直流电动机错位无环流调速系统设计.docx
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直流电动机错位无环流调速系统设计
直流电动机错位无环流调速系统设计
摘要
真空斩拌机是农产品加工和肉食加工的关键设备之一。
目前，国际上有德国的Seydelmann公司、奥地利的Laska公司、瑞士的Alpena公司等生产厂商生产真空斩拌设备；国内天津蒲英机械有限公司生产出第一台国产真空斩拌机，相继又有一些厂商生产该设备真空斩拌机就是在真空状态下进行斩拌，他斩出来的肉纤维不会变质，不会破坏肉的纤维，斩拌机利用斩刀高速旋转的斩切作用，将肉块，碎肉，脂肪等主要原料精细的斩切成肉馅或肉泥，同时将其它原料如水，冰片，辅料一起搅拌成均匀的乳状物。
斩刀高速旋转，可以缩短运行时间，减少物料发热量，保持馅料的天然色泽、弹性、出品率和产品的保质期。
常见的真空斩拌机控制方式有继电器直接控制、PLC和计算机结合以及PLC和配料控制器结合三种控制方式。
采用PLC和配料控制器结合控制的真空斩拌机性能可靠、性价比高，可以提高效率。
作为现代真空斩拌机的核心，控制及监控程序在计量精确、控制可靠、管理方便等方面发挥的作用日益显著，人们对其要求也日益提高。
此外，由于转盘锅等主要部位采用不锈钢材料，干净卫生，便于清洗。
本文针对PLC和配料控制器结合控制的真空斩拌机来设计其控制及监控程序。
设计中主要要完成的任务有真空斩拌动作原理、电气控制图、PLC的I/O分配及PLC程序的梯形图。
关键词：
真空斩拌机,可编程控制器（PLC）,电气控制
VacuumBowlCutterElectricalControlDesign
Abstract
VacuumBowlCutteristheprocessingofagriculturalproductsandoneofthekeyequipmentinmeatprocessing.Currently,thereareGermanSeydelmanninternationalcompanies,Laska,Austria,Switzerland'sAlpenaproductioncompanies,manufacturersofvacuumchoppingequipment;PoYingMachineryCo.,Ltd.Tianjin,Chinaproducedthefirstdomesticvacuumcutter,therehavebeenanumberofTheequipmentmanufacturersisthevacuumcutterchoppingundervacuum,andhecutoutthemeatfibersdonotdegenerate,willnotdamagethemeatfibers,cutterknifeusinghigh-speedrotationofthechopchopcuttingaction,themeat,mincedmeat,fatandothermajorrawmaterialscutintomeatorfinemess,whileothermaterialssuchaswater,borneol,accessoriesemulsionwithmixingintouniformmatter.Chopperrotatingathighspeed,canreducetheruntime,reducetheheattomaintainthenaturalcolorfillings,flexibility,productyieldandproductshelflife.
VacuumBowlCuttercommoncontrolwithdirectcontrolofrelays,PLCandcomputerintegrationandcontrolwithPLCandthreecontrolingredients.CombinedwithPLCcontrolandbatchingcontrollersvacuumcutterreliable,cost-effective,canimproveefficiency.Modernvacuumcutterasthecore,controlandmonitoringproceduresinthemeasurementofprecise,reliablecontrol,easymanagementhasplayedanincreasinglysignificantrole,peopleareincreasingtheirrequirements.Inaddition,othermajorpartsofrotarypanstainlesssteel,clean,easytoclean.
Inthispaper,andbatchingcontrollerswithPLCcontrolofvacuumcuttertodesignthecontrolandmonitoringprocedures.Designofthemaintaskstobeaccomplishedbyvacuumchoppingactionprinciple,electricalcontrolchart,PLC'sI/OallocationandPLCladderprogram.
Keywords:
vacuumcutterprogrammablecontroller（PLC）electricalcontrol
第一章绪论
1.1选题背景及意义
真空斩拌机是农产品加工和肉食加工的关键设备之一。
目前转速最快、效率最高、操作最方便的国内最先进的ZB-330L斩拌机于今年3月正式问世。
ZB-330L斩拌机是为了满经济日益增长的肉产品企业，提高效率、减少劳动力、降低风险而专门设计制作的机斩拌机目前在国内是最大最先进的。
主要提供给我国大中型肉、鱼产业的生产商。
同时此种产品以拟好出口与发展中国家的计划，预计几个月后就可以实现。
先进性、使用合理化、稳定性，都是我们国内设备势待提高的。
要让汉普公司摆脱低价的市场竞争，必须要靠更先进，更适合市场需求的自我研发设备来占领市场。
用更合理的设计，更简单的工作方式来提高设备使用性能，进一步降低机械制造成本。
1.2真空斩拌机国内现状
国内斩拌机主要依赖从日本、韩国、德国、荷兰等国进口，国内生产的斩拌机与国外的先进设备比较，设计理论落后，性能单一，工作稳定性差，对食品的品质影响较大。
目前，国内能反映斩拌机发展的先进水平。
设计理论先进，功能多样，性能稳定，性能价格比高的斩拌机不管从设计上还是从生产的产品几乎上还是空白的。
真空斩拌机是香肠制馅工序应用真空技术的关键设备，我国过去完全依靠进口，进口设备价贵、维修费高，售后服务也有很多困难。
天津浦英机械有限公司经过科技攻关，成功研制出国内首台具有国际先进水平的真空斩拌机，最近通过天津市科委科技成果鉴定，现已批量生产供应“双汇”等大型企业使用并实现出口，结束了我国不能生产此类先进设备的历史。
真空斩拌机在发达国家熟肉制品加工行业应用已有40多年的历史，真空技术在香肠制馅工序中的应用，使香肠内在质量得到很大提高，肉馅在真空状态下斩切、搅拌和乳化，可以防止各种营养成分被氧化破坏及细菌的滋生，从而最大限度保持原料肉中的营养成分，提高产品的细密度、亲水性及弹性，延长产品货架期，是真空定量灌肠生产线不可缺少的重要设备。
我国一些大型肉类加工企业近年来纷纷进口这种设备用于生产，130万元左右的价格令大企业咋舌、中小企业却步。
天津浦英公司总经理吕永泉对记者说，中国去年肉产量达6400万吨，但肉食加工率不到8％，90％以上还是吃原料肉，熟肉制品加工业具有广阔市场和巨大的加工空间。
天津浦英作为生产斩拌机的龙头企业有责任为中国肉食加工产业提供先进装备。
天津浦英研制的真空斩拌机高起点设计、高水平配置，瞄准国际先进水平，采用计算机辅助设计，国际采购优质零部件，保证了产品的先进性和可靠性。
据浦英科研人员介绍，真空斩拌机设计制造难在机器在高度旋转下保持真空，运转中不跑冒滴漏，电器控制先进可靠。
为此他们设计了先进的刀轴传动系统，提高了“刀轴转速”这一斩拌机主要性能指标。
为了保证密封，科研人员特殊设计了“螺旋密封、迷宫密封、唇式密封”相结合的三重密封结构，确保了设备长期使用不漏油、不进水和其他物质。
先进的新一代可编程序控制器PLC电控系统是真空斩拌机的又一突出特色，它抛开了继电器电路，使机器在人性化、控制力、联动性、可靠性等多方面达到国际先进水平。
此外，由于转盘锅等主要部位采用不锈钢材料，干净卫生，便于清洗。
1.3本文的主要工作内容
真空斩拌机在香肠制馅，淡水鱼方便食品加工等多方面都是重要的设备。
以机械设计理论和机电一体化技术为主要的理论基础，同时涉及有关机械设备电器控制、机械制造工艺学、工程制图等学科的知识。
应用相关的软件完成零件的设计计算和绘图，完成电气控制部分的分析和出图工作。
本课题完成以后，希望所设计的设备能够实现国产化，设计图样直接作为设
备国产化生产的技术依据，也为以后的设计积累设计经验，所进行的理论探讨能
为以后相关设备的设计提供帮助。
直接应用到生产实际当中，满足国内企业生产的要求，提高产品加工行业的技术水平，增加产品的附加值，推动产加工行业的技术进步。
本论文的主要任务有：
（l）参考进口设备，绘制斩拌机的总装图和零件图。
（2）真空斩拌机工艺分析。
（3）进行斩拌机的电气控制设计。
第二章真空斩拌机总体设计
2.1真空斩拌机结构和特性
2.1.1斩拌机的结构及功能
斩拌机主要由斩拌锅及传动机构、出料机构、提升机构、斩拌刀及传动机构几个部构成。
（1）提升机构采用液压提升，可以将物料提升并倒入斩拌锅；
（2）斩拌刀在刀轴的带动下快速旋转对物料进行切割；
（3）斩拌锅可以水平转动使得国内的物料可以得到均匀的切割并实现初步搅拌；
（4）出料机构通过一个转动的圆盘将物料从斩拌锅内带出，并沿着出料口装入到
料输送车内。
图2-1斩拌机外形
图2-2斩拌机总装配图
（1）切刀
切刀由一组锋利的刀片组成。
刀片都用不锈钢制成，刀片数量有2、3、4、6、8及10个，刀片成对地利用法兰盘定位在轴上，沿周向均匀布置。
刀尖和转盘之间保持小于1mm的缝隙。
刀头应经过平衡（动、静），保证高速转动而不产生振动。
刀具采用键传动，并用反旋螺母固定，以防松动。
切刀垂直置于转盘槽的横截面中心，在刀轴带动下高速旋转，刀轴转速为1000～4000r/min，一般为2000r/min。
为保证安全有防护罩。
刀具直径（刀尖运动轨迹）应与转盘槽的圆弧适应,根据转盘容量大小，刀具直径也相应地变化,并且，对于多把刀片的刀组，各刀片长短不一样，内外刀片不能装错。
（2）转盘
转盘用不锈钢制成，形状如图1所示，内盛肉料。
转盘的制造精度和安装精度要求较高，并要求平稳转动，其转速有单速、双速、三速几种，一般为4～6r/min，其容积一般有10、20、60、200、300及500L。
（3）排料装置
它主要由出料盘、电机、减速器、刮板、出料槽、摇臂等组成。
出料盘是一个用不锈钢板或无毒塑料制成的圆盘，它的大小与盛料转盘圆槽直径相近似。
紧贴盘后面设有一个刮板，当出料转盘由一个小型电机经过减速器和转轴带动由里向下、向外旋转时，将盛料盘中的肉料带起，然后再被刮板刮离盘面，由出料槽导出机外。
出料盘的转速一般低于100r/min。
（4）上料装置
当一次加工量大于120kg时，一般均采用自动上料装置投料，如图2所示。
利用油缸作用，经一个转臂将料车举起并翻转卸料。
此外，还有真空斩拌机和蒸煮斩拌机，即在真空状态下进行斩拌和在斩拌的过程中进行蒸煮。
（5）上盖
由不锈钢制成，分上下两层，有绝缘体充填其间，能够隔音。
这样既可防止高速切割时细小肉料四处飞溅，噪音外传，有利于安全，也可改善卫生条件和降低肉糜温度。
对于真空斩拌机，盖子的密封性能要良好。
（6）控制装置和传动机构
利用按钮盒或悬挂式操纵盒控制，有的装有温度表和电子转盘转数器。
传动机构见图3。
图2-3斩拌刀图2-4刀轴
图2-5斩拌锅
2.1.2斩拌机的特性
斩拌机是所有午餐肉和火腿肠等肉制品所必需的加工设备，该设备通过一组高速运转的刀片，对原料肉进行切割粉碎，并加入其他配料进行简单的搅拌，使原料形成2一3毫米大小的肉糜。
3MZI系列全自动设备具有如下特点:
（l）刀轴:
本设备刀轴采用合金钢制作，通过二次热处理之后，再进行探伤，确保其能够在66kw的电机带动下以3000转/分的速度运转；
（2）转速:
本设备采用3000转/分的转速进行斩拌，高速切割减少了对原料肉形态和营养成分的破坏程度；
（3）刀和刀架:
该设备使用的刀具采用优质合金钢制作，刀架特殊的结构是的刀具的安装以及刀具的工作半径可以十分方便地进行调节；
（4）制动:
本设备采用汽车液压制动鼓进行制动，在生产过程中，一旦发现偶然进入的杂质，可以立即按下操作面板上的急停按钮，设备可以在1一2秒时间里使3000转/分的高速运转的刀轴停止转动；
（5）电机:
本设备采用了定制的全封闭机构，具有三防功能的电机，两端轴承由中央润滑系统自动定时润滑，大大延长了维修保养的周期和电机的使用寿命，同时该电机还具备启动电流小、散热效果好等优点；
（6）润滑:
本设备配置了中央润滑系统，由PC进行自动控制，它可以对机器所有的润滑点进行分路润滑，润滑时间和注油量可以根据用户需要进行设置；
（7）液压系统:
本设备进、出料装置及刀具防护罩斗采用液压驱动，设计合理、操作方便，并且都设有过载保护；
（8）材料:
本设备所有与原料发生接触的部件均采用不锈钢材料制作，机架采用不锈钢整体包制，然后再进行喷砂处理，完全满足食品加工的安全和卫生要求。
（9）操作:
本设备设有集中操作台，控制面板配有形象的图示说明，使操作人员非常直观地了解各个操作部位的功能，方便了操作人员的使用。
（10）清洗:
本设备在设计时在防水方面作了很多考虑，用户可以放心地对机器需要经常清洗部位进行冲洗，可以使用食用清洁剂；
（11）平衡:
本设备通过合理的设计，机架采用整体浇铸，各种旋转件都安装了减震装置，高速旋转件经过严格的动平衡校验，所以虽然运转速度非常快，但是却具备运行平稳、噪声小等特点；
（12）安全:
本设备设有许多安全保护，一旦操作违反安全规定，PC机将通过控制程序对机器进行锁定，机器被锁定之后，您必需让机器复位，并按照正确的操作程序进行操作，机器方能启动；
2.1.3斩拌机的技术参数
表2.1斩拌机技术参数
型号
ZB-125
ZB-80
生产能力
100kg/锅
60-80kg/锅
斩刀速度
1800/3600r/min（可变频无级调速）
1680/3450r/min（可变频无级调速）
斩刀数量
6把
6把
斩锅转速
9/13r/min
7/16r/min
出料盘转速
82rpm
82rpm
机器重量
约1.8T
约1.45T
总功率
21.48KW
13.98KW
外形尺寸
1990×1490×1360mm
1820×1360×1250mm
价格
80000
50000
2.2设备工作条件和满足要求
参考日本同类设备的加工能力和技术参数，对淡水鱼方便食品斩拌设备的稳
定加工能力，确定为每次出料鱼糜80一1OOKg，加工时的载荷平稳而稳定，单班制，单向运转，每年250个工作日，预期使用寿命10年，动力机为电动机，要求电动机在一定范围内转速可调，工作环境湿度较大，要求清洁卫生。
（1）强度要求。
斩拌机在有负载的条件下，各个零件的强度要在许用范围之内，且有一定的安全裕度。
机械设计中，对于轴类零件，主要考虑轴的扭转强度以及弯扭合成强度;对于斩拌设备的工作部分—刀片的使用要求而言，需要在斩拌时能够斩拌鱼肉，打碎小冰块，以及各种调料如姜片等，故应有足够的强度，能够耐磨耐蚀；支架、料釜、胶带等也都有强度要求。
（2）刚度要求。
如果零件的刚度满足不了要求，将影响机器的正常使用，对于淡水鱼方便食品斩拌设备而言，刚度要求主要考虑传动轴的扭角，斩拌刀片的扰度等，这些数值均应在相应的许用值范围内，且有一定的安全裕度。
（3）可靠性要求。
要求淡水鱼方便食品斩拌设备在规定的使用条件和使用时间内，不失效地发挥规定职能的概率不小于0.85。
对于其工作能力，要求淡水鱼方便食品斩拌设备每天工作8小时，稳定工作时每次出料80一100千克，设备工作稳定，在15000小时内无大修。
（4）卫生要求。
淡水鱼方便食品斩拌设备的产品，是食品原料，因而对加工过程和所加工产品的卫生要求是很严格的，不能由设备附带给产品对人的身心健康有害而后续消毒灭菌工序又无法消除的毒素或其它物质，为此，除了要求与鱼糜接触的零部件应用不锈钢材料以防生锈外，机器的其他部分与鱼糜之间应有有效的隔离，避免可能的接触;机器需要润滑的部分要保证润滑油与鱼糜之间无接触，或者采用含油轴承作为轴的支承;每个工作日后，要对机器的料釜、斩拌刀片、卸料器等鱼糜经过的部位进行彻底的清洗，避免鱼糜经过较长时间或在较高
的温度条件下变质。
2.3斩拌机传动设计
传动设计的主要内容是:
确定传动方案，选择电动机，确定各电动机的动力
和运动参数。
在斩拌机中，主要的机构为:
刀轴、料釜、搅拌器和卸料器。
参考国外同类
产品，设计方案如下:
斩拌刀转速分高低两档，高速为14O0rpm，低速为700rPm:
料釜转速也分为
两档，高速为10rPm，低速为5rPm，以配合斩拌刀:
搅拌器和卸料器的转速用
齿轮组调节。
对于长期连续运转，载荷不变或变化很小、在常温下工作的电动机，可以按
照下面的公式从手册中查找选择相应的电动机:
式中:
Pe—电动机的额定功率
P一工作机所需的功率
—从电动机到工作机总的传动效率
根据这样的关系及斩拌机的原始工作参数，参考国外同类产品的设计经验，
选择电机如下:
（1）刀轴传动电动机，要求4P/8P，最大功率n姗，选择型号:
YD16OL一8/4，
主要参数如表2.2
（2）料釜传动电动机，要求4P/8P，最大功率0.75姗，选择型号:
YD90L一8/4，主要参数如表2.3
（3）搅拌器和卸料器传动电动机，要求最大功率0.4KW，选择电动机型号:
A02一7122，额定功率0.55KW，额定电流l.35A。
转速1400n/min。
表2.2刀轴传动电动机参数
级数
额定功率（KW）
接法
转数
（n/min）
电流（A）
效率
功率
因数
重量
（KG）
8
0.45
700
1.9
0.58
0.63
25
4
0.75
2Y
1420
1.8
0.72
0.87
25
表2.3料釜传动电动机参数
级数
额定功率（KW）
接法
转数
（n/min）
电流（A）
效率
功率
因数
重量
（KG）
8
7
730
19
0.85
0.66
147
4
11
2Y
1450
21.8
0.86
0.89
147
2.4真空斩拌机的刀片优化设计
斩拌机的刀片是其重要零件，刀片的刃形和锋利程度直接影响到肉的切碎率
和肉的风味。
目前，斩拌机刀片的刃形均为圆弧形。
由于圆弧形刀片在切割过程
中，刀刃上各点的切割角度不同，影响了肉的切碎率。
延长了斩拌机工作的时间。
本文根据被切割物和刀片之间的运动关系，对刀片的刃形进行了优化设计。
2.4.1斩拌机刀片的工作原理
图2.6斩拌机工作原理
斩拌机的刀轴上可装3或6把刀片（可拆换）,斩拌机工作时,刀轴转速分700rpm和1400rpm两档,料釜内装有鱼糜或肉块,相应以5rpm或10rpm的速度旋转,使鱼糜或肉块不断缓慢送进,根据所加工对象的不同,斩拌刀和料釜的转速可由电器系统调节。
由于鱼糜有一定的弹性和粘性,所以斩拌机工作时,刀片和鱼糜之间的摩擦会使鱼肉的温度升高。
温度过高会使鱼肉的肌动球蛋白变性,使肉的粘着力下降,如果发生脂肪溶出,蛋白的相互结合就会受到阻碍,最终的鱼肉制品就容易产生游离水和游离脂肪,形成致密性不好的制品。
除此之外还易引起肉色素和脂肪的氧化。
所以,优化斩拌机刀刃的刃形曲线,提高斩拌效率、减少斩拌时间对斩拌机是极为重要的。
2.4.2切割运动分析
因为肉或鱼糜是具有韧性的纤维组织，所以刀刃相对于被切肉的运动应该是由切下运动和横割运动复合而成（图2.7）。
图2.7中，Vn、V下分别为刀刃上某点A上的切下速度和横割速度，V为A点的速度，a称为A点的切割角，且有
。
对于确定的被切物来说，切割角Q有最佳值，即所谓的最佳切割角Q最佳切割角Q。
是指在切割过程中能耗最小的切割角，对于不同的切割物如鱼糜、肉糜等，a均不相同，其值一般可由实验确定，由于各种原因，本课题暂不讨论Q。
的具体值。
由于刀片固定在刀轴上，刀轴作旋转运动，所以刀刃上的切割角是由刀刃曲
线确定的。
对于圆弧形刀刃A点（图2.8）的切割角Q，由于A点速度V垂直于AO，因而角Q和角p互余，而Vn上VT，故有
图2.7圆弧刀的切割角
因此
式中：
R-刀刃上A点的圆弧半径
L-刀刃圆弧中心O1距刀轴回转中心O的偏置距离
对于圆弧刀刃，因为刀刃上各点的e角不同，所以刀刃上各点的切割角也
均不相同，从而影响肉的切碎率。
2.4.3刀片刃形曲线的优化设计
优化设计的条件为:
刀片刃形上各点的切割角。
为常数，且为被切物的最佳
切割角;
图2.8刀片刃形优化
刃形曲线上A点坐标
上式即为优化后刃形曲线的极坐标方程
第三章真空斩拌机电气控制设计
3.1电气控制系统选择
类似斩拌机这样的设备，对其电器控制系统，一般可有两种选择:
继电器接
触器控制系统和可编程控制器（PLC）控制系统。
可编程控制器是一种数字运算操作系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式输入和输出，控制各种类型的机械生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，面向控制过程，适应工业环境，简单易懂、
操作方便，是可靠性较高的新一代通用控制系统。
继电器接触器控制系统是应用最早的控制系统，是由按钮、接触器、继电器
等元件组成的控制系统。
它具有结构简单、容易掌握、维修方便、价格低廉等优
点，多年来在各种生产机械的电器控制领域中，一直获得广泛的应用。
本文的斩拌机电器控制先按继电器接触器控制系统来设计，主要考虑到以下
几个方面:
①斩拌机的机构运作的环节较少，动作简单，使用继电器接触器控
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