)速范圍為0.5～50r/min，常用介質(zhì)黏度范圍小于。劇烈的攪拌所施加的剪切力會影響霉菌的形態(tài)，促進菌絲過多分枝，而使產(chǎn)量下降，采用中等程度的攪拌對高產(chǎn)有利。根據(jù)實際情況可取攪拌器轉(zhuǎn)速為30r/min。</p><p>　　根據(jù)攪拌軸設計，當攪拌軸不移動

56、時，被攪拌的固體容積為</p><p>　　根據(jù)同類產(chǎn)品的攪拌電機的選用功率為2.2～2.8KW，故本設計中選用電動機的功率為。</p><p>　　根據(jù)電動機額定功率與攪拌器功率的關系</p><p>　　式中: ——電動機額定功率，kw；</p><p>　　——攪拌器功率,kw；</p><p>　　——軸封裝置

57、的摩擦損失功率,kw，本設計中；</p><p>　　——傳動裝置的機械效率，根據(jù)表9-15，本設計采用擺線針輪傳動，??；</p><p>　　k——功率裕度系數(shù)，k=1.15～1.25，本設計中取k=1.2。</p><p>　　因此攪拌器的功率為 </p><p>　　攪拌電機和減速器選用</p><p><

58、b>　　電動機的計算及選用</b></p><p>　　本設計選用工作時的攪拌速度為30r/min，故可考慮選用轉(zhuǎn)速較低的異步電動機，適用于啟動性能、調(diào)速性能及轉(zhuǎn)差率均無特殊要求的一般機械設備。所選用的電動機額定功率為3KW。</p><p>　　根據(jù)文獻[1]選用電動機型號為Y132S-6，參數(shù)如下：</p><p>　　表3-2 電動機參數(shù)&l

59、t;/p><p><b>　　減速器的選用</b></p><p>　　由于電動機的轉(zhuǎn)速和攪拌器轉(zhuǎn)速相差較大，要求減速器有比較大的傳動比，本設計中，考慮采用擺線針輪減速器，具有傳動比大、傳動效率高、結構緊湊、體積小、質(zhì)量輕、壽命長、運轉(zhuǎn)可靠平穩(wěn)、噪音低、拆裝方便和容易維修等特點。</p><p>　　減速器的選用可參照文獻[3]的選用方法，根據(jù)表3

60、7.1-32，確定減速器載荷性質(zhì)為中等沖擊載荷，其選用系數(shù)為 </p><p>　　傳動比 ,選i=35</p><p>　　根據(jù)文獻[3]式37.1-21，輸出轉(zhuǎn)矩 </p><p>　　式中———計算輸入功率（kw）</p><p>　　———輸入功率（kw）</p><p><b>　　———&l

61、t;/b></p><p>　　———表37.1-103、104中指定的輸入轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　———減速器實際入軸的轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　———在指定轉(zhuǎn)速時，許用輸入功率（kw），見表37.1-103、104；</p><p>　　由表6.69查出：5B號機型，傳動比35的減速器。因此選擇的擺線針

62、輪減速器為ZWD 3.0-5B-35機型。其安裝、連接和外形尺寸可參照參數(shù)如下：</p><p>　　表3-3 電動機和減速器的安裝、連接及外形尺寸/mm</p><p><b>　　聯(lián)軸器的選用</b></p><p>　　本設計的減速器的軸與攪拌軸的連接采用連軸器連接。</p><p>　　減速器軸的輸出轉(zhuǎn)矩 (其

63、中P單位為KW，n為r/min)</p><p>　　根據(jù)文獻[3]表41.1-1取工況系數(shù)K=1.7。</p><p>　　根據(jù)文獻[3]式41.1-1。采用彈性柱銷聯(lián)軸器，特點是傳遞轉(zhuǎn)矩大，結構簡單，工作可靠，維護簡便，能補償安裝誤差。根據(jù)文獻[6]表17-5，選用彈性柱銷聯(lián)軸器LX4聯(lián)軸器，其尺寸參數(shù)如下：</p><p>　　表3-4 聯(lián)軸器尺寸參數(shù)/mm&

64、lt;/p><p>　　行車氣缸與導軌的選用</p><p>　　由于螺桿攪拌軸在固體攪拌中的移動阻力并沒有成熟的計算理論，在設計中選用氣缸時則需要知道行車行進時螺桿的移動阻力。由于螺桿移動時攪拌電機是處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，因些阻力相對較小。通過參考犁體耕作運動的一些相關資料，犁體在耕作泥土的運動受力不大，阻力一般于在3kN左右，因此，我們在計算螺桿攪拌軸在固體攪拌中的移動阻力時，可參照以下計算方法來

65、估算。</p><p>　　計算行車Z向氣缸的推力</p><p>　　當攪拌器下行時，，設Z向?qū)к壟c電機減速器的總重為300Kg。</p><p>　　當攪拌器上行時，。又因為Z向?qū)к壟c電機減速器的質(zhì)量通常比下行的阻力要大，所以。</p><p><b>　　聯(lián)立以上三式可得</b></p><p&

66、gt;　　為保證氣缸工作不會出問題，計算推力應為理論推力乘以系數(shù)K。Z向氣缸的計算推力：，根據(jù)氣缸的推力計算公式可得Z向氣缸的直徑，因為QGBZ系列重型氣缸堅固耐用，可在惡劣的環(huán)境下使用，外形尺寸符合ISO標準。因此根據(jù)文獻［8］表22-4-28選用D=160mm.的氣缸，型號為QGBZMF1-1200-16。安裝型式為前法蘭式。</p><p>　　Z向采用燕尾形滑動導軌，根據(jù)燕尾槽（JB/ZQ4241-199

67、7）文獻[7]表1-5-13來確定導軌的截面尺寸。</p><p>　　表3-5 燕尾槽尺寸參數(shù)/mm</p><p>　　計算行車Y向無桿氣缸的推力</p><p>　　設Y向?qū)к壣纤惺艿闹亓繛?50Kg。燕尾槽上的滑動摩擦系數(shù)為。</p><p>　　因為攪拌器為螺桿攪拌器，行車在箱體中進給行走攪拌時所受的阻力并不大，因此設Y向進給行走

68、阻力</p><p><b>　　因此</b></p><p>　　為保證氣缸工作不會出問題，計算推力應為理論推力乘以系數(shù)K。Y向無桿氣缸的計算推力：。根據(jù)氣缸的推力計算公式可得Z向氣缸的直徑。根據(jù)文獻［8］表22-5-29選用D=100mm.的MY1B系列機械接合式無桿氣缸，氣缸直徑為100mm，行程為1800mm。型號為MY1B100-1800。</p>

69、;<p>　　因為Y向?qū)к壋惺芰乇萙向小，因此Y向?qū)к壊捎镁匦谓孛妗?lt;/p><p>　　計算行車X向卷揚機的拉力</p><p><b>　　計算拉力</b></p><p>　　卷揚機通過鋼絲繩拉動行車進行攪拌時，行車受到的阻力主要有導軌的阻力和攪拌軸移動時受到物料的阻力，受力示意圖如下。</p><p&

70、gt;　　因為攪拌器為螺桿攪拌器，行車在箱體中進給行走攪拌時所受的阻力并不大，因此設Y向進給行走阻力。</p><p><b>　　因此</b></p><p>　　其中為物料阻力系數(shù)，為摩擦系數(shù)，因為是滾動摩擦，取0.1。</p><p>　　為保證電機的拉力，計算拉力應為理論拉力乘以安全系數(shù)K。X向卷揚機的計算拉力：。</p>

71、<p><b>　　選用電機</b></p><p>　　為計算卷揚電機的功率與減速比，設行車攪拌時的最大進給速度，行車不攪拌時的最大空載前進速度為。根據(jù)。為保證卷揚機有足夠的拉力，故卷筒電機的額定功優(yōu)選法選。</p><p>　　根據(jù)文獻[1]選用電動機型號為Y112M-6，參數(shù)如下：</p><p>　　表3-6 電動機參數(shù)&l

72、t;/p><p>　　鋼繩的直徑選用d=6mm，選卷筒直徑D=300mm。由安裝結構可得鋼繩的最小取l=32m。</p><p>　　鋼繩每圈寬為6mm，共有n圈，且?？倢抌=6·n=204mm，故卷筒長取L=300mm。</p><p><b>　　選用減速器</b></p><p>　　根據(jù)減速電機轉(zhuǎn)速與行車前

73、給速度的關系可得：</p><p>　　當行車攪拌時的最大進給速度時，。</p><p>　　當行車不攪拌時的最大空載前進速度為時，。</p><p>　　減速器的選用可參照文獻[3]的選用方法，根據(jù)表37.1-32，確定減速器載荷性質(zhì)為中等沖擊載荷，其選用系數(shù)為 </p><p>　　傳動比 ,表37.1-104選i=17</p&

74、gt;<p>　　根據(jù)文獻[3]式37.1-21，輸出轉(zhuǎn)矩 </p><p>　　式中———計算輸入功率（kw）</p><p>　　———輸入功率（kw）</p><p><b>　　———</b></p><p>　　———表37.1-103、104中指定的輸入轉(zhuǎn)速（r/min）</p>

75、<p>　　———減速器實際入軸的轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　———在指定轉(zhuǎn)速時，許用輸入功率（kw），見表37.1-103、104；</p><p>　　由表6.69查出：4B號機型，傳動比17的減速器。因此選擇的擺線針輪減速器為ZWD 2.2-4B-17機型。其安裝、連接和外形尺寸可參照參數(shù)如下：</p><p>　　表3-7 電動機和減

76、速器的安裝、連接及外形尺寸/mm</p><p><b>　　選用聯(lián)軸器</b></p><p>　　本設計的減速器的軸與卷揚軸的連接采用連軸器連接。</p><p>　　減速器軸的輸出轉(zhuǎn)矩(其中P單位為KW，D為m)</p><p>　　根據(jù)文獻[3]表41.1-1取工況系數(shù)K=1.3。</p><

77、p>　　根據(jù)文獻[3]式41.1-1。采用凸緣聯(lián)軸器，特點是傳遞轉(zhuǎn)矩大，結構簡單，工作可靠，維護簡便。根據(jù)文獻[6]表17-5，選用凸緣聯(lián)軸器GY6聯(lián)軸器，其尺寸參數(shù)如下：</p><p>　　表3-8 聯(lián)軸器尺寸參數(shù)/mm</p><p>　　管道接口及氣、水路的設計及溫度控制方法</p><p><b>　　管道接口</b></

78、p><p>　　加濕、接種與清洗噴灑管道安裝在行車上面。</p><p><b>　　溫、濕度傳感器接口</b></p><p>　　測溫口考慮到發(fā)酵箱內(nèi)存在著局部溫差，故在箱體上設置2個測溫點。測溫元件采用熱敏電阻，測溫點位置應均布在箱體箱壁上。</p><p>　　因為箱體上部排出的氣體所含水分直接反映了罐內(nèi)物料的濕度，

79、本設計通過測箱內(nèi)的空氣濕度來得到物料的濕度。</p><p><b>　　氣路設計</b></p><p>　　微生物在繁殖和好氧性發(fā)酵過程中都需要氧，一般是以空氣作為氧源，被通入發(fā)酵系統(tǒng)。但空氣中含有多種微生物，這些微生物一旦隨著空氣進入發(fā)酵系統(tǒng)，它們也會大量繁殖，不僅消耗大量的營養(yǎng)成分，還可能產(chǎn)生各種各樣的代謝產(chǎn)物，影響和破壞發(fā)酵的正常進行，危害極大。因此，空氣必

80、須經(jīng)過過濾除菌后才能通入發(fā)酵箱。</p><p>　　由于本設計中的物料為固體屬于深層通風發(fā)酵，除了要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還需具有一定的壓力，因此我們選用羅茨風機。采用以一個羅茨風機集中的為8個發(fā)酵箱供氧的方案。每個箱體的供氧管道上加裝節(jié)流閥，流量計和截止閥等，以實現(xiàn)對每個箱體的風量進行監(jiān)測與控制。</p><p>　　羅茨風機為容積式風機，輸送的風量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例，葉輪端面和風

81、機前后端蓋之間及風機葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪的帶動下風從風機進風口沿殼體內(nèi)壁輸送到排出的一側(cè)。風機內(nèi)腔不需要潤滑油，高效節(jié)能，精度高，壽命長，結構緊湊，體積小，重量輕，使用方便，產(chǎn)品用途廣泛。</p><p><b>　　水路設計</b></p><p>　　加濕、接種與清洗管道安裝在行車上面。行車移動到對需要加溫、接種或者清洗的發(fā)酵箱上進行操作。本設

82、計直接采用自來水進行清洗。而清洗管道是與與加濕、接種管道共同使用，可集加濕、清洗和接種三功能于一個噴灑管道。加濕采用型號為M-052PE的水泵，該水泵的參數(shù)見表4－1。</p><p>　　表4-1 PM-052PE水泵參數(shù)</p><p>　　由于加濕和接種的工作相似，都是通過泵將水從箱體上部噴灑到箱體內(nèi)。由于用于接種的泵因為接種液要求不能被污染，并且接種液的量不大。因此本設計選用北京北

83、方科儀公司生產(chǎn)的蠕動泵BT01，這種泵具有免除污染，將柔性或半柔性管子置入泵頭,當電機旋轉(zhuǎn)時,泵頭壓碾壓泵管生產(chǎn)真空并驅(qū)動液體。由于液體完全管內(nèi)輸送,泵和液體都不受污染,是泵送液體的理想設備；易于維修，沒有閥或密封元件,切實節(jié)省因阻塞,腐蝕,密封泄漏等引起的費用。該泵的參數(shù)見表4－2。</p><p>　　表4-2 蠕動泵參數(shù)</p><p><b>　　溫度控制</b&g

84、t;</p><p>　　因為橡膠發(fā)熱片為薄片狀（標準厚度為1.5mm），它具有很好的柔軟性，可以與被加熱物體完全緊密接觸。能夠讓熱量傳遞到任何所需的地方。溫度使用范圍-60℃—250℃加熱。電壓可以根據(jù)用戶要求定制，最高功率密度2.1W／cm2。加熱芯有高阻合金絲與金屬箔兩種。主要用于柜體箱體保溫、驅(qū)潮濕、加熱，及電器元件的供熱，醫(yī)療、保健、機器設備等元件的加熱、保溫、伴熱、及機械設備的油路管道保溫、防凍等場合

85、。因此本設計的加熱方法采用硅膠發(fā)熱片貼在箱壁上直接對箱體進行加熱，外加保溫材料對箱體進行保溫?？赏ㄟ^傳感器反饋的信息，對箱體進行斷續(xù)加熱來達到恒溫控制的目的。降溫剛可通過通空氣及噴水加濕的手段來實現(xiàn)。</p><p><b>　　電氣控制設計</b></p><p><b>　　概述</b></p><p>　　本箱式發(fā)酵

86、裝置的控制系統(tǒng)分為兩部分，包括行車控制系統(tǒng)和箱體監(jiān)控系統(tǒng)。行車控制系統(tǒng)位于行車上，采用PLC作為控制器，主要是用于控制行車的運動及開閉噴灑管路等，箱體監(jiān)控系統(tǒng)則采用51單片機+PLC作為控制的核心，用于對溫濕度的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，并利用PC上位機實現(xiàn)對溫度的控制采集和濕度的數(shù)據(jù)采集，超溫超濕報警。 </p><p>　　箱體監(jiān)控系統(tǒng)設計（51單片機+PLC）</p><p>　　單片微型計算

87、機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）。它是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上，相當于一個微型的計算機。本設計中采用基于8051內(nèi)核的單片機為主要的控制芯片，選用熱電阻為主要的測溫傳感器，濕度測量則選用數(shù)字溫濕度一體化傳感器，利用51單片機的串口通信把測量到的溫度信息傳給PC上位機，實現(xiàn)對多個發(fā)酵箱的實時溫濕度監(jiān)控。PC上位機與PLC也采串口通信的方式，當溫濕度超過設定值時，上位機將自動改變通風電

88、磁閥狀態(tài)及噴灑模式。</p><p><b>　　傳感器的選用</b></p><p>　　溫度傳感器的選用。因為發(fā)酵箱是采用加熱片直接加熱的，由于熱量傳遞的滯后性問題，箱內(nèi)物料溫度相對于箱壁的有滯后問題，發(fā)酵時發(fā)酵箱壁的物料溫度變化范圍一般是0℃～150℃之間，根據(jù)以上的數(shù)據(jù)選擇采用熱敏電阻傳感器進行測溫。在每個發(fā)酵箱側(cè)壁有兩個測溫點，采用熱敏電阻測溫，通過與設定溫

89、度比較后，通斷發(fā)熱片的繼電器來實現(xiàn)恒溫控制的目的。溫度數(shù)據(jù)經(jīng)單片機收集后，通過串口傳給PC機，利用PC機實現(xiàn)對溫度的在線監(jiān)測。1～8號發(fā)酵箱依次分配e1-e16端口作為測溫點， P1.0-P1.7作為發(fā)熱片控溫點。</p><p>　　濕度傳感器的選用。粕類固體的最佳濕度是85％～97％，發(fā)酵箱內(nèi)的濕度范圍為0％～100％，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選用DHT21/AM2301電容式數(shù)字溫濕度一體化傳感器，該傳感器的參數(shù)下表

90、。每個發(fā)酵箱箱蓋上裝有一個數(shù)字溫濕度一體化傳感器，P2.0-P2.7作為測濕點，濕度數(shù)據(jù)經(jīng)單片機收集后，通過串口傳給PC機，利用PC機實現(xiàn)對溫濕度的在線監(jiān)測。</p><p>　　表5-1 DHT21傳感器參數(shù)</p><p>　　基于51單片機的溫濕度采集</p><p>　　控制系統(tǒng)有16個測溫輸入點（模擬量輸入），8個測濕輸入點（數(shù)字量輸入），8個繼電器觸點，

91、1個報警器輸出點。</p><p>　　采用AT89S52單片機作為控制核心，兩塊ADC0809芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。</p><p>　　其中一個發(fā)酵箱的溫度傳感器及濕度傳感器接線圖、51核心系統(tǒng)接線圖和上位機通訊電路圖。如圖5-1、圖5-2和圖5-3所示</p><p>　　箱體PLC控制部分設計</p><p>　　PLC的選型主要根據(jù)

92、控制對象所需的I/O點數(shù)，被控量的性質(zhì)：如開關量或者模擬量，以及是否要求聯(lián)網(wǎng)通信等。根據(jù)以上要求，考慮到I/O量都是開關量，選用FX系列可編程序控制器即可滿足原有的控制要求。箱體監(jiān)控I/O分配如下表：</p><p>　　箱體監(jiān)控I/O分配如下表：</p><p>　　表5-2箱體監(jiān)控I/O分配表</p><p>　　箱體監(jiān)控部分電氣原理圖和接線圖：</p&g

93、t;<p><b>　　上位機監(jiān)控軟件編制</b></p><p>　　本設計中的上位機界面如下圖所示，本上位機軟件是采用力控圖形界面開發(fā)軟件制作的，也可以采用圖形化編程軟件Labviews編制，或者采用VB，VC++等軟件制作。</p><p><b>　　行車控制系統(tǒng)</b></p><p>　　行車控制

94、I/O分配如下表：</p><p>　　表5-3行車控制I/O分配表</p><p>　　行車控制電氣原理圖和接線圖：</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　2012年4月6日，在指導老師的指導下我開始了我的畢業(yè)設計，即大容量間歇出料工業(yè)化固體發(fā)酵設備的設計。時至今日，畢業(yè)設計也已接近尾聲了，

95、經(jīng)過將近兩個多月的奮斗，終于完成了畢業(yè)論文。</p><p>　　畢業(yè)設計是我們大學生學習的最后一個階段，是對我們所學知識的一次綜合性的檢驗和評測，是一次綜合的再學習、在提高的過程。畢業(yè)設計是大學畢業(yè)生的一個重要環(huán)節(jié)，也是我們進入社會工作前的一次極好的鍛煉，學校對畢業(yè)生的畢業(yè)設計也是高度重視和嚴格要求。</p><p>　　經(jīng)過兩個將近兩個多月的畢業(yè)設計，通過查閱大量工業(yè)化固體發(fā)酵設備相關

96、的專業(yè)書籍和參考文獻，讓我學習了很多相關的化工固體發(fā)酵設備知識，更深入的掌握了機械結構設計和電氣控制設計的相關步驟，了解了固體發(fā)酵在現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中的意義和重要性。對固體發(fā)酵箱的結構形式、傳動裝置、管道回路以及電氣控制方式等有了更進一步的了解。同時，這次設計也讓我在校所學的理論基礎知識和實際有了更好的結合，也得到了很好的鍛煉，培養(yǎng)了我對資料的收集、閱讀、分析與運用方面的能力。</p><p>　　本次設計內(nèi)容主要分

97、為機械機構、氣路水路系統(tǒng)和電氣控制三大部分，并圍繞此重點細化設計內(nèi)容。通過大容量間歇出料工業(yè)化固體發(fā)酵設備的設計，我對固態(tài)發(fā)酵的發(fā)展現(xiàn)狀和前景有了更深刻的了解，熟悉了影響固體發(fā)酵過程的重要控制參數(shù)，掌握了其溫度、濕度和通風系統(tǒng)的控制原理。初步掌握固體發(fā)酵罐機械結構的設計方法，攪拌設備機械結構和攪拌系統(tǒng)的設計方法。此外還包括固體發(fā)酵攪拌的PLC控制系統(tǒng)，箱體溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)酵過程通風系統(tǒng)的設計方法。在本次設計中，主要解決的問題包括攪

98、拌器形式的選用，參數(shù)檢測及控制方式，箱體接口分布，氣路水路分布，電氣控制方式等。</p><p>　　在此次畢業(yè)設計過程中，由于自己知識和經(jīng)驗局限，對工業(yè)化固體發(fā)酵設備的相關知識了解還不夠深入，從中遇到了不少問題，走了不少彎路。通過與導師及同學交流，充分利用網(wǎng)絡及圖書館的資源，細心查閱參考文獻、學習各種資料，最終得以解決設計中所遇到的問題。通過這次畢業(yè)設計，加強了自己對所掌握的知識的鞏固和進一部的深刻理解，使我的

99、理論知識和實際有了很合的結合與實踐；這是也是對自己設計能力的一次全面的檢驗和提升。</p><p><b>　　鳴 謝</b></p><p>　　本設計是在**老師的不斷悉心指導下完成的。張老師在指導我做畢業(yè)設計過程中給予了很大的幫助，無論是在設計總體方案上還是發(fā)酵設備機械結構方面都向我提出了很多寶貴的意見，是我這次畢業(yè)設計得以順利完成的一個重要因素。在此，首先向

100、張老師表示衷心的感謝。同時，我要感謝在設計過程中給予我?guī)椭?老師，感謝您在百忙之中抽空解答我在設計中遇到的問題，特別是在發(fā)酵設備PLC控制方面給予了我很大的幫助。還要感謝在本次設計中幫助我的老師和同學，感謝他們在設計中給我的意見和幫助。</p><p>　　由于自己的知識有限，此次畢業(yè)設計還存在很多的不足之處，希望各位老師給予批評指正!</p><p>　　最后感謝大家給我的大學學習工作

101、生活畫上一個完美的句點！謝謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 成大先 [機械設計手冊]減（變）速器電機與電器.北京：化學工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[2]王凱，虞軍.[攪拌設備].北京：化學工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3]徐灝.[ 機械設計手冊]第

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