曹梅麗 張永林 李詩(shī)龍 甘維睿

(1. 武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430023；2. 武漢糧農(nóng)機(jī)械制造有限公司，湖北 武漢 430073)

農(nóng)村的食用油主要來(lái)源于自產(chǎn)自給，加工方式為委托加工，制油設(shè)備采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的小型單螺旋榨油機(jī)，機(jī)型主要有80型、78型、76型、70型、68型等[1-2]。這些機(jī)型以熱榨為主，需要高溫低水分的蒸炒工藝，毛油顏色黑、雜質(zhì)含量高，營(yíng)養(yǎng)成分遭到破壞，油品較差。而雙螺旋低溫壓榨植物油工藝，在原料清理干凈的前提下，不需要各種調(diào)質(zhì)預(yù)處理環(huán)節(jié)，能保留油的各種營(yíng)養(yǎng)成分[3-4]。

1990年，日本Isobe等[5]研制了第一臺(tái)雙螺旋榨油機(jī)，隨后國(guó)內(nèi)外雙螺桿榨油機(jī)的研制也迅速發(fā)展起來(lái)。顧強(qiáng)華等[6]研制的SYZ系列雙螺桿榨油機(jī)；李文林等[7-8]研制的雙螺旋低溫榨油機(jī)；李詩(shī)龍等[9-10]研制的SZX12×2型雙螺旋榨油；胡志剛等[11]研制的SYZX340型冷熱兩用雙螺桿榨油機(jī)等，其共同特點(diǎn)是油與餅粕質(zhì)量高，營(yíng)養(yǎng)未被破壞。上述機(jī)型均為大功率大處理量的大工廠適用型榨油機(jī)，而體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)便、壓榨效果好的小型雙螺桿低溫榨油機(jī)市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有。如果將中大型雙螺旋榨油機(jī)按照一定比例縮小，則會(huì)因?yàn)閴赫ゲ怀浞謱?dǎo)致出油率低。因此，必須從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，既能縮小簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，又能保證出油率，以滿足廣大農(nóng)村的自給食用油加工市場(chǎng)。

試驗(yàn)擬對(duì)大中型雙螺旋榨油機(jī)的核心機(jī)構(gòu)榨螺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)增加剪切環(huán)組，縮短螺旋來(lái)簡(jiǎn)化縮小整機(jī)結(jié)構(gòu)，滿足小處理量的要求，為農(nóng)村自給油的加工提供支持。

1 小型雙螺旋榨油機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

研制的小型雙螺旋低溫榨油機(jī)主要由主傳動(dòng)系統(tǒng)、扭矩分配機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、壓榨機(jī)構(gòu)及機(jī)架等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)通過(guò)V帶經(jīng)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞至扭矩分配器，扭矩分配器中的兩個(gè)齒輪嚙合傳動(dòng)分別帶動(dòng)兩根榨螺主軸相向旋轉(zhuǎn)。進(jìn)料斗中的油料顆粒在進(jìn)料機(jī)構(gòu)的作用下，進(jìn)入榨螺的輸入段，在螺旋、剪切環(huán)、榨圈與榨籠的共同作用下，油分從油料中擠壓出來(lái)，并通過(guò)榨籠榨條之間的縫隙落入集油斗中。壓榨后的餅粕在破餅機(jī)構(gòu)的作用下，從榨膛的端部排出。

1. 可調(diào)支撐 2. 主動(dòng)帶輪 3. 電機(jī) 4. V帶 5. 機(jī)架 6. 從動(dòng)帶輪 7. 扭矩分配器 8. 進(jìn)料帶輪張緊機(jī)構(gòu) 9. 進(jìn)料機(jī)構(gòu) 10. 進(jìn)料斗 11. 整體式榨籠 12. 榨螺

圖1 小型雙螺桿低溫榨油機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 The structure of the twin-screw press

1.2 榨螺結(jié)構(gòu)

小型雙螺旋低溫榨油機(jī)的壓榨機(jī)構(gòu)由兩根平行布置的榨螺組成，旋向相反。每根榨螺由螺旋、榨圈和剪切環(huán)通過(guò)鍵槽連接組合在芯軸上(見(jiàn)圖2)。螺旋共4節(jié)，從進(jìn)料端到出餅端，螺距依次減小，起輸送油料和壓縮油料的作用。榨圈為環(huán)形圓錐，裝在螺旋之間，起過(guò)渡增壓作用。剪切環(huán)為該榨螺結(jié)構(gòu)的特殊之處，形狀為曲邊三角環(huán)，通過(guò)改變鍵槽與剪切環(huán)三角頂點(diǎn)的角度，三角環(huán)錯(cuò)位安裝形成刀刃螺旋，對(duì)油料的壓榨有多種有利作用。

1. 芯軸 2. 聯(lián)軸器 3. 擋料片 4. 1#螺旋 5. 剪切環(huán) 6. 2#螺旋 7. 3#螺旋 8. 1#榨圈 9. 4#榨螺 10. 2#榨圈 11. 鎖緊螺帽 12. 破餅頭 13. 破餅刀

圖2 榨螺結(jié)構(gòu)圖

Figure 2 The structure of worm

2 剪切環(huán)的作用

普通中大型雙螺旋低溫榨油機(jī)的榨螺長(zhǎng)徑比一般為12～25，由6～8節(jié)螺旋組成[4-5,7,9]，小型雙螺旋低溫榨油機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)雙螺旋榨油機(jī)結(jié)構(gòu)，增加了剪切環(huán)，減少了螺旋數(shù)量， 只有4節(jié)螺旋，榨螺長(zhǎng)度縮短，簡(jiǎn)化了榨螺結(jié)構(gòu)。

剪切環(huán)需成組使用，每組的個(gè)數(shù)為3～5個(gè)，理論上各剪切環(huán)之間的錯(cuò)位角度越小，輸送能力越強(qiáng)，但要綜合剪切作用與增壓作用，多次試驗(yàn)選為15。在油料壓榨過(guò)程中，剪切環(huán)有以下幾個(gè)顯著的作用。

2.1 破壞油料顆粒

在普通螺旋榨油機(jī)的壓榨過(guò)程中，油料在螺旋推進(jìn)中由于螺距的遞減壓力逐漸增大[12]，被擠壓、剪切至破碎出油。油料細(xì)胞的破裂有利于植物油的擠出，研制的榨螺中增加的剪切環(huán)組像旋轉(zhuǎn)的多刃刀，對(duì)油料起剪切作用，尤其當(dāng)其凸起部分轉(zhuǎn)至兩螺桿形成的楔形區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生較大的剪切力，油料顆粒更容易破碎。油料的抗剪能力低于抗壓能力，因此在榨螺的輸入螺旋1#螺旋后增加剪切環(huán)破壞油料顆粒，進(jìn)入2#榨螺時(shí)破碎的油料能較快被壓緊，油料體積快速縮小，相對(duì)于純螺旋結(jié)構(gòu)縮短了壓緊段的長(zhǎng)度，提高了壓緊段的壓緊速度。

2.2 增加壓力

在壓榨過(guò)程中，壓緊的油料在摩擦力的拽曳及后面油料的推力作用下沿螺槽向剪切環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，剪切環(huán)之間的錯(cuò)位角使剪切環(huán)組形成階梯，阻礙油料在軸向方向的運(yùn)動(dòng)，迫使油料顆粒軸向運(yùn)動(dòng)速度減慢，加劇油料的堆積擠壓形成高壓，加速油脂的擠出，減少排油時(shí)間。

2.3 打開(kāi)油路

油料在軸向方向前進(jìn)時(shí)，在螺旋段只有一股物流，碰到第1個(gè)剪切環(huán)，油料會(huì)朝剪切環(huán)的月牙形槽里流動(dòng)，油料分成3股，進(jìn)入后面的剪切環(huán)時(shí)，油料繼續(xù)被分流，同時(shí)還會(huì)因?yàn)樽枇Χ纬苫亓?，油料在剪切環(huán)的尖角處分成多股細(xì)小油料流，形成多個(gè)新的界面，其分流效果見(jiàn)圖3。這些新的界面打開(kāi)原來(lái)被擠壓封閉的排油通道，且增加了一些新的排油通道，加快了排油速度。

圖3 剪切環(huán)分流示意圖

剪切環(huán)的上述3種作用能提高壓榨排油效率，因此可以縮短排油路程及排油時(shí)間，并保證出油率。適當(dāng)縮短排油路程即榨螺長(zhǎng)度，減少螺旋數(shù)量，縮短榨螺尺寸，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化。根據(jù)油料顆粒大小、軟硬程度不同，也可以靈活調(diào)整剪切環(huán)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)各種油料的最佳出油率。

3 樣機(jī)試驗(yàn)及榨螺定制組合

3.1 樣機(jī)參數(shù)

該小型榨油機(jī)樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)小，可作為家用，長(zhǎng)徑比為4.5，比普通雙螺旋榨油機(jī)的長(zhǎng)徑比(10～25)小，但可以達(dá)到 14.5的壓縮比(主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示)。油料壓榨不需要任何調(diào)質(zhì)處理，清理干凈的油料可以室溫(15 ℃以上)直接入機(jī)壓榨。

表1 小型雙螺旋低溫壓榨機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 材料與方案

3.2.1 試驗(yàn)材料

豫芝4號(hào)白芝麻：含水量5.6%，含油量53.6%，河南駐馬店產(chǎn)；

華油雜62號(hào)油菜籽：含水量5.3%，含油量40.6%，湖北黃岡產(chǎn)；

豫花9620花生：含水量5.8%，含油量46.8%，河南駐馬店產(chǎn)。

3.2.2 試驗(yàn)方案 榨油機(jī)采用自由喂料方式，入榨溫度為室溫16 ℃，轉(zhuǎn)速35 r/min。以剪切環(huán)在榨螺上的數(shù)量和位置為變量，組合成不同的榨螺結(jié)構(gòu)，進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，然后對(duì)餅粕的干餅殘油率進(jìn)行測(cè)試。小型雙螺旋榨油機(jī)的每根榨螺上有4節(jié)螺旋，按照位置順序編號(hào)為1#，2#，3#，4#。4節(jié)螺旋之間有3處連接，連接處根據(jù)油料特性采用剪切環(huán)或者錐形榨圈進(jìn)行過(guò)渡。根據(jù)剪切環(huán)和錐圈的特點(diǎn)與作用，以及壓榨過(guò)程的出油規(guī)律，對(duì)剪切環(huán)和榨圈的布置規(guī)定如下。

(1) 1#螺旋與2#螺旋之間，2#螺旋與3#螺旋之間可以用錐圈連接，也可以用剪切環(huán)組連接。

(2) 3#榨螺與4#螺旋之間用榨圈聯(lián)接。

(3) 2#螺旋與3#螺旋之間剪切環(huán)數(shù)量不大于1#螺旋和2#螺旋之間的剪切環(huán)數(shù)。

(4) 剪切環(huán)需成組使用，才會(huì)充分發(fā)揮各種作用，數(shù)量為3～5個(gè)。

3.2.3 指標(biāo)測(cè)定

(1) 小型雙螺旋榨油機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)方法：按照J(rèn)B/T 9793—2013進(jìn)行。

(2) 油菜籽、花生仁和芝麻的含水量：按照GB 5009.3—2016進(jìn)行。

(3) 干餅殘油率：按照GB/T 14488.1—2008進(jìn)行。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，油料不同，含油量不同，剪切環(huán)對(duì)壓榨效果的影響也不同。當(dāng)不使用剪切環(huán)時(shí)，即N12=0，N23=0時(shí)，小型雙螺旋榨油機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通雙螺旋榨油機(jī)結(jié)構(gòu)相似，由于螺旋段數(shù)只有4節(jié)，軸向長(zhǎng)度減少導(dǎo)致油料壓榨和排油時(shí)間不夠，壓榨效果較差。使用剪切環(huán)后，3種油料種子的干餅殘油率明顯降低。剪切環(huán)對(duì)花生仁的壓榨影響最明顯，干餅殘油率分布域最廣，為6.86%～18.63%；剪切環(huán)對(duì)芝麻的影響最小，其殘油率范圍為7.69%～12.43%；剪切環(huán)對(duì)油菜籽壓榨后的干餅殘油率的影響介于花生仁和芝麻之間，其干餅殘油率為7.11%～15.32%。剪切環(huán)的組數(shù)和每組剪切環(huán)的數(shù)量對(duì)各油料的干餅殘油率的影響并不都是正相關(guān)，并非越多越好。壓榨花生仁時(shí)，單組剪切環(huán)數(shù)量越多，組數(shù)越多，干餅殘油率越低，而油菜籽與芝麻的干餅殘油率卻不遵循此規(guī)律，剪切環(huán)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致油料破碎過(guò)細(xì)，不利于形成高壓。

表2 3種油料的低溫壓榨干餅殘油率?

?N12、N23、N34分別表示1#螺旋與2#螺旋，2#螺旋與3#螺旋以及3#螺旋與4#螺旋之間剪切環(huán)的數(shù)量，當(dāng)數(shù)量為0時(shí)，表示用榨圈代替剪切環(huán)。3#螺旋和4#螺旋之間統(tǒng)一用榨圈聯(lián)接，即N34=0。

3.4 專用榨螺結(jié)構(gòu)

3.4.1 花生仁壓榨 花生仁的樣機(jī)壓榨試驗(yàn)中，1#螺旋與2#螺旋之間布置5片剪切環(huán)，2#螺旋與3#螺旋之間布置5片剪切環(huán)時(shí)，干餅殘油率最低，榨螺的合理結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于花生仁顆粒大，顆粒之間的孔隙大，第1個(gè)連接處采用較多的剪切環(huán)可以快速破壞花生仁顆粒，以便花生仁能更好地破碎與壓緊，開(kāi)始?jí)赫コ鲇?。?個(gè)連接處也采用5片剪切環(huán)，進(jìn)一步對(duì)花生仁顆粒進(jìn)行剪切破碎，同時(shí)剪切環(huán)數(shù)增加，阻力段加長(zhǎng)，阻力增加，加速出油。

圖4 花生仁壓榨的榨螺結(jié)構(gòu)

3.4.2 油菜籽壓榨 油菜籽的樣機(jī)壓榨試驗(yàn)中，1#螺旋與2#螺旋之間布置3片剪切環(huán)，2#螺旋與3#螺旋之間布置3片剪切環(huán)時(shí)，干餅殘油率最低，榨螺的合理結(jié)構(gòu)如圖5所示。油菜籽顆粒較小，但表皮硬而脆，1#螺旋與2#螺旋之間布置3片剪切環(huán)完成對(duì)油菜籽顆粒的破碎和壓緊作用，在2#榨螺與3#榨螺之間布置3個(gè)剪切環(huán)，可以打開(kāi)油路，加速排油。

圖5 油菜籽壓榨的榨螺結(jié)構(gòu)

3.4.3 芝麻壓榨 芝麻的樣機(jī)壓榨試驗(yàn)結(jié)果顯示，在1#螺旋與2#螺旋之間布置3片剪切環(huán)，2#螺旋與3#螺旋布置榨圈時(shí)，餅粕干餅殘油率最低，榨螺的合理結(jié)構(gòu)如圖6 所示。芝麻顆粒小，油料材質(zhì)軟，1#螺旋與2#榨螺之間布置3片剪切環(huán)組成的螺旋刀刃，破壞表皮，使油快速擠壓出來(lái)。與油菜籽相比，芝麻含皮量高，皮中纖維有利于油路打開(kāi)，不需破碎得太細(xì)。

圖6 芝麻壓榨的榨螺結(jié)構(gòu)

綜上可知，油料顆粒大材質(zhì)硬，增加剪切環(huán)的組數(shù)及單組剪切環(huán)數(shù)，起破碎與增壓的作用；油料顆粒小材質(zhì)軟，則減少剪切環(huán)的組數(shù)和單組剪切環(huán)數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，可將油料分為顆粒大材質(zhì)硬，顆粒小材質(zhì)軟，以及顆粒中等材質(zhì)軟硬程度中等3類，選用上述3種榨螺結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)需要組合出更多的專用榨螺。

4 結(jié)論

(1) 提出了一種通過(guò)在榨螺上增加剪切環(huán)和縮短螺旋長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)雙螺旋榨油機(jī)小型化的技術(shù)方案，可通過(guò)調(diào)節(jié)剪切環(huán)個(gè)數(shù)和組數(shù)，組成專用榨螺結(jié)構(gòu)。

(2) 針對(duì)不同物料的壓榨性能試驗(yàn)表明，在榨螺上增加剪切環(huán)組可提高油料種子的榨油效率。剪切環(huán)對(duì)花生的壓榨效果影響最大，對(duì)油菜籽的壓榨效果影響次之，對(duì)芝麻的壓榨效果影響最??；剪切環(huán)數(shù)量越多，花生的壓榨效果更好，但會(huì)導(dǎo)致油菜籽和芝麻過(guò)度破碎而不利于形成高壓，降低壓榨性能。

(3) 改進(jìn)設(shè)計(jì)的小型榨油機(jī)作業(yè)效率高，且能適用于多種油料，出油率與大中型榨油機(jī)相當(dāng)，更利于在農(nóng)村自給油加工產(chǎn)業(yè)推廣。