某果蔬榨汁机总体结构方案设计

◎张姗姗 宁艳亭 葛卫京

随着科技的发展，各种大棚蔬菜、无土栽培以及营养无机蔬菜等品类层出不穷，瓜果蔬菜已经实现了不分季节随时供应。单我国山东潍坊供应的新鲜蔬菜，就可以满足整个华北甚至大半个中国的蔬菜消费。但，伴随着果蔬产量的提高以及反季节果蔬的不断推出，新的问题产生了：若果蔬不能及时销售，则会面临极速腐烂变质的问题。这将大大增加储存成本和损耗成本。在这种背景下，果蔬榨汁机应运而生。

果蔬榨汁机可以把常用的或者不易储存的瓜果蔬菜，通过榨汁以及后续的工艺处理，生成一钟新的能够直接饮用的果汁，从而既解决了果蔬的储存以及易腐烂变质问题，也为后续的果汁饮品深加工提供了半成品。另外，直接饮用果汁能够提高消化水平以及对食物的吸收能力，满足人们对高精尖食品的需求。

榨汁机的发展历史是比较长的。不论是国内还是国外，都有着从原始到手工刀机械化的一个生产过程。从布袋扭绞榨汁法起，到现代的各种各样机械榨汁法。由于饮食习惯的不同，国外对果蔬的加工产品或者果汁的引用需求量更大。所以工业化的果蔬榨汁机首先出现在国外。同时由于科技水平较为发达，国外的果蔬榨汁机不论在技术、产量、质量上都相对较高。迄今为止，国外对榨汁机的研制还在不断地推陈出新，从通用榨汁机到单一水果的专用榨汁机，新型机器不断出现。

我国的果蔬榨汁机起步较晚、发展较慢，这和我国居民的饮食习惯有着不可分割的联系。长期以来人们喜欢对食物进行煎炒油炸，对水果或者蔬菜进行榨汁的需求甚少，对这方面的专用机械更是知之甚少。但是随着人民生活水平的提高和对食物的追求层次不断提升，加上欧美等西方国家的饮食习惯的不断渗透，对水果和蔬菜等食物进行精细化处理的设备和技术日渐被关注。

本次设计的果蔬榨汁机要求如下：筛孔直径：φ0.5mm~0.8mm；旋转轴转速：n=160r/min；

渣浆能自动分离；功率自定。

一、榨汁方式选定

目前国内外常用的榨汁方式主要有以下几种。

1.裹包式。

工作原理：将初步处理过的果糊包于滤布内，多包果糊叠摞，利用外力（如液力、气力、机械力等）对其挤压，细胞液排出即达到榨汁目的。

这种形式的榨汁机结构相对简单，工作稳定性好，方便操作，榨汁时候能够产生较大的工作压力，对一些出汁不太容易的果蔬非常实用，比如苹果、芹菜、生姜等。但是其工作效率低，榨汁后还要将滤布拿出，榨汁过程较为麻烦。

2.螺旋式。

工作原理：利用一个旋转的变螺距螺杆来输送果糊，通过调整螺距、槽深和出口阻力参数，使果糊在输送过程中受压，通过筛网排出果汁达到榨汁目的。

螺旋榨汁机在挤压的过程中，会有对果蔬物料的剪切、破碎等作用，所以作业效果特别好。螺旋榨汁机是属于比较常见的一种榨汁机，它对于质地较硬的果蔬效果特别好。

3.带式。

工作原理：皮带带动不同直径的榨棍转动，榨棍上分布有网带，网带挤压果蔬使果汁排出。

带式榨汁机结构比较简单，生产效率高，但由于整个榨汁过程是在开放空间进行的，所以榨取的果汁容易氧化变质，并且榨棍上的网带容易受到果肉的堵塞，难以清洗。

4.爪杯式。

工作原理：球状的果蔬被放入压榨工位，利用上下爪状夹持器包裹、挤压，果汁通过滤排汁管排出。

爪杯式榨汁机是一种专门用于柑、橘、橙等球状果蔬榨汁作业的专用榨汁机。这种压榨方式，原料不破碎，压榨一般与果汁以外成分的回收同步进行。

榨汁机的种类多种多样，每一种榨汁机都有自身独特的特点以及用处。随着市场需求的不断增加以及个性化需求的提升，还会出现其它榨汁机。但是不论外观形式如何变化，榨汁机的工作本质都一样，工作效率、榨汁率以及自动化等方面是未来发展的主要方向。

本次设计对比了各种果蔬榨汁机的优缺点，同时针对给定的技术指标，选择螺旋式榨汁。

二、总体结构方案设计

螺旋式果蔬榨汁机结构主要包括传动部分、挤压榨汁部分、机架部分等。

本节详细介绍各部分方案确定方法。

1.传动方案确定及电机选型。

目前常见的传动方式有链传动、带传动以及齿轮传动，每种传动都具有自身独特的特点。

链传动比较典型的案例是自行车传动。链条和齿轮啮合，能够承受较大的负荷，实现较为精准的传动比，并且可以在恶劣环境下工作，但传动过程中需要润滑。

带传动是利用皮带和带轮之间的摩擦力实现传动的，工作稳定性高，设备简单。同时由于传动是利用摩擦力的特点，所以能够起到保护传动力矩过载等特点。带传动不论是皮带还是带轮也都具有一定的标准，成品较多，价格较低。

齿轮传动，是机械传动中应用最为广泛的一种传动方式，能够实现非常精准的传动，并且齿轮相关产品已经参数化、标准化，可以直接选择。但是齿轮传动噪音大，工作中需要进行润滑。

结合以上三种传动方案的特点以及本次所设计的果蔬榨汁机的特点以及技术指标，本次设计选择带传动。因为V带不需要润滑，不会因为润滑油脂污染食品，同时V带具有很好的传动动力性能。在带传动后加一个小的变速器，二者共同实现传动系统速度和扭矩变化。

果蔬榨汁机采用的动力传递路线为：电机→V带→变速器→螺旋轴。

电机是整个果蔬榨汁机动力的来源，它需要满足榨汁机过程中物料移动、物料挤压以及传动系统中的损耗等。

压缩物料所需要的功率P1：

推动物料移动所需要的功率P2：

则所需要的电机功率计算公式如下：

在本次所设计的果蔬打浆机中，主轴的额定转速为160r/min，电机所需要的计算功率为3546.3W。根据上述参数以及《机械设计手册》综合考虑，初步拟定电机型号为Y112M-2。此电机的额定功率为4kw，满载转速为1450r/min。

2.榨汁方案设计。

整个榨汁部分一般包括进料口、挤压部件、积液口等。

进料口一般采用广口设计，方便果蔬物料的放入，同时可以利用物料的重力自动进入到榨汁机内部。积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积液口，一般采用封闭设计，防止污染。渣滓排放口一般在尾部，利用螺杆的挤压和推动作用，逐渐推出榨汁的过程，流入到尾部。

挤压部分是榨汁机的主要结构。根据螺杆榨汁的工作方式，两端需要进行支撑。选定采用常用的轴承支撑方式。螺杆挤压分为两部分：喂入阶段和挤压阶段。喂入阶段仅有轻微的挤压，主要目的是把物料送入螺杆挤压。挤压阶段则是利用螺杆施加较大的作用力，完成挤压榨汁工作，是主要的挤压工序。

3.机架材质选择。

机架是承载整个榨汁机重量的主要构件，工作中还需要承受静止或运动的多种力。为确保安全及稳定性，考虑成本因素，机架的材质一般都是选择HT150或者型钢。

4.整体布局设计。

果蔬榨汁机主要有：压榨装置、传动装置、电机、出料装置、机座等组成，其设计简图如下图1所示。

图1 果蔬榨汁机整体布局

三、螺杆结构及轴设计

1.螺杆结构。

结合目前现有产品的案例，本次设计的果蔬榨汁机选择可变直径的结构来改变螺杆的螺距，整个螺杆分为了进料螺杆部分以及压榨部分。其中进料螺杆主要起输送作用-把从进料口进入的瓜果蔬菜输送到后续的压榨阶段，接着经过一个轻微力度的预压榨，进入到压榨阶段，这就是果汁的整个压榨过程。

螺杆的基本结构简图如下图2所示。

图2 螺杆螺旋结构简图

螺杆的材质选择既要考虑整体的强度，还需要考虑食品工业的特殊性，同时对于瓜果蔬菜来说，其汁液往往含有酸性，所以材质需要能够耐酸。综上，本次设计选择螺杆的材质为食品级的使用材质，经过机械加工达到设备要求。

2.轴头直径设计。

螺旋轴最小直径，即轴头直径，计算公式如下：

P表示主轴输入功率，n表示主轴的工作转速，A0是计算系数。

减速机输入轴的功率P1：

主轴输入功率P2：

转速值为160r/min。A0表示一个计算系数，它的取值和主轴的材质、转速、工况条件等都有关系，本次设计取值为110。带入计算可得：

故，选定主轴的最小直径为50mm。

3.轴的强度校核。

主轴在工作中，既要产生推动物料前进的动力，还需要产生径向对物料进行挤压的作用力。所以在校核强度的时候需要综合考虑。

主轴在工作中所承受的力矩、转矩绘图如图3所示。

图3 轴的计算简图

四、总结

本文首先介绍了研究果蔬榨汁机的必要性，其次针对给定的功能限制参数，选定榨汁形式为螺旋式榨汁。然后，通过比较链传动、带传动和齿轮传动三种传动方式的优缺点，确定采用带传动。接着考虑经济性，进行了机架材质选择和榨汁机的整体布局设计。最后参考现有产品，选定螺杆结构为可变直径的，对螺旋轴的最小直径及主轴进行了设计与计算。

本次设计基于生产实际，具有经济性与可操作性，可为类似产品结构设计做参考。