16 屆畢業(yè)設計
甘蔗榨汁機的設計
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前 言
甘蔗榨汁機是提取甘蔗汁液必不可少的機械加工設備。在加工甘蔗飲品時，必須將收獲的甘蔗進行榨汁取液。近年來，隨著經(jīng)濟、技術的不斷發(fā)展，許多食品的營養(yǎng)價值也陸續(xù)被發(fā)掘。試驗研究表明，甘蔗汁液的營養(yǎng)價值非常可觀，并且口味甘美，贏得廣大消費者鐘愛。但一直困擾廣大消費者和甘農(nóng)的一個重要因素是如何便捷的提取甘蔗汁液。因此研究設計一款簡捷方便的甘蔗榨汁機將顯得尤為重要和迫切，而且市場需求極大。
甘蔗榨汁機是為了緊跟時代發(fā)展，迎合現(xiàn)代人健康、衛(wèi)生、新鮮、時尚、簡捷方便的飲食要求，研發(fā)引進高新技術，精心設計打造而成。采用該機壓榨的甘蔗汁液，屬于天然綠色食品，清甜甘爽，營養(yǎng)豐富。
該設計借鑒手動甘蔗榨汁機跟壓輥式榨汁機，從而研究設計的。是一款簡易的壓榨機械，同時通過改變壓輥之間的間距，還能進行水果，蔬菜等的壓榨。本文設計的三輥式甘蔗榨汁機是一款比較常用的提取汁液的壓榨機械。目前全國各地普遍種植甘蔗，甘農(nóng)在收獲甘蔗喜悅的同時，不免甘蔗出售而感到煩惱。很多甘農(nóng)自己采用古老的辦法將甘蔗進行擠壓取液在市場上銷售。但往往提取的汁液很少，而且不能保證潔凈，面對龐大的消費人群，普通壓榨的汁液就如同杯水車薪，不能滿足廣大消費者的需求，還有大部分甘農(nóng)直接將甘蔗拿到市場上銷售，消費者鑒于甘蔗汁液提取的不便，往往都是看看而已。因此研究設計一款甘蔗榨汁機，將它投入市場，將會給甘農(nóng)、消費者帶來極大的方便，同時也帶來極大的市場利益。通過了解消費者的需求可知，消費者喜愛能夠像喝汽水那樣簡單的來一杯甘蔗汁。本文設計的甘蔗榨汁機可以用于批量榨取甘蔗汁液，而且體積小也可用于家庭使用。更重要的是我們能夠將它投放到火車站、汽車站、機場、學校、公園、廣場等一些人流量大的地方,給公民給予方便，同時盡顯公民對于健康衛(wèi)生的追求。
本文設計的甘蔗榨汁機不僅用于甘蔗的榨取，還能對纖維度高的食品進行壓榨，并且榨取時，能夠保證榨取的汁液清潔衛(wèi)生，同時保證榨取汁液全面，能夠做到一遍榨取到位，節(jié)約時間，不浪費甘蔗原材料。通過對現(xiàn)有壓榨機械的對比分析，該設計采用電機帶動，減速器減速，皮帶以及齒輪傳動，三個壓輥兩組壓榨，汁液分取采用過濾裝置。通過對整機的結構尺寸，驅動軸的結構尺寸、齒輪傳動比、減速器減速比等進行了詳細的計算，使本方案有了初步的設計應用價值。
關鍵詞：三輥壓榨；榨汁機；甘蔗
目 錄
1緒論 1
1.1課題研究的目的和意義 1
1.2國內(nèi)外甘蔗榨汁機的研制狀況 1
1.3國內(nèi)外甘蔗榨汁機存在的問題 2
1.4現(xiàn)有甘蔗榨汁機的壓榨方式 2
1.5課題研究的主要內(nèi)容及預期目標 4
2甘蔗榨汁機的總體設計 5
2.1市場上常見的甘蔗榨汁機有 5
2.2設計的基本原理 6
2.3樣機結構及工作原理 6
3甘蔗榨汁機機結構設計 7
3.1喂料機構 7
3.2三輥輪兩兩間間距的計算 8
4機構的設計 9
4.1調(diào)隙螺栓的設計 9
4.2帶的選擇與計算 9
4.3軸的強度校核計算 9
4.4壓輥的校核 10
總 結 13
致 謝 14
參考文獻 15
1緒論
1.1課題研究的目的和意義
甘蔗榨汁機是甘蔗提取汁液必不可少的機械設備，甘蔗的營養(yǎng)價值頗為豐富[11]，含有大量的蔗糖，維生素、氨基酸、微量元素等。近年來，隨著經(jīng)濟技術的不斷發(fā)展，人類對于健康飲食的標準要求也在不斷的提高，許多食品的營養(yǎng)價值也陸續(xù)被發(fā)掘。
甘蔗在全球種植面積極大，我國也是世界上甘蔗種植大國，每年有200萬公頃的種植面積，產(chǎn)出蔗糖150萬噸，但有很多甘蔗不是直接進入工廠加工成蔗糖以及飼料，而是在市場上銷售。問題在于極大的甘蔗銷售在給甘農(nóng)帶來經(jīng)濟效益的同時，也給甘農(nóng)帶來了極大的不便，消費者需要的是方便簡潔的操作就能獲取甘蔗豐富的營養(yǎng)價值?？蓡栴}在于提取甘蔗汁液是個頭疼的問題。不能產(chǎn)業(yè)化，更不能大量提取。因而研制一款既簡捷又方便的甘蔗榨汁機將顯得尤為重要。
市場上現(xiàn)有的甘蔗榨汁機多采用手動，以及雙輥和五輥壓榨機，手動壓榨機械簡單，但需要消費者來自己完成，將給消費者帶來不便，雙輥壓榨便于控制兩壓輥之間的距離，不能保證壓榨質量，五輥壓榨機械過于復雜，成本較高。采用三輥壓榨將有效避免機械裝備的復雜度，同時又能保證甘蔗榨取效果，節(jié)約成本，方便輕捷。該甘蔗榨汁機因其體積小、重量輕、結構簡單，所以制造成本低，而且可以保證甘蔗榨取充分，節(jié)約原材料。
本文設計的甘蔗榨汁機榨取甘蔗時，能夠保證榨取的汁液清潔衛(wèi)生，同時保證榨取汁液全面，能夠做到一遍榨取到位，節(jié)約時間，不浪費甘蔗原材料。
1.2國內(nèi)外甘蔗榨汁機的研制狀況
1.2.1國內(nèi)甘蔗榨汁機現(xiàn)狀
國內(nèi)目前采用甘蔗榨汁機主要存在以下幾種形式，立式甘蔗榨汁機[7]，像冷飲店里面立式可樂灌裝機，這種機械操作簡單，每次可供應一人使用，占用體積小，輕捷。但由于不能滿足我國廣大的甘蔗種植需求，因而只能在一些較小場合容易見到，并且不便于清洗。還有一些是通過螺旋推送器機構設計的推壓式甘蔗榨汁機，這種甘蔗榨汁機是比較早期設計的一款甘蔗榨汁機，擠壓效果較好，但由于殘渣不易退出，并且在擠壓時需將甘蔗打碎，因而現(xiàn)在不常用。目前比較常見的是壓輥式甘蔗榨汁機。
壓輥式甘蔗榨汁機常見的有兩輥、三輥、五輥以及七輥。兩輥甘蔗榨汁機結構簡單，但市場上很少，因為壓榨效果不太理想，浪費原材料，不便于大批量生產(chǎn)。比較發(fā)現(xiàn)效果最好的為三輥跟五輥式甘蔗榨汁機[10]，市場比較常見。值得提出的是還有一款手動擠壓式甘蔗榨汁機，結構及其簡單，操作也非常方便，但由于外型不能像五輥式甘蔗榨汁機優(yōu)美，因而不長見。
1.2.2 國外甘蔗榨汁機現(xiàn)狀
國外甘蔗榨汁機研究現(xiàn)狀多為四輥和六輥壓榨式甘蔗榨汁機，由于甘蔗生長受光照時間的要求，世界上主要種植甘蔗的國家多為熱帶跟亞熱帶地區(qū)的國家。像印尼、印度主要的農(nóng)作物為甘蔗，澳大利亞、德國的甘蔗榨汁機基本算是全球最先進的機器。加拿大本國主要是進口澳大利亞，德國的甘蔗榨汁機進行甘蔗榨汁。我國也購買一些先進國家的甘蔗榨汁機，但是北美地區(qū)的甘蔗較大（直徑4-5.5 ㎝，國內(nèi)一般為3-4.4㎝），機器在使用過程中存在很多問題。
1.3國內(nèi)外甘蔗榨汁機存在的問題
我國研究甘蔗榨汁機起步較晚發(fā)展緩慢，和發(fā)達國家相比只能望其項背，目前市場上流行的一些機具中，存在如下問題，因此，難以大范圍推廣應用。
(1)容易卡機。國外一些地區(qū)由于甘蔗大，經(jīng)常造成機器的卡機抱死。應對這種現(xiàn)象，我國廣州雷邁機械設備有限公司進行了機械設備的改裝或者從新設計。
(2)榨汁不衛(wèi)生。渣料外排，不適合在室內(nèi)，如超市、酒吧、餐飲等場所使用；因而在室外榨汁的過程中，由于甘蔗糖份多，引來蒼蠅，蜜蜂等，造成健康飲食的不衛(wèi)生。
(3)產(chǎn)量低、噪音大。一級壓榨，出汁率低；浪費多，齒輪變速，噪音大。不適宜在室內(nèi)安裝甘蔗榨汁機。
(4)通用性差；此外由于甘蔗、硬，使得壓輥磨損較為嚴重。
因而需要進行改良：食品級不銹鋼實心棒材壓輥；渣料入柜式設計，方便在室內(nèi)使用；采用三輥或四輥分兩級壓榨方式；為了減少噪音，機器采用渦輪減速機和皮帶傳動，符合環(huán)保和室內(nèi)使用的要求。
1.4現(xiàn)有甘蔗榨汁機的壓榨方式[14]
(1) 螺旋推送擠壓裝置，如圖1-1所示：
圖1-1螺旋推送擠壓裝置
(2)雙棍輪壓榨方式，如圖1-2所示：
圖1-2雙棍輪壓榨方式
(3)三輥輪兩級擠壓方式
(4)四輥論兩級擠壓方式，如圖1-3所示
圖1-3四輥論兩級擠壓方式
(5)五輥論三級擠壓方式，如圖1-4所示：
圖1-4五輥論三級擠壓方式
(6)六輥輪三級甘蔗榨汁機，如圖1-5所示：
圖1-5六輥輪三級甘蔗榨汁機
我國多采用四輥雙級擠壓方式，兩輥單級擠壓方式進行壓榨，鑒于這兩者的優(yōu)缺點，該設計這種處理問題，改成三輥論雙級擠壓方式進行壓榨。
1.5課題研究的主要內(nèi)容及預期目標
1.5.1課題研究的主要內(nèi)容
在我國甘蔗主要種植在南方各省，像廣西、海南、貴州等幾個省區(qū)都是甘蔗種植大省，全國每年種植甘蔗200萬公頃面積的甘蔗，在給甘農(nóng)帶來經(jīng)濟收入的同時，也給廣大甘農(nóng)以及消費者帶來了諸多不便。因此研制設計一款方便簡捷的甘蔗榨汁機將對甘蔗類產(chǎn)品帶來極大的意義，同時減輕甘農(nóng)的工作量以及消費者的煩惱。
1.5.2預期目標
(1)榨汁充分，盡可能減少浪費，結構簡單便于操作。
(2)通用性能好，便于清理殘渣，噪音小，使用壽命長。
(3)壓輥處使用翻蓋，便于清洗壓輥，時常保持環(huán)境衛(wèi)生。
(4)制造價格便宜，容易普及，能滿足家庭，學校，公園等盡可能多的地方。
2甘蔗榨汁機的總體設計
2.1市場上常見甘蔗榨汁機有
(1)手搖式甘蔗榨汁機，如圖2-1所示：特點為全鏡面不銹鋼底座、外殼設計，外形美觀，靈活性強。
圖2-1手搖式甘蔗榨汁機
(2)電動立式甘蔗榨汁機，工作特點為：榨汁機是采用皮帶及齒輪減速轉動。
圖2-2家用電動甘蔗榨汁機
(3)家用電動甘蔗榨汁機，如圖2-2所示：其特點為：體積小、方便，但不能長時工作。
(4)電瓶甘蔗榨汁機，其特點為：省力、方便使用，可以直接幫到甘蔗田里直接操作。
(5)大型甘蔗榨汁機，如圖2-3所示：其特點為：工作時間長，效率高。
圖2-3大型甘蔗榨汁機
2.2設計的基本原理
本設計以現(xiàn)有甘蔗榨汁機以及水果榨汁機的技術為基礎，對各個工作單元進行了改進設計和優(yōu)化組合，在將甘蔗收獲后，直接將甘蔗棒料送入喂料口進行榨汁。榨汁過程中將通過由電機帶動的三輥輪分兩級先后進行對甘蔗的壓榨，以確保榨汁充分，壓榨下來的汁液進入過濾網(wǎng)進行過濾處理，進入汁液盛裝體，而殘渣則從出料口排出，最后消費者可以從汁液盛裝體中得到甘甜清涼的甘蔗汁液。
2.3樣機結構及工作原理
(1)三個壓輥在齒輪帶動下實現(xiàn)兩級壓榨，如圖2-4所示：
在齒輪帶動下，壓輥A首先正傳，齒輪組帶動一組壓輥B同時反轉，從而將從喂料裝置進來的甘蔗依次進行兩級壓榨，保證榨取甘蔗汁液充分進行。在設計時，將喂料口、喂料斜面以及1、2輥輪間中心保持在統(tǒng)一斜面，使得甘蔗進入喂料口能夠沿斜面滑入1、2壓輥處進行甘蔗榨汁，1、2壓輥榨汁完成后將甘蔗棒送入1、3壓輥處，進行第二次壓榨，兩級壓榨后保證甘蔗能夠壓榨充分，竟可能減少原材料的浪費。
1.壓輥A,2.壓輥B,3.壓輥B
圖2-4三輥輪轉向
(2)樣機結構，如圖2-5所示：
1.底座2，2.電機，3.聯(lián)軸器，4.減速機, 5.排料裝置,
6.調(diào)隙螺栓，7.進料裝置，8.側面架, 9.過濾網(wǎng)，10.盛液箱
圖2-5樣機結構
(3)工作原理
工作時，電機通過減速器減速帶動皮帶傳動，帶輪、齒輪由軸連接，通過皮帶傳動帶動齒輪傳動，三輥裝置在齒輪帶動下兩兩相向轉動，進行壓榨。而另一方面將甘蔗從喂料口送入，直接通過甘蔗榨汁機的三輥壓榨裝置進行壓榨，渣料從出料口排出，汁液經(jīng)過濾網(wǎng)進行過濾后流入汁液盛裝箱。
3甘蔗榨汁機的結構設計
3.1喂料機構
料斗的設計主要考慮其甘蔗棒直徑的大小，以及長度。通過在市場上作比較，甘蔗大體為圓柱狀最大直徑不會超過60㎜，因此料斗設計成下斜坡狀、然后在端蓋側上方開孔，開出三個直徑60㎜等間距的圓孔，可以方便將甘蔗圓棒插入其中，以方便甘蔗沿斜面進入到三輥壓榨裝置進行壓榨。為了順利將甘蔗送入壓輥處，將喂料口跟斜面以及壓輥擠壓處設計在統(tǒng)一斜面處，以防壓輥抱死無法工作。如圖3-1所示：
圖3-1 進料裝置示意圖
3.2三輥輪兩兩間間距的計算
影響甘蔗榨汁質量的因素很多，首先是甘蔗的品種、類型、物理結構、水分、甘蔗大小、均勻度及飽滿程度等因素。甘蔗直徑一般在3-5㎝，現(xiàn)任選十株甘蔗進行測量，測量結果如下：
表3-2 任選十株甘蔗中部進行的測量
甘蔗
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
甘蔗直徑（mm)
35
40
38
46
37
33
29
52
43
39
表3-3 任選十株甘蔗小端進行的測量
甘蔗
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
甘蔗直徑（mm)
31
28
26
37
32
29
29
30
41
39
表3-4 任選十株甘蔗大端進行的測量
甘蔗
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
甘蔗直徑（mm)
39
45
40
37
49
33
55
52
43
48
由上述三表得甘蔗棒的平均直徑如下：
甘蔗中部的平均直徑：mm
甘蔗小端的平均直徑：mm
甘蔗大端的平均直徑：mm
因而兩輥之間的間距前一級設置在20㎜，由前一級壓榨過的甘蔗進入下一級進行壓榨時，需減小下級輥輪之間的間距，因此，下級輥輪間間距設置為15㎜。這樣就可以直接將借助三個壓輥對甘蔗進行兩次壓榨。
4機構的設計
4.1調(diào)隙螺栓的設計
調(diào)隙螺栓是為了改變壓輥裝置進行壓榨時的間距而設計的，安裝時將壓輥2放在距離兩個壓輥1最近的距離，如遇到壓輥間隙小不能有效的進行甘蔗壓榨，采用加方形墊片的方式加在兩側面架上再用調(diào)隙螺栓預緊，進而達到調(diào)隙的作用。
4.2帶的選擇與計算
根據(jù)設計要求，本文設計的甘蔗榨汁機主要適用于家庭，以及一些室內(nèi)場所，因而選擇傳動裝置為帶傳動，帶傳動可以減少噪音的產(chǎn)生。由于小帶輪直徑=80㎜，大帶輪直徑=140㎜。
帶速計算近似為
如此通過帶速可選擇適用平帶傳動，平帶傳動效率高，在傳動中心距較大的情況下應用較多，便于帶的安裝，轉速適合在較低場合適用，帶的造價較為便宜，經(jīng)濟實用。材料可選擇錦侖片復合平帶。
4.3軸的強度校核計算
4.1.2按鈕轉強度條件計算
根據(jù)本文設計的甘蔗榨汁機，軸基本上不承受彎矩載荷，通常用此種方法初步估算軸徑，也可以作為最后的設計結果。軸的扭轉強度條件為
是中：——扭轉切應力，；
——軸所受的扭矩，㎜；
——軸的抗扭截面系數(shù)，㎜；
——軸的轉速，；
——周傳遞的功率，;
——計算軸面處的直徑，㎜；
[]——許用扭轉切應力，;
根據(jù)查表可知，45號鋼[]范圍為25-45；計算截面處直徑為25㎜；傳遞功率由電機輸出功率可知為2；
軸的轉速計算：電機輸出的轉速為3000 r/min，減速機的減速比為1∶10，安裝在減速機輸出軸端的帶輪直徑為80㎜，安裝在軸端的帶輪直徑為140，假設皮帶運轉是不發(fā)生打滑，按此計算軸的轉速可得：
軸的轉速=171.4 r/min
綜上可得軸的扭轉應力為：
[]
所以根據(jù)軸的扭轉強度最終計算校核得知軸是安全的。
4.4壓輥的校核
根據(jù)實際測得60N的力可以完全將甘蔗棒擠壓破裂，
使用solidworks對壓輥進行模擬校核：
模型信息
模型名稱: 壓輥輪，如圖4-1所示：
當前配置: 默認
圖4-1 圖4-2
表4-1如下：
實體
文檔名稱和參考
視為
容積屬性
文檔路徑/修
引用
改日期
切除-旋轉1
圖4-2
實體
質量:8.46382 kg
體積:0.0010992 m^3
密度:7700 kg/m^3
重量:82.9454 N
材料屬性
如圖4-3 如圖4-4
表4-2如下：
模型參考
屬性
零部件
名稱： 合金鋼
如圖4-3所示
模型類型： 線性彈性同向性
屈服強度： 6.20422e+008 N/m^2
張力強度： 7.23826e+008 N/m^2
表4-3如下：
夾具名稱
夾具圖像
夾具細節(jié)
固定-1
如圖4-4
實體:
2 面
類型:
固定幾何體
圖4-5 圖4-6
表4-4如下：
載荷名稱
裝入圖象
載荷細節(jié)
壓力-1
如圖4-5所示
實體:
97 面
類型:
垂直于所選面
值:
1
單位:
N/m^2
壓力-2
如圖4-6所示
實體:
1 面
類型:
垂直于所選面
值:
60
單位:
N/m^2
算例結果
圖4-7零件1-SimulationXpress Study-應力-Stress
表4-5如下：
名稱
類型
最小
最大
Stress
VON:von Mises 應力
4.11195e-005 N/m^2
節(jié): 31172
145.377 N/m^2
節(jié): 4725
Displacement
URES:合位移
0 mm
節(jié): 39
5.02935e-008 mm
節(jié): 1815
結論：壓輥表面的強度符合設計要求，壓輥軸符合強度校核。
總 結
此次設計的任務是為了完成甘蔗榨取汁液而設計。根據(jù)現(xiàn)有甘蔗榨汁機以及水果蔬菜榨汁機的設計要求，借鑒已有的榨汁機，將壓榨裝置改進為三輥兩級壓榨，相比兩輥甘蔗榨汁機榨汁充分，節(jié)省原料，同比四輥兩級甘蔗榨汁結構簡單、造價低、工作效率高等優(yōu)點。為了便于適應室內(nèi)工作條件噪音低，采用蝸輪蝸桿減速機，帶傳動。
喂料裝置口設計根據(jù)實際檢測甘蔗棒的大小來確定，測得十組任意甘蔗棒的大端、中端、小端的直徑，進而設計出喂料裝置口徑大小，同時將喂料裝置口、進料斜面，壓輥壓榨處設計在統(tǒng)一斜面上，便于甘蔗送入進料口沿斜面滑入兩壓輥間進行壓榨。該設計采用調(diào)隙螺桿，為了調(diào)節(jié)壓輥間距，使甘蔗榨汁充分，減少原料的浪費?？倷C尺寸大小按照人體身高設計，便于操作。在設計過程中也曾遇到很多的問題，如壓滾的校核問題，通過學習solidworks軟件，用該軟件知識進行壓輥表面強度校核，使得畢業(yè)設計能夠較為順利的進行。
本機具有以下特點：
(1)榨汁充分，盡可能減少浪費，結構簡單便于操作。
(2)通用性能好，便于清理殘渣，噪音小，使用壽命長。
致 謝
畢業(yè)在即，四年的大學生活已接近尾聲，經(jīng)過三個多月的努力，在吳明清老師的悉心指導下，設計任務基本完成了。在撰寫論文期間，我要衷心的感謝我的指導老師吳明清，從設計的選題、實施到撰寫、修改和定稿，吳老師均傾注了大量的心血。導師的悉心指導、熱忱鼓勵不僅使我樹立了深遠的學術目標、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處事的道理。還有，導師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力將使我終生受益。同時我還要感謝大學期間任課老師李傳峰、范修文在機械設計，機械制圖上的指導和幫助。以及在大學期間所有老師給予的悉心教導和幫助。感謝他們四年來的辛勤栽培，他們的關懷和熏陶讓我在這四年里收獲頗豐。
最后，也感謝和我一起學習的同窗朋友張盼，鄭艷偉等，他們給了我無數(shù)的關心和鼓勵，也讓我的大學生活充滿了溫暖和歡樂，感謝他們的陪伴與幫助，愿我們以后的人生都可以充實、多彩與快樂！
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