新型辊压式甘蔗榨汁机设计：高效卫生，适用于多种水果榨汁
刘定定， 石强生， 刘世浩*海南大学（海口）机电工程学院。
现代食品科学研究表明，甘蔗含有足够的糖和水，还含有各种维生素、蛋白质、有机酸、钙、铁和其他有助于人体新陈代谢的营养物质。此外，甘蔗具有干爽的味道，对于追求健康饮食疗法的现代人来说需求量很大。然而，如何卫生、高效、方便地提取甘蔗汁一直是一个难以解决的实际问题。因此，有必要开发一种操作简便、适合家庭使用的新型甘蔗榨汁机，其潜在的市场需求量很大 。有鉴于此，设计了一种新型的滚筒式糖罐榨汁机，其具有榨汁率高、噪音低、快速卫生等优点，不仅可以用于甘蔗汁的提取，还可以对芒果等其他水果进行榨汁，并确保果汁清洁卫生， 实现一机多用，拓宽使用领域，增强市场竞争力。
1 国内外研究背景分析1.1 我国甘蔗榨汁机设计现状
目前，我国主流的甘蔗榨汁机主要有立式甘蔗榨汁机、推式甘蔗榨汁机、手摇甘蔗榨汁机等。对于立式甘蔗榨汁机来说，它具有操作简便、移动速度快等优点，但由于其生产能力不大，只适合小批量生产，因此难以满足我国庞大的甘蔗产量，且不易清洗，导致其使用范围有限，无法得到充分推广。推式甘蔗榨汁机是在螺旋推榨机机构的基础上设计的，具有榨汁效果好的优点，但存在榨汁工艺复杂的缺陷;在挤压阶段，需要压碎甘蔗以促进挤压;在排渣阶段，由于残留物太紧实而无法去除，实用性不够好。对于手摇甘蔗榨汁机来说，它需要消耗大量的劳动力，并且在运行过程中很容易卡住。
图 1 家用电动甘蔗榨汁机
1.2 国外甘蔗榨汁机的设计现状
受限于甘蔗生长所需的环境条件，全球甘蔗种植区主要分布在热带和亚热带地区。随着食品工业自动化技术的发展，甘蔗榨汁机的研发也取得了长足的进步，国外的甘蔗榨汁机大多是六辊压榨甘蔗榨汁机，尤其是澳大利亚和新西兰的甘蔗榨汁机研发技术更为先进。作为甘蔗种植和食用大国，中国也从一些先进国家引进了各种新型甘蔗榨汁机。但国外甘蔗的平均直径一般为 4~5.5 cm，而我国甘蔗的平均直径通常为 3~4.4 cm，这导致了从国外进口的甘蔗榨汁机在使用中存在一系列加工问题 。
图 2 多级滚筒甘蔗榨汁机
1.3 国内外甘蔗榨汁机存在的问题
我国甘蔗榨汁机的研发起步较晚，与先进国家相比存在一定差距。经过总结和比较，发现国内外的甘蔗榨汁机通常都存在问题。
1） 榨汁不卫生。甘蔗汁不完全，渣中还有较多的水分，当渣排出时，甘蔗汁沾上了壳，容易吸引蚊子，同时还会吸收灰尘，为病菌滋生提供环境，造成不卫生的健康饮食，不适合在大型公共场所使用。
2）榨汁率低，噪音高，形成噪音污染。第一阶段压榨，出汁率低，浪费多，换档速度大，噪音大。不利于充分发挥甘蔗的经济价值，构建舒适的室内环境。
3） 体积大，外观不美观。不利于其作为家用电器向大众推广。
要解决这些问题，需要从食品科学的角度多方面进行优化和改进，如压辊选用食品级不锈钢实心棒，滤网的多层过滤设计，提高卫生水平;合理的尺寸设计;四个滚轮分为两段压制，利用弹簧振动降低噪音，满足环保和室内使用的要求。
2 滚筒甘蔗榨汁机的整体设计2.1 设计原则
在现有甘蔗榨汁机和其他水果榨汁机的设计技术基础上，对榨汁机各部分的结构进行改进和优化，甘蔗收获后，甘蔗伸入进料口，由上面两个辊筒的挤压带动，慢慢送入上方两个辊筒之间的缝隙中， 甘蔗从辊子的另一端出来后，榨汁完成，甘蔗继续移动，触碰换向机构，改变运动方向，进入下面的两个辊子进行平滑挤压。二次榨汁完成后，最后滑出出口，辊子的分布如图 3 所示。压榨后的甘蔗汁从顶部流到下面的滤板，在那里经过多级过滤过滤，去除残留的杂物，以一定的坡度进入收集仓。
2.2 整体三维建模图
根据滚筒糖罐榨汁机的设计原理，对系统的功能进行分解，得到各适用子系统的功能模块，采用三维建模软件Solid Works对整体结构的装配进行设计建模，利用Solid Works软件的渲染工具进行最终渲染， 并得到了滚筒甘蔗榨汁机的三维实体模型，如图 4 所示，为使用 Solid Works 软件的仿真模块进行有限元分析 奠定了基础。
图 3 滚轮分布
图 4 整体三维建模
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3 关键部件设计3.1 驱动装置设计
设计的滚筒甘蔗榨汁机采用减振电机，由三相异步电动机、浮动支撑板、导柱和减振弹簧等组成，浮动支撑板采用铝合金材质，导柱采用45钢，减振弹簧采用弹簧钢， 可以有效减少滚动压缩时产生的冲击力，最终由 Solid Works 中的插件 360 渲染工具渲染，如图 5 所示。
图 5 驱动单元的设计
3.2 行进装置的设计
滚筒甘蔗榨汁机行走装置的设计采用万向轮，可以向任何方向转动，图 6 是万向轮的三维渲染，包括旋转轮底、支撑架、车轴和轮子等部件。旋转轮的底部由灰铸铁制成，车轮由合金钢制成，保证了底盘的稳定性和车轮的耐磨性，如图 6 所示。
图 6 万向轮的三维渲染
3.3 滤板的设计
这
设计的滚筒甘蔗榨汁机过滤装置使用多级过滤板，以确保进入收集仓的甘蔗汁足够干净且无渣滓。考虑到滤板的防腐性和食品安全性，选用陶瓷材料制作滤板，并堆叠成多块。渲染如图 7 所示。
图 7 滤板的三维渲染
3.4 滚动装置的设计
对于甘蔗榨汁机的设计来说，最重要的是滚筒的设计，滚筒的最大应力和刚度决定了甘蔗榨汁机的质量。设计的辊筒结构需要进行应力-应变分析。
这
滚筒甘蔗榨汁机的滚筒由食品级 304 不锈钢制成，既保证了滚筒压榨机的刚度，又保证了卫生和安全。滚轮的安装位置由轴上的定位环保证，以防止轴向窜流的发生，图 8 是滚轮的三维造型图。
图 8 滚子的三维建模
4 分析验证4.1 问题的制定
甘蔗榨汁机的承载能力是评价其工作性能指标参数质量好坏的重要指标，在设计的滚筒甘蔗榨汁机中，滚筒的强度对整机的安全性能影响很大。对于滚子来说，材料选择和结构参数是影响其承载能力的关键因素 。
本研究研究了一种四辊甘蔗榨汁机，利用Solid Works软件的仿真模块进行了力学有限元分析，并对其强度进行了校核，进而判断结构参数设计合理。
4.2 分析过程
Solid Works 软件的建模装配模块和仿真分析模块是一个集成的设计分析系统，Solid Works 软件的仿真模块为有限元应力分析、模态分析和结构优化分析提供了完整的求解流程。Solid Works 软件模拟模块的结构有限元分析过程如图 9 所示。
图 9 有限元分析过程
4.3 创建研究
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对于滚筒甘蔗榨汁机的设计来说，滚筒是整机总成的关键部件，其强度在很大程度上决定了甘蔗汁提取过程能否安全完成。因此，进行了结构有限元力学分析。
4.3.1 定义材料属性
在对辊压机的辊子模型进行应力有限元分析之前，需要对模型进行预处理，包括 3D 建模、设置材料属性和载荷。辊子的大端承受400 N的向上力和400 N·m的扭矩，辊子由304不锈钢制成，具有耐热性高、易加工、韧性好等优点，其机械性能参数见表1。
表 1 304 不锈钢的材料特性
4.3.2 网格划分
将轧辊的三维组合模型导入Solid Works软件的仿真分析模块后，必须设置模型的约束形式，并选择合理的精度等级，根据工艺条件下载荷的大小和方向划分有限元网格，以便在模型的小特征处获得准确的结果。
在网格参数列中根据曲率选择网格，网格质量选择 high ，其他选项选择 ，最终结果如图 10 所示。
4.4 求解分析
对辊式糖罐榨汁机的辊筒进行有限元预处理后，进行有限元运行解分析，计算辊筒的应力、应变和位移参数，辊筒的最终结果如图11所示。
滚子的最大应力约为 1.604 MPa，最大应力位于棍子大端与杆的交界处，如图 9（a） 所示，滚子的许用应力为 206.8 MPa。因此，滚筒在工作过程中的最大应力远小于其许用应力，并且考虑到各种甘蔗的直径不同，质量也不完全相同，因此在进行机械模拟分析时，许用应力应远大于最大应力，这表明设计的滚筒甘蔗榨汁机滚筒的结构更加合理。
图 10 滚子的应力分析模型
图 11 卷材分析结果
5 总结
滚筒式甘蔗榨汁机的设计基于现有甘蔗榨汁机和水果榨汁机的设计，针对滤板、行进装置、驱动装置和滚筒等主要部件进行了设计。
利用Solid Works软件的仿真模块，对辊筒结构的有限元力学性能进行仿真分析，通过分析应力等值线和应变等值线使辊子的强度和刚度满足要求，通过分析位移等值线使辊子的变形相对均匀，可以保证轧制甘蔗汁提取过程的安全。
与现有的甘蔗榨汁机结构相比，所设计的滚筒甘蔗榨汁机在提高榨汁率、消除噪音、安全卫生等方面有明显的改进，并且体积更小，更适合现代食品工业的清洁发展需要。
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