某果蔬榨汁機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

◎張姍姍 寧艷亭 葛衛(wèi)京

隨著科技的發(fā)展，各種大棚蔬菜、無土栽培以及營(yíng)養(yǎng)無機(jī)蔬菜等品類層出不窮，瓜果蔬菜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不分季節(jié)隨時(shí)供應(yīng)。單我國(guó)山東濰坊供應(yīng)的新鮮蔬菜，就可以滿足整個(gè)華北甚至大半個(gè)中國(guó)的蔬菜消費(fèi)。但，伴隨著果蔬產(chǎn)量的提高以及反季節(jié)果蔬的不斷推出，新的問題產(chǎn)生了：若果蔬不能及時(shí)銷售，則會(huì)面臨極速腐爛變質(zhì)的問題。這將大大增加儲(chǔ)存成本和損耗成本。在這種背景下，果蔬榨汁機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

果蔬榨汁機(jī)可以把常用的或者不易儲(chǔ)存的瓜果蔬菜，通過榨汁以及后續(xù)的工藝處理，生成一鐘新的能夠直接飲用的果汁，從而既解決了果蔬的儲(chǔ)存以及易腐爛變質(zhì)問題，也為后續(xù)的果汁飲品深加工提供了半成品。另外，直接飲用果汁能夠提高消化水平以及對(duì)食物的吸收能力，滿足人們對(duì)高精尖食品的需求。

榨汁機(jī)的發(fā)展歷史是比較長(zhǎng)的。不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都有著從原始到手工刀機(jī)械化的一個(gè)生產(chǎn)過程。從布袋扭絞榨汁法起，到現(xiàn)代的各種各樣機(jī)械榨汁法。由于飲食習(xí)慣的不同，國(guó)外對(duì)果蔬的加工產(chǎn)品或者果汁的引用需求量更大。所以工業(yè)化的果蔬榨汁機(jī)首先出現(xiàn)在國(guó)外。同時(shí)由于科技水平較為發(fā)達(dá)，國(guó)外的果蔬榨汁機(jī)不論在技術(shù)、產(chǎn)量、質(zhì)量上都相對(duì)較高。迄今為止，國(guó)外對(duì)榨汁機(jī)的研制還在不斷地推陳出新，從通用榨汁機(jī)到單一水果的專用榨汁機(jī)，新型機(jī)器不斷出現(xiàn)。

我國(guó)的果蔬榨汁機(jī)起步較晚、發(fā)展較慢，這和我國(guó)居民的飲食習(xí)慣有著不可分割的聯(lián)系。長(zhǎng)期以來人們喜歡對(duì)食物進(jìn)行煎炒油炸，對(duì)水果或者蔬菜進(jìn)行榨汁的需求甚少，對(duì)這方面的專用機(jī)械更是知之甚少。但是隨著人民生活水平的提高和對(duì)食物的追求層次不斷提升，加上歐美等西方國(guó)家的飲食習(xí)慣的不斷滲透，對(duì)水果和蔬菜等食物進(jìn)行精細(xì)化處理的設(shè)備和技術(shù)日漸被關(guān)注。

本次設(shè)計(jì)的果蔬榨汁機(jī)要求如下：篩孔直徑：φ0.5mm~0.8mm；旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速：n=160r/min；

渣漿能自動(dòng)分離；功率自定。

一、榨汁方式選定

目前國(guó)內(nèi)外常用的榨汁方式主要有以下幾種。

1.裹包式。

工作原理：將初步處理過的果糊包于濾布內(nèi)，多包果糊疊摞，利用外力（如液力、氣力、機(jī)械力等）對(duì)其擠壓，細(xì)胞液排出即達(dá)到榨汁目的。

這種形式的榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定性好，方便操作，榨汁時(shí)候能夠產(chǎn)生較大的工作壓力，對(duì)一些出汁不太容易的果蔬非常實(shí)用，比如蘋果、芹菜、生姜等。但是其工作效率低，榨汁后還要將濾布拿出，榨汁過程較為麻煩。

2.螺旋式。

工作原理：利用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的變螺距螺桿來輸送果糊，通過調(diào)整螺距、槽深和出口阻力參數(shù)，使果糊在輸送過程中受壓，通過篩網(wǎng)排出果汁達(dá)到榨汁目的。

螺旋榨汁機(jī)在擠壓的過程中，會(huì)有對(duì)果蔬物料的剪切、破碎等作用，所以作業(yè)效果特別好。螺旋榨汁機(jī)是屬于比較常見的一種榨汁機(jī)，它對(duì)于質(zhì)地較硬的果蔬效果特別好。

3.帶式。

工作原理：皮帶帶動(dòng)不同直徑的榨棍轉(zhuǎn)動(dòng)，榨棍上分布有網(wǎng)帶，網(wǎng)帶擠壓果蔬使果汁排出。

帶式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，但由于整個(gè)榨汁過程是在開放空間進(jìn)行的，所以榨取的果汁容易氧化變質(zhì)，并且榨棍上的網(wǎng)帶容易受到果肉的堵塞，難以清洗。

4.爪杯式。

工作原理：球狀的果蔬被放入壓榨工位，利用上下爪狀?yuàn)A持器包裹、擠壓，果汁通過濾排汁管排出。

爪杯式榨汁機(jī)是一種專門用于柑、橘、橙等球狀果蔬榨汁作業(yè)的專用榨汁機(jī)。這種壓榨方式，原料不破碎，壓榨一般與果汁以外成分的回收同步進(jìn)行。

榨汁機(jī)的種類多種多樣，每一種榨汁機(jī)都有自身獨(dú)特的特點(diǎn)以及用處。隨著市場(chǎng)需求的不斷增加以及個(gè)性化需求的提升，還會(huì)出現(xiàn)其它榨汁機(jī)。但是不論外觀形式如何變化，榨汁機(jī)的工作本質(zhì)都一樣，工作效率、榨汁率以及自動(dòng)化等方面是未來發(fā)展的主要方向。

本次設(shè)計(jì)對(duì)比了各種果蔬榨汁機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)給定的技術(shù)指標(biāo)，選擇螺旋式榨汁。

二、總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

螺旋式果蔬榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括傳動(dòng)部分、擠壓榨汁部分、機(jī)架部分等。

本節(jié)詳細(xì)介紹各部分方案確定方法。

1.傳動(dòng)方案確定及電機(jī)選型。

目前常見的傳動(dòng)方式有鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)，每種傳動(dòng)都具有自身獨(dú)特的特點(diǎn)。

鏈傳動(dòng)比較典型的案例是自行車傳動(dòng)。鏈條和齒輪嚙合，能夠承受較大的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的傳動(dòng)比，并且可以在惡劣環(huán)境下工作，但傳動(dòng)過程中需要潤(rùn)滑。

帶傳動(dòng)是利用皮帶和帶輪之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的，工作穩(wěn)定性高，設(shè)備簡(jiǎn)單。同時(shí)由于傳動(dòng)是利用摩擦力的特點(diǎn)，所以能夠起到保護(hù)傳動(dòng)力矩過載等特點(diǎn)。帶傳動(dòng)不論是皮帶還是帶輪也都具有一定的標(biāo)準(zhǔn)，成品較多，價(jià)格較低。

齒輪傳動(dòng)，是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛的一種傳動(dòng)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精準(zhǔn)的傳動(dòng)，并且齒輪相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化，可以直接選擇。但是齒輪傳動(dòng)噪音大，工作中需要進(jìn)行潤(rùn)滑。

結(jié)合以上三種傳動(dòng)方案的特點(diǎn)以及本次所設(shè)計(jì)的果蔬榨汁機(jī)的特點(diǎn)以及技術(shù)指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)選擇帶傳動(dòng)。因?yàn)閂帶不需要潤(rùn)滑，不會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑油脂污染食品，同時(shí)V帶具有很好的傳動(dòng)動(dòng)力性能。在帶傳動(dòng)后加一個(gè)小的變速器，二者共同實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)速度和扭矩變化。

果蔬榨汁機(jī)采用的動(dòng)力傳遞路線為：電機(jī)→V帶→變速器→螺旋軸。

電機(jī)是整個(gè)果蔬榨汁機(jī)動(dòng)力的來源，它需要滿足榨汁機(jī)過程中物料移動(dòng)、物料擠壓以及傳動(dòng)系統(tǒng)中的損耗等。

壓縮物料所需要的功率P1：

推動(dòng)物料移動(dòng)所需要的功率P2：

則所需要的電機(jī)功率計(jì)算公式如下：

在本次所設(shè)計(jì)的果蔬打漿機(jī)中，主軸的額定轉(zhuǎn)速為160r/min，電機(jī)所需要的計(jì)算功率為3546.3W。根據(jù)上述參數(shù)以及《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》綜合考慮，初步擬定電機(jī)型號(hào)為Y112M-2。此電機(jī)的額定功率為4kw，滿載轉(zhuǎn)速為1450r/min。

2.榨汁方案設(shè)計(jì)。

整個(gè)榨汁部分一般包括進(jìn)料口、擠壓部件、積液口等。

進(jìn)料口一般采用廣口設(shè)計(jì)，方便果蔬物料的放入，同時(shí)可以利用物料的重力自動(dòng)進(jìn)入到榨汁機(jī)內(nèi)部。積液口一般放置在下部，榨汁完成的汁液在重力的作用下流入積液口，一般采用封閉設(shè)計(jì)，防止污染。渣滓排放口一般在尾部，利用螺桿的擠壓和推動(dòng)作用，逐漸推出榨汁的過程，流入到尾部。

擠壓部分是榨汁機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。根據(jù)螺桿榨汁的工作方式，兩端需要進(jìn)行支撐。選定采用常用的軸承支撐方式。螺桿擠壓分為兩部分：喂入階段和擠壓階段。喂入階段僅有輕微的擠壓，主要目的是把物料送入螺桿擠壓。擠壓階段則是利用螺桿施加較大的作用力，完成擠壓榨汁工作，是主要的擠壓工序。

3.機(jī)架材質(zhì)選擇。

機(jī)架是承載整個(gè)榨汁機(jī)重量的主要構(gòu)件，工作中還需要承受靜止或運(yùn)動(dòng)的多種力。為確保安全及穩(wěn)定性，考慮成本因素，機(jī)架的材質(zhì)一般都是選擇HT150或者型鋼。

4.整體布局設(shè)計(jì)。

果蔬榨汁機(jī)主要有：壓榨裝置、傳動(dòng)裝置、電機(jī)、出料裝置、機(jī)座等組成，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如下圖1所示。

圖1 果蔬榨汁機(jī)整體布局

三、螺桿結(jié)構(gòu)及軸設(shè)計(jì)

1.螺桿結(jié)構(gòu)。

結(jié)合目前現(xiàn)有產(chǎn)品的案例，本次設(shè)計(jì)的果蔬榨汁機(jī)選擇可變直徑的結(jié)構(gòu)來改變螺桿的螺距，整個(gè)螺桿分為了進(jìn)料螺桿部分以及壓榨部分。其中進(jìn)料螺桿主要起輸送作用-把從進(jìn)料口進(jìn)入的瓜果蔬菜輸送到后續(xù)的壓榨階段，接著經(jīng)過一個(gè)輕微力度的預(yù)壓榨，進(jìn)入到壓榨階段，這就是果汁的整個(gè)壓榨過程。

螺桿的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖2所示。

圖2 螺桿螺旋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

螺桿的材質(zhì)選擇既要考慮整體的強(qiáng)度，還需要考慮食品工業(yè)的特殊性，同時(shí)對(duì)于瓜果蔬菜來說，其汁液往往含有酸性，所以材質(zhì)需要能夠耐酸。綜上，本次設(shè)計(jì)選擇螺桿的材質(zhì)為食品級(jí)的使用材質(zhì)，經(jīng)過機(jī)械加工達(dá)到設(shè)備要求。

2.軸頭直徑設(shè)計(jì)。

螺旋軸最小直徑，即軸頭直徑，計(jì)算公式如下：

P表示主軸輸入功率，n表示主軸的工作轉(zhuǎn)速，A0是計(jì)算系數(shù)。

減速機(jī)輸入軸的功率P1：

主軸輸入功率P2：

轉(zhuǎn)速值為160r/min。A0表示一個(gè)計(jì)算系數(shù)，它的取值和主軸的材質(zhì)、轉(zhuǎn)速、工況條件等都有關(guān)系，本次設(shè)計(jì)取值為110。帶入計(jì)算可得：

故，選定主軸的最小直徑為50mm。

3.軸的強(qiáng)度校核。

主軸在工作中，既要產(chǎn)生推動(dòng)物料前進(jìn)的動(dòng)力，還需要產(chǎn)生徑向?qū)ξ锪线M(jìn)行擠壓的作用力。所以在校核強(qiáng)度的時(shí)候需要綜合考慮。

主軸在工作中所承受的力矩、轉(zhuǎn)矩繪圖如圖3所示。

圖3 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖

四、總結(jié)

本文首先介紹了研究果蔬榨汁機(jī)的必要性，其次針對(duì)給定的功能限制參數(shù)，選定榨汁形式為螺旋式榨汁。然后，通過比較鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)三種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用帶傳動(dòng)。接著考慮經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行了機(jī)架材質(zhì)選擇和榨汁機(jī)的整體布局設(shè)計(jì)。最后參考現(xiàn)有產(chǎn)品，選定螺桿結(jié)構(gòu)為可變直徑的，對(duì)螺旋軸的最小直徑及主軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。

本次設(shè)計(jì)基于生產(chǎn)實(shí)際，具有經(jīng)濟(jì)性與可操作性，可為類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做參考。