小型螺旋榨油机结构设计

刘彩虹，成小飞，王春凤

（山东农业工程学院，山东 济南 250100）

民以食为天。其中，食用油是每个家庭日常生活必需品，食用油不仅可以改善菜肴的风味和口感，还可以增进食欲；同时，所含的维生素和磷脂还可以为人体提供所需的营养，促进人体的生理代谢和生长，并可以预防多种疾病。

食以安为先。然而，近期出现了多起地沟油、内脏油、口水油、泔水油等劣质有毒油流入市场，流向餐桌。基因改造、添加剂和化学残留等问题困扰着监管者和消费者，造成了严重的信任危机。基于此，笔者设计了一款小型螺旋榨油机，可运用在家庭或自助榨油场合，消费者可自己动手现用现榨，实现全加工过程的透明化，保证了食用油的健康。

1 榨油工作原理及方案

1.1 传动方案

油脂存在于植物油料的细胞中，压榨法制油就是通过机械作用压迫植物细胞破碎，从而使油从植物细胞中分离[1]。螺旋榨油机在工作时由电动机提供动力，通过减速器传递到螺旋轴上，使其反复旋转，将榨膛内的油料连续不断地向前推进，同时，由于螺旋导程的逐渐缩短或者榨螺轴根圆直径的不断增大，使榨膛内的空余体积逐渐缩小，从而对榨膛内的油料起到压榨的作用[2]。压榨过程一般分为喂料段、压榨段和成饼段3个阶段。

通过对榨油机的工作原理进行分析，该榨油机主要包括动力机构、齿轮减速装置、喂料装置、螺旋压榨装置、出饼调节装置等结构。其中电动机为榨油机提供动力，是整个系统的动力源，通过联轴器连接变速齿轮箱，使转速达到榨油机所需的工作转速后，经由联轴器将动力传递到榨螺轴，带动榨螺轴旋转；在进料口，为防止堵塞，使油料能够以一定的速度均匀地进入榨膛内，从而增加了搅拌装置；压榨系统是螺旋榨油机的主要压榨部分，包括榨笼、较饼头、锁紧螺母和榨螺轴，可以使油料作物得到充分挤压，同时将废渣排出。具体结构如图1所示。

图1 总装配图

1.2 技术要求

最大压力为2 t/cm2；油料压榨后的厚度为1.5 mm～2 mm；产油量为30 kg/h。

2 关键零部件的设计

2.1 传动系统的设计

2.1.1 确定传动方案

齿轮传动具有传动效率高、结构紧凑、强度大等优点，能适应压榨载荷变化大的情况，所以选用齿轮传动可使压榨出油率高，同时可以提高传动效率。如图2所示，电动机

图2 传动方案及原理图

通过二级减速器把动力传送到压榨螺旋轴的一端，带动压榨螺旋轴的转动进行压榨做功。

2.1.2 动力源的确定

榨油机的功率消耗主要包括榨料的压缩功率、螺旋输送功率和传动系统消耗功率等。其以榨料的压缩功率为主，然后通过传动效率与系数确定最终所需的功率。

榨螺轴对榨料的压榨功率为：

式中：pr为榨螺轴对榨料的压榨功率，kW；

q为榨螺每转所输送的物料，kg/r；

为单位质量的榨料压缩功。

式中：

εn为物料实际压缩比；

γm为料胚容重，kg/cm3；

P为榨膛压力。

榨膛内的压力主要取决于榨油机的压缩比，压缩比越大，相应的榨膛压力也越大。较大的压力有利于提高油料的出油率，但超过一定范围后，出油率随压力的变化变得非常缓慢，压力过大还会导致油料间的孔隙减小，阻碍油液的渗流，降低出油率。胡志刚等[3]在对油料压榨的试验中发现，对于常见的几种植物油料，当压力达到50 MPa～60 MPa后，已经能达到很高的出油率。现以大豆为例计算榨膛内压力：

式中：

P为榨膛压力，MPa；

ζ为取决于热坯水分和温度的系数；

W为榨料水分，榨料不同，W也不同，一般为1%～2.8%，当W=2.5%时，ζ=0.004 5；

e为自然对数底值。

将数据代入得Pr=0.52 kW。

榨料压缩功率占比为40%～60%，所以榨油机工作所需的功率在0.87 kW～1.3 kW之间，现取工作功率为Pw=1.04 kW。

考虑电机的安全系数k=1.2，则电动机所需提供的功率为：

查询电动机型号参数，考虑到榨油机所需的工作转速40 r/min，为确保后续传动比合理，最终选择了YE3-100L-6 型号的电动机，其额定功率为1.5 kW，额定转速为950 r/min。

2.2 压榨部分的设计

2.2.1 压榨轴的结构确定

榨螺轴的结构参数、转速、材质的选择对榨膛压力、油和饼的质量、生产率有很大关系。榨油机在压榨制油时，榨螺轴不断将油料作物从进料端输送至出饼端，在此期间，受到较强的挤压、剪切和摩擦作用，易造成磨损。本设计为小型家用榨油机，产量不高，选择整体式连续型变径等导程榨螺轴，榨膛压力稳定，压榨效率更高。

2.2.2 压榨轴的设计计算

轴的根圆直径 可按扭转强度进行初步估算：

整体式榨螺轴平均直径的确定[4]：

螺齿高为：

榨螺齿形：

采用锥形根圆榨螺，榨螺齿形结构如图3所示，其中根锥角γ≤10°，取γ=2°。

图3 榨螺齿形

1）确定榨螺螺纹侧面角（推料面倾角β ≥0～30°）。榨螺推料面应用倾角小的侧面，截面形状如图4所示。

图4 榨螺截面形状

2）确定榨螺螺纹的螺旋升角（背面倾角α ≥15°～45°）。如图5 螺旋线的展开图所示，螺纹的螺旋升角，在根圆和螺旋外径计算是不同的，现取中径计算，导程S=70 mm。

图5 螺旋线展开示意图

设计出的压榨螺旋轴如图6所示。

图6 榨螺轴结构

2.3 压榨轴的强度校核计算

榨螺轴工作时，出饼口所受压力最大，现校核该截面处的应力强度，已知该螺旋轴既受轴向力Fa，又受扭矩T的作用，T按螺杆实际受力情况确定，本设计中T=270 N·m。根据拉应力σ和剪切应力τ，按第四强度理论，求得危险截面上的计算应力σca：

2.4 榨螺轴稳定性计算

对于一个长径比较大的长期受挤压螺旋杆而言，当轴向力增大到某一特定的临界点时，螺旋杆就会由于突然的弯曲而失去稳定性[4]，其稳定性与杆的柔度材料和材料都有关系。

通过式（15）计算榨螺轴的柔度λ=43，当λ<100时：

式中：

nsc为计算所得安全系数；

通过计算榨螺轴满足稳定性要求。

2.5 榨膛的构造

榨膛是由榨笼和榨螺轴安装配合后所围成的空腔部分，榨笼上留有出油缝隙，保证油脂顺利流出。本次设计的榨膛结构如图7所示，通过螺钉安装固定于机壳上。

图7 榨膛结构图

3 结论

通过对国内外螺旋榨油机在机械设备和理论压榨方面的研究发展情况，参考现有压榨技术和现场试验结果，设计了这款小型的螺旋榨油机，结构简单，榨油成本低，榨油率高，适合于家庭和自主榨油场合。