食品加工设备的机械设计初探

宋永忠

包头市稀宝博为医疗系统有限公司 内蒙古包头 014030

食品加工设备的机械设计初探

宋永忠

包头市稀宝博为医疗系统有限公司 内蒙古包头 014030

食品机械设计在机械设计中是一项比较特殊的工作，既要考虑机械设计的一般特点；又要考虑食品在加工过程中的食品安全问题，防止食品被污染；同时被加工食品种类繁多，食品加工机械的种类繁多，所以设计人员在设计时应根据被加工食品的特点综合考虑。

机械设计，食品设备，结构要求，选材要求

纵观国内外食品机械行业，当前我国的食品机械发展水平与国外存在着一定的差距，尤其是与发达国家比，普遍存在技术含量低、产品质量差、成套性不强等问题，先进大型的食品设备的进口量远远高于国产量，这种状况在乳品机械和包装机械方面表现尤为突出。

我国的食品机械工业发展经历了几十年的历程，一个从无到有，从弱到强，逐步发展壮大、完善起来的过程，特别是近些年来，随着我国科技水平及人民生活水平的不断提高，人们对食品种类的需求以及对食品质量的要求也逐渐提高，由于需求的增加促进了食品机械行业的快速发展。食品机械工业逐步形成了一个相对独立的机械工业。

基于我国食品安全日趋严峻，国家对食品机械的研究与使用非常重视，2009年1月发布了《GB16798-食品机械安全卫生》标准。此标准明确了设计人员在从事食品机械设备的设计时要遵循的一些基本原则；材料选用方面注意事项；在制造、加工方面的一些安全卫生标准。此标准不仅适用于食品加工机械，同样也适用于食品包装机械。此标准为广大工程技术人员在设计食品机械的过程中指明了方向。食品设备的机械设计要符合一般机械设计规律及原则，同时食品设备的机械设计也有其特殊性。

1 食品机械设备结构要求

1.1 设计人员在设计时应考虑设备结构特点、用于产品输送管道布局和连接部分应过渡光滑，不应有凹陷及死角。

1.2 食品机械与食品接触的零部件尽量不采用焊接结构，以免焊接时破坏不锈钢的成分以降低产品耐腐蚀能力。

1.3 转动的机械部件与被加工产品接触并需要加装轴承时，应选用非润滑型的。如确需选用润滑型的轴承，应该在加工产品与轴承之间设计密封装置，以防轴承上的润滑脂污染加工产品。

1.4 食品机械的加工区域应该与外部环境隔离，在特殊情况下，如果无法与外部环境完全隔离至少应加保护罩来进行防护。

1.5 在与产品设备接触表面上的塑料件、橡胶件等应连续黏结牢固，保证在正常工作状态下不脱落。

1.6 有些食品加工设备的工作压力或工作温度较高，设计之初要考虑必要措施以免密封损坏时伤及操作者。

1.7 食品设备中需要拆洗的部件，应设计成很容易拆卸的结构，在拆装过程中最好不用特殊工具就能完成操作。例如，物料管道连接处采用快拆结构；夹紧机构尽量采用蝶形螺母等。

1.8 食品加工设备中不可拆卸零部件需要清洗时，其设计结构应有利于清洗及清洗后的检查。

1.9 设备排料口部位应设计成向排口方向倾斜一定的角度，以利于物料的排出。

2 选材要求：

在食品机械设备的设计中涉及的材料非常广泛，除了应用各种金属材料、各种合金材料外，还有一些非金属材料被用到食品设备的设计当中。由于食品生产的影响因素较多、工艺条件复杂，对材料及其性能有着不同的要求，所以要求设计人员必需熟练掌握各种材料性能，才能在设计时运用自如，做出正确的选择。

2.1 碳钢材料：

普通碳钢的含碳量一般小于2.11%，除了铁、碳基本元素和一些少量杂质（硅、锰、磷、硫等含量限定）外，不含其他合金元素。工业用碳钢的含碳量一般控制在0.05%～1.35%以内。碳钢的机械性能主要取决于含碳量的多少。随着碳钢中含碳量的增加，碳钢的机械强度、硬度随之升高，塑性、韧性和焊接性能则变差。与其他钢类相比，因其成本低，加工制造工艺简单，韧性和塑性很好，焊接性能优良，没有回火脆性，综合性能较好，在一般机械设计中应用非常广泛。由于本身材料成分的原因，容易生锈，耐腐蚀性能较差，不应该被用在有直接接触的食品介质中。主要用在食品机械的机座、箱体、机架等结构部件上。

碳钢材料在耐磨损、耐疲劳、冲击韧性等方面的性能非常优越，因此也可用在食品机械的传动、动力部件上。

2.2 不锈钢材料：

不锈钢是不锈耐酸钢的简称，是指在空气、化学腐蚀或蒸汽等弱腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种合金钢；它的耐腐蚀能力取决于它的材料组成、表面机械加工状态、使用环境和所接触介质的类型。

食品中的腐蚀性物质包括醋酸、苹果酸、乳酸、酪酸等；食盐、无机盐类；部分食品添加剂；在食品加工过程中，机械零部件与腐蚀性物质之间会通过相互摩擦、碰撞，化学反应等形式造成零部件材料的腐蚀。这些被腐蚀掉的金属离子可能会溶入食品中，会破坏食品的风味或对人体健康造成伤害。不锈钢能够有效抵制这些物质的腐蚀，从而被普遍应用于食品机械行业中。

在食品机械中不锈钢广泛应用于设备的泵体、阀类、热交换器、真空容器等部件中，材料的耐腐蚀性对结构材料的选择常起着至关重要的作用，设计食品机械设备时应符合标准《 GB 12075 -食品工业用不锈钢管与配件》有关规定。例如：设备上和产品直接接触的进出料管道、输送管道及管件阀门应采用符合标准要求的不锈钢材料，一般采用316型或316L型不锈钢；设备的泵体、阀类一般采用1Cr17Ni2类不锈钢；罩壳类涉及外观的部件可采用304类不锈钢板。

2.3 非金属材料：

非金属材料用在食品机械设备上的种类主要有塑料和橡胶。常用的塑料有聚甲醛、ABS树脂、氟四、聚酯、聚酰胺以及苯醛塑料、环氧树脂、各种泡沫塑料、聚碳酸酯塑料、有机玻璃等。

在食品机械上选用塑料和橡胶材料，应符合《GB16798-食品机械安全卫生》标准的有关规定。标准中规定只有对人体无毒无害的非金属材料才能与被加工食品接触，并且此材料不能在食品中溶解或发生化学反应，不能影响食品的味感。零部件在清洗或工作状态下应不变形、保持其基本特性，并能满足《GB9687-食品包装用聚乙烯成型品卫生标准》、《GB9692-食品包装用聚苯乙烯树脂卫生标准》的有关要求。低分子聚合物的塑料产品一般都有毒性。某些塑料或橡胶材料在高温环境下，易分解并扩散到产品中，使产品变质，在食品机械中不宜使用塑料及橡胶材料在食品机械上使用非常广泛。例如：各种密封圈、输送机械上提刮板式斜槽、螺旋式斜槽、风机护罩、料斗等；

3 制造成本及工艺性要求

材料加工成本和加工工艺也是设计人员在设计时考虑的另外一个重量因素。在设计时应从加工物料的选择、零件的制作工艺、零件的热处理方式等多方面进行综合考虑。有时为了降低制造成本，可以改变加工工艺，例如为了使零件既要耐腐，成本又不会太高，可以将零件进行耐腐蚀表面处理来提高其耐腐蚀能力；如果想提高零部件的机械性能可以对产品进行喷涂、电镀和刷镀等表面处理。

4 食品机械设计的发展趋势

面对国内食品机械行业整体水平远落后于世界发达国家的现状及种种不足，我们应该认真分析原因、找出差距。在当今科技高速发展的时代，我们要抓住机遇、面对挑战，利用各种的技术创新手段提升产品内在质量、优化产品结构、全方位提升产品技术水平和档次。行业内专家认为，我们的食品机械应该向大型化、集成化、智能化发展并做大做强，否则我们在国际市场竞争中将处于劣势地位，可能会进一步扩大我们与发达国家之间的差距。为此，我们要从下面两个方面着手考虑。

4.1 加强基础理论研究：

我国食品机械设计起步较晚，一些食品加工机理和基础技术研究不够深入。例如在乳制品技术领域，我们要加强加工机理的研究，深入研究乳品加工过程中物料受到摩擦、挤压、剪切、爆炸等作用力对物料品质的影响。制造企业要多与大中专院校、科研单位合作，使他们所研究出来的新理论、新结构、新工艺最新成果能被快速应用到企业当中去。另外，还要引进国外先进技术，先进设备，，去其糟粕，取其精华。在消化吸收的基础上，充分调动我们自主研发的积极性，研究出带有自主知识产权的关键技术和核心技术。掌握行业和市场的主动权。

4.2 现代设计技术

现代设计技术优势主要体现在产品自动化程度高、生产效率高、产品节能环保。当今时代计算机技术、自动化技术及人工智能技术等各种现代技术日新月异，我们要充分利用计算机强大的计算功能，运用机械设计的新理论和新方法，将各种新技术有机融合，使我们的食品机械不论是在质量上还是在规模上都有一个质的飞跃。可以预见未来的食品机械是集光、电声、磁、化、生等于一体的高技术、高智能产品。

5 结论

食品机械的设计工作要考虑的因素很多，设计人员不仅要考虑机器的结构特点，材料的选用及材料表面处理工艺，同时还要考虑食品本身的加工特点、工艺条件，因此必须全面、准确了解材料的各种特性，才能做出精确的判断、选择，使机械设计达到最理想的效果。在当今智能工业时代，利用现代设计技术加上传统产业长期孕育的工匠精神一定能够制造出更好的产品。

[1] 《GB16798-食品机械安全卫生》. 中国标准出版社. 2009

[2] 《QB/T 2467-食品工业用不锈钢管》. 中国轻工业出版社. 2017

[3] 戴启勋. 《金属材料学》第二版 . 化学工业出版社. 2011

Talking about the mechanical design in food equipment

Food machinery design in mechanical design is a relatively special work, should not only consider the general characteristics of mechanical design;Also want to consider food food safety problems in the process, to prevent food contamination;Processed food variety at the same time, there are many types of food processing machinery, so the designers at design time should be according to the characteristics of the processed food comprehensive consideration.

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