劉彩虹，成小飛，王春鳳

（山東農(nóng)業(yè)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(yǎng)，促進人體的生理代謝和生長，并可以預(yù)防多種疾病。

食以安為先。然而，近期出現(xiàn)了多起地溝油、內(nèi)臟油、口水油、泔水油等劣質(zhì)有毒油流入市場，流向餐桌?；蚋脑?、添加劑和化學殘留等問題困擾著監(jiān)管者和消費者，造成了嚴重的信任危機?；诖?，筆者設(shè)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(xiàn)用現(xiàn)榨，實現(xiàn)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(fù)旋轉(zhuǎn)，將榨膛內(nèi)的油料連續(xù)不斷地向前推進，同時，由于螺旋導(dǎo)程的逐漸縮短或者榨螺軸根圓直徑的不斷增大，使榨膛內(nèi)的空余體積逐漸縮小，從而對榨膛內(nèi)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(gòu)、齒輪減速裝置、喂料裝置、螺旋壓榨裝置、出餅調(diào)節(jié)裝置等結(jié)構(gòu)。其中電動機為榨油機提供動力，是整個系統(tǒng)的動力源，通過聯(lián)軸器連接變速齒輪箱，使轉(zhuǎn)速達到榨油機所需的工作轉(zhuǎn)速后，經(jīng)由聯(lián)軸器將動力傳遞到榨螺軸，帶動榨螺軸旋轉(zhuǎn)；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(nèi)，從而增加了攪拌裝置；壓榨系統(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總裝配圖

1.2 技術(shù)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(chǎn)油量為30 kg/h。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計

2.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

2.1.1 確定傳動方案

齒輪傳動具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、強度大等優(yōu)點，能適應(yīng)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(zhuǎn)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(tǒng)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(shù)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(zhuǎn)所輸送的物料，kg/r；

為單位質(zhì)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(nèi)的壓力主要取決于榨油機的壓縮比，壓縮比越大，相應(yīng)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)，對于常見的幾種植物油料，當壓力達到50 MPa～60 MPa后，已經(jīng)能達到很高的出油率。現(xiàn)以大豆為例計算榨膛內(nèi)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(shù)；

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(shù)底值。

將數(shù)據(jù)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(xiàn)取工作功率為Pw=1.04 kW。

考慮電機的安全系數(shù)k=1.2，則電動機所需提供的功率為：

查詢電動機型號參數(shù)，考慮到榨油機所需的工作轉(zhuǎn)速40 r/min，為確保后續(xù)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(zhuǎn)速為950 r/min。

2.2 壓榨部分的設(shè)計

2.2.1 壓榨軸的結(jié)構(gòu)確定

榨螺軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)速、材質(zhì)的選擇對榨膛壓力、油和餅的質(zhì)量、生產(chǎn)率有很大關(guān)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(shè)計為小型家用榨油機，產(chǎn)量不高，選擇整體式連續(xù)型變徑等導(dǎo)程榨螺軸，榨膛壓力穩(wěn)定，壓榨效率更高。

2.2.2 壓榨軸的設(shè)計計算

軸的根圓直徑 可按扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(cè)面角（推料面傾角β ≥0～30°）。榨螺推料面應(yīng)用傾角小的側(cè)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(xiàn)取中徑計算，導(dǎo)程S=70 mm。

圖5 螺旋線展開示意圖

設(shè)計出的壓榨螺旋軸如圖6所示。

圖6 榨螺軸結(jié)構(gòu)

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(xiàn)校核該截面處的應(yīng)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(shè)計中T=270 N·m。根據(jù)拉應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ，按第四強度理論，求得危險截面上的計算應(yīng)力σca：

2.4 榨螺軸穩(wěn)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(wěn)定性[4]，其穩(wěn)定性與桿的柔度材料和材料都有關(guān)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(shù)；

通過計算榨螺軸滿足穩(wěn)定性要求。

2.5 榨膛的構(gòu)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(shè)計的榨膛結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過螺釘安裝固定于機殼上。

圖7 榨膛結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

通過對國內(nèi)外螺旋榨油機在機械設(shè)備和理論壓榨方面的研究發(fā)展情況，參考現(xiàn)有壓榨技術(shù)和現(xiàn)場試驗結(jié)果，設(shè)計了這款小型的螺旋榨油機，結(jié)構(gòu)簡單，榨油成本低，榨油率高，適合于家庭和自主榨油場合。