李嘉彬，楊永發(fā)

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明650244）

0 引言

根據(jù)預(yù)冷方式預(yù)冷可以分為：真空預(yù)冷、冷風(fēng)(冷空氣)預(yù)冷和冷水預(yù)冷[1]。其中冷風(fēng)（冷空氣）的預(yù)冷方式和冷水的預(yù)冷方式，只是制冷裝置中所需冷媒不同，冷風(fēng)冷卻式是利用制冷裝置產(chǎn)生的冷風(fēng)（冷空氣）作為冷媒，并在果蔬之間進(jìn)行冷熱交換的方式；而冷水預(yù)冷的方式是將冷水作為冷媒，并在果蔬間進(jìn)行冷熱交換的冷卻方法。兩者之間只是冷媒選取的差別。而真空預(yù)冷的方式是通過真空泵對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，將真空室中的壓力降低，以此來降低水蒸發(fā)所需要的沸點(diǎn)，并以水分蒸發(fā)的方式，快速對(duì)果蔬進(jìn)行降溫保鮮。相比于冷風(fēng)預(yù)冷和冷水預(yù)冷，真空預(yù)冷的耗時(shí)更短，能快速降低果蔬的溫度，這樣可以起到很好的保鮮作用[2]。由于真空預(yù)冷機(jī)能夠快速冷卻果蔬，所以能夠最大化保質(zhì)保鮮果蔬。目前，國(guó)內(nèi)的真空預(yù)冷行業(yè)的發(fā)展并不成熟，對(duì)于果蔬的保存大多采用的是以大型冷庫的方式進(jìn)行冷藏。由于我國(guó)對(duì)冷藏系統(tǒng)的研究直到20世紀(jì)80年代才開始，以至于現(xiàn)在我國(guó)整個(gè)冷藏鏈的技術(shù)都還不能夠滿足果蔬儲(chǔ)藏運(yùn)輸?shù)男枨?。雖然20世紀(jì)80年代，我國(guó)引進(jìn)了第一套水果氣調(diào)庫，這是水果氣調(diào)貯藏技術(shù)開始應(yīng)用于我國(guó)果蔬產(chǎn)業(yè)的重要標(biāo)志[3]，截至2015年，我國(guó)的冷庫總?cè)萘恳堰_(dá)2 626萬t，冷藏車保有量達(dá)99 662臺(tái)[4]。但是對(duì)我國(guó)果蔬保鮮運(yùn)輸?shù)男枨笠琅f存在很大的缺口，而且在果蔬真空預(yù)冷這一塊同樣還存在很大的技術(shù)缺陷。

在真空預(yù)冷的方式下，由于在一個(gè)大氣壓的條件下水的沸點(diǎn)是100℃，當(dāng)對(duì)真空室抽取真空時(shí)，真空室中的氣壓下降到630 Pa的條件下時(shí)水的沸點(diǎn)下降到0℃。由于在環(huán)境壓力較低的情況下，果蔬內(nèi)部和表面的水分蒸發(fā)較快，所以將果蔬放在密閉的真空容器內(nèi)；同時(shí)，由于降低了真空室內(nèi)部氣壓，果蔬本身水分會(huì)進(jìn)行蒸發(fā)，這樣就可以帶走大量蒸發(fā)潛熱而使果蔬被預(yù)冷，水的沸點(diǎn)與蒸氣壓及蒸發(fā)熱的關(guān)系如表1所示[5]。部分果蔬的含水量及比熱如表2所示，例如，若需要對(duì)重量為5 kg的萵苣預(yù)冷，求1 h內(nèi)需要除去的氣化潛熱Q。已知萵苣的重量G=5 kg，萵苣的比熱C=0.96 kcal/kg（4.02 kJ/kg），假定初始溫度t1=25℃，最終的溫度t2=3℃，則總的下降溫度t3=t1-t2=22℃，則根據(jù)氣化潛熱公式Q=GCt3可得，Q=442.2 kJ。

表1 水的沸點(diǎn)與蒸氣壓及蒸發(fā)熱表

表2 部分果蔬相關(guān)數(shù)據(jù)及比熱查詢表

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

兩柜式真空預(yù)冷機(jī)箱體主要由密封門、真空室、加強(qiáng)筋、定位槽和鏈輪傳動(dòng)組成，箱體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為了更好地實(shí)現(xiàn)密封門在兩個(gè)箱體間的運(yùn)動(dòng)，密封門采用滑輪導(dǎo)軌的形式和箱體連接，并通過鏈條鏈輪傳動(dòng)在兩箱體間移動(dòng)。相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)示意圖

表3 技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 真空室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該箱體用于真空預(yù)冷，所以箱體在進(jìn)行真空的抽取時(shí)，為了防止箱體變形所以需要箱體最少能夠承受一個(gè)大氣壓強(qiáng)度的壓力，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，每次進(jìn)入到真空室的貨物重量需要達(dá)到4 000 kg，所以根據(jù)需求可以采用長(zhǎng)方體的真空室，真空室周圍的材料可以用優(yōu)質(zhì)碳鋼，其短邊尺寸為2 200 mm×2 400 mm，長(zhǎng)邊尺寸為4 500 mm。同時(shí)，為了提高真空室表面抗壓強(qiáng)度，選取規(guī)格為某型號(hào)的矩形鋼作為加強(qiáng)筋，以30 mm為間隔焊接在真空室表面。

1）真空室的壁厚（S）計(jì)算。該真空室結(jié)構(gòu)為盒型殼體式，盒型殼體式的真空室可以按照矩形平板來計(jì)算厚度，其使用條件為板周邊固定，受外壓為0.1 MPa，水壓試驗(yàn)用壓力為200 MPa，根據(jù)盒型殼體板厚計(jì)算公式1可知：

式中：S0為真空室壁厚計(jì)算理論厚度（cm）；B為板的短邊長(zhǎng)度（cm）；[σ]彎為彎曲時(shí)許用應(yīng)力（MPa），軋鋼和鑄鋼許用應(yīng)力通常規(guī)定與簡(jiǎn)單拉伸壓縮時(shí)用的需用應(yīng)力相同[6]。真空室殼體的實(shí)際厚度：

式中：S為真空室壁厚的實(shí)際厚度（cm）；C為壁厚附加量（cm）。

當(dāng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，矩形板的應(yīng)力為：

2）加強(qiáng)筋的分布設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 盒型殼體加強(qiáng)筋分布圖

在保證箱體受壓時(shí)的穩(wěn)定性的情況下，讓盒型箱體的壁厚減小，則需要在箱體上合理地布置加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的布局如圖2所示。在對(duì)殼體厚度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對(duì)于有加強(qiáng)筋的殼體，其厚度采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，式中的B需要由加強(qiáng)筋分布圖中的L代替，在對(duì)加強(qiáng)筋進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，應(yīng)該以真空室殼體所在平面中最大的平面進(jìn)行計(jì)算。

在計(jì)算加強(qiáng)筋時(shí)，假定被加強(qiáng)筋分割的小平面所承受載荷的一半都由一個(gè)加強(qiáng)筋來受力，每個(gè)筋受彎矩時(shí)的抗彎截面模量為[6]：

式中：WP為加強(qiáng)筋的抗彎截面模量（cm3）；P為設(shè)計(jì)壓力，P=0.098 MPa；K為系數(shù)，與筋兩端的固定方式有關(guān)，若為剛性固定取K=12，若非剛性固定則取K=8[6]。

由公式（1）和公式（2）可得箱體的厚度為6 mm，在經(jīng)過水壓試驗(yàn)驗(yàn)算后，由公式（3）來確定箱體的厚度為7.5 mm，在計(jì)算加強(qiáng)筋時(shí)，可根據(jù)公式（4）得出抗彎截面模量后得出矩形鋼厚度為2.5 mm。

2.2 密封門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求，密封門的設(shè)計(jì)尤為重要，因?yàn)槊芊忾T的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性往往關(guān)系到真空抽取的時(shí)間以及真空度是否達(dá)標(biāo)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，密封門采用鏈輪導(dǎo)軌式的移動(dòng)方式，在兩箱體間移動(dòng)。由于密封門的最初狀態(tài)跟箱體存在縫隙，為了達(dá)到相關(guān)的密封要求，在密封門固定框架兩側(cè)設(shè)計(jì)有搖桿機(jī)構(gòu)，可供真空抽取時(shí)隨著內(nèi)部壓強(qiáng)不斷減小而跟箱體不斷壓實(shí)情況下，密封門跟固定框架存在一定角度的旋轉(zhuǎn)。相關(guān)示意圖如圖3所示。

圖3 密封門結(jié)構(gòu)圖

2.3 密封門傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇

由于本設(shè)計(jì)密封門需要在兩個(gè)箱體間來回運(yùn)動(dòng)，密封門采用厚度為8 mm的優(yōu)質(zhì)碳鋼。同時(shí)，在表面放置某型號(hào)的矩形鋼作為加強(qiáng)筋，考慮到密封門整體的重量，所以選擇由鏈輪鏈條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑輪在導(dǎo)軌上滑動(dòng)的傳動(dòng)方案。相關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 密封門傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 箱體建模與分析

3.1 箱體的建模

整個(gè)箱體包含有真空室模塊、密封門模塊以及傳動(dòng)模塊共三大模塊。首先，通過Solidworks三維建模軟件對(duì)各個(gè)模塊中包含的零件（優(yōu)質(zhì)碳鋼板、加強(qiáng)筋、導(dǎo)軌和滑輪等）進(jìn)行建模；然后，建立一個(gè)裝配體文件，通過裝配的方法將各個(gè)零部件進(jìn)行裝配；最后得到整機(jī)的總裝圖。

3.2 箱體的靜應(yīng)力分析

設(shè)備在進(jìn)行預(yù)冷的過程中由于需要對(duì)箱體抽取真空，使得箱體內(nèi)部壓力不斷減小，最終使得箱體內(nèi)部接近真空。所以在整個(gè)工作工程中，主要由箱體承受壓力。所以可以通過Solidworks的motion應(yīng)力分析插件對(duì)單個(gè)真空箱體進(jìn)行靜應(yīng)力分析。首先，通過殼體分析工具對(duì)真空室的厚度、加強(qiáng)筋的厚度以及密封門的厚度進(jìn)行選取。然后，將整機(jī)的零部件材料設(shè)置為優(yōu)質(zhì)碳鋼，密度為7.9×103kg/m3、泊松比為0.3、彈性模量為206 GPa。箱體承受6個(gè)方向上垂直的一個(gè)大氣壓強(qiáng)，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)資料一個(gè)大氣壓強(qiáng)為1.013 25×105Pa，所以給箱體6個(gè)面都添加上1.013 25×105Pa的壓力。由于箱體通過定位槽鋼固定，所以夾具選擇為固定并添加在定位槽鋼下側(cè)。在網(wǎng)格分化中選擇網(wǎng)格單元為20 mm，最后箱體進(jìn)行有限元分析，得到的應(yīng)力圖如圖5所示。由應(yīng)力分析圖可知，箱體中加強(qiáng)筋結(jié)合處變形量最小，越向箱體中間靠攏，則箱體的變形量越大。最大的應(yīng)力集中在箱體各個(gè)面的最中間的位置。由圖5可知箱體的屈服力大小為283 MPa，該箱體的屈服強(qiáng)度小于優(yōu)質(zhì)碳鋼的極限屈服強(qiáng)度308 MPa，所以本設(shè)計(jì)在真空抽取時(shí)能夠滿足承受一個(gè)大氣壓強(qiáng)的受壓條件。

圖5 箱體有限元分析應(yīng)力圖

4 結(jié)論

此雙柜式真空預(yù)冷設(shè)備，在工作中大大地提升了果蔬的預(yù)冷效率，節(jié)省了人工成本，設(shè)計(jì)合理，滿足了人們對(duì)預(yù)冷的需求。此雙柜式真空預(yù)冷機(jī)不僅能提高果蔬的預(yù)冷效率，同時(shí)，采用一邊箱體預(yù)冷，一邊箱體上貨的工作方式，這也大大地減少了人工成本。根據(jù)價(jià)值優(yōu)化的模型其中，取得該功能所耗費(fèi)的成本C降低了，產(chǎn)品具有的功能F增加了，所以整個(gè)產(chǎn)品的價(jià)值便提高了。對(duì)箱體進(jìn)行了有限元分析，通過觀察應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，了解到箱體受力后的結(jié)構(gòu)變化滿足要求。真空預(yù)冷為果蔬采摘后的第一個(gè)環(huán)節(jié)，市場(chǎng)前景很好，可以為云南等偏遠(yuǎn)山區(qū)的果蔬運(yùn)輸保鮮和保證果蔬新鮮程度作出很大的貢獻(xiàn)。