輥壓式甘蔗榨汁機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

劉丁丁，時(shí)強(qiáng)盛，劉世豪*

海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（海口 570228）

現(xiàn)代食品科學(xué)研究表明，甘蔗中含有充足的糖分和水分，也含有有助于人體新陳代謝的各種維生素、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、鈣、鐵等營養(yǎng)物質(zhì)。此外，甘蔗口味干爽，對于追求健康食療的現(xiàn)代人群而言，對甘蔗的需求量較大。然而，如何衛(wèi)生、高效、便捷地提取甘蔗汁液，一直是一個(gè)難以解決的實(shí)際問題。因此，研發(fā)新型的便于操作、適于家用的甘蔗榨汁機(jī)十分必要，其潛在的市場需求量很大[1]。鑒于此，設(shè)計(jì)一種新型輥壓式甘蔗榨汁機(jī)，具有榨汁率高、噪音小、快速、衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以用于甘蔗汁的榨取，而且能對芒果等其他水果進(jìn)行榨汁，并保證汁液清潔衛(wèi)生，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，拓寬使用領(lǐng)域，增強(qiáng)市場競爭力。

1 國內(nèi)外研究背景分析

1.1 國內(nèi)甘蔗榨汁機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前而言，國內(nèi)主流的甘蔗榨汁機(jī)主要有立式甘蔗榨汁機(jī)、推壓式甘蔗榨汁機(jī)、手搖式甘蔗榨汁機(jī)等。對于立式甘蔗榨汁機(jī)，具有操作簡便、移動快捷的優(yōu)點(diǎn)，但由于其生產(chǎn)能力不大，僅適于小批量生產(chǎn)，故難以滿足我國巨大的甘蔗產(chǎn)量，而且不便于清洗，導(dǎo)致其使用范圍有限，無法全面推廣。推壓式甘蔗榨汁機(jī)是基于螺旋推送機(jī)器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的，具有榨汁效果好的優(yōu)點(diǎn)，卻具有榨汁工藝復(fù)雜的缺陷；在擠壓階段，為了便于擠壓，需要將甘蔗打碎；在排渣階段，由于殘?jiān)鼔旱眠^于緊實(shí)而難以排除，因而實(shí)用性不夠好。對于手搖式甘蔗榨汁機(jī)，則需要消耗大量勞動力，在操作中容易出現(xiàn)卡死。

圖1 家用電動機(jī)甘蔗榨汁機(jī)

1.2 國外甘蔗榨汁機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

限于甘蔗生長所需的環(huán)境條件，全球甘蔗種植區(qū)域主要分布在熱帶及亞熱帶地區(qū)。隨著食品工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，甘蔗榨汁機(jī)的研發(fā)也獲得長足進(jìn)步，國外甘蔗榨汁機(jī)多為六輥壓式甘蔗榨汁機(jī)，尤以澳大利亞、新西蘭的甘蔗榨汁機(jī)研發(fā)技術(shù)較為先進(jìn)[2]。中國作為甘蔗種植食用大國，也從一些先進(jìn)國家引進(jìn)了各種新式甘蔗榨汁機(jī)。然而，國外甘蔗的平均直徑一般為4～5.5 cm，而國內(nèi)甘蔗的平均直徑則通常為3～4.4 cm，這種差異導(dǎo)致從國外引進(jìn)的甘蔗榨汁機(jī)在使用時(shí)存在一系列加工工藝問題[3]。

圖2 多級輥壓式甘蔗榨汁機(jī)

1.3 國內(nèi)外甘蔗榨汁機(jī)存在的問題

我國研究甘蔗榨汁機(jī)的研發(fā)起步較晚，與先進(jìn)國家相比存在一定差距。經(jīng)過總結(jié)對比后發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)國外甘蔗榨汁機(jī)通常均存在問題。

1) 榨汁不衛(wèi)生。甘蔗榨汁不完全，渣料中仍有較多水分，排出渣料時(shí)使得甘蔗汁沾滿外殼，容易吸引蚊蟲，同時(shí)還會吸附灰塵，給病菌提供滋生的環(huán)境，造成健康飲食的不衛(wèi)生，不適于在大型公共場所使用。

2) 榨汁率低、噪音大，形成噪聲污染。一級壓榨，出汁率低、浪費(fèi)多，齒輪變速，噪音大。不利于充分發(fā)揮甘蔗的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、構(gòu)建一個(gè)舒適的室內(nèi)環(huán)境。

3) 尺寸較大，外形不美觀。不利于其作為家用電器對廣大群眾推廣。

針對這些問題，需要從食品科學(xué)的角度對其進(jìn)行多方面的優(yōu)化改良，如壓輥選擇食品級不銹鋼實(shí)心棒材、過濾網(wǎng)多層過濾設(shè)計(jì)以提高衛(wèi)生水平；尺寸合理設(shè)計(jì)；將四輥分成兩級壓榨，并運(yùn)用彈簧消震以減少噪音，符合環(huán)保和室內(nèi)使用的要求[4]。

2 輥壓式甘蔗榨汁機(jī)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

以現(xiàn)有甘蔗榨汁機(jī)以及其他水果榨汁機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)[5-6]，對榨汁機(jī)的各零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，在將甘蔗收獲后，將甘蔗伸入進(jìn)料口，緩慢地送入上面2個(gè)輥輪的間隙中，在上面2個(gè)輥輪的擠壓帶動下，甘蔗從輥輪另一端出來之后，完成一次榨汁，甘蔗繼續(xù)移動，碰到換向機(jī)構(gòu)，改變運(yùn)動的方向，進(jìn)入下面兩個(gè)輥輪上平滑擠壓，完成二次榨汁并最終滑出出口，輥輪分布情況如圖3所示。壓榨的甘蔗汁從上流到下方的過濾板，經(jīng)多級過濾濾去殘余的碎渣，進(jìn)入具有一定斜度的收集箱。

2.2 整體三維造型圖

根據(jù)輥壓式甘蔗榨汁機(jī)設(shè)計(jì)原理，將系統(tǒng)的功能進(jìn)行分解，得到各個(gè)合適的子系統(tǒng)功能模塊，運(yùn)用三維建模軟件Solid Works進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及建模裝配，運(yùn)用Solid Works軟件的渲染工具進(jìn)行最終渲染，得到輥壓式甘蔗榨汁機(jī)整機(jī)的三維實(shí)體模型，如圖4所示，為運(yùn)用Solid Works軟件的仿真模塊對其進(jìn)行有限元分析[7]奠定基礎(chǔ)。

圖3 輥輪分布情況圖

圖4 整體三維造型圖

3 關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)采用減振電動機(jī)，由三相異步電動機(jī)、浮動支撐板、導(dǎo)柱和減振彈簧等組成，浮動支撐板采用的是鋁合金，導(dǎo)柱采用45號鋼[8]，減振彈簧是采用彈簧鋼[9]制作，能夠有效減少輥壓時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，通過Solid Works中的插件PhotoView 360渲染工具對其進(jìn)行最終渲染，效果圖如圖5所示。

圖5 驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)圖

3.2 行進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)行進(jìn)裝置采用的是萬向輪，能夠在任意方向上轉(zhuǎn)彎，圖6是萬向輪的三維渲染圖，包括旋轉(zhuǎn)輪底、支撐架、輪軸和輪子等零部件。旋轉(zhuǎn)輪底采用的是灰鑄鐵[10]，輪子采用的是合金鋼[11]，它們保證了底盤的穩(wěn)定性以及輪子的耐磨性，效果圖如圖6所示。

圖6 萬向輪三維渲染圖

3.3 過濾板的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)過濾裝置采用多級過濾板，以保證進(jìn)入收集箱的甘蔗汁足夠得干凈，不含渣滓。考慮到過濾板的防腐蝕和食品安全，選擇陶瓷材料制作過濾板，將其多塊堆疊使用。效果圖如圖7所示。

圖7 過濾板三維渲染圖

3.4 輥壓裝置的設(shè)計(jì)

對于甘蔗榨汁機(jī)的設(shè)計(jì)，最重要的是對其輥輪的設(shè)計(jì)，輥輪承受的最大應(yīng)力、剛度決定了一臺甘蔗榨汁機(jī)的好壞。設(shè)計(jì)出來的輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)，需要對其進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)的輥?zhàn)硬捎玫氖鞘称芳?04不銹鋼[12]，既保證輥壓時(shí)候的剛度，又保證衛(wèi)生安全。在軸上通過定位圈確保輥?zhàn)拥陌惭b位置，防止發(fā)生軸向竄動，圖8是輥?zhàn)拥娜S造型圖。

圖8 輥?zhàn)尤S造型圖

4 分析校驗(yàn)

4.1 問題的提出

甘蔗榨汁機(jī)的承載能力是評價(jià)其工作性能指標(biāo)參數(shù)優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)中，輥?zhàn)拥膹?qiáng)度對整機(jī)的安全性能影響較大。而對于輥?zhàn)佣裕溥x材、結(jié)構(gòu)參數(shù)均為影響其承載能力的關(guān)鍵因素[13]。

通過對一種四輥甘蔗榨汁機(jī)進(jìn)行研究，運(yùn)用Solid Works軟件的仿真模塊對其進(jìn)行力學(xué)有限元分析，對其強(qiáng)度進(jìn)行校核，進(jìn)而判斷其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理[14]。

4.2 分析流程

Solid Works軟件的建模裝配模塊與仿真分析模塊是一個(gè)集成化的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，Solid Works軟件的仿真模塊提供了完整的求解過程來進(jìn)行有限元應(yīng)力分析、模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。Solid Works軟件的仿真模塊的結(jié)構(gòu)有限元分析流程如圖9所示。

圖9 有限元分析流程

4.3 創(chuàng)建算例

對于設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)，輥?zhàn)邮钦麄€(gè)機(jī)器裝置的關(guān)鍵部位，其強(qiáng)度在很大程度上決定了甘蔗取汁工藝是否能安全完成。因此，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析。

4.3.1 定義材料屬性

在對輥壓式甘蔗榨汁機(jī)的輥?zhàn)幽Ｐ瓦M(jìn)行應(yīng)力有限元分析之前，需要對其模型進(jìn)行前處理，包括三維建模、設(shè)定材料屬性和載荷等。輥?zhàn)哟蠖耸艿?00 N向上的力及400 N·m的力矩作用，輥?zhàn)舆x用的是304不銹鋼，其優(yōu)點(diǎn)是耐熱性高、易于加工、韌性好，其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 304不銹鋼的材料性能

4.3.2 網(wǎng)格劃分

在將輥?zhàn)拥娜S結(jié)合模型導(dǎo)入Solid Works軟件的仿真分析模塊之后，須設(shè)置模型的約束形式，根據(jù)工藝條件載荷的大小及方向，選擇合理的精度等級劃分有限元網(wǎng)格，以便于在模型的細(xì)小特征處獲得精確的結(jié)果[16]。

在網(wǎng)格參數(shù)一欄中選中基于曲率的網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量選用高品質(zhì)，其他選項(xiàng)默認(rèn)，最終生成結(jié)果如圖10所示。

4.4 求解分析

對輥壓式甘蔗榨汁機(jī)的輥?zhàn)舆M(jìn)行有限元前處理之后，即進(jìn)行有限元運(yùn)行求解分析，具體計(jì)算輥?zhàn)拥膽?yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)[17-20]，最終得到輥?zhàn)拥慕Y(jié)果如圖11所示。

輥?zhàn)拥淖畲髴?yīng)力約1.604 MPa，此時(shí)，承受最大應(yīng)力處于棍子大端與桿的結(jié)合部，如圖9（a）所示，而輥?zhàn)拥脑S用應(yīng)力為206.8 MPa。因此，輥?zhàn)釉诠ぷ鬟^程中的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，同時(shí)考慮到各種甘蔗的直徑大小不一、質(zhì)量也不完全相同，因此進(jìn)行力學(xué)仿真分析時(shí)，其許用應(yīng)力應(yīng)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力，這說明設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)輥?zhàn)拥慕Y(jié)構(gòu)較為合理。

圖10 輥?zhàn)拥膽?yīng)力分析模型

圖11 輥?zhàn)臃治鼋Y(jié)果

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)以現(xiàn)有甘蔗榨汁機(jī)以及水果榨汁機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，對其過濾板、行進(jìn)裝置、驅(qū)動裝置、輥輪等主要組成元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

運(yùn)用Solid Works軟件的仿真模塊，對輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元力學(xué)性能仿真分析，通過分析應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖得出，輥?zhàn)訌?qiáng)度和剛度均符合要求，分析位移云圖可得輥?zhàn)拥淖冃屋^為均勻，能確保輥壓甘蔗取汁工藝的安全進(jìn)行。

與已有的甘蔗榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)相比，設(shè)計(jì)的輥壓式甘蔗榨汁機(jī)在提高榨汁率、消除噪音、安全衛(wèi)生等方面有較明顯的提升，而且尺寸更小，更加適應(yīng)現(xiàn)代食品工業(yè)的清潔化發(fā)展需求。