榨汁機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

魯亞云

新疆職業(yè)大學(xué)（烏魯木齊 830013）

螺旋式榨汁機(jī)由于自身獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)而廣泛存在于食行品業(yè)，通常這類機(jī)械以提取果蔬汁液為目的。工作過程是將果蔬類食品推到其工作空間，通過螺桿的擠壓從一個(gè)出口將液體和氣體組成的混合物排出，剩下的固體仍留在其工作空間[1]。傳統(tǒng)的榨汁機(jī)通常采用不生銹的不銹鋼材料鑄造、精加工的工序制造工作部件螺旋桿，螺旋桿直徑隨著廢渣排出方向逐漸增大，其螺距隨之減小，因此隨著其工作的進(jìn)行，果汁所承受的壓力也越來越大，其壓縮比可高達(dá)1∶20。其工作過程是物料被送入進(jìn)料口，通過螺桿旋轉(zhuǎn)，擠壓物料，擠出的水分通過篩孔排出，收集在積液盤然后排出，強(qiáng)大的榨取力擠壓物料，水分逐漸變少，最終通過漏斗流出[2]。擠壓壓力大小可根據(jù)物料性質(zhì)和工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保設(shè)備在正常范圍內(nèi)工作。以螺旋式連續(xù)榨汁機(jī)為例，做一研究設(shè)計(jì)[3]。

傳統(tǒng)意義上的螺旋式連續(xù)榨汁機(jī)盡管具有很多特點(diǎn)，例如簡單的結(jié)構(gòu)，不容易壞，有極高的生產(chǎn)效率，但其缺點(diǎn)也很突出，獲得的是一種混合物偏高的果蔬汁。而且果蔬汁易于氧化，故而出汁率較低[4]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 整體布局設(shè)計(jì)

榨汁機(jī)總成及各部件說明如圖1所示。螺旋榨汁機(jī)主要由篩筒、機(jī)座、螺旋桿等部件組成。

首先打開電機(jī)1的開關(guān)，然后通過皮帶2連接，讓減速器3旋轉(zhuǎn)，連接減速器3與螺桿6，它們之間使用聯(lián)軸器4，物料被放入料斗5中，借助螺桿6高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，擠壓物料，汁液慢慢地通過篩筒流出來，水分收集在集液盤9中，然后流出設(shè)備外，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擠壓力作用在物料上，水分逐漸減少，最終通過漏斗8流出[5]。

1.2 核心部件螺桿的設(shè)計(jì)

結(jié)合試驗(yàn)情況，通過對(duì)中型榨汁機(jī)的使用情況進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以得到初步的結(jié)論：增加一些附加設(shè)備即可完成出渣口部分和積液盤部分。此次研究的主要關(guān)鍵部位是對(duì)螺桿進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[5]。

當(dāng)榨汁機(jī)器啟動(dòng)時(shí)，榨汁機(jī)中的螺桿開始運(yùn)動(dòng)，然后升到一個(gè)很高的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擠壓力作用在物料上，這個(gè)力迫使物料中的水分流出。對(duì)螺桿榨汁機(jī)進(jìn)行分類，一般主要通過螺桿不同而歸納。與此同時(shí)可以按照螺桿的粗細(xì)進(jìn)行分類，也可以依據(jù)螺桿上的螺紋型面進(jìn)行分類，有的型面持續(xù)，有的型面間斷。通過對(duì)榨汁機(jī)使用情況的調(diào)查研究，選擇這種榨汁機(jī)：沿著廢料排出的方向，螺桿的底徑不斷增加，而螺距不斷變小，并且安裝螺桿時(shí)，要使螺桿向下傾。每當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，總會(huì)向前移動(dòng)，相當(dāng)于在螺桿前進(jìn)的路上空間變得越來越小，而處在其中的物料的空間也就變得越來越小，從而擠壓物料。通過出渣口方向向進(jìn)料斗的方向，可以很清楚地知道螺桿的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。把物料送入料斗里面，在螺桿高速的旋轉(zhuǎn)下，產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力，汁液開始從物料中流出，這時(shí)要借助濾網(wǎng)的功能，過濾汁液，汁液流入事先放好的容器中，在螺桿旁邊的廢料，在螺桿向前移動(dòng)的過程中，逐漸地將廢料排出去，考慮到不同的物料可能會(huì)有不一樣的效果，因此可以通過調(diào)節(jié)調(diào)壓頭的位置改變距離的大小。手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變間隙的大小。在改變空隙大小時(shí)，可以得到兩個(gè)好處，既可以降低排渣的阻力，又可以提高出渣率。但是在不知情的情況下將空隙距離調(diào)得很小，螺桿在高速旋轉(zhuǎn)的作用下，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力，這就會(huì)導(dǎo)致小顆粒的物料會(huì)被通過篩孔擠出去。這時(shí)容器中的汁水變得很多，但是因?yàn)樾〔糠治锪系拇嬖?，?dǎo)致汁液的品質(zhì)變得不好，所以螺桿與滾筒之間的距離大小不是一成不變的，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況而定，以便可以得到品質(zhì)更好的汁液，充分得到選用物料中的汁液，使物料得到最大程度的利用[6]。

1.3 螺桿轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的確定

由于螺桿的工作環(huán)境是在榨汁機(jī)中，僅僅是靠螺桿的旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生擠壓力，不需要將螺桿的速度加到很高，低速就可以滿足使用要求，故取400 r/min。

通過螺旋桿的工作原理，它是不斷旋轉(zhuǎn)的，產(chǎn)生擠壓力，并將物料排出，所以可以使第一段螺距t為76 mm。

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，先求得螺桿轉(zhuǎn)速，然后乘以螺距，得出物料的速度：v1=nt/60=400×0.076/60= 0.056 m/s。

螺旋榨汁機(jī)產(chǎn)能公式[7]：

式中：F0為螺桿排料的截面積，m2；ρ1為物料的密度，取ρ1=400 kg/m3；Φ表示充填系數(shù)，取Φ=0.6；G為生產(chǎn)率，取G=1 500 kg/h。

匯總上面參數(shù)的數(shù)值，代入公式：

求得：F0≈0.034 7 m2。

已知螺桿的截面積，代入公式：

式中：d0為螺桿截面大徑，mm；d1為螺桿截面小徑，mm；通過小徑強(qiáng)度校核d1=90 mm。

將上面得到數(shù)據(jù)代入，得d1≈228.7 mm。在這里選取螺桿排料截面大徑d0=240 mm。

1.4 功率計(jì)算

擠壓的耗損功率和物質(zhì)消費(fèi)能力是榨汁機(jī)能量損耗的兩個(gè)方面。

假設(shè)螺桿連續(xù)擠壓物料所需要的功率為P1：

式中：Δs為相鄰螺距大小之差，mm；Z為螺距數(shù)量，根；Pmax為物料所受到的最大壓力，N。

假設(shè)螺桿推動(dòng)物料移動(dòng)所需要的功率為P2：

式中：m為物料質(zhì)量，kg；τ為物料運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

式中：η為傳動(dòng)效率。一般η取0.8～0.9，令η=0.9。

2 電動(dòng)機(jī)的選擇

考慮到此榨汁機(jī)電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境濕潤，可選擇Y型全封閉鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)作為選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

2.1 電動(dòng)機(jī)功率大小的選擇

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速大小的確定

由前文分析得到螺旋桿轉(zhuǎn)速400 r/min，傳動(dòng)比在2～4之間，通過轉(zhuǎn)速比公式得到電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間：800～ 1 600 r/min。Y112M-2被選為目標(biāo)電機(jī)[8]。得知電機(jī)功率Ped為4 kW，轉(zhuǎn)速nm為24 r/s。外形基本大?。洪L0.4 m，寬0.313 m，高0.265 m。電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量為45 kg。

3 V帶設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算功率Pca和V帶型號(hào)的確定

因?yàn)樵O(shè)計(jì)對(duì)象是螺旋榨汁機(jī)，電動(dòng)機(jī)上文已經(jīng)選擇好。

得：Pca=KAP=1.2×4=4.8 kW。式中：KA為工作情況系數(shù)，取KA=1.2。

V帶型號(hào)的選擇根據(jù)：功率Pca和小帶輪的轉(zhuǎn)速n1，使用A型V帶可以滿足使用條件[9]。

3.2 帶輪基準(zhǔn)直徑D1和D2的確定

3.2.1 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑D1

因?yàn)镈1＞Dmin=75 mm，為了方便計(jì)算，取D1=100 mm[10]。

V帶的傳動(dòng)速度v為：

3.2.2 大帶輪直徑D2的計(jì)算

由轉(zhuǎn)速比可以得到i=3.6，故D2=iD1=3.6×100= 360 mm。

3.3 中心距a和帶長Ld的確定

首先定中心距，因?yàn)?.7(D1+D2)＜a0＜2(D1+D2)，即322＜a0＜920，為了計(jì)算方便，先取500 mm。

工具公式可以得到基準(zhǔn)帶長：

基準(zhǔn)帶長，參考文獻(xiàn)[11]：取Ld=1 800 mm，中心距選擇發(fā)生改變，所以事實(shí)上中心距為：a≈a0+

3.4 V帶的根數(shù)Z的確定

通過以上關(guān)于V帶參數(shù)的計(jì)算，可將V帶相關(guān)參數(shù)匯總，見表1。

表1 V帶設(shè)計(jì)計(jì)算列表

4 帶輪的設(shè)計(jì)

4.1 帶輪的材料

由于市場上鑄鐵帶輪用得最為廣泛，加上所研究帶輪帶輪速只要滿足v＜25 m/s，故選擇帶輪材料HT150[13]。

4.2 帶輪的結(jié)構(gòu)形式

帶輪的結(jié)構(gòu)需要依靠帶輪直徑大小來決定帶輪的結(jié)構(gòu)，由于大帶輪直徑D小于2.5～3倍的小帶輪直徑d，因此采用實(shí)心式的小帶輪；而對(duì)大帶輪，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)要求需要滿足D小于0.3 m，因此采用腹板式大帶輪[11]。

4.3 帶輪基本大小設(shè)計(jì)計(jì)算

小帶輪的軸孔直徑選擇：因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)要與小帶輪直接接觸，故d=28 mm。

d1=（1.8-2）d=（1.8-2）×28=49.4～56 mm，為了方便計(jì)算，取50 mm。

小帶輪的寬度B和直徑D1[12]：

B=(z-1)e+2f=(3-1)×16+2×10=52 mm；D1=D+2hamin=100+2×2.75=105.5 mm；L=(1.5～2)d= (1.5～2)×28=42～56 mm，取50 mm。

小帶輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 小帶輪結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

大帶輪軸孔直徑d=50 mm。d1=(1.8-2)d=(1.8-2)×50=90～100 mm，取90 mm。

經(jīng)計(jì)算：B=52 mm；D1=D+2ha=377 mm；L=56 mm；C=20 mm。

大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖3所示。

圖3 大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

5 軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 端蓋的材料選擇

考慮到強(qiáng)度要求，材料選為HT150。對(duì)端蓋可以選擇凸緣式軸承端蓋，這是因?yàn)樗欣陂g隙的調(diào)整，并且密封性也很好。調(diào)整墊片可以放在端蓋與軸承座之間，以便調(diào)整間隙，這樣也可以確保密封性達(dá)到最優(yōu)，軸承端蓋結(jié)構(gòu)圖、基本大小如圖4所示[13]。

圖4 軸承端蓋的結(jié)構(gòu)圖

5.2 軸端蓋結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

D1=D-（10-15）=120-（10-15）=105～110 mm，令D1=110 mm。

m＞e=12.5 mm，在這里選取m=28.5 mm。

5.3 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇

因研究設(shè)計(jì)的是榨汁機(jī)，考慮到角接觸球軸承優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)、深溝球軸承的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，根據(jù)軸的大小，選用角接觸球軸承，軸承型號(hào)7012AC?；敬笮镈=95 mm，B=18 mm，d=60 mm。

榨汁機(jī)所選用的材料都是45剛，鍵采用靜聯(lián)接，受到的沖擊力小。動(dòng)齒盤與主軸的連接鍵選擇普通平鍵。與帶輪輪轂連接的鍵，它的基本大小為12 mm×8 mm×30 mm[14]。

由于所選的螺栓材料為Q235，因此選擇六角頭螺栓c級(jí)M24×120[15]。

由于所選的螺栓材料為Q235，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 65—2000，選擇開槽圓柱頭螺釘M8×20[16]。

6 篩筒部設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)需要，在篩筒上需要沖出許多篩孔，汁液通過篩孔流出。篩孔的設(shè)計(jì)需要考慮的主要參數(shù)：篩孔分布的密度和篩孔的大小，但考慮到當(dāng)螺旋桿按照設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生較大擠壓力，因此孔隙率不易過大，篩筒示意圖如圖5所示。

圖5 篩筒

選擇篩孔的直徑標(biāo)準(zhǔn)：不能一成不變，要做適當(dāng)?shù)母淖?。根?jù)實(shí)際需求做出實(shí)際的改變，也就是物料小，篩孔也小，但篩孔過小造成堵塞；反之亦然，但過大造成物料浪費(fèi)。綜合考慮：筒篩選用2 mm厚的1Cr17Ni2，沖孔的直徑為2 mm，相鄰兩孔的距離為2 mm，圓筒篩的長度為580 mm，內(nèi)徑為240 mm。為了后期維修工作的開展，篩筒選擇雙層結(jié)構(gòu)[17]。

7 結(jié)語

榨汁機(jī)在日常生活中隨處可見，在傳統(tǒng)榨汁機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款螺旋式榨汁機(jī)，對(duì)其核心部件螺桿進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，電動(dòng)機(jī)的選擇，帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算以及螺釘、螺桿等標(biāo)準(zhǔn)選擇，通過對(duì)以往榨汁機(jī)性能分析，對(duì)此次研究的螺旋榨汁機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得出各零部件設(shè)計(jì)參數(shù)。與過去的榨汁機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)較為簡單，而且通過改變螺桿的螺距，獲得較為新鮮的果汁，操作簡單，從而廣泛被推廣到食品榨汁行業(yè)。