螺旋榨油機應(yīng)用研究及其傳動系統(tǒng)改進(jìn)

李心蕊

（武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展，糧油農(nóng)產(chǎn)品逐年豐收，特別是大豆、油菜籽、花生等油料的產(chǎn)量得到了大幅提升，相應(yīng)的油脂加工行業(yè)也不斷繁榮興盛。為優(yōu)化油脂產(chǎn)品品質(zhì)，提高榨餅蛋白質(zhì)的質(zhì)量，人們不斷探索新的制油技術(shù)，因而低溫壓榨制油技術(shù)得以快速發(fā)展并成為行業(yè)關(guān)注熱點[1]。然而，以往熱榨工藝中廣泛使用的單螺旋榨油設(shè)備，難以滿足低溫壓榨制油工藝的技術(shù)要求。原因有二：1）同樣采用單螺旋榨油設(shè)備榨油，低溫壓榨工藝榨油較熱榨工藝榨油，出油率要小得多；2）采用單螺旋榨油設(shè)備，要提高出油率，必須在壓榨前對油料進(jìn)行剝殼處理，否則夾雜于榨料中的纖維雜質(zhì)不僅容易在榨膛內(nèi)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，而且會嚴(yán)重影響油脂的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。經(jīng)多年的應(yīng)用實踐驗證，采用雙螺旋榨油能有效解決前述問題，克服應(yīng)用單螺旋榨油設(shè)備進(jìn)行低溫壓榨制油的不足，且大大簡化制油工藝流程。

筆者從螺旋榨油機應(yīng)用前景與入手，通過概述螺旋榨油機結(jié)構(gòu)原理，闡明并研究了螺旋榨油機的研發(fā)方向。重點研究了如何優(yōu)化平行異向雙螺桿傳動系統(tǒng)，論述了改進(jìn)壓榨工藝，并對異向傳動方式、異向傳動系統(tǒng)的要求和類型等進(jìn)行比較，提出了雙螺旋榨油機的改進(jìn)思路，總結(jié)了雙螺旋榨油機傳動系統(tǒng)要求，為優(yōu)化雙螺旋榨油機的傳動設(shè)計提供借鑒。

1 榨油機應(yīng)用分析

在我國農(nóng)村的糧料加工廠，應(yīng)用螺旋式榨油機年加工油料量約為1 000萬t，螺旋式榨油機能連續(xù)地處理油料，具有生產(chǎn)效率高、出油率高、工人勞動強度低等諸多優(yōu)點，螺旋式榨油機已成為目前榨油行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備。我國從20世紀(jì)60年代生產(chǎn)制造第一臺螺旋式榨油機至今已有50多年的歷史。隨著科技進(jìn)步，人們圍繞榨油機的壓榨、浸出、精煉等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，進(jìn)行了一系列技術(shù)改進(jìn)，榨油機的型號也隨之不斷更新，先后研制的有200動力型、D151型、95型、58型、59型、62型、68型等不同型號的螺旋式榨油機械。在我國，現(xiàn)有螺旋榨油機高達(dá)120萬臺，約40%的油料加工是應(yīng)用螺旋榨油機實現(xiàn)的[3]。雙螺旋榨油機成為適合我國國情的重要油料生產(chǎn)機械，在我國油料加工行業(yè)中占十分重要的地位。

2 螺旋榨油機結(jié)構(gòu)原理

螺旋榨油機的型號很多，而不同型號的螺旋榨油機具有相似的結(jié)構(gòu)形式和相同的工作原理。從結(jié)構(gòu)形式來看，螺旋榨油機一般由傳動變速機構(gòu)、喂料機構(gòu)、榨膛（榨膛由榨籠及其中的螺旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成）、調(diào)餅機構(gòu)等幾部分組成。從工作原理來看，受旋轉(zhuǎn)的螺旋軸在榨膛內(nèi)的推進(jìn)力的作用，油料連續(xù)不斷地隨螺旋軸向前移動。同時，因螺旋軸不斷地旋轉(zhuǎn)，螺距因之縮短，根圓直徑逐漸增大，榨膛內(nèi)徑相應(yīng)減小，榨膛容積不斷縮小，對油料產(chǎn)生擠壓作用。油料因受強大的擠壓作用，油脂即從榨籠縫隙中流出。在這一過程中，油料被壓榨成餅塊，隨著螺旋軸的旋轉(zhuǎn)而排出到榨膛外。

3 螺旋榨油機研發(fā)方向

螺旋榨油機是現(xiàn)今世界普遍使用的榨油設(shè)備，糧油機械制造企業(yè)致力于新技術(shù)的推廣應(yīng)用和新型榨油機械的研制工作，生產(chǎn)效率不斷提高，能耗不斷降低。目前，世界上用于油料生產(chǎn)最先進(jìn)的螺旋式榨油設(shè)備，日榨油料最高可達(dá)200 t，榨餅殘油率小于3%；預(yù)榨機日生產(chǎn)力可達(dá)500 t，殘油率小于12%。為滿足我國油脂工業(yè)生產(chǎn)需要，榨油設(shè)備的研發(fā)方向為：1）完善ZY28、ZY32型預(yù)榨機功能，研發(fā)日生產(chǎn)量大于500 t的大型預(yù)榨機，開展建模并通過生產(chǎn)實踐校驗數(shù)據(jù)，不斷完善產(chǎn)品功能。2）研究新型耐磨材料，提高螺旋榨油機的使用壽命。3）應(yīng)用變頻控制技術(shù)，便于對喂料量、榨膛壓力等運行參數(shù)可調(diào)，提高設(shè)備的適應(yīng)性[4]。4）改過油料壓榨工藝，開發(fā)雙螺旋榨機。這里僅就第四方面，即采用平行異向雙螺桿傳動系統(tǒng)進(jìn)行壓榨工藝的改進(jìn)展開論述。

4 雙螺旋榨油機改進(jìn)思路

采用平行異向雙螺旋結(jié)構(gòu)，目的是克服單螺旋結(jié)構(gòu)壓榨系統(tǒng)喂料、推料能力弱的弊端。平行異向雙螺桿系統(tǒng)由于長徑比、壓縮比較大，大大提高了軸向推進(jìn)和輸送能力，具有壓力大、出油率高、殘油率低等優(yōu)點，因而受到業(yè)界的高度重視。雙螺桿榨油機的傳動系統(tǒng)與支撐方式對于整機機器性能的影響很大，這里結(jié)合平行異向雙螺桿榨油機的特點，根據(jù)相關(guān)設(shè)計理論，提出具體改進(jìn)思路。

4.1 異向傳動方式比較

為實現(xiàn)平行雙螺桿的異向轉(zhuǎn)動，可采用兩種齒輪傳動方式，即外嚙合方式和內(nèi)嚙合方式。其中，外嚙合齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便的優(yōu)點；內(nèi)嚙合齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、承載力高、噪音低、使用壽命長等優(yōu)點，以及誘導(dǎo)法曲率小、重合度大、磨損小、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。

4.2 異向傳動系統(tǒng)的要求與類型

異向雙螺桿榨油機傳動設(shè)計與加工的難點有以下三點：1）由于承載的扭矩較大，雙螺桿中心距已確定，傳動系統(tǒng)設(shè)計時要確保兩輸出軸的扭矩分配均勻，軸承裝配合理且具有較長的使用壽命；2）為能傳遞更大的扭矩和軸向力，避免螺桿因受力而產(chǎn)生彎曲變形，必須采取措施減小傳動齒輪的徑向力，提高齒輪的嚙合精度與承載能力；3）便于裝配，便于檢修。為達(dá)到上述要求，通常采用兩軸式、三軸式、內(nèi)齒分配式傳動設(shè)計，其中兩軸式傳動系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單，研制成本低，在平行異向雙螺桿榨油設(shè)備中應(yīng)用最為普遍。

4.2.1 兩軸式

兩軸傳動系統(tǒng)的核心部件——扭矩分配器由箱體、圓螺母、齒輪軸、端蓋、止動墊片、密封圈以及各種軸承等組成，其中，軸承主要有雙列滾針軸承、圓錐滾子軸承、推力調(diào)心滾子軸承等。如圖1所示。

圖1 兩軸式傳動系統(tǒng)（圖中1～8均為齒輪）

兩軸式可分為單箱兩軸式和雙箱兩軸式。單箱兩軸式傳動系統(tǒng)：通過提高齒輪的接觸強度和承載能力保證雙螺桿受力均勻；兩個推力調(diào)心滾子軸承可以靠得很近，這樣兩根輸出軸所受扭矩、撓度變形就基本一致。單箱兩軸式傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、占有空間小、齒輪受力小等優(yōu)點，但也存在制造和裝配難度高、造價較高、檢護(hù)不便等缺陷。

雙箱兩軸式傳動系統(tǒng)的減速器與扭矩分配器相互獨立，二者通過十字形滑塊聯(lián)軸器進(jìn)行連接；制造時使用標(biāo)準(zhǔn)減速器，可以大大減少扭矩部分的研制工作量，提高承載能力。雙箱兩軸式傳動系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較簡單，但存在著裝配難度大、占用空間大的弊端；由于軸的中心距離較小，兩個調(diào)心滾子軸承（軸承組）需錯位布置，因此，容易導(dǎo)致兩根輸出軸一長一短，長軸受力扭轉(zhuǎn)角與撓度均會增大。

4.2.2 三軸式

在三軸傳動系統(tǒng)中，電機的電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速后，扭矩的二分之一作用于一螺桿驅(qū)動軸，另二分之一扭矩經(jīng)齒輪間接傳遞至另一螺桿驅(qū)動軸。如圖2所示，因兩個輸出軸的軸距較大，宜選用載荷高、外徑較大的徑向推力軸承，齒輪10～13一般與軸制為一體，通常為斜齒輪，與下一級輸出軸相連的齒輪受到的圓周力即會減少一半以上。這一傳動系統(tǒng)不僅確保了輸出扭矩有效傳遞，提高了傳動安全系數(shù)，還有效延長了傳動箱使用年限。

圖2 三軸式傳動系統(tǒng)（圖中1～13均為齒輪）

4.2.3內(nèi)齒分配式

如圖3所示，通過齒輪5和齒輪9，將同一軸上的扭矩分配并傳遞給內(nèi)齒圈7和內(nèi)齒圈11。經(jīng)過齒輪6換向，齒輪7的內(nèi)齒圈和齒輪11的內(nèi)齒圈，分別將扭矩傳遞給兩輸出驅(qū)動軸。內(nèi)齒分配式傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低，能有效保證兩螺桿實現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)。由于齒輪的嚙合方式為內(nèi)嚙合，重疊系數(shù)高，承載荷能力也較高。內(nèi)齒分配式傳動系統(tǒng)的制造精度要求較高，內(nèi)齒加工技術(shù)難大，特別是斜內(nèi)齒加工難度更高。相對內(nèi)齒分配式傳動系統(tǒng)，還有分離齒輪式傳動系統(tǒng)，由于分離齒輪式傳動系統(tǒng)所能傳遞的功率較小，這里不再贅述。

4.3 雙螺旋榨油機傳動系統(tǒng)要求

1）一般要求：傳動鏈要少。如果傳動鏈多，傳動機構(gòu)就多，傳動系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)與幾何尺寸就會隨之增大，設(shè)備的故障率及其他相應(yīng)問題就會隨之顯現(xiàn)。

2）具體要求：扭矩分配與能量傳遞要均勻。為使傳動系統(tǒng)不受影響，實現(xiàn)整機高扭矩傳動，必須做到扭矩分配與能量傳遞均勻；由于傳動箱中的輸出扭矩較大且中心距較為特殊，模數(shù)、齒寬系數(shù)通常較大，要求齒寬B＝20m/B＝1.2A（注：m為模數(shù)，A為中心距）；為提高承載能力，改善傳動的平穩(wěn)性，對于高速、大功率的齒輪傳動，一般采用圓弧齒廓，而不采用漸開線齒廓；為使螺桿驅(qū)動軸承受的軸向力更大，可應(yīng)用帶碟形彈簧的推力軸承組、油膜止推軸承組或串列推力軸承組。

3）設(shè)計要求：為縮短傳動系統(tǒng)的設(shè)計時間，提高其可靠性，延長使用壽命，傳動系統(tǒng)設(shè)計宜采用CAD進(jìn)行三維實體建模；先設(shè)計出裝配圖，再設(shè)置工況和零件材料的特性參數(shù)，進(jìn)而對所建模型進(jìn)行應(yīng)力與變形分析、干涉檢查、運動分析等。

5 結(jié)束語

綜上所述，平行異向雙螺桿榨油機在我國具有非常廣闊的應(yīng)用前景，把握其工作原理，弄清其一般結(jié)構(gòu)與控制方式，對優(yōu)化其傳動系統(tǒng)設(shè)計，降低生產(chǎn)成本，改善設(shè)備性能，降低其工作能耗，具有重要意義。關(guān)于平行異向雙螺桿榨油機，還存在許多實踐應(yīng)用與理論問題有待研究，希望后續(xù)研究者持續(xù)關(guān)注平行異向雙螺桿榨油機的發(fā)展，并積極參與到其研發(fā)工作之中。