小型超高压设备的创新与应用

小型超高压设备创新设计与应用

摘要:小型超高压设备的轻量化和小型化，不仅关系到设备的材料消耗和产品成本，而且关系到用户的方便性及其推广应用。本文介绍了小型超高压食品加工设备（10 L以下）的结构创新设计,应用有限元分析优化设备结构,在参数优化、材料处理等方面提出改进技术措施和相关研制出专利技术产品，并且提出规模化生产和产业化的具体方案。

关键词:超高压设备；水产品加工;结构设计

生食水产品已经在相当多的人群中形成了饮食习惯。加热能有效杀灭细菌和寄生虫，但会失去食品原有鲜嫩的口感、鲜美风味和营养成分。超高压食品加工技术能有效地解决这个问题，它既可以杀灭有害微生物，又可以保持水产品鲜美的风味和口感[1、2、3]。2002年美国率先应用超高压技术对牡蛎进行冷灭菌，并规模化生产，其它超高压产品已经为FDA认可，并在在世界各地热销[4]。目前水产品加工已经是超高压技术产业化最重要的领域，超高压加工的水产品占据了世界超高压食品的15%[5]。

众所周知，包装水产食品并不是引起疾病的主要渠道，大部分疾病是由于餐饮业和家庭烹饪的不当处理而引起的。因此，如何在餐桌上杜绝水产品的传染源，是防止有害微生物传播的关键。2009年卫生部组织的超高压技术预防肝吸虫病的专家论证会上指出，“将超高压设备用于餐饮业食品预处理 可以对部分人群肝吸虫病进行预防，企业应针对市场需求进一步研制适合我国小型化、价格平民化的设备[6]。”资料显示，日本已经将餐饮业和家庭用小型超高压设备作为超高压设备产品的新的开发项目[7]。

小型超高压设备与工业用的设备不同。小型设备一般要求体积小、重量轻、操作简单、故障少、价格低，因此超高压设备的轻量化和小型化，就显得格外重要。另外，超高压设备将会成为大学、研究所和企业技术开发中心的必备设备，体积小、重量轻也是实验室设备的基本要求。为了实现超高压实验机“仪器化”和民用设备“家电化”，必须做到设备结构先进、设计优化、产品定型、规模生产，才能推动超高压技术的普及和应用。

1.结构设计

超高压设备的设计是一个系统工程，结构设计是最重要的一个环节，动力系统和控制系统都是围绕主机结构展开的。对于小型超高压设备（600 MPa、10 L以下）采用一体化直压式的结构显示出诸多优势（发明专利ZL 03 1 30566.0）[4]。

如图1所示，传统的分体式间接加压的设备有3个超高压容器(包括增压器左右两端的缸体)，4处超高压密封，5个超高压阀，9条超高压管路和17处超高压接头{8}；一体化直压式设备如图2所示，只有1个超高压容器，1处超高压动密封，其它都是常规液压系统，其制造成本低，工作可靠，故障率低（表1）[9]。

分体式超高压设备（图1）由增压器（4）、单向阀（5、6、7、8）、泄压阀（9）、超高压容器（10）共7个超高压元件和部件组成。一体式超高压设备（图2）只有一个超高压容器（8），其它都是常规的低压元件。超高压元件需要承受几千个大气压力，与水介质接触的零部件必须用高强度不锈钢材料制造，不仅提高了成本，而且提高了加工制造的难度。

分体式小型超高压设备，一般都采取手动开启端盖，操作麻烦，体力消耗大，加工效率低。如果自动开启端盖，还需要另外配置框架、端盖提升机构、框架移动机构和相应的液压-电气控制系统；操作时必须完成以下步骤：①将物料装入超高压容器→②提升机构将端盖盖到容器上→③将超高压容器移入框架内→④升压-保压-泄压→⑤超高压容器从框架移出→⑥提升机构将端盖盖提起→⑦取出物料。一体式超高压设备的液压缸柱塞兼做端盖，端盖开启和加压泄压由柱塞上下运动同时完成，不必分解成如上的②③⑤⑥步骤。

分体式间接加压超高压设备有5、6、7、8四个单向阀组成单向增压系统，只能向超高压容器输入压力（增压），不能降压。完成处理加工后，通过泄压阀9将压力卸掉，即只有升压和泄压两个动作。一体式直接加压超高压设备在系统中可以加装电液比例溢流阀4，通过电信号能自如地控制压力，可以实现升压、降压、泄压、脉冲加压、阶梯升压、调整升压速率和降压速率等不同的控制方式。另外，分体式设备泄压是通过泄压阀9在600MPa超高压系统进行的，冲击大，容易损坏阀芯。一体式设备泄压是在63MPa以下低压系统进行的，比较安全可靠。

由于直压式超高压设备的液压控制系统全部为常规液压元件，而间接式超高压设备的系统除了常规液压元件外还有很多超高压元件，因此前者比后者的故障率低。此外，前者只有1处超高压密封，后者有4处超高压密封，密封件的损坏的概率有很大差别；前者柱塞能自动退出超高压容器，操作者可以自行更换密封件，而后者的密封件多装在设备内部，更换密封件需要拆卸设备。

图1 分体式间接加压超高压设备

Fig.1 indirect HPP unit

图2 一体式直接加压超高压设备

Fig.2 direct HPP unit

表1   超高压食品加工两种结构形式的对比[10]

Tab1. Comparison of two structur

为了进出物料，普通超高压设备的框架与容器之间的相对移动有2种形式：① 框架固定，超高压容器移动；② 超高压容器固定，框架移动。对于一体化直压式设备，为了进出物料，需要加大增压缸的行程，这样就增加了增压缸的长度，也不得不提高整个框架的高度，使得整机庞大笨重。采用横向移动式柱塞（图3），既能方便物料进出，又缩短了增压缸的行程，大幅度降低设备高度和重量（实用新型专利ZL2007 2 0099603.7）[11]。

图3 径向移动式柱塞

Fig.3   Moving piston

2.系统压力对体积、重量、成本的影响

提高液压驱动系统的工作压力，可以缩小增压液压缸的尺寸，易于超高压设备的布局。液压系统的压力选择对设备重量、液压系统流量、设备制造成本、设备运行成本等各项指标有明显的影响（图4）[12]。提高工作压力，能缩小液压缸的尺寸和体积，从而可以缩小框架的尺寸，降低了整体设备的重量和材料消耗（图3a）；由于提高了工作压力，在保持同样推力的情况下，液压缸的活塞直径可以减小，所以降低了液压泵流量的要求（图3b），液压缸能保持同样的运动速度，同时油箱可以适当缩小，减少了液压油的用量；设备体积缩小、重量减轻后不仅能减少材料消耗，同时也降低了机加工、热处理、运输等费用，因而能够降低设备的制造成本（图3c）；设备紧凑，减小设备占用空间，同时能降低维修配件、油料消耗和潜在的运行费用（图3d）。

图4   系统压力对液压缸重量、系统流量、设备成本和运行成本的影响

Fig.4   Effect of the hydraulic system pressure on the size, weight and cost

3. 选择高强度材料

选用高强度材料能有效减小关键部件的尺寸。例如,超高压容器的内缸筒如果选用316不锈钢，屈服强度只有310MPa，而SUS630屈服强度可以达到1,180MPa；外缸筒选用42CrMo的屈服强度为870MPa，而SUS4340的屈服强度为1，300MPa[13]。因此可以大幅度减小容器的壁厚，缩小超高压容器的直径，减轻设备重量。超高压容器直径缩小，使得框架的宽度相应减小，降低了上下横梁的弯矩，改善了框架的受力状态，主机结构更加紧凑，同时减轻了框架的重量。

框架是一体化超高压设备中最重的部件，约占总重的50%，降低它的重量成为最关键的措施。框架材料要求焊接性能好,最好选择强度较高的材料。例如16Mn（屈服强度大于350MPa）约是A3派生的普通碳素钢（屈服强度240MPa）的1.5倍，因此选择前者能使框架重量降低三分之一。

4. 把握关键技术参数的选择

双缸筒热套合是预应力超高压容器应用最普遍的结构之一，关键参数如过盈量、中径的选择对容器强度有很大影响。

图5 双缸筒热套合超高压容器横截面示意图

Fig.5 Schematic cross section of high pressure vessel

双缸筒热套合是超高压容器的一种典型结构（图5）。通过外缸筒内孔和内缸筒外径之间的过盈配合,有效地提高超高压容器的疲劳强度。在外径和内径都已经确定的情况下，调整过盈量或中径的尺寸，可以改变内外缸筒的应力分布，使容器处于合理的应力分布状态[14]。

例如过增大盈量，外缸筒内壁的合成应力就变大，内缸筒内壁的合成应力就变小；反之，过盈量变小，内缸筒的合成应力就变大，外缸筒的合成应力就变小。图6是600 MPa、0.6 L的超高压容器，通过试算法绘制的过盈量对超高压容器外筒内壁和内筒内壁合成应力影响的曲线。

图6   过盈对内外缸筒合成应力的影响

Fig.6   Effect of interference fit on synthetic stress of the inside and outside the cylinder

调整中径的位置，也能影响超高压容器内外缸的强度。中径尺寸增加，则内缸筒的强度提高，外缸筒的强度降低（图7）。

合理的设计方案要求兼顾两个缸筒的合成应力，通过调整中径和过盈量，使内外缸筒的安全系数基本相当，实现等应力设计，充分发挥两者的材料的强度潜力，延长超高压容器的使用寿命。

图7   中径对内外缸筒合成应力的影响

Fig.7   Effect of Middle diameter on synthetic stress of the inside and outside the cylinder

5. 有限元分析优化设计

框架是一体化直压式超高压设备的关键部件，它的尺寸和重量对主机有直接的影响，因此对框架的优化设计尤为重要。在有限元分析中选用ansys的45号任意六面体三维固体单元。共划分了82 211个单元，112 209个节点，336 672个自由度，模拟分析主机受力情况（图8），了解各个部位的应力分布[15]。通过优化设计，弱化了强度裕量较高的部分，加强了薄弱环节，合理进行布局，使其达到应力分布均匀、降低材料消耗的目的。根据分析，图中深色的部分，强度较高，浅色的部分强度较低，特别是底座中间部分，σx达到515 MPa，σz最大值达到596 MP。改进后底座中间加强了筋板，最大应力σx变为357 MPa，σz变为387 MPa，使得框架整体应力趋于均匀并提高了承载力。

a.原设计

b.改进后的设计

图8   框架的有限元分析

Fig.8 Framework of the finite element analysis

6. 应用实例

按照以上设计方法，不断改进设计、调整参数，研制了适应科研、中试、小规模生产、餐饮、酒店、超市等小型超高压设备（图9）。小型超高压设备采用一体化设计，大幅度降低了材料消耗和产品成本，一台500tf轴向压力的设备，普通液压机的重量是45吨重，采用优化设计后，同样轴向力的超高压设备（600 MPa、5 L）的重量只有4.5 吨重[16]；手动开启式超高压设备（600 MPa、0.6 L）只有250 kg（图7c）[17]；最初设计的自动开启的600 MPa、0.6 L超高压实验机主机为2.2吨重，改进设计后，700 MPa、0.6 L设备降低到1.5吨重；600 MPa、2 L降低到1.8吨重（图7b）；480 MPa、2 L降低到1.2吨重（图7d）[18]。

（a）清华大学实验室          （b）汇源果汁集团实验室

（c）中国农科院实验室        （d）天津君豪大酒店操作间

图9   适合各种不同用途和要求的小型超高压设备

Fig.9 Small high pressure unit For different purposes and requirements

超高压设备的标准化、系列化、通用化是规模化生产的必要条件，实现“三化”不仅提高生产效率、降低生产成本，保证产品质量，而且能更好地为客户进行售后服务。标准化，就是将小型超高压设备形成标准系列，按照标准数系确定主要参数，其中包括容积、液压缸的内径、活塞外径、超高压容器内径等，减少了元件、部件、密封件、工装、刀具的种类；超高压设备按照容积参数形成了0.6、1、2、5、10L的系列，基本满足民用和科研用的小型超高压设备的需要；将泵站和控制柜分成“高配”（电动控制、数字仪表、PLC、PC）、“低配”（指针仪表、手动控制）两种不同的配置，并且通用化，与主机随意组合。这样各个部件可以形成批量生产，然后根据用户需要进行不同组合。

随着超高压技术的普及和扩大应用，小型超高压实验机将会像巴氏灭菌设备一样成为教学和研究工作必备的仪器，小型超高压设备像冰箱一样成为普遍使用的厨房设备，届时规模化生产势在必行，建小型超高压设备的生产线则水到渠成。

7结论

超高压设备的轻量化和小型化，不仅为院所科学研究、企业技术开发和民用领域应用创造了良好的条件，而且为大型生产设备的设计制造提供了很好的经验和借鉴，为降低生产设备的造价，推动超高压技术的广泛应用，提供质优价廉的超高压设备创造了有利条件。

参考文献

[1] 纵伟，梁茂雨，申瑞玲 超高压技术对水产品的影响   北京水产 2006.No6 p52-55   

[2] 董吉林，申瑞玲 高压加工技术在水产品中的应用 食品与机械   2006.No4 p12-15

[3] 邵 懿，薛长湖，董平，李兆杰，冯金晓 超高压技术在水产品加工中的应用 2007.No4 p58-60

[4] U.S.Food and Drug Administration Center for Food Safety and Applied Nutrition   Kinetics of Microbial Inactivation for Alternative Food Processing Technologies High Pressure Processing   June 2, 2000

[5] Carole Tonello Samson   New product development with pressure processing:commercial foods & pharmaceutical products   IV "6th International Conference on High Pressure Bioscience and Biotechnology   Munich, Germany, 28.August,2010

[6] 卫生部 超高压生物和食品加工技术用于肝吸虫防治专家论证会 卫生部信访回函 2009.5.25

[7] 山崎彬   日本の高圧食品加工技術のプロファイル 中日超高压食品加工技术交流会 天津2009.1.11

[8] 贾培起.液压传动[M].天津:天津科学技术出版社,1982.：251

[9] 贾培起,王家中.一体化超高压生物处理设备[P].发明专利 ZL03 1 30566.0

[10] 贾培起.超高压实验机及生产设备的选型[J].食品研究与开发,2005(4): 151

[11] 罗利军,吕洪波,张福长,贾培起.等静压设备上可移动的加压柱塞[P]实用新型 ZL 2007 2 0099603.7

[12] 贾培起.液压缸[M].北京:北京科学技术出版社,1987:p121-122.

[13] 机械工程手册编辑组 机械工程手册 第3卷 12.48-107

[14] 邵国华 《超高压容器》 化学工业出版社 2002   p34-50

[15] 王燕群，蔡宗熙   高压处理设备主机框架的有限元计算分析报告 天津市华泰森淼生物工程技术有限公司 2010.5

[16] 贾培起,吕洪波,罗利军,陈于.板框式超高压生物处理设备[P].实用新型 ZL 2006 2 0027212X

[17] 贾培起,吕洪波,陈于,罗利军.手动开启式小型超高压生物处理设备[P].实用新型 ZL 2006 2 0027211.5

[18] 贾培起，张福长，罗利军.民用小型超高压食品加工设备[P].实用新型ZL 2010 2 0187525.8

Weight reduction and miniaturization of ultra-high pressure unit

Abstract: The small quantification and miniaturization of small-size ultra-high pressure unit is not only concerned with the expenditure of materials of the equipment and cost of the products but also with the convenience of the users and its diffusion and application. This paper deals with the technological measures and related patent technologies which involves the design of the structure, finite element analysis，optimization of the parameter, the treatment of the materials of the small-size ultra-high pressure unit (under 10 litres). At the same time, some concrete projects of its mass and large scale production and industrialization are also put forward.

Key words: ultra-high pressure unit; biological; food