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使用螺杆压制系统开发小规模甘蔗汁提取器

关键词：甘蔗，机械设计，榨汁机，螺杆系统，小规模系统

摘要：设计，建造和试验了一种使用螺旋压制系统的小规模甘蔗汁提取器。考虑了作为机器预期用户的微型和小型甘蔗农民和果汁加工者的技术经济状况。该机器的功能部件包括光栅单元，提取单元，原动机，滑轮，传动皮带，轴承和框架。该机器用两种甘蔗水平测试，每种水分含量为三个水平，结果表明，平均光栅效率和果汁产率分别为87.8％和2.5％。由一台3马力的单相电动机驱动，该机器的材料可在当地获得，价格合理。基于这项技术的山寨甘蔗汁提取厂可以提供就业，同时以低成本为糖和生物燃料工业生产甘蔗汁和甘蔗渣。预期蜗杆轴和压力机笼的设计，分析和优化的改进将提高果汁产量和提取效率;因此，这是强烈建议的。

命名

A - 每条支腿的面积

Ec - 开裂螺母所需的能量

C - 中心到中心距离

- 基本额定动载荷

- 电动机上的皮带轮直径

- 光栅轴上滑轮的直径

- 复合皮带轮装置中第一皮带轮的直径

- 复合皮带轮装置中第二皮带轮的直径

- 螺旋压轴上的皮带轮直径

- 光栅轴直径

-惰轮轴直径

- 螺杆压轴的平均直径

- 压力机外壳的直径

- 螺杆压轴直径

E - 杨氏模量

- 开裂螺母所需的能量

F - 施加在机器上的力加上机器的重量

- 甘蔗的破碎力

- 提取损失

- 焊接效率

FS - 安全系数

- 光栅效率

h - 螺丝深度

I - 惯性矩

- 提取效率

- 果汁产量

k - 摩擦常数

- 弯曲的综合冲击和疲劳系数

- 螺距长度系数

- 接触角系数

- 使用系数

- 扭转的综合冲击和疲劳系数

R - 光栅柱面的半径

- 梁的有效长度

- 柱长度

- 轴承的设计寿命

- 皮带的总长度

M - 动力螺杆的质量容量

- 弯矩

- 扭矩

- 电机转速

- 光栅轴转速

- 螺旋压轴转速

- 转轴每分钟转数

P - 原动机功率

- 切割负载

- 设计功率

- 等效负载

- 螺钉的螺距

- 由电源螺钉开发的功率

- 安全负载

- 回转半径

SR - 细长比

- 最大剪切应力

T - 轴的扭矩

t - 法兰的厚度

W - 机器的总重量

- 甘蔗样品的重量

- 进料样品的重量

- 榨取的榨汁的重量

- 剩余废物的重量

- 未整粒甘蔗的重量

x - 甘蔗的汁含量

Z - 截面模量

z - 轴承常数

- 允许应力

- 屈服应力

- 甘蔗的密度

- 轴的角速度

- 引导角

介绍

从甘蔗（Saccharum L.）提取的汁液广泛用于糖制造和生物乙醇生产。这些产品在发展中国家有很大的出口潜力。在收获时，甘蔗茎具有约10-18％的蔗糖含量和约10-15的纤维含量

％由Fauconnier报道[1]。甘蔗汁是从压榨的甘蔗中提取的汁液。它作为全球饮料消费，特别是在甘蔗商业种植的地区，如东南亚，南亚和拉丁美洲[2]。甘蔗生长的其他国家包括印度，巴基斯坦，香港，桑给巴尔，越南，巴西和埃及。

蒸发的甘蔗汁是宽松定义的术语，其可以包括糖的组合，包括果糖，葡萄糖和白糖（蔗糖）。它被认为比白糖更少加工，导致一些人声称它更健康[3]。然而，营养益处是最小的;蒸发的甘蔗汁可以含有痕量的维生素和矿物质，但具有与表糖相同的卡路里量[4]，美国食品和药物管理局定义蒸发的甘蔗汁作为源自甘蔗糖浆的任何甜味剂[5]可能被大量处理。

美国食品和药物管理局建议“蒸发的甘蔗汁”不被列为食品标签上的一种成分，因为它不是常用的名称，不符合USDA对果汁的定义[5]。

与尼日利亚的甘蔗生产和加工有关的问题包括小规模农场和农场破碎土地使用制度;交通基础设施不足;以及缺乏微型，小型和中型加工的适当技术。其他问题包括：在进一步加工成糖之前，收获的甘蔗和提取的果汁的储存设施差，进口机器没有备件，机器操作者的技术能力差。考虑到上述情况，将甘蔗加工成果汁的简单小型机器对于小规模农民来说是非常重要的，以使他在商业中蓬勃发展并巩固他的收入。这种机器应该是低成本，便携的，没有技术复杂性并且可以容易地由农村社区中的小规模农民操作和维护。这将大大有助于减少小规模甘蔗农民的问题，同时确保甘蔗汁定期供应给小屋糖厂，并为农村居民提供就业。因此，本文报道的工作目标是设计，构建和测试小规模甘蔗汁提取器，供农村社区的小农户使用。

机器说明

机器的主要部件包括光栅单元和提取单元;光栅单元由光栅料斗，光栅圆筒，光栅轴和磨碎出口组成，抽提单元由抽料斗，筒体，螺杆下降，果汁通道，汁液出口和甘蔗渣出口组成。在操作中，甘蔗茎由磨碎滚筒浸软和粉碎，磨碎的醪液通过下面的提取料斗自动进入提取室。在提取室中，蜗杆轴传送，粉碎，挤压和挤压磨碎的醪液，而提取的汁液通过果汁通道从果汁通道排出，并从那里收集。压榨的纤维（甘蔗渣）从蔗渣出口排出。机器由3 hp单相电动机供电。甘蔗汁提取器的等轴测图如图1所示。

设计计算

光栅轴：光栅轴是在机器的光栅单元中剁碎，浸软和粉碎甘蔗的部分。在操作中，该轴由于磨轮缸，甘蔗和滑轮的重量以及用于将甘蔗压靠在磨碎圆筒上的力而处于负载下。因此，为了防止弯曲，轴的直径由Khurmi和Gupta [6]给出的公式确定为：

图1甘蔗汁提取器的等距视图：1-滑轮，4-果汁出口，7-主框架，8-螺旋压榨料斗，9-蔗渣出口，10-格栅轴，11格栅室，12格栅斗盖 ，13-磨碎料斗，14-砂轮，15-电动机，16-轴承，17-惰轮轴，18-惰轮架。

其中，是光栅轴的直径，是最大剪切应力，是组合冲击和弯曲疲劳系数，是组合冲击和扭转疲劳系数，是轴的弯矩，是 轴。 假设 = 40times;10 6 N /，= 1.5， = 1.2， = 7.8273Nm， = 19.096Nm，pi;= 3.142; 因此，= 14.80mm。 然而，使用直径为25mm的软钢杆作为光栅轴。

惰轮轴：惰轮轴是复合皮带轮系统的组件之一，可在机器运行期间实现减速。 在操作中，惰轮轴由于较小滑轮的重量，较大滑轮的重量和带上的张力而处于负载下。 因此，为了防止弯曲，轴的直径由Khurmi和Gupta [6]给出的等式确定为：

其中是惰轮轴的直径。 假设 = 14.3552Nm， = 57.0416Nm; 因此， = 20.90mm。 然而，直径为25mm的低碳钢杆用于惰轮轴。

螺杆轴：螺杆轴是螺杆压力机的轴，也称为动力螺杆，它受到滑轮和螺纹的重量的作用。 在操作中，螺杆轴传送，压碎，挤压和挤压磨碎的甘蔗醪以用于汁液提取。 因此，为了防止弯曲，轴的直径由Khurmi和Gupta [6]给出的等式确定为：

其中，是螺杆轴的直径。 假设 = 5.355Nm和= 100.255Nm; 因此，

= 24.90mm。 然而，直径为25mm的低碳钢棒用于螺杆轴。

螺杆轴的螺距由Shigley和Mitchell [7]给出的公式确定：

Pi tandm

其中，是螺杆轴的平均直径，psi;是导程角。 假定= 47.5mm和psi;= 100，因此， = 26mm。 因此，开发了具有变化的螺距的螺杆系统，其中第一部分为45mm和35mm用于传送，而用于压缩的第二部分为两步，间距为26mm。 第三部分为30mm，这是用于排放。

由动力螺杆产生的压力通过如下表达式确定：

其中

其中，T是轴的扭矩，k是摩擦常数，h是螺钉深度，mu;是自锁装置的摩擦系数。 在T = 100255Nmm，h = 22.5mm，mu;= 0.1和psi;= 100的情况下，因此， = 4.47MPa。

动力螺杆的质量容量由下面给出的公式计算：

M 71.3 x10 6dm hPi 

其中，M，i和rho;分别为动力螺杆的质量容量，轴的角速度和甘蔗的密度。 假设i = 20.9rads -1和rho;= 1.5times;10 -3，因此，M = 62,112.15kg / h。 因此，假设一个甘蔗茎的平均质量为1.06kg，可以由机器每小时处理58,597个甘蔗。

轴承选择：上述三种不同的轴应在两端通过轴承，以便在机器运行期间平稳旋转。 基本额定负载使用以下等式确定：

其中，是基本额定动载荷，是等效负载，是轴承的设计寿命，z是所有轴承的常数，是轴每分钟的转数。 假设三个轴承的和z分别为30000h和3。 对于光栅轴（= 63.81N，= 1500rpm），= 879.76N，因此，选择孔25mm的枕垫轴承。 对于惰轮轴（ = 125.30N，= 300rpm）， = 6.3kN，因此，选择孔25mm的枕垫轴承。 对于螺杆轴（ = 651.60N， = 502.20rpm）， = 891.30N; 因此，选择了孔25mm的枕垫轴承。

原动机选择：原动机用于操作用于磨碎甘蔗和从磨碎的醪液中提取汁液的机器的功率给出为：

其中，P是原动机的功率，N1是电动机的速度，Fc是甘蔗的压碎力，R是磨轮圆柱体的半径。 假设N1 = 1500rpm，Fc = 280N和R = 56mm; 因此，P = 2.46kW。 因此，选择3hp额定功率的电动机用于操作机器。

滑轮设计：使用Khurmi和Gupta [6]给出的公式确定光栅轴滑轮上的有效直径：

N1 D1 N 2 D2

N1是电动机的速度，是电动机的滑轮直径，N 2是光栅轴的速度，D2是光栅轴上的滑轮的直径。 在N1 = 1500rpm， = 25mm，N 2= 500; 因此，D2 = 75mm。

为了产生更大的用于压制和抽出的扭矩，使用以下等式设计和安装复合滑轮装置：

其中，是螺旋压榨轴的速度，是螺旋压榨轴上的滑轮的直径，和分别是复合滑轮装置中的第一和第二滑轮的直径。 假设= 200rpm， = 190mm和 = 75mm; 因此， = 224mm。

皮带设计：皮带的总长度使用Shigley和Mitchell [7]给出的设计方程确定：

其中，Lp是带的总长度，C是中心到中心距离。 对于从电动机皮带到光栅轴皮带的皮带，C = 400; 因此Lp = 1036mm。

根据Shigley和Mitchel [7]计算带的设计功率：

其中，是设计功率，是使用系数，是接触角因子，是节距长度因子。假定KS = 1.2，= 1， = 0.85和P = 3kW;从而， = 5.76mph。因此，从表中选择带B34。

对于从电动机的皮带轮到复合皮带轮装置的皮带，C = 600mm和Lp = 1679mm。假定= 0.97和= 0.94，而和P保持相同，因此= 5.37 mph。因此，从表中选择带B65。

对于从复合皮带轮装置到螺旋压榨轴的皮带轮的皮带，C = 400mm和Lp = 1224mm。假定= 0.98和= 0.90，而和P保持相同，因此 = 5.55mph。因此，从表中选择带B42。

机架设计：机架是机器的主要部分，所有其他部件都放在机器上。它由梁和柱的布置组成。这种设计的本质是防止梁通过弯曲和柱的失效通过屈曲。

梁设计：梁的截面模量使用以下等式确定：

其中Z是截面模量，W是机器的总重量，是梁的有效长度，是屈服应力。 假定W = 3.373kN， = 380mm和= 200N /，因此Z = 3.02。 从表中，适合于该设计的等角钢的尺寸为40times;40times;4mm。 因此，选择尺寸为40times;40times;4mm的角铁作为框架。 它将能够支持机器的整个机体和材料加工而不失败。

柱设计：由于柱由四条腿组成，使用43级的低碳钢，所覆盖的面积由下式给出

其中A是每条腿的面积。 假设W = 3.373kN，= 275N / mm 2（对于43级钢），因此A = 6.39cm 2。 从钢表中，该面积值对应于16.3cm 4的惯性矩和1.51cm的回转半径。 使用以下等式确定长细比：

lt;

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