螺旋榨油機研究現狀及發展建議

魏文波，韓 鵬，張經宇，李建昌，趙曉順，郝建軍

（1.河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071000；2.河北省農業技術推廣總站，河北 石家莊 050011；3.河北凱闊食品集團股份有限公司，河北 康保 076650）

植物油在日常生活中發揮著重要作用。近年來，植物油產量下降，除原料供應不足外，榨油機械的落后也是制約食用油產量的一個重要原因[1-2]。壓榨法和浸出法是2 種常見的食用油制備工藝，其中壓榨法制油是用物理的方法對油料進行擠壓，油脂從油料中分離出來，該過程不添加化學藥劑，深受消費者喜愛。1900 年第一臺連續式螺旋榨油機在美國問世，制油方法從傳統間歇式榨油變為了連續式榨油[3-6]。如今，螺旋榨油機制油已成為提高生產效率、減輕勞動的重要方式。

螺旋榨油機工作時油料在榨膛內受到剪切力和擠壓力，隨著榨螺的旋轉，靠近榨螺螺紋處的油料隨榨螺一起轉動，榨籠的內表面與榨螺的外表面所圍成的空余體積順著榨螺前進方向容量由大到小的變化，此過程油料受到擠壓作用，從而把油脂從油料內擠出來，并從榨條縫隙和榨圈油槽中排出[7-9]。因螺旋榨油機壓榨出油率高、節能省工且保持了油液的天然特性，是目前廣泛采用的榨油方式。

1 螺旋榨油機械研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外對螺旋榨油技術的研究已經有120 多年的歷史，經過長時間的經驗積累，相關技術已經日趨成熟。目前，國外對榨油機的研究更多側向于工業級榨油機，除對具體機型的研究外，還對榨螺轉速、物料投放量和榨螺螺距等壓榨條件對出油率影響、壓榨方式對油脂理化指標影響和壓榨過程中油料的流變特性等方面進行研究。

英國的Simo-Rosedowns 是一家著名的螺旋榨油機廠商，該公司利用對螺旋滲氮技術和利用鎢鉻鈷硬質合金處理技術對機內表面進行處理研制出了可承受較高壓力的螺旋榨油機[10-11]。Simo-Rosedowns公司的大多數螺旋榨油機產品對榨螺進行水冷處理，防止餅粕在榨膛內因高溫灼燒而出現有害物質的現象發生。采用雙螺旋進料裝置利于強制喂料，加大喂入量，壓榨能力達到40～65 t/d。

美國Vicent 公司的Johnston 根據前人對雙螺桿壓榨機的研究經驗，利用2 根互相嚙合的中斷螺棱螺桿原理設計了可反向旋轉的平行雙螺桿壓榨機[12]。雙嚙合螺旋機構在降低滑移與加強物料正向位移能力方面效果顯著。在榨籠上固定的突齒刮刀可插入到螺旋的隔圈內，充當攪拌與防止阻塞的功能。

Bargale 針對油料在壓榨過程中出現的油料餅滲透率可變性問題，探究了滲透率與時間之間的變化規律[13-14]。假設油料層內油脂從上至下的一維流動，經過滲透率試驗分別建立了以時間為變量的滲透率經驗公式和油液體積流率的數學模型，并求出了解析解。相比較Darcy 的滲流定律與Terzaghi的固結理論而言，Bargale將壓榨過程中的滲透率以可變的特性進行研究更加貼合實際壓榨情況。

1.2 國內研究現狀

我國關于螺旋榨油機榨油的研究已經有70 年的歷史。從最初的小產能機型發展成小產能、大產能和智能型機型并存，國內的相關研究學者對榨油機的研究也變得更加系統。隨著計算機科技的快速發展，關于榨油機的關鍵機理部分的研究成果頗豐。

李詩龍等人針對雙低油菜籽脫皮籽仁在冷榨過程中存在的一些關鍵技術問題，提出了雙階多級壓榨的冷榨結構模型[15]。通過對95 型螺旋榨油機進行試驗，發現在壓榨過程中的餅松散、油料在榨膛內前進困難問題。根據常見的螺旋榨油機結構形式和H.J 拉澤洪等人[16]的研究基礎上，將榨膛結構改為雙階多級壓榨，在分段榨螺之間加裝錐形榨圈，實現在壓縮腔內數次擠壓和松弛，增大了主壓榨段的壓榨壓力，提高了出油率，為粗纖維含量少的油料壓榨提供了借鑒意義。

李文林等人針對脫皮冷態壓榨需要研制出了具備自清理功能的SSYZ50 型雙螺桿榨油機，解決了脫皮菜籽仁在榨膛中輸送困難的問題[17]。SSYZ50 型雙螺桿榨油機利用雙螺桿壓榨的原理提升了榨螺的喂入能力，避免了脫皮油料光滑導致的滑膛問題。該機型為條排排油的方式，端部出餅有利于實現餅粕厚度的按需調節。SSYZ50 型的理論壓縮比為23.0，實際生產活動反饋出來的數據顯示冷榨后餅粕的含水率為4%～6%、出餅的溫度在55℃左右、工作能力在45 t/d 左右。該機型在提高產能、降低能耗方面具有很好的借鑒作用。螺旋榨油機在國內的發展十分迅速，2006年后有很多優秀機型問世，如湖北天星糧油機械設備有限公司推出的LYZX 系列低溫螺旋榨油機、河北南皮機械制造有限責任公司的ZY338 型螺旋榨油機和李詩龍等人為滿足含油量高的油料設計的雙階多級壓榨SZX12X2 型雙螺桿榨油機等[18-20]。LYZX 型低溫螺旋預榨機通過適當降低主軸轉速和增大長徑比使榨料行程更長，壓榨和排油更徹底。河北南皮機械制造有限責任公司生產的ZY338 型螺旋榨油機采用自由喂料機構，料胚相對疏松不易堵塞。

李詩龍等人為了適應含油率高的油料壓榨，設計了一款兩根榨螺上下平行分布的SZX12X2 型雙螺桿榨油機[20]。該機的榨籠腔呈“8”字形，正向輸送能力強，在壓榨過程中不斷打開新的油路，油料在榨膛內停留的時間長，壓榨較為徹底。對樣機進行試驗，結果表明該機不僅適合壓榨預處理過的油料，也可以對未進行預處理過的油料進行冷榨。產能符合設計要求，單位能耗低于傳統機型，干餅殘油率最低可達到3.5%，實現了節能且高產能的效果。

通過調整榨油機結構或參數來提升榨油機的效率一直是國內外的研究重點，在實際設計榨油機時，大多依據前人生產經驗進行優化，缺乏對榨油機工作過程的機理研究。鄭曉等人[21]在Mrema 和Bargale 等人的研究基礎上綜合油料在壓榨時出現的可變性和流變性，根據有限差分法和有限元法對滲流場和流變場進行交替求解，將模型求出的數值解與實測值比較發現基本一致。劉汝寬等人[22]利用滲流模型計算出出油率模型，得出了料筒半徑與出油率的關系。經過多次改變料筒內徑計算出來的出油率與實際試驗得出來的結果對比，誤差均在2.1%以下，這為榨油機的改進提供了數據方面的理論依據。計算機仿真軟件的發展給榨油機的理論研究提供了新的方案，張強等人[23]利用EDEM 軟件對壓榨腔的工作性能進行了仿真，用BPM 模型建立花生顆粒的仿真模型，通過分析顆粒黏結鍵的破碎比率和出油率來討論壓榨腔的優劣。以榨螺轉速、喂入量和榨螺螺距為3 個因素設計三因素三水平的正交試驗。對EDEM 的工作仿真結果分析得出3 個因素中榨螺轉速對工作性能的影響最為顯著，且在矩陣分析得到的最優工作參數下花生出油率為45.20%。壓榨模型和實際情況相比還有一定誤差，分析的影響因素不全面，但該研究對以后榨油機機理分析具有很好的借鑒作用。

螺旋榨油機在使用過程中榨螺的螺旋面所受到的沖擊力較大，所以對榨螺的強度、表面硬度和耐磨性都有很高的要求[24]。張麟等人[25]以材質為20 鋼的榨螺為基體，用丙酮清洗基體表面并做粗化處理，然后利用爆炸噴涂技術將WC-12%Co 這種金屬陶瓷涂層材料對榨螺進行噴涂。將噴涂后的榨螺外表面珩磨拋光后進行耐磨性試驗。經過爆炸噴涂后的榨螺表面的涂層厚度是0.3 mm，經過傳統滲碳淬火后的榨螺的滲碳深度為0.2 mm。在相同的試驗條件下進行耐磨性試驗得出同等情況下經過WC-12%Co 爆炸噴涂后的榨螺使用壽命是經過滲碳淬火榨螺的4.2倍。

2 螺旋榨油機械研制存在的問題

近年來，我國在螺旋榨油機械的低溫壓榨技術、榨螺與榨膛結構優化、油料滲透模型、油料壓榨模型等方面的研究已經取得了一定的進展，但整體來看，還存在很多問題且沒有形成系統的研究方法。現階段，螺旋榨油機械的研究主要有以下3個方面的問題。

2.1 關鍵部件磨損嚴重

榨螺是螺旋榨油機磨損最嚴重的部分，其作為螺旋榨油機械最關鍵的部件之一，其螺距、螺溝牙深等參數設計較為精密。螺旋榨油機在工作時，榨膛榨螺各處受到連續摩擦、高壓及高溫，在使用一段時間后，螺旋榨油機榨螺部件會出現表面磨損與螺齒斷裂等現象。對榨螺表面進行檢查和對磨損面進行SEM 微觀分析，發現榨螺主要的磨損失效形式為磨料磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損[26-27]。如今，螺旋榨油機榨螺的磨損嚴重制約了榨油機榨油效率和出油率。

2.2 壓榨效率低、油品差

油料在螺旋榨油機榨膛內的壓榨時間和壓榨溫度是決定壓榨效率的重要參數。壓榨時間過長會降低榨油效率和產量，壓榨時間短會導致油料經壓榨后產生的餅粕含油率高、整體出油率較低。壓榨溫度是指油料在榨膛內被壓榨時的溫度，其影響油料的可塑性、油液黏度及流動性，對壓榨效率也會產生影響。螺旋榨油機在壓榨過程中，油料受到的強烈的擠壓與摩擦，導致榨膛內溫度過高，造成油脂中所含的蛋白質變性及不飽和脂肪酸被破壞等問題，導致油品降低。

2.3 微觀機理研究不足

目前，榨油機的設計主要依托于經驗與試驗的方法，對微觀機理方面的研究還十分匱乏。榨油機工作時機器內部油料是滲流場與流變場耦合滲流變化，應力—應變表現為明顯的非線性特征。內部流場變化復雜，很難通過試驗提供一套完整且可靠的設計依據。目前對榨油機的數值分析與模擬多集中于榨螺本身，但榨油是榨膛內部物料流體與榨螺相互作用的過程。由于缺乏具體理論指導與參考，榨螺轉速、物料投放量和榨螺的螺距等參數確定困難，因此出現榨油機壓榨過程中物料壓榨不徹底的現象，制約了榨油機械的發展。

3 螺旋榨油機械發展建議

3.1 提高關鍵部件的耐磨性

長久以來，螺旋榨油機榨螺的磨損與腐蝕均出現在零件表面部分，但我們的設計優化集中于強度、剛度、抗疲勞強度及結構等方面，忽視了零件表面性能的研究。利用有限元分析的方法對分段的榨螺進行變形及應力計算，對有限元分析得出的結果進行分析，確定變形及受力較大的部分。結合國內實際情況，利用目前先進的堆焊、熔覆等表面工程抗磨技術對關鍵位置進行耐磨性強化，提高其使用壽命。

3.2 提高工作性能

可利用ANSYS軟件對榨籠內、外表面熱分析并進行瞬時仿真計算。熱分析仿真結果與紅外測溫儀測得的實際溫度做對比，系統地探究榨籠溫度的變化規律。針對壓榨過程中溫度過高導致的油品下降問題，可在滿足要求的情況下采用榨螺內部增加水冷等技術，加強壓榨過程中的降溫能力。對榨油機的榨籠長度、導程、壓縮比和出餅縫寬進行探究，改善干餅殘油率及整體出油率。

3.3 加強對微觀機理的研究

應加大對國外相關理論研究成果的吸收，結合目前先進的計算機技術建立與壓榨技術相關的數學模型與物理模型。綜合考慮流體和固體對榨油過程中的變化與影響，進行流固耦合分析，更加真實的反映榨油機壓榨過程，將試驗結果與計算機模擬結果相互對比，充分了解榨油機完整的榨油流程，使研究更加系統可靠。

4 結束語

螺旋榨油機械的發展是對我國糧油產業的重要支撐，對螺旋榨油機械及其相關技術的充分了解至關重要。本文總結了國內外榨油機械的研究現狀，分析了榨油機械現階段存在的問題并提出了一些發展建議。在國家的大力支持下，榨油機械的研究必然會上升到一個更高的層次。