農(nóng)業(yè)榨汁機機械結(jié)構(gòu)設計與分析

黃 瑞，王 鵬，張敬修，余曉奧

（合肥經(jīng)濟學院 工學院，安徽 合肥 230031）

果實成熟后，可直接食用，也可粉碎榨汁[1]。其營養(yǎng)豐富，含大量的有機酸、糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素以及鈣、磷、鉀等礦物質(zhì)[2]，可補充人體能量和熱量，具有清熱、解毒、平肝、補血、活血和止瀉功效[3]。現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)榨汁機在工作的過程中，通常采用較為簡單的方法，直接將果料壓碎取汁[4]，這種方法對于無籽或小籽果料適用，但對于大籽果料卻不能直接壓碎。 比如石榴內(nèi)的籽核比較大，如果籽核被壓碎， 生產(chǎn)出來的石榴汁會產(chǎn)生苦味，影響口感。

通過調(diào)研國內(nèi)農(nóng)業(yè)榨汁機的技術(shù)發(fā)展，總結(jié)現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)榨汁機具有以下問題：（1） 當前的農(nóng)業(yè)榨汁機榨汁效率低、人工干預比較大、榨汁效果差[5]；（2）果料分解碎屑的大小不易調(diào)節(jié)；（3）農(nóng)業(yè)榨汁機的過濾網(wǎng)孔易堵塞。 因此， 對農(nóng)業(yè)榨汁機榨汁特點、果料分解方法、排渣反饋裝置等的研究，能夠推動農(nóng)業(yè)榨汁機榨汁方式的升級。因此新型農(nóng)業(yè)榨汁機對于果料榨汁效率、穩(wěn)定性以及榨汁質(zhì)量具有至關(guān)重要的意義。

1 研究內(nèi)容

本設計以提高農(nóng)業(yè)榨汁機榨汁效率和質(zhì)量為主要目標，重點研究果料分解裝置、排漿裝置、排渣反饋裝置等榨汁的關(guān)鍵部位，以便設計一種農(nóng)業(yè)榨汁機， 該農(nóng)業(yè)榨汁機滿足穩(wěn)定性能好、榨汁效率高和質(zhì)量好，符合市場對農(nóng)業(yè)榨汁機的技術(shù)提出的新要求。從科研院所與生產(chǎn)企業(yè)重視農(nóng)業(yè)榨汁機的研制來看，特別是果料分解碎屑的大小調(diào)節(jié)與過濾網(wǎng)孔疏通技術(shù)，推斷出農(nóng)業(yè)榨汁機在榨汁過程中存在的問題，進行推理分析，得到農(nóng)業(yè)榨汁機榨汁技術(shù)的研制路徑[6]。 農(nóng)業(yè)榨汁機的創(chuàng)新性設計如下：

（1）設計動力傳動圓片，研制動力裝置機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)運動與動力穩(wěn)定的傳輸。

（2）研制果料分解與調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)果料的分解， 有效地控制果料分解碎屑顆粒大小的調(diào)節(jié)。

（3）研制排漿與刮塊裝置，實現(xiàn)自動排漿，有效的解決了農(nóng)業(yè)榨汁機的過濾網(wǎng)孔易堵塞的問題。

（4）研制排渣反饋裝置，實現(xiàn)果料碎渣的自動排出功能，有效的解決了農(nóng)業(yè)榨汁機榨汁效率低、人工干預比較大、榨汁效果差的問題。

本農(nóng)業(yè)榨汁機組件包括機架、 動力裝置、分解裝置、排漿裝置和排渣反饋裝置。 圖1 是農(nóng)業(yè)榨汁機機構(gòu)運動簡圖。

圖1 農(nóng)業(yè)榨汁機機構(gòu)運動簡圖

2 機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 動力裝置

動力裝置包括電機、動力傳動圓片、搖擺架和包裹筒。 電機安裝在機架上，電機的輸出軸配合安裝有傾斜設計的動力傳動圓片，動力傳動圓片的另一側(cè)設計有中心桿，中心桿的底端與機架底部的上端固定安裝，中心桿的上端設計有活動轉(zhuǎn)動的搖擺架。 搖擺架包括中部橫桿和左右橫桿。 中部橫桿的前側(cè)設計有弧形齒環(huán)，兩個左右橫桿的兩端均轉(zhuǎn)動安裝有卡扣，兩個卡扣的一端分別活動插接在動力傳動圓片的兩端。當電機工作時，電機通過輸出軸帶動動力傳動圓片左右擺動，動力傳動圓片通過中部橫桿與左右橫桿實現(xiàn)弧形齒環(huán)左右往復轉(zhuǎn)動。 機架高度為800mm，底座寬度為800mm， 上架寬度為600mm， 材料為Q235。 動力傳動圓片直徑為350mm，材料為合金鋼20CrMnTi， 原動件為步進電機， 型號為TD20A003-05A。 農(nóng)業(yè)榨汁機動力裝置機械結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 農(nóng)業(yè)榨汁機動力裝置機械結(jié)構(gòu)

2.2 分解裝置

分解裝置包括分解腔、 分解錐和調(diào)節(jié)螺桿。分解腔的外側(cè)安裝在機架上。分解腔的外側(cè)設計有外弧齒環(huán)，外弧齒環(huán)與動力裝置的弧形齒環(huán)嚙合傳動。 分解腔內(nèi)側(cè)設計有凸起螺旋環(huán)。 分解腔底端設計有分解內(nèi)腔，分解內(nèi)腔底部設計有內(nèi)腔下塊。 分解腔內(nèi)部安裝有分解錐，分解錐表面設計有凸起螺旋環(huán)，該凸起螺旋環(huán)與解腔內(nèi)側(cè)的凸起螺旋環(huán)相互作用，實現(xiàn)傳送果料的目的。 分解錐底端設計有調(diào)節(jié)塊，內(nèi)腔下塊的底端安裝有調(diào)節(jié)螺桿，調(diào)節(jié)螺桿的上端通過螺紋與調(diào)節(jié)塊底端的內(nèi)部配合。分解內(nèi)腔底部的另一側(cè)開設計有排口。因為分解腔外側(cè)的外弧齒環(huán)與動力裝置的弧形齒環(huán)嚙合， 所以可以說實現(xiàn)分解腔的左右轉(zhuǎn)動。使用時，將果料放入分解腔中，分解錐表面設計有凸起螺旋環(huán)，則可以方便果料下移分解。 調(diào)節(jié)螺桿則可以調(diào)節(jié)分解錐與分解腔間的間隙大小，從而實現(xiàn)控制分解碎屑大小的程度。 果料的碎屑通過排口排出，流入到下方的安裝管，實現(xiàn)了分解果料的功能。 分解筒直徑為150mm，高度為200mm，材料為304 不銹鋼。 農(nóng)業(yè)榨汁機分解裝置機械結(jié)構(gòu)見圖3。 農(nóng)業(yè)榨汁機分解錐機械結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 農(nóng)業(yè)榨汁機分解裝置機械結(jié)構(gòu)

圖4 農(nóng)業(yè)榨汁機分解錐機械結(jié)構(gòu)

2.3 排漿裝置

排漿裝置包括矩形筒、阻攔塊、刮塊、網(wǎng)塊、移動上端塊和移動下端塊。矩形筒與機架固定安裝，矩形筒設計有排口下端、排渣口和流漿口。矩形筒的排口下端與分解內(nèi)腔的排口之間通過連接管對通，排渣口的右側(cè)與矩形筒間通過扭簧鉸接有阻攔塊，不受外力時扭簧的彈力使阻攔塊封閉排渣口。 阻攔塊下端安裝有長桿，當長桿不受向下的拉力時，不受外力時的扭簧彈力使阻攔塊封閉排渣口。 當長桿受到向下的拉力時，阻攔塊也受到向下的拉力， 此時阻攔塊打開排渣口，果料被擠壓完的碎渣排出。矩形筒上端的內(nèi)側(cè)滑動安裝有移動上端塊，矩形筒下端的內(nèi)側(cè)滑動安裝有移動下端塊。 矩形筒內(nèi)部安裝有網(wǎng)塊，阻攔塊左端通過扭簧鉸接有刮塊，刮塊的上端與網(wǎng)塊的一側(cè)貼合。移動上端塊和移動下端塊均固定安裝有連接桿， 兩個連接桿之間安裝有彈簧桿和彈簧，它們是一個封閉的移動體。 左側(cè)的連接桿上端安裝有過渡連桿。 當過渡連桿向右移動時，該封閉的移動體向右移動。 當過渡連桿向左移動時，該封閉的移動體向左移動。

當過渡連桿向左移動帶動封閉移動體向左移動時， 移動上端塊在矩形筒內(nèi)部向左移動，分解內(nèi)腔排出的果料碎屑在矩形筒內(nèi)的網(wǎng)塊與移動上端塊間受到擠壓，果漿被擠出，此時移動上端塊受到網(wǎng)塊的阻攔停止向左移動且阻攔塊封閉排渣口。由于該封閉移動體兩個彈簧桿間安裝有彈簧，彈簧被拉伸，移動下端塊在矩形筒內(nèi)部還可以繼續(xù)向左移動。當移動下端塊向左移動經(jīng)過流漿口時，被擠出的果漿流入流漿口，由流漿嘴排出。 矩形筒長度為500mm，寬度與高度都為120mm，材料為304 不銹鋼。 圖5 是農(nóng)業(yè)榨汁機排漿裝置機械結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖5 農(nóng)業(yè)榨汁機排漿裝置機械結(jié)構(gòu)剖視圖

2.4 排渣反饋裝置

排渣反饋裝置包括長桿、凹口、凸起塊、擺動塊、凸桿和彎塊。 長桿的上端與阻攔塊底部固定安裝。 長桿從左到右分別依次設計有凹口、凸起塊和擺動塊。 移動下端塊下方的彈簧桿的端部依次設計有彎塊和凸桿， 凸桿與長桿的底面貼合，凸桿的軸線高于擺動塊的底端。 農(nóng)業(yè)榨汁機排渣反饋裝置機械結(jié)構(gòu)見圖6。當過渡連桿向右移動帶動封閉移動體向右移動時， 彈簧桿下方的凸桿也向右移動。 當凸桿從擺動塊左側(cè)移動到右側(cè)時， 凸桿從擺動塊的下方變換到擺動塊的上方，此過程為排漿過程。 當過渡連桿向左移動帶動封閉移動體向左移動時， 彈簧桿下方的凸桿也向左移動。 此時凸桿從擺動塊上方開始向左移動。 當凸桿經(jīng)過凸起塊時，凸起塊楔形面受到凸桿向下的壓力而向下移動， 帶動長桿也向下移動，從而阻攔塊打開排渣口，實現(xiàn)自動排渣功能，提高了果料榨汁效率。 與此同時，阻攔塊向下移動的過程中， 也會帶動刮塊在網(wǎng)塊的表面向下移動，實現(xiàn)清除網(wǎng)塊中卡住的渣料，防止網(wǎng)塊堵塞。 當凸桿經(jīng)過凹口時，又會運動到長桿的下方， 實現(xiàn)運動復位。 長桿的長度為320mm，材料為Q235。

圖6 農(nóng)業(yè)榨汁機排渣反饋裝置機械結(jié)構(gòu)

2.5 農(nóng)業(yè)榨汁機機械結(jié)構(gòu)總成

動力傳動圓片的一側(cè)開設有周向凹槽，周向凹槽底端的內(nèi)部滑動安裝有移動塊。兩個排漿裝置之間設有過渡連桿，過渡連桿與移動塊轉(zhuǎn)動安裝，過渡連桿兩端分別與兩個排漿裝置上的移動下端塊轉(zhuǎn)動安裝。電機的運動與動力通過動力傳動圓片帶動過渡連桿往復移動，從而實現(xiàn)排漿與排渣。 流漿嘴下方放置有排漿儲存槽，排渣口的下方放置有排渣儲存槽。 長度為800mm，寬度為260mm，高度為250mm，材料為304 不銹鋼。農(nóng)業(yè)榨汁機機械結(jié)構(gòu)總成，見圖7。

圖7 農(nóng)業(yè)榨汁機機械結(jié)構(gòu)總成

3 運動功能分析

3.1 分解

在使用時，電機啟動，電機帶動動力傳動圓片轉(zhuǎn)動。 在動力傳動圓片轉(zhuǎn)動的過程中，卡扣與動力傳動圓片接觸的位置是前后來回移動的，故而動力傳動圓片通過卡扣可以帶動搖擺架繞著中心桿擺動。 在搖擺架擺動的過程中，可以通過弧形齒環(huán)和外弧齒環(huán)的嚙合關(guān)系來帶動分解腔轉(zhuǎn)動， 分解腔是順時針和逆時針交替往復轉(zhuǎn)動的。 可以將石榴籽放入分解腔的內(nèi)部，通過分解腔的轉(zhuǎn)動再結(jié)合分解錐上的凸起螺旋環(huán)，可以將果料分解成碎屑。 可以通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺桿，使分解錐向上或向下移動，以調(diào)整分解腔底端與分解錐之間的間隙，達到調(diào)節(jié)分解碎屑大小程度的目的。分解成碎屑后的果料從分解腔落入到分解內(nèi)腔的內(nèi)部，然后經(jīng)排口從連接管排出。

3.2 排漿

在動力傳動圓片轉(zhuǎn)動的過程中，動力傳動圓片的底端也是前后來回移動的。移動塊相對于動力傳動圓片在周向凹槽的內(nèi)部滑動，動力傳動圓片可以通過移動塊和過渡連桿帶動兩個排漿裝置上的移動下端塊在矩形筒的內(nèi)側(cè)來回往復移動。 當移動下端塊處于最上端的極限位置時，即移動下端塊的上端與網(wǎng)塊的底端接觸的位置，移動上端塊處于排口下端靠上的位置。此時從連接管排出的果料可以經(jīng)過排口下端落入到矩形筒的內(nèi)部。 然后移動下端塊向下側(cè)的方向移動，移動的同時，可以通過連接桿、彈簧桿和彈簧帶動移動上端塊也向下移動。當移動上端塊的上端觸碰到網(wǎng)塊的上端時，移動上端塊不再移動。 移動上端塊的上壁可以將排口下端堵住，但此時移動下端塊仍然會向下移動。 在此過程中，可以將果料碎屑內(nèi)的果漿汁向矩形筒的下端方向吸出。當移動下端塊的上端越過流漿口后，不再吸取果漿汁。 此時果漿汁可以從流漿口流出，再經(jīng)過流漿嘴流入排漿儲存槽的內(nèi)部進入收集。移動下端塊向下端移動分為三個過程， 帶動移動上端塊移動、吸汁、出汁。在移動下端塊從上端往下端移動的過程中，凸桿和彎塊跟著連接桿和彈簧桿一起移動，且凸桿是從長桿底面靠近移動上端塊的一端往擺動塊的方向移動的。當移動下端塊移動到最下端的位置時，凸桿越過了擺動塊。

3.3 排渣

過渡連桿帶動移動下端塊向上端的方向移動，移動下端塊先越過流漿口，然后再向上移動一段距離，最后再通過連接桿、彈簧桿和彈簧帶動移動上端塊向上移動，恢復到原來的位置。 在移動下端塊向上端移動的過程中，彎塊和凸桿跟著連接桿和彈簧桿一起移動。由于凸桿的軸線高于擺動塊的底端， 故而凸桿相對于排渣反饋裝置， 會沿著擺動塊向上并在凸起塊的表面滑動。此時長桿被下壓，長桿則會帶動阻攔塊向下側(cè)轉(zhuǎn)動，從而將排渣口打開，矩形筒內(nèi)部的殘渣落下到排渣儲存槽的內(nèi)部收集。 且打開排渣口時，由于刮塊與阻攔塊是通過扭簧安裝的，故而刮塊的上端會緊貼網(wǎng)塊的表面，從而可以將網(wǎng)塊表面附著的殘渣刮下，以保證下一吸汁過程的順暢。 當凸桿離開凸起塊時即會遇到凹口，當凸桿處于凹口的位置時，由于阻攔塊與矩形筒是通過扭簧安裝的，故而此時由于扭簧作用會使阻攔塊將排渣口關(guān)閉，刮塊恢復原來的位置，且阻攔塊也會帶動長桿恢復原來的位置，此時會使凸桿位于長桿的下表面，且沿著下表面向上側(cè)滑動。

榨汁的過程即重復以上過程， 即通過機架、動力裝置、分解裝置、排漿裝置、移動塊、過渡連桿、排渣反饋裝置和連接管的安裝，利用動力傳動圓片的轉(zhuǎn)動帶動搖擺架擺動，以使兩個分解腔不斷地來回轉(zhuǎn)動。 且利用動力傳動圓片的轉(zhuǎn)動，來使過渡連桿拉動移動下端塊在矩形筒內(nèi)部來回移動，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)將果料粉碎，而且能夠?qū)崿F(xiàn)果料漿汁的吸取和殘渣的自動排出，刮塊刮除網(wǎng)塊表面的殘渣，保證下一吸汁過程的順暢。 通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺桿， 使分解錐向上或向下移動，以調(diào)整分解腔底端與調(diào)節(jié)塊之間的間隙，達到調(diào)節(jié)分解碎屑大小程度的目的。通過設計兩個分解裝置和排漿裝置，可以提高榨汁的速度，提高工作效率。

該農(nóng)業(yè)榨汁機通過機架、動力裝置、分解裝置、排漿裝置和排渣反饋裝置，實現(xiàn)了預定的運動功能。 動力裝置實現(xiàn)了運動與動力的傳輸，完成了分解腔左右轉(zhuǎn)動的功能；分解裝置實現(xiàn)了果料分解的功能，并且通過調(diào)節(jié)螺桿的作用，還可以實現(xiàn)控制果料分解碎屑大小的程度；排漿裝置實現(xiàn)了果料碎屑擠壓排漿的功能；排渣反饋裝置實現(xiàn)了自動排渣的功能。該農(nóng)業(yè)榨汁機可以提高榨汁的速度，提高生產(chǎn)效率。

4 農(nóng)業(yè)榨汁機的有限元分析

動力傳動圓片受到扭轉(zhuǎn)和拉伸的作用，故對動力傳動圓片進行有限元分析。動力傳動圓片為合金鋼20CrMnTi 材料， 其屈服應力為620MPa，泊松比為0.28，彈性模量為210000MPa，將整個物體進行網(wǎng)格劃分， 劃分結(jié)果為節(jié)點有118763個和元素有62552 個，對動力傳動圓片附上力和約束，進行分析[7]。 動力傳動圓片應力分布云圖，即圖8。 動力傳動圓片與轉(zhuǎn)動軸連接的部位為應力主要集中區(qū)， 動力傳動圓片的許用應力為620MPa， 而應力主要集中區(qū)的最大應力為426.5MPa，所以應力滿足要求。

圖8 動力傳動圓片應力分布云圖

圖9為動力傳動圓片應變分布云圖，較大的應變集中在動力傳動圓片與轉(zhuǎn)動軸連接處，正向應變最大為0.001145mm，其余部分的應變較小，所以應變滿足要求。

圖9 動力傳動圓片應變分布云

模態(tài)分析的對象為機架， 進行2 階模態(tài)分析，流程為：SolidWorks Simulation 中打開機架的三維模型，材料確定為“Q235”，劃分有39672 個節(jié)點，24631 個元素[8]。模態(tài)階數(shù)確定為2，對機架附加約束，得到機架各階振型及頻率。 機架1 階振型圖即圖10。 機架2 階振型圖，即圖11。

圖10 機架1 階振型圖

圖11 機架2 階振型圖

機架的第1 階振型，頻率為151.38Hz，振動幅度從頂部往下逐漸減小，其他部位的振動幅度忽略不計。機架的第2 階振型，頻率為290.93Hz，振動幅度從頂部往下逐漸減小但幅度不大。

綜上所述， 針對傳統(tǒng)榨汁機榨汁工作過程中，易出現(xiàn)過濾網(wǎng)孔堵塞、果料分解碎屑大小不易調(diào)節(jié)、榨汁效率低等問題，對農(nóng)業(yè)榨汁機進行了結(jié)構(gòu)設計，利用SolidWorks 軟件完成各個零件的三維建模并裝配成農(nóng)業(yè)榨汁機。 利用Solid-Works Simulation 工具對動力傳動圓片進行有限元分析，對分析結(jié)果進行判斷，動力傳動圓片的剛度與強度都滿足要求。 對機架進行了模態(tài)分析，掌握了機架的固有頻率特征。 設計的農(nóng)業(yè)榨汁機，有效地解決了果料分解碎屑大小不易調(diào)節(jié)的問題；有效地解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)榨汁機榨汁效率低的問題；有效地解決了農(nóng)業(yè)榨汁機過濾網(wǎng)孔堵塞的問題。本研究為農(nóng)業(yè)榨汁機與此類機器的設計制造提供了理論和方法支持。