某果蔬榨汁機總體結構方案設計

◎張姍姍 寧艷亭 葛衛京

隨著科技的發展，各種大棚蔬菜、無土栽培以及營養無機蔬菜等品類層出不窮，瓜果蔬菜已經實現了不分季節隨時供應。單我國山東濰坊供應的新鮮蔬菜，就可以滿足整個華北甚至大半個中國的蔬菜消費。但，伴隨著果蔬產量的提高以及反季節果蔬的不斷推出，新的問題產生了：若果蔬不能及時銷售，則會面臨極速腐爛變質的問題。這將大大增加儲存成本和損耗成本。在這種背景下，果蔬榨汁機應運而生。

果蔬榨汁機可以把常用的或者不易儲存的瓜果蔬菜，通過榨汁以及后續的工藝處理，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存以及易腐爛變質問題，也為后續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食物的吸收能力，滿足人們對高精尖食品的需求。

榨汁機的發展歷史是比較長的。不論是國內還是國外，都有著從原始到手工刀機械化的一個生產過程。從布袋扭絞榨汁法起，到現代的各種各樣機械榨汁法。由于飲食習慣的不同，國外對果蔬的加工產品或者果汁的引用需求量更大。所以工業化的果蔬榨汁機首先出現在國外。同時由于科技水平較為發達，國外的果蔬榨汁機不論在技術、產量、質量上都相對較高。迄今為止，國外對榨汁機的研制還在不斷地推陳出新，從通用榨汁機到單一水果的專用榨汁機，新型機器不斷出現。

我國的果蔬榨汁機起步較晚、發展較慢，這和我國居民的飲食習慣有著不可分割的聯系。長期以來人們喜歡對食物進行煎炒油炸，對水果或者蔬菜進行榨汁的需求甚少，對這方面的專用機械更是知之甚少。但是隨著人民生活水平的提高和對食物的追求層次不斷提升，加上歐美等西方國家的飲食習慣的不斷滲透，對水果和蔬菜等食物進行精細化處理的設備和技術日漸被關注。

本次設計的果蔬榨汁機要求如下：篩孔直徑：φ0.5mm~0.8mm；旋轉軸轉速：n=160r/min；

渣漿能自動分離；功率自定。

一、榨汁方式選定

目前國內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，多包果糊疊摞，利用外力（如液力、氣力、機械力等）對其擠壓，細胞液排出即達到榨汁目的。

這種形式的榨汁機結構相對簡單，工作穩定性好，方便操作，榨汁時候能夠產生較大的工作壓力，對一些出汁不太容易的果蔬非常實用，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：利用一個旋轉的變螺距螺桿來輸送果糊，通過調整螺距、槽深和出口阻力參數，使果糊在輸送過程中受壓，通過篩網排出果汁達到榨汁目的。

螺旋榨汁機在擠壓的過程中，會有對果蔬物料的剪切、破碎等作用，所以作業效果特別好。螺旋榨汁機是屬于比較常見的一種榨汁機，它對于質地較硬的果蔬效果特別好。

3.帶式。

工作原理：皮帶帶動不同直徑的榨棍轉動，榨棍上分布有網帶，網帶擠壓果蔬使果汁排出。

帶式榨汁機結構比較簡單，生產效率高，但由于整個榨汁過程是在開放空間進行的，所以榨取的果汁容易氧化變質，并且榨棍上的網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，利用上下爪狀夾持器包裹、擠壓，果汁通過濾排汁管排出。

爪杯式榨汁機是一種專門用于柑、橘、橙等球狀果蔬榨汁作業的專用榨汁機。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行。

榨汁機的種類多種多樣，每一種榨汁機都有自身獨特的特點以及用處。隨著市場需求的不斷增加以及個性化需求的提升，還會出現其它榨汁機。但是不論外觀形式如何變化，榨汁機的工作本質都一樣，工作效率、榨汁率以及自動化等方面是未來發展的主要方向。

本次設計對比了各種果蔬榨汁機的優缺點，同時針對給定的技術指標，選擇螺旋式榨汁。

二、總體結構方案設計

螺旋式果蔬榨汁機結構主要包括傳動部分、擠壓榨汁部分、機架部分等。

本節詳細介紹各部分方案確定方法。

1.傳動方案確定及電機選型。

目前常見的傳動方式有鏈傳動、帶傳動以及齒輪傳動，每種傳動都具有自身獨特的特點。

鏈傳動比較典型的案例是自行車傳動。鏈條和齒輪嚙合，能夠承受較大的負荷，實現較為精準的傳動比，并且可以在惡劣環境下工作，但傳動過程中需要潤滑。

帶傳動是利用皮帶和帶輪之間的摩擦力實現傳動的，工作穩定性高，設備簡單。同時由于傳動是利用摩擦力的特點，所以能夠起到保護傳動力矩過載等特點。帶傳動不論是皮帶還是帶輪也都具有一定的標準，成品較多，價格較低。

齒輪傳動，是機械傳動中應用最為廣泛的一種傳動方式，能夠實現非常精準的傳動，并且齒輪相關產品已經參數化、標準化，可以直接選擇。但是齒輪傳動噪音大，工作中需要進行潤滑。

結合以上三種傳動方案的特點以及本次所設計的果蔬榨汁機的特點以及技術指標，本次設計選擇帶傳動。因為V帶不需要潤滑，不會因為潤滑油脂污染食品，同時V帶具有很好的傳動動力性能。在帶傳動后加一個小的變速器，二者共同實現傳動系統速度和扭矩變化。

果蔬榨汁機采用的動力傳遞路線為：電機→V帶→變速器→螺旋軸。

電機是整個果蔬榨汁機動力的來源，它需要滿足榨汁機過程中物料移動、物料擠壓以及傳動系統中的損耗等。

壓縮物料所需要的功率P1：

推動物料移動所需要的功率P2：

則所需要的電機功率計算公式如下：

在本次所設計的果蔬打漿機中，主軸的額定轉速為160r/min，電機所需要的計算功率為3546.3W。根據上述參數以及《機械設計手冊》綜合考慮，初步擬定電機型號為Y112M-2。此電機的額定功率為4kw，滿載轉速為1450r/min。

2.榨汁方案設計。

整個榨汁部分一般包括進料口、擠壓部件、積液口等。

進料口一般采用廣口設計，方便果蔬物料的放入，同時可以利用物料的重力自動進入到榨汁機內部。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，一般采用封閉設計，防止污染。渣滓排放口一般在尾部，利用螺桿的擠壓和推動作用，逐漸推出榨汁的過程，流入到尾部。

擠壓部分是榨汁機的主要結構。根據螺桿榨汁的工作方式，兩端需要進行支撐。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.機架材質選擇。

機架是承載整個榨汁機重量的主要構件，工作中還需要承受靜止或運動的多種力。為確保安全及穩定性，考慮成本因素，機架的材質一般都是選擇HT150或者型鋼。

4.整體布局設計。

果蔬榨汁機主要有：壓榨裝置、傳動裝置、電機、出料裝置、機座等組成，其設計簡圖如下圖1所示。

圖1 果蔬榨汁機整體布局

三、螺桿結構及軸設計

1.螺桿結構。

結合目前現有產品的案例，本次設計的果蔬榨汁機選擇可變直徑的結構來改變螺桿的螺距，整個螺桿分為了進料螺桿部分以及壓榨部分。其中進料螺桿主要起輸送作用-把從進料口進入的瓜果蔬菜輸送到后續的壓榨階段，接著經過一個輕微力度的預壓榨，進入到壓榨階段，這就是果汁的整個壓榨過程。

螺桿的基本結構簡圖如下圖2所示。

圖2 螺桿螺旋結構簡圖

螺桿的材質選擇既要考慮整體的強度，還需要考慮食品工業的特殊性，同時對于瓜果蔬菜來說，其汁液往往含有酸性，所以材質需要能夠耐酸。綜上，本次設計選擇螺桿的材質為食品級的使用材質，經過機械加工達到設備要求。

2.軸頭直徑設計。

螺旋軸最小直徑，即軸頭直徑，計算公式如下：

P表示主軸輸入功率，n表示主軸的工作轉速，A0是計算系數。

減速機輸入軸的功率P1：

主軸輸入功率P2：

轉速值為160r/min。A0表示一個計算系數，它的取值和主軸的材質、轉速、工況條件等都有關系，本次設計取值為110。帶入計算可得：

故，選定主軸的最小直徑為50mm。

3.軸的強度校核。

主軸在工作中，既要產生推動物料前進的動力，還需要產生徑向對物料進行擠壓的作用力。所以在校核強度的時候需要綜合考慮。

主軸在工作中所承受的力矩、轉矩繪圖如圖3所示。

圖3 軸的計算簡圖

四、總結

本文首先介紹了研究果蔬榨汁機的必要性，其次針對給定的功能限制參數，選定榨汁形式為螺旋式榨汁。然后，通過比較鏈傳動、帶傳動和齒輪傳動三種傳動方式的優缺點，確定采用帶傳動。接著考慮經濟性，進行了機架材質選擇和榨汁機的整體布局設計。最后參考現有產品，選定螺桿結構為可變直徑的，對螺旋軸的最小直徑及主軸進行了設計與計算。

本次設計基于生產實際，具有經濟性與可操作性，可為類似產品結構設計做參考。