螺旋榨油機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

魏文波，韓 鵬，張經(jīng)宇，李建昌，趙曉順，郝建軍

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，河北 石家莊 050011；3.河北凱闊食品集團(tuán)股份有限公司，河北 康保 076650）

植物油在日常生活中發(fā)揮著重要作用。近年來，植物油產(chǎn)量下降，除原料供應(yīng)不足外，榨油機(jī)械的落后也是制約食用油產(chǎn)量的一個(gè)重要原因[1-2]。壓榨法和浸出法是2 種常見的食用油制備工藝，其中壓榨法制油是用物理的方法對油料進(jìn)行擠壓，油脂從油料中分離出來，該過程不添加化學(xué)藥劑，深受消費(fèi)者喜愛。1900 年第一臺連續(xù)式螺旋榨油機(jī)在美國問世，制油方法從傳統(tǒng)間歇式榨油變?yōu)榱诉B續(xù)式榨油[3-6]。如今，螺旋榨油機(jī)制油已成為提高生產(chǎn)效率、減輕勞動的重要方式。

螺旋榨油機(jī)工作時(shí)油料在榨膛內(nèi)受到剪切力和擠壓力，隨著榨螺的旋轉(zhuǎn)，靠近榨螺螺紋處的油料隨榨螺一起轉(zhuǎn)動，榨籠的內(nèi)表面與榨螺的外表面所圍成的空余體積順著榨螺前進(jìn)方向容量由大到小的變化，此過程油料受到擠壓作用，從而把油脂從油料內(nèi)擠出來，并從榨條縫隙和榨圈油槽中排出[7-9]。因螺旋榨油機(jī)壓榨出油率高、節(jié)能省工且保持了油液的天然特性，是目前廣泛采用的榨油方式。

1 螺旋榨油機(jī)械研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對螺旋榨油技術(shù)的研究已經(jīng)有120 多年的歷史，經(jīng)過長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。目前，國外對榨油機(jī)的研究更多側(cè)向于工業(yè)級榨油機(jī)，除對具體機(jī)型的研究外，還對榨螺轉(zhuǎn)速、物料投放量和榨螺螺距等壓榨條件對出油率影響、壓榨方式對油脂理化指標(biāo)影響和壓榨過程中油料的流變特性等方面進(jìn)行研究。

英國的Simo-Rosedowns 是一家著名的螺旋榨油機(jī)廠商，該公司利用對螺旋滲氮技術(shù)和利用鎢鉻鈷硬質(zhì)合金處理技術(shù)對機(jī)內(nèi)表面進(jìn)行處理研制出了可承受較高壓力的螺旋榨油機(jī)[10-11]。Simo-Rosedowns公司的大多數(shù)螺旋榨油機(jī)產(chǎn)品對榨螺進(jìn)行水冷處理，防止餅粕在榨膛內(nèi)因高溫灼燒而出現(xiàn)有害物質(zhì)的現(xiàn)象發(fā)生。采用雙螺旋進(jìn)料裝置利于強(qiáng)制喂料，加大喂入量，壓榨能力達(dá)到40～65 t/d。

美國Vicent 公司的Johnston 根據(jù)前人對雙螺桿壓榨機(jī)的研究經(jīng)驗(yàn)，利用2 根互相嚙合的中斷螺棱螺桿原理設(shè)計(jì)了可反向旋轉(zhuǎn)的平行雙螺桿壓榨機(jī)[12]。雙嚙合螺旋機(jī)構(gòu)在降低滑移與加強(qiáng)物料正向位移能力方面效果顯著。在榨籠上固定的突齒刮刀可插入到螺旋的隔圈內(nèi)，充當(dāng)攪拌與防止阻塞的功能。

Bargale 針對油料在壓榨過程中出現(xiàn)的油料餅滲透率可變性問題，探究了滲透率與時(shí)間之間的變化規(guī)律[13-14]。假設(shè)油料層內(nèi)油脂從上至下的一維流動，經(jīng)過滲透率試驗(yàn)分別建立了以時(shí)間為變量的滲透率經(jīng)驗(yàn)公式和油液體積流率的數(shù)學(xué)模型，并求出了解析解。相比較Darcy 的滲流定律與Terzaghi的固結(jié)理論而言，Bargale將壓榨過程中的滲透率以可變的特性進(jìn)行研究更加貼合實(shí)際壓榨情況。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國關(guān)于螺旋榨油機(jī)榨油的研究已經(jīng)有70 年的歷史。從最初的小產(chǎn)能機(jī)型發(fā)展成小產(chǎn)能、大產(chǎn)能和智能型機(jī)型并存，國內(nèi)的相關(guān)研究學(xué)者對榨油機(jī)的研究也變得更加系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)科技的快速發(fā)展，關(guān)于榨油機(jī)的關(guān)鍵機(jī)理部分的研究成果頗豐。

李詩龍等人針對雙低油菜籽脫皮籽仁在冷榨過程中存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了雙階多級壓榨的冷榨結(jié)構(gòu)模型[15]。通過對95 型螺旋榨油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在壓榨過程中的餅松散、油料在榨膛內(nèi)前進(jìn)困難問題。根據(jù)常見的螺旋榨油機(jī)結(jié)構(gòu)形式和H.J 拉澤洪等人[16]的研究基礎(chǔ)上，將榨膛結(jié)構(gòu)改為雙階多級壓榨，在分段榨螺之間加裝錐形榨圈，實(shí)現(xiàn)在壓縮腔內(nèi)數(shù)次擠壓和松弛，增大了主壓榨段的壓榨壓力，提高了出油率，為粗纖維含量少的油料壓榨提供了借鑒意義。

李文林等人針對脫皮冷態(tài)壓榨需要研制出了具備自清理功能的SSYZ50 型雙螺桿榨油機(jī)，解決了脫皮菜籽仁在榨膛中輸送困難的問題[17]。SSYZ50 型雙螺桿榨油機(jī)利用雙螺桿壓榨的原理提升了榨螺的喂入能力，避免了脫皮油料光滑導(dǎo)致的滑膛問題。該機(jī)型為條排排油的方式，端部出餅有利于實(shí)現(xiàn)餅粕厚度的按需調(diào)節(jié)。SSYZ50 型的理論壓縮比為23.0，實(shí)際生產(chǎn)活動反饋出來的數(shù)據(jù)顯示冷榨后餅粕的含水率為4%～6%、出餅的溫度在55℃左右、工作能力在45 t/d 左右。該機(jī)型在提高產(chǎn)能、降低能耗方面具有很好的借鑒作用。螺旋榨油機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展十分迅速，2006年后有很多優(yōu)秀機(jī)型問世，如湖北天星糧油機(jī)械設(shè)備有限公司推出的LYZX 系列低溫螺旋榨油機(jī)、河北南皮機(jī)械制造有限責(zé)任公司的ZY338 型螺旋榨油機(jī)和李詩龍等人為滿足含油量高的油料設(shè)計(jì)的雙階多級壓榨SZX12X2 型雙螺桿榨油機(jī)等[18-20]。LYZX 型低溫螺旋預(yù)榨機(jī)通過適當(dāng)降低主軸轉(zhuǎn)速和增大長徑比使榨料行程更長，壓榨和排油更徹底。河北南皮機(jī)械制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZY338 型螺旋榨油機(jī)采用自由喂料機(jī)構(gòu)，料胚相對疏松不易堵塞。

李詩龍等人為了適應(yīng)含油率高的油料壓榨，設(shè)計(jì)了一款兩根榨螺上下平行分布的SZX12X2 型雙螺桿榨油機(jī)[20]。該機(jī)的榨籠腔呈“8”字形，正向輸送能力強(qiáng)，在壓榨過程中不斷打開新的油路，油料在榨膛內(nèi)停留的時(shí)間長，壓榨較為徹底。對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該機(jī)不僅適合壓榨預(yù)處理過的油料，也可以對未進(jìn)行預(yù)處理過的油料進(jìn)行冷榨。產(chǎn)能符合設(shè)計(jì)要求，單位能耗低于傳統(tǒng)機(jī)型，干餅殘油率最低可達(dá)到3.5%，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能且高產(chǎn)能的效果。

通過調(diào)整榨油機(jī)結(jié)構(gòu)或參數(shù)來提升榨油機(jī)的效率一直是國內(nèi)外的研究重點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)榨油機(jī)時(shí)，大多依據(jù)前人生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，缺乏對榨油機(jī)工作過程的機(jī)理研究。鄭曉等人[21]在Mrema 和Bargale 等人的研究基礎(chǔ)上綜合油料在壓榨時(shí)出現(xiàn)的可變性和流變性，根據(jù)有限差分法和有限元法對滲流場和流變場進(jìn)行交替求解，將模型求出的數(shù)值解與實(shí)測值比較發(fā)現(xiàn)基本一致。劉汝寬等人[22]利用滲流模型計(jì)算出出油率模型，得出了料筒半徑與出油率的關(guān)系。經(jīng)過多次改變料筒內(nèi)徑計(jì)算出來的出油率與實(shí)際試驗(yàn)得出來的結(jié)果對比，誤差均在2.1%以下，這為榨油機(jī)的改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)方面的理論依據(jù)。計(jì)算機(jī)仿真軟件的發(fā)展給榨油機(jī)的理論研究提供了新的方案，張強(qiáng)等人[23]利用EDEM 軟件對壓榨腔的工作性能進(jìn)行了仿真，用BPM 模型建立花生顆粒的仿真模型，通過分析顆粒黏結(jié)鍵的破碎比率和出油率來討論壓榨腔的優(yōu)劣。以榨螺轉(zhuǎn)速、喂入量和榨螺螺距為3 個(gè)因素設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)。對EDEM 的工作仿真結(jié)果分析得出3 個(gè)因素中榨螺轉(zhuǎn)速對工作性能的影響最為顯著，且在矩陣分析得到的最優(yōu)工作參數(shù)下花生出油率為45.20%。壓榨模型和實(shí)際情況相比還有一定誤差，分析的影響因素不全面，但該研究對以后榨油機(jī)機(jī)理分析具有很好的借鑒作用。

螺旋榨油機(jī)在使用過程中榨螺的螺旋面所受到的沖擊力較大，所以對榨螺的強(qiáng)度、表面硬度和耐磨性都有很高的要求[24]。張麟等人[25]以材質(zhì)為20 鋼的榨螺為基體，用丙酮清洗基體表面并做粗化處理，然后利用爆炸噴涂技術(shù)將WC-12%Co 這種金屬陶瓷涂層材料對榨螺進(jìn)行噴涂。將噴涂后的榨螺外表面珩磨拋光后進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)。經(jīng)過爆炸噴涂后的榨螺表面的涂層厚度是0.3 mm，經(jīng)過傳統(tǒng)滲碳淬火后的榨螺的滲碳深度為0.2 mm。在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)得出同等情況下經(jīng)過WC-12%Co 爆炸噴涂后的榨螺使用壽命是經(jīng)過滲碳淬火榨螺的4.2倍。

2 螺旋榨油機(jī)械研制存在的問題

近年來，我國在螺旋榨油機(jī)械的低溫壓榨技術(shù)、榨螺與榨膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化、油料滲透模型、油料壓榨模型等方面的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但整體來看，還存在很多問題且沒有形成系統(tǒng)的研究方法。現(xiàn)階段，螺旋榨油機(jī)械的研究主要有以下3個(gè)方面的問題。

2.1 關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重

榨螺是螺旋榨油機(jī)磨損最嚴(yán)重的部分，其作為螺旋榨油機(jī)械最關(guān)鍵的部件之一，其螺距、螺溝牙深等參數(shù)設(shè)計(jì)較為精密。螺旋榨油機(jī)在工作時(shí)，榨膛榨螺各處受到連續(xù)摩擦、高壓及高溫，在使用一段時(shí)間后，螺旋榨油機(jī)榨螺部件會出現(xiàn)表面磨損與螺齒斷裂等現(xiàn)象。對榨螺表面進(jìn)行檢查和對磨損面進(jìn)行SEM 微觀分析，發(fā)現(xiàn)榨螺主要的磨損失效形式為磨料磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損[26-27]。如今，螺旋榨油機(jī)榨螺的磨損嚴(yán)重制約了榨油機(jī)榨油效率和出油率。

2.2 壓榨效率低、油品差

油料在螺旋榨油機(jī)榨膛內(nèi)的壓榨時(shí)間和壓榨溫度是決定壓榨效率的重要參數(shù)。壓榨時(shí)間過長會降低榨油效率和產(chǎn)量，壓榨時(shí)間短會導(dǎo)致油料經(jīng)壓榨后產(chǎn)生的餅粕含油率高、整體出油率較低。壓榨溫度是指油料在榨膛內(nèi)被壓榨時(shí)的溫度，其影響油料的可塑性、油液黏度及流動性，對壓榨效率也會產(chǎn)生影響。螺旋榨油機(jī)在壓榨過程中，油料受到的強(qiáng)烈的擠壓與摩擦，導(dǎo)致榨膛內(nèi)溫度過高，造成油脂中所含的蛋白質(zhì)變性及不飽和脂肪酸被破壞等問題，導(dǎo)致油品降低。

2.3 微觀機(jī)理研究不足

目前，榨油機(jī)的設(shè)計(jì)主要依托于經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)的方法，對微觀機(jī)理方面的研究還十分匱乏。榨油機(jī)工作時(shí)機(jī)器內(nèi)部油料是滲流場與流變場耦合滲流變化，應(yīng)力—應(yīng)變表現(xiàn)為明顯的非線性特征。內(nèi)部流場變化復(fù)雜，很難通過試驗(yàn)提供一套完整且可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。目前對榨油機(jī)的數(shù)值分析與模擬多集中于榨螺本身，但榨油是榨膛內(nèi)部物料流體與榨螺相互作用的過程。由于缺乏具體理論指導(dǎo)與參考，榨螺轉(zhuǎn)速、物料投放量和榨螺的螺距等參數(shù)確定困難，因此出現(xiàn)榨油機(jī)壓榨過程中物料壓榨不徹底的現(xiàn)象，制約了榨油機(jī)械的發(fā)展。

3 螺旋榨油機(jī)械發(fā)展建議

3.1 提高關(guān)鍵部件的耐磨性

長久以來，螺旋榨油機(jī)榨螺的磨損與腐蝕均出現(xiàn)在零件表面部分，但我們的設(shè)計(jì)優(yōu)化集中于強(qiáng)度、剛度、抗疲勞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)等方面，忽視了零件表面性能的研究。利用有限元分析的方法對分段的榨螺進(jìn)行變形及應(yīng)力計(jì)算，對有限元分析得出的結(jié)果進(jìn)行分析，確定變形及受力較大的部分。結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，利用目前先進(jìn)的堆焊、熔覆等表面工程抗磨技術(shù)對關(guān)鍵位置進(jìn)行耐磨性強(qiáng)化，提高其使用壽命。

3.2 提高工作性能

可利用ANSYS軟件對榨籠內(nèi)、外表面熱分析并進(jìn)行瞬時(shí)仿真計(jì)算。熱分析仿真結(jié)果與紅外測溫儀測得的實(shí)際溫度做對比，系統(tǒng)地探究榨籠溫度的變化規(guī)律。針對壓榨過程中溫度過高導(dǎo)致的油品下降問題，可在滿足要求的情況下采用榨螺內(nèi)部增加水冷等技術(shù)，加強(qiáng)壓榨過程中的降溫能力。對榨油機(jī)的榨籠長度、導(dǎo)程、壓縮比和出餅縫寬進(jìn)行探究，改善干餅殘油率及整體出油率。

3.3 加強(qiáng)對微觀機(jī)理的研究

應(yīng)加大對國外相關(guān)理論研究成果的吸收，結(jié)合目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)建立與壓榨技術(shù)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型與物理模型。綜合考慮流體和固體對榨油過程中的變化與影響，進(jìn)行流固耦合分析，更加真實(shí)的反映榨油機(jī)壓榨過程，將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果相互對比，充分了解榨油機(jī)完整的榨油流程，使研究更加系統(tǒng)可靠。

4 結(jié)束語

螺旋榨油機(jī)械的發(fā)展是對我國糧油產(chǎn)業(yè)的重要支撐，對螺旋榨油機(jī)械及其相關(guān)技術(shù)的充分了解至關(guān)重要。本文總結(jié)了國內(nèi)外榨油機(jī)械的研究現(xiàn)狀，分析了榨油機(jī)械現(xiàn)階段存在的問題并提出了一些發(fā)展建議。在國家的大力支持下，榨油機(jī)械的研究必然會上升到一個(gè)更高的層次。