农业榨汁机机械结构设计与分析

黄 瑞，王 鹏，张敬修，余晓奥

（合肥经济学院 工学院，安徽 合肥 230031）

果实成熟后，可直接食用，也可粉碎榨汁[1]。其营养丰富，含大量的有机酸、糖类、蛋白质、脂肪、维生素以及钙、磷、钾等矿物质[2]，可补充人体能量和热量，具有清热、解毒、平肝、补血、活血和止泻功效[3]。现有的农业榨汁机在工作的过程中，通常采用较为简单的方法，直接将果料压碎取汁[4]，这种方法对于无籽或小籽果料适用，但对于大籽果料却不能直接压碎。 比如石榴内的籽核比较大，如果籽核被压碎， 生产出来的石榴汁会产生苦味，影响口感。

通过调研国内农业榨汁机的技术发展，总结现在的农业榨汁机具有以下问题：（1） 当前的农业榨汁机榨汁效率低、人工干预比较大、榨汁效果差[5]；（2）果料分解碎屑的大小不易调节；（3）农业榨汁机的过滤网孔易堵塞。 因此， 对农业榨汁机榨汁特点、果料分解方法、排渣反馈装置等的研究，能够推动农业榨汁机榨汁方式的升级。因此新型农业榨汁机对于果料榨汁效率、稳定性以及榨汁质量具有至关重要的意义。

1 研究内容

本设计以提高农业榨汁机榨汁效率和质量为主要目标，重点研究果料分解装置、排浆装置、排渣反馈装置等榨汁的关键部位，以便设计一种农业榨汁机， 该农业榨汁机满足稳定性能好、榨汁效率高和质量好，符合市场对农业榨汁机的技术提出的新要求。从科研院所与生产企业重视农业榨汁机的研制来看，特别是果料分解碎屑的大小调节与过滤网孔疏通技术，推断出农业榨汁机在榨汁过程中存在的问题，进行推理分析，得到农业榨汁机榨汁技术的研制路径[6]。 农业榨汁机的创新性设计如下：

（1）设计动力传动圆片，研制动力装置机械结构，实现运动与动力稳定的传输。

（2）研制果料分解与调节装置，实现果料的分解， 有效地控制果料分解碎屑颗粒大小的调节。

（3）研制排浆与刮块装置，实现自动排浆，有效的解决了农业榨汁机的过滤网孔易堵塞的问题。

（4）研制排渣反馈装置，实现果料碎渣的自动排出功能，有效的解决了农业榨汁机榨汁效率低、人工干预比较大、榨汁效果差的问题。

本农业榨汁机组件包括机架、 动力装置、分解装置、排浆装置和排渣反馈装置。 图1 是农业榨汁机机构运动简图。

图1 农业榨汁机机构运动简图

2 机械结构设计

2.1 动力装置

动力装置包括电机、动力传动圆片、摇摆架和包裹筒。 电机安装在机架上，电机的输出轴配合安装有倾斜设计的动力传动圆片，动力传动圆片的另一侧设计有中心杆，中心杆的底端与机架底部的上端固定安装，中心杆的上端设计有活动转动的摇摆架。 摇摆架包括中部横杆和左右横杆。 中部横杆的前侧设计有弧形齿环，两个左右横杆的两端均转动安装有卡扣，两个卡扣的一端分别活动插接在动力传动圆片的两端。当电机工作时，电机通过输出轴带动动力传动圆片左右摆动，动力传动圆片通过中部横杆与左右横杆实现弧形齿环左右往复转动。 机架高度为800mm，底座宽度为800mm， 上架宽度为600mm， 材料为Q235。 动力传动圆片直径为350mm，材料为合金钢20CrMnTi， 原动件为步进电机， 型号为TD20A003-05A。 农业榨汁机动力装置机械结构见图2。

图2 农业榨汁机动力装置机械结构

2.2 分解装置

分解装置包括分解腔、 分解锥和调节螺杆。分解腔的外侧安装在机架上。分解腔的外侧设计有外弧齿环，外弧齿环与动力装置的弧形齿环啮合传动。 分解腔内侧设计有凸起螺旋环。 分解腔底端设计有分解内腔，分解内腔底部设计有内腔下块。 分解腔内部安装有分解锥，分解锥表面设计有凸起螺旋环，该凸起螺旋环与解腔内侧的凸起螺旋环相互作用，实现传送果料的目的。 分解锥底端设计有调节块，内腔下块的底端安装有调节螺杆，调节螺杆的上端通过螺纹与调节块底端的内部配合。分解内腔底部的另一侧开设计有排口。因为分解腔外侧的外弧齿环与动力装置的弧形齿环啮合， 所以可以说实现分解腔的左右转动。使用时，将果料放入分解腔中，分解锥表面设计有凸起螺旋环，则可以方便果料下移分解。 调节螺杆则可以调节分解锥与分解腔间的间隙大小，从而实现控制分解碎屑大小的程度。 果料的碎屑通过排口排出，流入到下方的安装管，实现了分解果料的功能。 分解筒直径为150mm，高度为200mm，材料为304 不锈钢。 农业榨汁机分解装置机械结构见图3。 农业榨汁机分解锥机械结构见图4。

图3 农业榨汁机分解装置机械结构

图4 农业榨汁机分解锥机械结构

2.3 排浆装置

排浆装置包括矩形筒、阻拦块、刮块、网块、移动上端块和移动下端块。矩形筒与机架固定安装，矩形筒设计有排口下端、排渣口和流浆口。矩形筒的排口下端与分解内腔的排口之间通过连接管对通，排渣口的右侧与矩形筒间通过扭簧铰接有阻拦块，不受外力时扭簧的弹力使阻拦块封闭排渣口。 阻拦块下端安装有长杆，当长杆不受向下的拉力时，不受外力时的扭簧弹力使阻拦块封闭排渣口。 当长杆受到向下的拉力时，阻拦块也受到向下的拉力， 此时阻拦块打开排渣口，果料被挤压完的碎渣排出。矩形筒上端的内侧滑动安装有移动上端块，矩形筒下端的内侧滑动安装有移动下端块。 矩形筒内部安装有网块，阻拦块左端通过扭簧铰接有刮块，刮块的上端与网块的一侧贴合。移动上端块和移动下端块均固定安装有连接杆， 两个连接杆之间安装有弹簧杆和弹簧，它们是一个封闭的移动体。 左侧的连接杆上端安装有过渡连杆。 当过渡连杆向右移动时，该封闭的移动体向右移动。 当过渡连杆向左移动时，该封闭的移动体向左移动。

当过渡连杆向左移动带动封闭移动体向左移动时， 移动上端块在矩形筒内部向左移动，分解内腔排出的果料碎屑在矩形筒内的网块与移动上端块间受到挤压，果浆被挤出，此时移动上端块受到网块的阻拦停止向左移动且阻拦块封闭排渣口。由于该封闭移动体两个弹簧杆间安装有弹簧，弹簧被拉伸，移动下端块在矩形筒内部还可以继续向左移动。当移动下端块向左移动经过流浆口时，被挤出的果浆流入流浆口，由流浆嘴排出。 矩形筒长度为500mm，宽度与高度都为120mm，材料为304 不锈钢。 图5 是农业榨汁机排浆装置机械结构剖视图。

图5 农业榨汁机排浆装置机械结构剖视图

2.4 排渣反馈装置

排渣反馈装置包括长杆、凹口、凸起块、摆动块、凸杆和弯块。 长杆的上端与阻拦块底部固定安装。 长杆从左到右分别依次设计有凹口、凸起块和摆动块。 移动下端块下方的弹簧杆的端部依次设计有弯块和凸杆， 凸杆与长杆的底面贴合，凸杆的轴线高于摆动块的底端。 农业榨汁机排渣反馈装置机械结构见图6。当过渡连杆向右移动带动封闭移动体向右移动时， 弹簧杆下方的凸杆也向右移动。 当凸杆从摆动块左侧移动到右侧时， 凸杆从摆动块的下方变换到摆动块的上方，此过程为排浆过程。 当过渡连杆向左移动带动封闭移动体向左移动时， 弹簧杆下方的凸杆也向左移动。 此时凸杆从摆动块上方开始向左移动。 当凸杆经过凸起块时，凸起块楔形面受到凸杆向下的压力而向下移动， 带动长杆也向下移动，从而阻拦块打开排渣口，实现自动排渣功能，提高了果料榨汁效率。 与此同时，阻拦块向下移动的过程中， 也会带动刮块在网块的表面向下移动，实现清除网块中卡住的渣料，防止网块堵塞。 当凸杆经过凹口时，又会运动到长杆的下方， 实现运动复位。 长杆的长度为320mm，材料为Q235。

图6 农业榨汁机排渣反馈装置机械结构

2.5 农业榨汁机机械结构总成

动力传动圆片的一侧开设有周向凹槽，周向凹槽底端的内部滑动安装有移动块。两个排浆装置之间设有过渡连杆，过渡连杆与移动块转动安装，过渡连杆两端分别与两个排浆装置上的移动下端块转动安装。电机的运动与动力通过动力传动圆片带动过渡连杆往复移动，从而实现排浆与排渣。 流浆嘴下方放置有排浆储存槽，排渣口的下方放置有排渣储存槽。 长度为800mm，宽度为260mm，高度为250mm，材料为304 不锈钢。农业榨汁机机械结构总成，见图7。

图7 农业榨汁机机械结构总成

3 运动功能分析

3.1 分解

在使用时，电机启动，电机带动动力传动圆片转动。 在动力传动圆片转动的过程中，卡扣与动力传动圆片接触的位置是前后来回移动的，故而动力传动圆片通过卡扣可以带动摇摆架绕着中心杆摆动。 在摇摆架摆动的过程中，可以通过弧形齿环和外弧齿环的啮合关系来带动分解腔转动， 分解腔是顺时针和逆时针交替往复转动的。 可以将石榴籽放入分解腔的内部，通过分解腔的转动再结合分解锥上的凸起螺旋环，可以将果料分解成碎屑。 可以通过转动调节螺杆，使分解锥向上或向下移动，以调整分解腔底端与分解锥之间的间隙，达到调节分解碎屑大小程度的目的。分解成碎屑后的果料从分解腔落入到分解内腔的内部，然后经排口从连接管排出。

3.2 排浆

在动力传动圆片转动的过程中，动力传动圆片的底端也是前后来回移动的。移动块相对于动力传动圆片在周向凹槽的内部滑动，动力传动圆片可以通过移动块和过渡连杆带动两个排浆装置上的移动下端块在矩形筒的内侧来回往复移动。 当移动下端块处于最上端的极限位置时，即移动下端块的上端与网块的底端接触的位置，移动上端块处于排口下端靠上的位置。此时从连接管排出的果料可以经过排口下端落入到矩形筒的内部。 然后移动下端块向下侧的方向移动，移动的同时，可以通过连接杆、弹簧杆和弹簧带动移动上端块也向下移动。当移动上端块的上端触碰到网块的上端时，移动上端块不再移动。 移动上端块的上壁可以将排口下端堵住，但此时移动下端块仍然会向下移动。 在此过程中，可以将果料碎屑内的果浆汁向矩形筒的下端方向吸出。当移动下端块的上端越过流浆口后，不再吸取果浆汁。 此时果浆汁可以从流浆口流出，再经过流浆嘴流入排浆储存槽的内部进入收集。移动下端块向下端移动分为三个过程， 带动移动上端块移动、吸汁、出汁。在移动下端块从上端往下端移动的过程中，凸杆和弯块跟着连接杆和弹簧杆一起移动，且凸杆是从长杆底面靠近移动上端块的一端往摆动块的方向移动的。当移动下端块移动到最下端的位置时，凸杆越过了摆动块。

3.3 排渣

过渡连杆带动移动下端块向上端的方向移动，移动下端块先越过流浆口，然后再向上移动一段距离，最后再通过连接杆、弹簧杆和弹簧带动移动上端块向上移动，恢复到原来的位置。 在移动下端块向上端移动的过程中，弯块和凸杆跟着连接杆和弹簧杆一起移动。由于凸杆的轴线高于摆动块的底端， 故而凸杆相对于排渣反馈装置， 会沿着摆动块向上并在凸起块的表面滑动。此时长杆被下压，长杆则会带动阻拦块向下侧转动，从而将排渣口打开，矩形筒内部的残渣落下到排渣储存槽的内部收集。 且打开排渣口时，由于刮块与阻拦块是通过扭簧安装的，故而刮块的上端会紧贴网块的表面，从而可以将网块表面附着的残渣刮下，以保证下一吸汁过程的顺畅。 当凸杆离开凸起块时即会遇到凹口，当凸杆处于凹口的位置时，由于阻拦块与矩形筒是通过扭簧安装的，故而此时由于扭簧作用会使阻拦块将排渣口关闭，刮块恢复原来的位置，且阻拦块也会带动长杆恢复原来的位置，此时会使凸杆位于长杆的下表面，且沿着下表面向上侧滑动。

榨汁的过程即重复以上过程， 即通过机架、动力装置、分解装置、排浆装置、移动块、过渡连杆、排渣反馈装置和连接管的安装，利用动力传动圆片的转动带动摇摆架摆动，以使两个分解腔不断地来回转动。 且利用动力传动圆片的转动，来使过渡连杆拉动移动下端块在矩形筒内部来回移动，不仅能够实现将果料粉碎，而且能够实现果料浆汁的吸取和残渣的自动排出，刮块刮除网块表面的残渣，保证下一吸汁过程的顺畅。 通过转动调节螺杆， 使分解锥向上或向下移动，以调整分解腔底端与调节块之间的间隙，达到调节分解碎屑大小程度的目的。通过设计两个分解装置和排浆装置，可以提高榨汁的速度，提高工作效率。

该农业榨汁机通过机架、动力装置、分解装置、排浆装置和排渣反馈装置，实现了预定的运动功能。 动力装置实现了运动与动力的传输，完成了分解腔左右转动的功能；分解装置实现了果料分解的功能，并且通过调节螺杆的作用，还可以实现控制果料分解碎屑大小的程度；排浆装置实现了果料碎屑挤压排浆的功能；排渣反馈装置实现了自动排渣的功能。该农业榨汁机可以提高榨汁的速度，提高生产效率。

4 农业榨汁机的有限元分析

动力传动圆片受到扭转和拉伸的作用，故对动力传动圆片进行有限元分析。动力传动圆片为合金钢20CrMnTi 材料， 其屈服应力为620MPa，泊松比为0.28，弹性模量为210000MPa，将整个物体进行网格划分， 划分结果为节点有118763个和元素有62552 个，对动力传动圆片附上力和约束，进行分析[7]。 动力传动圆片应力分布云图，即图8。 动力传动圆片与转动轴连接的部位为应力主要集中区， 动力传动圆片的许用应力为620MPa， 而应力主要集中区的最大应力为426.5MPa，所以应力满足要求。

图8 动力传动圆片应力分布云图

图9为动力传动圆片应变分布云图，较大的应变集中在动力传动圆片与转动轴连接处，正向应变最大为0.001145mm，其余部分的应变较小，所以应变满足要求。

图9 动力传动圆片应变分布云

模态分析的对象为机架， 进行2 阶模态分析，流程为：SolidWorks Simulation 中打开机架的三维模型，材料确定为“Q235”，划分有39672 个节点，24631 个元素[8]。模态阶数确定为2，对机架附加约束，得到机架各阶振型及频率。 机架1 阶振型图即图10。 机架2 阶振型图，即图11。

图10 机架1 阶振型图

图11 机架2 阶振型图

机架的第1 阶振型，频率为151.38Hz，振动幅度从顶部往下逐渐减小，其他部位的振动幅度忽略不计。机架的第2 阶振型，频率为290.93Hz，振动幅度从顶部往下逐渐减小但幅度不大。

综上所述， 针对传统榨汁机榨汁工作过程中，易出现过滤网孔堵塞、果料分解碎屑大小不易调节、榨汁效率低等问题，对农业榨汁机进行了结构设计，利用SolidWorks 软件完成各个零件的三维建模并装配成农业榨汁机。 利用Solid-Works Simulation 工具对动力传动圆片进行有限元分析，对分析结果进行判断，动力传动圆片的刚度与强度都满足要求。 对机架进行了模态分析，掌握了机架的固有频率特征。 设计的农业榨汁机，有效地解决了果料分解碎屑大小不易调节的问题；有效地解决了传统农业榨汁机榨汁效率低的问题；有效地解决了农业榨汁机过滤网孔堵塞的问题。本研究为农业榨汁机与此类机器的设计制造提供了理论和方法支持。