小型螺旋榨油機結構設計

劉彩虹，成小飛，王春鳳

（山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

民以食為天。其中，食用油是每個家庭日常生活必需品，食用油不僅可以改善菜肴的風味和口感，還可以增進食欲；同時，所含的維生素和磷脂還可以為人體提供所需的營養，促進人體的生理代謝和生長，并可以預防多種疾病。

食以安為先。然而，近期出現了多起地溝油、內臟油、口水油、泔水油等劣質有毒油流入市場，流向餐桌。基因改造、添加劑和化學殘留等問題困擾著監管者和消費者，造成了嚴重的信任危機。基于此，筆者設計了一款小型螺旋榨油機，可運用在家庭或自助榨油場合，消費者可自己動手現用現榨，實現全加工過程的透明化，保證了食用油的健康。

1 榨油工作原理及方案

1.1 傳動方案

油脂存在于植物油料的細胞中，壓榨法制油就是通過機械作用壓迫植物細胞破碎，從而使油從植物細胞中分離[1]。螺旋榨油機在工作時由電動機提供動力，通過減速器傳遞到螺旋軸上，使其反復旋轉，將榨膛內的油料連續不斷地向前推進，同時，由于螺旋導程的逐漸縮短或者榨螺軸根圓直徑的不斷增大，使榨膛內的空余體積逐漸縮小，從而對榨膛內的油料起到壓榨的作用[2]。壓榨過程一般分為喂料段、壓榨段和成餅段3個階段。

通過對榨油機的工作原理進行分析，該榨油機主要包括動力機構、齒輪減速裝置、喂料裝置、螺旋壓榨裝置、出餅調節裝置等結構。其中電動機為榨油機提供動力，是整個系統的動力源，通過聯軸器連接變速齒輪箱，使轉速達到榨油機所需的工作轉速后，經由聯軸器將動力傳遞到榨螺軸，帶動榨螺軸旋轉；在進料口，為防止堵塞，使油料能夠以一定的速度均勻地進入榨膛內，從而增加了攪拌裝置；壓榨系統是螺旋榨油機的主要壓榨部分，包括榨籠、較餅頭、鎖緊螺母和榨螺軸，可以使油料作物得到充分擠壓，同時將廢渣排出。具體結構如圖1所示。

圖1 總裝配圖

1.2 技術要求

最大壓力為2 t/cm2；油料壓榨后的厚度為1.5 mm～2 mm；產油量為30 kg/h。

2 關鍵零部件的設計

2.1 傳動系統的設計

2.1.1 確定傳動方案

齒輪傳動具有傳動效率高、結構緊湊、強度大等優點，能適應壓榨載荷變化大的情況，所以選用齒輪傳動可使壓榨出油率高，同時可以提高傳動效率。如圖2所示，電動機

圖2 傳動方案及原理圖

通過二級減速器把動力傳送到壓榨螺旋軸的一端，帶動壓榨螺旋軸的轉動進行壓榨做功。

2.1.2 動力源的確定

榨油機的功率消耗主要包括榨料的壓縮功率、螺旋輸送功率和傳動系統消耗功率等。其以榨料的壓縮功率為主，然后通過傳動效率與系數確定最終所需的功率。

榨螺軸對榨料的壓榨功率為：

式中：pr為榨螺軸對榨料的壓榨功率，kW；

q為榨螺每轉所輸送的物料，kg/r；

為單位質量的榨料壓縮功。

式中：

εn為物料實際壓縮比；

γm為料胚容重，kg/cm3；

P為榨膛壓力。

榨膛內的壓力主要取決于榨油機的壓縮比，壓縮比越大，相應的榨膛壓力也越大。較大的壓力有利于提高油料的出油率，但超過一定范圍后，出油率隨壓力的變化變得非常緩慢，壓力過大還會導致油料間的孔隙減小，阻礙油液的滲流，降低出油率。胡志剛等[3]在對油料壓榨的試驗中發現，對于常見的幾種植物油料，當壓力達到50 MPa～60 MPa后，已經能達到很高的出油率。現以大豆為例計算榨膛內壓力：

式中：

P為榨膛壓力，MPa；

ζ為取決于熱坯水分和溫度的系數；

W為榨料水分，榨料不同，W也不同，一般為1%～2.8%，當W=2.5%時，ζ=0.004 5；

e為自然對數底值。

將數據代入得Pr=0.52 kW。

榨料壓縮功率占比為40%～60%，所以榨油機工作所需的功率在0.87 kW～1.3 kW之間，現取工作功率為Pw=1.04 kW。

考慮電機的安全系數k=1.2，則電動機所需提供的功率為：

查詢電動機型號參數，考慮到榨油機所需的工作轉速40 r/min，為確保后續傳動比合理，最終選擇了YE3-100L-6 型號的電動機，其額定功率為1.5 kW，額定轉速為950 r/min。

2.2 壓榨部分的設計

2.2.1 壓榨軸的結構確定

榨螺軸的結構參數、轉速、材質的選擇對榨膛壓力、油和餅的質量、生產率有很大關系。榨油機在壓榨制油時，榨螺軸不斷將油料作物從進料端輸送至出餅端，在此期間，受到較強的擠壓、剪切和摩擦作用，易造成磨損。本設計為小型家用榨油機，產量不高，選擇整體式連續型變徑等導程榨螺軸，榨膛壓力穩定，壓榨效率更高。

2.2.2 壓榨軸的設計計算

軸的根圓直徑 可按扭轉強度進行初步估算：

整體式榨螺軸平均直徑的確定[4]：

螺齒高為：

榨螺齒形：

采用錐形根圓榨螺，榨螺齒形結構如圖3所示，其中根錐角γ≤10°，取γ=2°。

圖3 榨螺齒形

1）確定榨螺螺紋側面角（推料面傾角β ≥0～30°）。榨螺推料面應用傾角小的側面，截面形狀如圖4所示。

圖4 榨螺截面形狀

2）確定榨螺螺紋的螺旋升角（背面傾角α ≥15°～45°）。如圖5 螺旋線的展開圖所示，螺紋的螺旋升角，在根圓和螺旋外徑計算是不同的，現取中徑計算，導程S=70 mm。

圖5 螺旋線展開示意圖

設計出的壓榨螺旋軸如圖6所示。

圖6 榨螺軸結構

2.3 壓榨軸的強度校核計算

榨螺軸工作時，出餅口所受壓力最大，現校核該截面處的應力強度，已知該螺旋軸既受軸向力Fa，又受扭矩T的作用，T按螺桿實際受力情況確定，本設計中T=270 N·m。根據拉應力σ和剪切應力τ，按第四強度理論，求得危險截面上的計算應力σca：

2.4 榨螺軸穩定性計算

對于一個長徑比較大的長期受擠壓螺旋桿而言，當軸向力增大到某一特定的臨界點時，螺旋桿就會由于突然的彎曲而失去穩定性[4]，其穩定性與桿的柔度材料和材料都有關系。

通過式（15）計算榨螺軸的柔度λ=43，當λ<100時：

式中：

nsc為計算所得安全系數；

通過計算榨螺軸滿足穩定性要求。

2.5 榨膛的構造

榨膛是由榨籠和榨螺軸安裝配合后所圍成的空腔部分，榨籠上留有出油縫隙，保證油脂順利流出。本次設計的榨膛結構如圖7所示，通過螺釘安裝固定于機殼上。

圖7 榨膛結構圖

3 結論

通過對國內外螺旋榨油機在機械設備和理論壓榨方面的研究發展情況，參考現有壓榨技術和現場試驗結果，設計了這款小型的螺旋榨油機，結構簡單，榨油成本低，榨油率高，適合于家庭和自主榨油場合。