螺旋榨油机研究现状及发展建议

2021-12-05魏文波张经宇李建昌赵晓顺郝建军

农业技术与装备 2021年1期

魏文波，韩鹏，张经宇，李建昌，赵晓顺，郝建军

（1.河北农业大学机电工程学院，河北保定 071000；2.河北省农业技术推广总站，河北石家庄 050011；3.河北凯阔食品集团股份有限公司，河北康保 076650）

植物油在日常生活中发挥着重要作用。近年来，植物油产量下降，除原料供应不足外，榨油机械的落后也是制约食用油产量的一个重要原因[1-2]。压榨法和浸出法是2 种常见的食用油制备工艺，其中压榨法制油是用物理的方法对油料进行挤压，油脂从油料中分离出来，该过程不添加化学药剂，深受消费者喜爱。1900 年第一台连续式螺旋榨油机在美国问世，制油方法从传统间歇式榨油变为了连续式榨油[3-6]。如今，螺旋榨油机制油已成为提高生产效率、减轻劳动的重要方式。

螺旋榨油机工作时油料在榨膛内受到剪切力和挤压力，随着榨螺的旋转，靠近榨螺螺纹处的油料随榨螺一起转动，榨笼的内表面与榨螺的外表面所围成的空余体积顺着榨螺前进方向容量由大到小的变化，此过程油料受到挤压作用，从而把油脂从油料内挤出来，并从榨条缝隙和榨圈油槽中排出[7-9]。因螺旋榨油机压榨出油率高、节能省工且保持了油液的天然特性，是目前广泛采用的榨油方式。

1 螺旋榨油机械研究现状

1.1 国外研究现状

国外对螺旋榨油技术的研究已经有120 多年的历史，经过长时间的经验积累，相关技术已经日趋成熟。目前，国外对榨油机的研究更多侧向于工业级榨油机，除对具体机型的研究外，还对榨螺转速、物料投放量和榨螺螺距等压榨条件对出油率影响、压榨方式对油脂理化指标影响和压榨过程中油料的流变特性等方面进行研究。

英国的Simo-Rosedowns 是一家著名的螺旋榨油机厂商，该公司利用对螺旋渗氮技术和利用钨铬钴硬质合金处理技术对机内表面进行处理研制出了可承受较高压力的螺旋榨油机[10-11]。Simo-Rosedowns公司的大多数螺旋榨油机产品对榨螺进行水冷处理，防止饼粕在榨膛内因高温灼烧而出现有害物质的现象发生。采用双螺旋进料装置利于强制喂料，加大喂入量，压榨能力达到40～65 t/d。

美国Vicent 公司的Johnston 根据前人对双螺杆压榨机的研究经验，利用2 根互相啮合的中断螺棱螺杆原理设计了可反向旋转的平行双螺杆压榨机[12]。双啮合螺旋机构在降低滑移与加强物料正向位移能力方面效果显著。在榨笼上固定的突齿刮刀可插入到螺旋的隔圈内，充当搅拌与防止阻塞的功能。

Bargale 针对油料在压榨过程中出现的油料饼渗透率可变性问题，探究了渗透率与时间之间的变化规律[13-14]。假设油料层内油脂从上至下的一维流动，经过渗透率试验分别建立了以时间为变量的渗透率经验公式和油液体积流率的数学模型，并求出了解析解。相比较Darcy 的渗流定律与Terzaghi的固结理论而言，Bargale将压榨过程中的渗透率以可变的特性进行研究更加贴合实际压榨情况。

1.2 国内研究现状

我国关于螺旋榨油机榨油的研究已经有70 年的历史。从最初的小产能机型发展成小产能、大产能和智能型机型并存，国内的相关研究学者对榨油机的研究也变得更加系统。随着计算机科技的快速发展，关于榨油机的关键机理部分的研究成果颇丰。

李诗龙等人针对双低油菜籽脱皮籽仁在冷榨过程中存在的一些关键技术问题，提出了双阶多级压榨的冷榨结构模型[15]。通过对95 型螺旋榨油机进行试验，发现在压榨过程中的饼松散、油料在榨膛内前进困难问题。根据常见的螺旋榨油机结构形式和H.J 拉泽洪等人[16]的研究基础上，将榨膛结构改为双阶多级压榨，在分段榨螺之间加装锥形榨圈，实现在压缩腔内数次挤压和松弛，增大了主压榨段的压榨压力，提高了出油率，为粗纤维含量少的油料压榨提供了借鉴意义。

李文林等人针对脱皮冷态压榨需要研制出了具备自清理功能的SSYZ50 型双螺杆榨油机，解决了脱皮菜籽仁在榨膛中输送困难的问题[17]。SSYZ50 型双螺杆榨油机利用双螺杆压榨的原理提升了榨螺的喂入能力，避免了脱皮油料光滑导致的滑膛问题。该机型为条排排油的方式，端部出饼有利于实现饼粕厚度的按需调节。SSYZ50 型的理论压缩比为23.0，实际生产活动反馈出来的数据显示冷榨后饼粕的含水率为4%～6%、出饼的温度在55℃左右、工作能力在45 t/d 左右。该机型在提高产能、降低能耗方面具有很好的借鉴作用。螺旋榨油机在国内的发展十分迅速，2006年后有很多优秀机型问世，如湖北天星粮油机械设备有限公司推出的LYZX 系列低温螺旋榨油机、河北南皮机械制造有限责任公司的ZY338 型螺旋榨油机和李诗龙等人为满足含油量高的油料设计的双阶多级压榨SZX12X2 型双螺杆榨油机等[18-20]。LYZX 型低温螺旋预榨机通过适当降低主轴转速和增大长径比使榨料行程更长，压榨和排油更彻底。河北南皮机械制造有限责任公司生产的ZY338 型螺旋榨油机采用自由喂料机构，料胚相对疏松不易堵塞。

李诗龙等人为了适应含油率高的油料压榨，设计了一款两根榨螺上下平行分布的SZX12X2 型双螺杆榨油机[20]。该机的榨笼腔呈“8”字形，正向输送能力强，在压榨过程中不断打开新的油路，油料在榨膛内停留的时间长，压榨较为彻底。对样机进行试验，结果表明该机不仅适合压榨预处理过的油料，也可以对未进行预处理过的油料进行冷榨。产能符合设计要求，单位能耗低于传统机型，干饼残油率最低可达到3.5%，实现了节能且高产能的效果。

通过调整榨油机结构或参数来提升榨油机的效率一直是国内外的研究重点，在实际设计榨油机时，大多依据前人生产经验进行优化，缺乏对榨油机工作过程的机理研究。郑晓等人[21]在Mrema 和Bargale 等人的研究基础上综合油料在压榨时出现的可变性和流变性，根据有限差分法和有限元法对渗流场和流变场进行交替求解，将模型求出的数值解与实测值比较发现基本一致。刘汝宽等人[22]利用渗流模型计算出出油率模型，得出了料筒半径与出油率的关系。经过多次改变料筒内径计算出来的出油率与实际试验得出来的结果对比，误差均在2.1%以下，这为榨油机的改进提供了数据方面的理论依据。计算机仿真软件的发展给榨油机的理论研究提供了新的方案，张强等人[23]利用EDEM 软件对压榨腔的工作性能进行了仿真，用BPM 模型建立花生颗粒的仿真模型，通过分析颗粒黏结键的破碎比率和出油率来讨论压榨腔的优劣。以榨螺转速、喂入量和榨螺螺距为3 个因素设计三因素三水平的正交试验。对EDEM 的工作仿真结果分析得出3 个因素中榨螺转速对工作性能的影响最为显著，且在矩阵分析得到的最优工作参数下花生出油率为45.20%。压榨模型和实际情况相比还有一定误差，分析的影响因素不全面，但该研究对以后榨油机机理分析具有很好的借鉴作用。

螺旋榨油机在使用过程中榨螺的螺旋面所受到的冲击力较大，所以对榨螺的强度、表面硬度和耐磨性都有很高的要求[24]。张麟等人[25]以材质为20 钢的榨螺为基体，用丙酮清洗基体表面并做粗化处理，然后利用爆炸喷涂技术将WC-12%Co 这种金属陶瓷涂层材料对榨螺进行喷涂。将喷涂后的榨螺外表面珩磨抛光后进行耐磨性试验。经过爆炸喷涂后的榨螺表面的涂层厚度是0.3 mm，经过传统渗碳淬火后的榨螺的渗碳深度为0.2 mm。在相同的试验条件下进行耐磨性试验得出同等情况下经过WC-12%Co 爆炸喷涂后的榨螺使用寿命是经过渗碳淬火榨螺的4.2倍。

2 螺旋榨油机械研制存在的问题

近年来，我国在螺旋榨油机械的低温压榨技术、榨螺与榨膛结构优化、油料渗透模型、油料压榨模型等方面的研究已经取得了一定的进展，但整体来看，还存在很多问题且没有形成系统的研究方法。现阶段，螺旋榨油机械的研究主要有以下3个方面的问题。

2.1 关键部件磨损严重

榨螺是螺旋榨油机磨损最严重的部分，其作为螺旋榨油机械最关键的部件之一，其螺距、螺沟牙深等参数设计较为精密。螺旋榨油机在工作时，榨膛榨螺各处受到连续摩擦、高压及高温，在使用一段时间后，螺旋榨油机榨螺部件会出现表面磨损与螺齿断裂等现象。对榨螺表面进行检查和对磨损面进行SEM 微观分析，发现榨螺主要的磨损失效形式为磨料磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损[26-27]。如今，螺旋榨油机榨螺的磨损严重制约了榨油机榨油效率和出油率。

2.2 压榨效率低、油品差

油料在螺旋榨油机榨膛内的压榨时间和压榨温度是决定压榨效率的重要参数。压榨时间过长会降低榨油效率和产量，压榨时间短会导致油料经压榨后产生的饼粕含油率高、整体出油率较低。压榨温度是指油料在榨膛内被压榨时的温度，其影响油料的可塑性、油液黏度及流动性，对压榨效率也会产生影响。螺旋榨油机在压榨过程中，油料受到的强烈的挤压与摩擦，导致榨膛内温度过高，造成油脂中所含的蛋白质变性及不饱和脂肪酸被破坏等问题，导致油品降低。

2.3 微观机理研究不足

目前，榨油机的设计主要依托于经验与试验的方法，对微观机理方面的研究还十分匮乏。榨油机工作时机器内部油料是渗流场与流变场耦合渗流变化，应力—应变表现为明显的非线性特征。内部流场变化复杂，很难通过试验提供一套完整且可靠的设计依据。目前对榨油机的数值分析与模拟多集中于榨螺本身，但榨油是榨膛内部物料流体与榨螺相互作用的过程。由于缺乏具体理论指导与参考，榨螺转速、物料投放量和榨螺的螺距等参数确定困难，因此出现榨油机压榨过程中物料压榨不彻底的现象，制约了榨油机械的发展。

3 螺旋榨油机械发展建议

3.1 提高关键部件的耐磨性

长久以来，螺旋榨油机榨螺的磨损与腐蚀均出现在零件表面部分，但我们的设计优化集中于强度、刚度、抗疲劳强度及结构等方面，忽视了零件表面性能的研究。利用有限元分析的方法对分段的榨螺进行变形及应力计算，对有限元分析得出的结果进行分析，确定变形及受力较大的部分。结合国内实际情况，利用目前先进的堆焊、熔覆等表面工程抗磨技术对关键位置进行耐磨性强化，提高其使用寿命。

3.2 提高工作性能

可利用ANSYS软件对榨笼内、外表面热分析并进行瞬时仿真计算。热分析仿真结果与红外测温仪测得的实际温度做对比，系统地探究榨笼温度的变化规律。针对压榨过程中温度过高导致的油品下降问题，可在满足要求的情况下采用榨螺内部增加水冷等技术，加强压榨过程中的降温能力。对榨油机的榨笼长度、导程、压缩比和出饼缝宽进行探究，改善干饼残油率及整体出油率。