輥壓式甘蔗榨汁機的結構設計與分析

劉丁丁，時強盛，劉世豪*

海南大學機電工程學院（?？?570228）

現(xiàn)代食品科學研究表明，甘蔗中含有充足的糖分和水分，也含有有助于人體新陳代謝的各種維生素、蛋白質、有機酸、鈣、鐵等營養(yǎng)物質。此外，甘蔗口味干爽，對于追求健康食療的現(xiàn)代人群而言，對甘蔗的需求量較大。然而，如何衛(wèi)生、高效、便捷地提取甘蔗汁液，一直是一個難以解決的實際問題。因此，研發(fā)新型的便于操作、適于家用的甘蔗榨汁機十分必要，其潛在的市場需求量很大[1]。鑒于此，設計一種新型輥壓式甘蔗榨汁機，具有榨汁率高、噪音小、快速、衛(wèi)生等優(yōu)點，不僅可以用于甘蔗汁的榨取，而且能對芒果等其他水果進行榨汁，并保證汁液清潔衛(wèi)生，實現(xiàn)一機多用，拓寬使用領域，增強市場競爭力。

1 國內外研究背景分析

1.1 國內甘蔗榨汁機設計現(xiàn)狀

目前而言，國內主流的甘蔗榨汁機主要有立式甘蔗榨汁機、推壓式甘蔗榨汁機、手搖式甘蔗榨汁機等。對于立式甘蔗榨汁機，具有操作簡便、移動快捷的優(yōu)點，但由于其生產能力不大，僅適于小批量生產，故難以滿足我國巨大的甘蔗產量，而且不便于清洗，導致其使用范圍有限，無法全面推廣。推壓式甘蔗榨汁機是基于螺旋推送機器機構設計的，具有榨汁效果好的優(yōu)點，卻具有榨汁工藝復雜的缺陷；在擠壓階段，為了便于擠壓，需要將甘蔗打碎；在排渣階段，由于殘渣壓得過于緊實而難以排除，因而實用性不夠好。對于手搖式甘蔗榨汁機，則需要消耗大量勞動力，在操作中容易出現(xiàn)卡死。

圖1 家用電動機甘蔗榨汁機

1.2 國外甘蔗榨汁機設計現(xiàn)狀

限于甘蔗生長所需的環(huán)境條件，全球甘蔗種植區(qū)域主要分布在熱帶及亞熱帶地區(qū)。隨著食品工業(yè)自動化技術的發(fā)展，甘蔗榨汁機的研發(fā)也獲得長足進步，國外甘蔗榨汁機多為六輥壓式甘蔗榨汁機，尤以澳大利亞、新西蘭的甘蔗榨汁機研發(fā)技術較為先進[2]。中國作為甘蔗種植食用大國，也從一些先進國家引進了各種新式甘蔗榨汁機。然而，國外甘蔗的平均直徑一般為4～5.5 cm，而國內甘蔗的平均直徑則通常為3～4.4 cm，這種差異導致從國外引進的甘蔗榨汁機在使用時存在一系列加工工藝問題[3]。

圖2 多級輥壓式甘蔗榨汁機

1.3 國內外甘蔗榨汁機存在的問題

我國研究甘蔗榨汁機的研發(fā)起步較晚，與先進國家相比存在一定差距。經過總結對比后發(fā)現(xiàn)，國內國外甘蔗榨汁機通常均存在問題。

1) 榨汁不衛(wèi)生。甘蔗榨汁不完全，渣料中仍有較多水分，排出渣料時使得甘蔗汁沾滿外殼，容易吸引蚊蟲，同時還會吸附灰塵，給病菌提供滋生的環(huán)境，造成健康飲食的不衛(wèi)生，不適于在大型公共場所使用。

2) 榨汁率低、噪音大，形成噪聲污染。一級壓榨，出汁率低、浪費多，齒輪變速，噪音大。不利于充分發(fā)揮甘蔗的經濟價值、構建一個舒適的室內環(huán)境。

3) 尺寸較大，外形不美觀。不利于其作為家用電器對廣大群眾推廣。

針對這些問題，需要從食品科學的角度對其進行多方面的優(yōu)化改良，如壓輥選擇食品級不銹鋼實心棒材、過濾網多層過濾設計以提高衛(wèi)生水平；尺寸合理設計；將四輥分成兩級壓榨，并運用彈簧消震以減少噪音，符合環(huán)保和室內使用的要求[4]。

2 輥壓式甘蔗榨汁機總體設計

2.1 設計原理

以現(xiàn)有甘蔗榨汁機以及其他水果榨汁機的設計技術為基礎[5-6]，對榨汁機的各零部件結構進行改進和優(yōu)化，在將甘蔗收獲后，將甘蔗伸入進料口，緩慢地送入上面2個輥輪的間隙中，在上面2個輥輪的擠壓帶動下，甘蔗從輥輪另一端出來之后，完成一次榨汁，甘蔗繼續(xù)移動，碰到換向機構，改變運動的方向，進入下面兩個輥輪上平滑擠壓，完成二次榨汁并最終滑出出口，輥輪分布情況如圖3所示。壓榨的甘蔗汁從上流到下方的過濾板，經多級過濾濾去殘余的碎渣，進入具有一定斜度的收集箱。

2.2 整體三維造型圖

根據(jù)輥壓式甘蔗榨汁機設計原理，將系統(tǒng)的功能進行分解，得到各個合適的子系統(tǒng)功能模塊，運用三維建模軟件Solid Works進行整體結構的設計以及建模裝配，運用Solid Works軟件的渲染工具進行最終渲染，得到輥壓式甘蔗榨汁機整機的三維實體模型，如圖4所示，為運用Solid Works軟件的仿真模塊對其進行有限元分析[7]奠定基礎。

圖3 輥輪分布情況圖

圖4 整體三維造型圖

3 關鍵部分的設計

3.1 驅動裝置的設計

設計的輥壓式甘蔗榨汁機采用減振電動機，由三相異步電動機、浮動支撐板、導柱和減振彈簧等組成，浮動支撐板采用的是鋁合金，導柱采用45號鋼[8]，減振彈簧是采用彈簧鋼[9]制作，能夠有效減少輥壓時產生的沖擊力，通過Solid Works中的插件PhotoView 360渲染工具對其進行最終渲染，效果圖如圖5所示。

圖5 驅動裝置的設計圖

3.2 行進裝置的設計

設計的輥壓式甘蔗榨汁機行進裝置采用的是萬向輪，能夠在任意方向上轉彎，圖6是萬向輪的三維渲染圖，包括旋轉輪底、支撐架、輪軸和輪子等零部件。旋轉輪底采用的是灰鑄鐵[10]，輪子采用的是合金鋼[11]，它們保證了底盤的穩(wěn)定性以及輪子的耐磨性，效果圖如圖6所示。

圖6 萬向輪三維渲染圖

3.3 過濾板的設計

設計的輥壓式甘蔗榨汁機過濾裝置采用多級過濾板，以保證進入收集箱的甘蔗汁足夠得干凈，不含渣滓。考慮到過濾板的防腐蝕和食品安全，選擇陶瓷材料制作過濾板，將其多塊堆疊使用。效果圖如圖7所示。

圖7 過濾板三維渲染圖

3.4 輥壓裝置的設計

對于甘蔗榨汁機的設計，最重要的是對其輥輪的設計，輥輪承受的最大應力、剛度決定了一臺甘蔗榨汁機的好壞。設計出來的輥子結構，需要對其進行應力應變分析。

設計的輥壓式甘蔗榨汁機的輥子采用的是食品級304不銹鋼[12]，既保證輥壓時候的剛度，又保證衛(wèi)生安全。在軸上通過定位圈確保輥子的安裝位置，防止發(fā)生軸向竄動，圖8是輥子的三維造型圖。

圖8 輥子三維造型圖

4 分析校驗

4.1 問題的提出

甘蔗榨汁機的承載能力是評價其工作性能指標參數(shù)優(yōu)劣的一個重要指標，在設計的輥壓式甘蔗榨汁機中，輥子的強度對整機的安全性能影響較大。而對于輥子而言，其選材、結構參數(shù)均為影響其承載能力的關鍵因素[13]。

通過對一種四輥甘蔗榨汁機進行研究，運用Solid Works軟件的仿真模塊對其進行力學有限元分析，對其強度進行校核，進而判斷其結構參數(shù)設計是否合理[14]。

4.2 分析流程

Solid Works軟件的建模裝配模塊與仿真分析模塊是一個集成化的設計分析系統(tǒng)，Solid Works軟件的仿真模塊提供了完整的求解過程來進行有限元應力分析、模態(tài)分析和結構優(yōu)化分析。Solid Works軟件的仿真模塊的結構有限元分析流程如圖9所示。

圖9 有限元分析流程

4.3 創(chuàng)建算例

對于設計的輥壓式甘蔗榨汁機，輥子是整個機器裝置的關鍵部位，其強度在很大程度上決定了甘蔗取汁工藝是否能安全完成。因此，對其進行結構有限元力學分析。

4.3.1 定義材料屬性

在對輥壓式甘蔗榨汁機的輥子模型進行應力有限元分析之前，需要對其模型進行前處理，包括三維建模、設定材料屬性和載荷等。輥子大端受到400 N向上的力及400 N·m的力矩作用，輥子選用的是304不銹鋼，其優(yōu)點是耐熱性高、易于加工、韌性好，其力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 304不銹鋼的材料性能

4.3.2 網格劃分

在將輥子的三維結合模型導入Solid Works軟件的仿真分析模塊之后，須設置模型的約束形式，根據(jù)工藝條件載荷的大小及方向，選擇合理的精度等級劃分有限元網格，以便于在模型的細小特征處獲得精確的結果[16]。

在網格參數(shù)一欄中選中基于曲率的網格，網格質量選用高品質，其他選項默認，最終生成結果如圖10所示。

4.4 求解分析

對輥壓式甘蔗榨汁機的輥子進行有限元前處理之后，即進行有限元運行求解分析，具體計算輥子的應力、應變和位移等參數(shù)[17-20]，最終得到輥子的結果如圖11所示。

輥子的最大應力約1.604 MPa，此時，承受最大應力處于棍子大端與桿的結合部，如圖9（a）所示，而輥子的許用應力為206.8 MPa。因此，輥子在工作過程中的最大應力遠小于其許用應力，同時考慮到各種甘蔗的直徑大小不一、質量也不完全相同，因此進行力學仿真分析時，其許用應力應遠大于最大應力，這說明設計的輥壓式甘蔗榨汁機輥子的結構較為合理。

圖10 輥子的應力分析模型

圖11 輥子分析結果

5 結語

設計的輥壓式甘蔗榨汁機以現(xiàn)有甘蔗榨汁機以及水果榨汁機的設計技術為基礎，對其過濾板、行進裝置、驅動裝置、輥輪等主要組成元件進行結構設計。

運用Solid Works軟件的仿真模塊，對輥子結構進行有限元力學性能仿真分析，通過分析應力云圖、應變云圖得出，輥子強度和剛度均符合要求，分析位移云圖可得輥子的變形較為均勻，能確保輥壓甘蔗取汁工藝的安全進行。

與已有的甘蔗榨汁機結構相比，設計的輥壓式甘蔗榨汁機在提高榨汁率、消除噪音、安全衛(wèi)生等方面有較明顯的提升，而且尺寸更小，更加適應現(xiàn)代食品工業(yè)的清潔化發(fā)展需求。