榨汁機的結構設計和分析

魯亞云

新疆職業大學（烏魯木齊 830013）

螺旋式榨汁機由于自身獨有的優點而廣泛存在于食行品業，通常這類機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]。傳統的榨汁機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行，果汁所承受的壓力也越來越大，其壓縮比可高達1∶20。其工作過程是物料被送入進料口，通過螺桿旋轉，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物料性質和工藝要求進行調節，以確保設備在正常范圍內工作。以螺旋式連續榨汁機為例，做一研究設計[3]。

傳統意義上的螺旋式連續榨汁機盡管具有很多特點，例如簡單的結構，不容易壞，有極高的生產效率，但其缺點也很突出，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 總體設計

1.1 整體布局設計

榨汁機總成及各部件說明如圖1所示。螺旋榨汁機主要由篩筒、機座、螺旋桿等部件組成。

首先打開電機1的開關，然后通過皮帶2連接，讓減速器3旋轉，連接減速器3與螺桿6，它們之間使用聯軸器4，物料被放入料斗5中，借助螺桿6高速旋轉運動，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，然后流出設備外，高速旋轉產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 核心部件螺桿的設計

結合試驗情況，通過對中型榨汁機的使用情況進行分析總結，對其結構進行分析，可以得到初步的結論：增加一些附加設備即可完成出渣口部分和積液盤部分。此次研究的主要關鍵部位是對螺桿進行設計研究[5]。

當榨汁機器啟動時，榨汁機中的螺桿開始運動，然后升到一個很高的轉速，旋轉產生的擠壓力作用在物料上，這個力迫使物料中的水分流出。對螺桿榨汁機進行分類，一般主要通過螺桿不同而歸納。與此同時可以按照螺桿的粗細進行分類，也可以依據螺桿上的螺紋型面進行分類，有的型面持續，有的型面間斷。通過對榨汁機使用情況的調查研究，選擇這種榨汁機：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，要使螺桿向下傾。每當螺桿旋轉時，總會向前移動，相當于在螺桿前進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料斗的方向，可以很清楚地知道螺桿的旋轉方向為逆時針方向。把物料送入料斗里面，在螺桿高速的旋轉下，產生強大的擠壓力，汁液開始從物料中流出，這時要借助濾網的功能，過濾汁液，汁液流入事先放好的容器中，在螺桿旁邊的廢料，在螺桿向前移動的過程中，逐漸地將廢料排出去，考慮到不同的物料可能會有不一樣的效果，因此可以通過調節調壓頭的位置改變距離的大小。手輪的轉動可以改變間隙的大小。在改變空隙大小時，可以得到兩個好處，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得很小，螺桿在高速旋轉的作用下，會產生強大的擠壓力，這就會導致小顆粒的物料會被通過篩孔擠出去。這時容器中的汁水變得很多，但是因為小部分物料的存在，導致汁液的品質變得不好，所以螺桿與滾筒之間的距離大小不是一成不變的，應當根據實際情況而定，以便可以得到品質更好的汁液，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 螺桿轉速和轉矩的確定

由于螺桿的工作環境是在榨汁機中，僅僅是靠螺桿的旋轉來產生擠壓力，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，它是不斷旋轉的，產生擠壓力，并將物料排出，所以可以使第一段螺距t為76 mm。

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

螺旋榨汁機產能公式[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，取Φ=0.6；G為生產率，取G=1 500 kg/h。

匯總上面參數的數值，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；通過小徑強度校核d1=90 mm。

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

1.4 功率計算

擠壓的耗損功率和物質消費能力是榨汁機能量損耗的兩個方面。

假設螺桿連續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為螺距數量，根；Pmax為物料所受到的最大壓力，N。

假設螺桿推動物料移動所需要的功率為P2：

式中：m為物料質量，kg；τ為物料運動時間，s。

式中：η為傳動效率。一般η取0.8～0.9，令η=0.9。

2 電動機的選擇

考慮到此榨汁機電動機工作環境濕潤，可選擇Y型全封閉鼠籠型三相異步電動機作為選擇驅動電動機。

2.1 電動機功率大小的選擇

2.2 電機轉速大小的確定

由前文分析得到螺旋桿轉速400 r/min，傳動比在2～4之間，通過轉速比公式得到電機轉速區間：800～ 1 600 r/min。Y112M-2被選為目標電機[8]。得知電機功率Ped為4 kW，轉速nm為24 r/s。外形基本大小：長0.4 m，寬0.313 m，高0.265 m。電動機的質量為45 kg。

3 V帶設計

3.1 計算功率Pca和V帶型號的確定

因為設計對象是螺旋榨汁機，電動機上文已經選擇好。

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

V帶型號的選擇根據：功率Pca和小帶輪的轉速n1，使用A型V帶可以滿足使用條件[9]。

3.2 帶輪基準直徑D1和D2的確定

3.2.1 初選小帶輪的基準直徑D1

因為D1＞Dmin=75 mm，為了方便計算，取D1=100 mm[10]。

V帶的傳動速度v為：

3.2.2 大帶輪直徑D2的計算

由轉速比可以得到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，因為0.7(D1+D2)＜a0＜2(D1+D2)，即322＜a0＜920，為了計算方便，先取500 mm。

工具公式可以得到基準帶長：

基準帶長，參考文獻[11]：取Ld=1 800 mm，中心距選擇發生改變，所以事實上中心距為：a≈a0+

3.4 V帶的根數Z的確定

通過以上關于V帶參數的計算，可將V帶相關參數匯總，見表1。

表1 V帶設計計算列表

4 帶輪的設計

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 帶輪的結構形式

帶輪的結構需要依靠帶輪直徑大小來決定帶輪的結構，由于大帶輪直徑D小于2.5～3倍的小帶輪直徑d，因此采用實心式的小帶輪；而對大帶輪，因為結構要求需要滿足D小于0.3 m，因此采用腹板式大帶輪[11]。

4.3 帶輪基本大小設計計算

小帶輪的軸孔直徑選擇：因為電動機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。

小帶輪結構示意圖如圖2所示。

圖2 小帶輪結構尺寸示意圖

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。

經計算：B=52 mm；D1=D+2ha=377 mm；L=56 mm；C=20 mm。

大帶輪結構尺寸示意圖如圖3所示。

圖3 大帶輪結構尺寸示意圖

5 軸承端蓋的結構設計

5.1 端蓋的材料選擇

考慮到強度要求，材料選為HT150。對端蓋可以選擇凸緣式軸承端蓋，這是因為它有利于間隙的調整，并且密封性也很好。調整墊片可以放在端蓋與軸承座之間，以便調整間隙，這樣也可以確保密封性達到最優，軸承端蓋結構圖、基本大小如圖4所示[13]。

圖4 軸承端蓋的結構圖

5.2 軸端蓋結構尺寸設計

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 標準件的選擇

因研究設計的是榨汁機，考慮到角接觸球軸承優點及缺點、深溝球軸承的優點及缺點，根據軸的大小，選用角接觸球軸承，軸承型號7012AC。基本大小為D=95 mm，B=18 mm，d=60 mm。

榨汁機所選用的材料都是45剛，鍵采用靜聯接，受到的沖擊力小。動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M24×120[15]。

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

6 篩筒部設計

由于設計需要，在篩筒上需要沖出許多篩孔，汁液通過篩孔流出。篩孔的設計需要考慮的主要參數：篩孔分布的密度和篩孔的大小，但考慮到當螺旋桿按照設計要求的轉速旋轉時，產生較大擠壓力，因此孔隙率不易過大，篩筒示意圖如圖5所示。

圖5 篩筒

選擇篩孔的直徑標準：不能一成不變，要做適當的改變。根據實際需求做出實際的改變，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。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，內徑為240 mm。為了后期維修工作的開展，篩筒選擇雙層結構[17]。

7 結語

榨汁機在日常生活中隨處可見，在傳統榨汁機的基礎上設計一款螺旋式榨汁機，對其核心部件螺桿進行設計分析，電動機的選擇，帶輪的設計計算以及螺釘、螺桿等標準選擇，通過對以往榨汁機性能分析，對此次研究的螺旋榨汁機相關參數進行優化，最終得出各零部件設計參數。與過去的榨汁機相比，其結構較為簡單，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。