胡志剛 邱云峰 涂德先

(武漢輕工大學機械工程學院，湖北武漢 430023)

機械壓榨制油是一種傳統(tǒng)而又古老的方法，雖然目前大多食用油脂加工企業(yè)都采用溶劑萃取等化學方法來提取植物油脂，但在食品安全問題越來越受到重視的今天，低溫冷榨植物油又重新受到了消費者的青睞。20世紀初，美國人V.D.Anderson發(fā)明了連續(xù)式螺旋壓榨機使油料加工得以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)［1］。但到目前為止，關(guān)于榨油機械設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化和制造工藝等方面，都還缺乏一套系統(tǒng)、完整的理論依據(jù)，榨油機的設(shè)計制造還大多依賴工程師的經(jīng)驗。植物油料在壓榨中的物理特征及生物組織結(jié)構(gòu)變化是一個非常復雜的過程，顧毓珍［2］通過7種油料的水壓機壓榨試驗后，提出了油料壓榨的通用壓榨公式;貝洛波羅道夫［3］根據(jù)流體動力學原理，建立了壓榨過程的流體動力學方程;也有研究者［4，5］嘗試利用流固耦合滲流理論來建立油料的壓榨數(shù)值模型，但對于油菜籽、大豆、花生等常見油料壓榨力學特征變化過程，都還沒有形成成熟、系統(tǒng)的理論體系。油料在壓榨過程中的應力應變關(guān)系具有明顯的非線性特征，為了對油料壓榨過程中的力學特性進行分析，需要建立側(cè)限排油壓榨條件下的應力應變數(shù)學模型。而目前巖土工程力學理論已經(jīng)比較成熟，可借助相關(guān)理論，提出相應的非線性應力應變簡便計算模型。

1 榨膛內(nèi)基本力學特性

1.1 油料的壓榨力學特性

分析油料壓榨過程中的流固耦合特性，對比土力學的多孔介質(zhì)滲流理論，借助Karl Terzaghi的研究成果，提出的油菜籽、大豆、花生等植物油料壓榨過程的孔隙比與有效應力的半對數(shù)型應力應變模型［6］:

式中:

e、e0——分別為油料空隙比和壓榨前的初始孔隙比;

σ、σ0——分別為油料所受應力和初始有效應力，MPa;

CC——壓縮系數(shù)。

利用Duncan-Chang模型，提出油料壓榨過程的雙曲線型應力應變模型［7］:

1.2 榨螺的受力計算

榨油機榨籠為榨油機的主要工作部分，而油脂的壓榨擠出過程主要發(fā)生在榨籠的內(nèi)腔(榨膛)，榨螺軸為榨膛的主要部件，為便于制造和后期維修，榨螺軸一般由芯軸、榨螺和錐圈等組成，榨螺為榨膛內(nèi)的主要工作元件，對壓榨油料的出油質(zhì)量和出油率有著關(guān)鍵的作用。圖1為典型的單螺桿榨油機的榨膛結(jié)構(gòu)示意圖。

螺旋榨油機榨螺的力學計算，已有較為成熟的經(jīng)驗公式［8］。以LYZX18型單螺桿榨油機為例，榨螺軸上共有7節(jié)榨螺(從前到后分別編為1～7號)，根據(jù)榨螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)及各節(jié)空間壓縮比，計算作用在每節(jié)榨螺上的單位壓力、單位軸向力、單位圓周力和單位徑向力，計算結(jié)果見表1。

圖1 榨膛結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Squeezing chamber Structure diagram

2 榨螺的有限元分析

由于榨螺曲面比較復雜，對其進行有限元分析，首先要選用具有較強曲面造型功能的三維軟件(如Catia、UG、Pro-E等)，建立榨螺的三維實體模型，然后導入ANSYSWork-bench軟件進行有限元分析［9］。

表1 各節(jié)榨螺受力計算結(jié)果Table 1 Squeeze screws stress calculation results

根據(jù)有限元分析的一般步驟，首先定義單元類型和節(jié)點(實體單元，solid，10nod92)，輸入材料屬性(選用 40Cr)，進行網(wǎng)格劃分;然后確立邊界條件，因為榨螺軸的兩端通過軸承固定在機架上，可以對1號和7號榨螺的端部進行全約束，而對于其余榨螺，可視其端面情況添加進行約束，如在軸孔面上添加徑向約束，鍵槽側(cè)面上添加法向約束，再根據(jù)前述受力計算結(jié)果添加外載荷;最后進行求解分析。由于油料壓榨是一個逐漸加壓的過程，后段榨螺明顯比前段榨螺所受的力要大得多。圖2和圖3分別顯示了4～7號榨螺所受的應力及應變分析結(jié)果。

由圖2、3可知，榨螺的應力應變隨螺旋線發(fā)生漸變，在7號榨螺的螺紋根部處應力達到最大(達到506.135 MPa)，這是由于油料在螺桿的推進和擠壓下，對榨螺施加軸向力和圓周力，使得螺紋根部產(chǎn)生較大的應力集中。同時榨螺螺旋側(cè)面承受著巨大的壓力，因此對榨螺軸及榨螺的材料選擇和加工工藝都要有較高的要求，應盡量避免過多的倒角和小尖角。6號榨螺的最大應力不超過12 MPa，所以前段榨螺可以考慮不使用合金鋼，一般的結(jié)構(gòu)鋼進行合適的表面處理后即可達到要求。

3 油料的壓力與出油率試驗

采用簡單的柱塞式壓榨試驗裝置［10］，選擇油菜籽和花生仁兩種常見油料作為試驗對象，出油壓力分別采用10，20，30，40，50，60，70，80 MPa，共 8 種壓力值，通過壓力機加載達到目標壓力，然后測定出油值和殘油值，分別計算出各個試樣油料的出油率，利用MATLAB的Curve Fitting Toolbox進行擬合，得到了如圖4和圖5所示的油菜籽和花生仁出油率與壓力關(guān)系曲線。

由于油料的生物特性及物理上的不規(guī)則性，對油料顆粒的應力應變過程很難準確地計算仿真。由物理學基本知識可知，榨膛內(nèi)榨螺與油料所受的應力是作用力與反作用力的關(guān)系，根據(jù)前述對榨螺的受力計算及應力應變分析，可知油料在榨膛內(nèi)各階段所承受的應力應變情況。

由圖4、5可知，油料所承受壓力與出油率呈對數(shù)關(guān)系，在壓力上升的前段(30 MPa以前)，隨著壓力的增加，出油率上升較快，當壓力增加到40 MPa以后，出油率的增加值明顯下降，60 MPa以后出油率已經(jīng)增加非常緩慢，這是由于過大的壓力導致油料間的孔隙減小，堵塞了流道，阻礙了油液的滲流。

通過應力應變分析仿真和油料壓榨試驗，可以看出，油料的出油主要集中在6、7號榨螺，幾種常見的植物油料，在受到的壓力達到50～60 MPa的壓力后，出油率已經(jīng)很高了，要想繼續(xù)提高出油率，簡單地通過提高壓力已無太大必要，這時可考慮如何保持油路通暢和持續(xù)保壓。

4 結(jié)論

通過對螺旋榨油機榨膛內(nèi)油料及榨螺的力學特性分析，采用軟件仿真和壓榨試驗相結(jié)合的方法，對榨膛內(nèi)榨螺的應力應變進行了模擬仿真，通過試驗找到了常見油料的壓力與出油率的關(guān)系。得出了如下結(jié)論:

圖2 榨螺應力云圖Figure 2 Squeeze screws stress nephogram

圖3 榨螺應變云圖Figure 3 Squeeze screws strain nephogram

(1)在榨螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的選擇上，可以通過計算機模擬仿真的方法進行優(yōu)化設(shè)計，以提高壓榨效率和節(jié)約成本;

(2)油料的螺旋壓榨取油并非壓力越大出油率越高，對于不同的油料，尋找合適的出油壓力才是重要的;

(3)植物油料壓榨理論雖然還未成熟，但可以通過計算機仿真等數(shù)值計算方法和物理樣機試驗相結(jié)合的方法，探索其規(guī)律。

圖4 油菜籽出油率與壓力關(guān)系曲線Figure 4 Rapeseeds rate of oil yield and pressure curve

圖5 花生仁出油率與壓力關(guān)系曲線Figure 5 Peanut meats rate of oil yield and pressure curve

1 何東平.食用油脂加工技術(shù)［M］.武漢:湖北科學技術(shù)出版社，2010:38～76.

2 齊玉堂.油料加工工藝學［M］.鄭州:鄭州大學出版社，2011:90～103.

3 施亮林.蓖麻籽螺旋壓榨機理及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙:中南大學，2013.

4 Li Ying，F(xiàn)abiano-Tixier，Anne Sylvie，et al.Direct green extraction of volatile aroma compounds using vegetable oils as solvents:Theoretical and experimental solubility study［J］.LWT-Food Science＆ Technology，2014(59):724 ～731.

5 鄭曉，林國祥，游燕.可變形芝麻與花生餅的滲透率試驗與數(shù)值模擬［J］.食品與機械，2006，22(5):69～73.

6 Huaqing Wang，Jiayong Tian.Acoustoelastic theory for fluid-saturated porous media［J］.Acta Mechanica Solida Sinica，2014，27(1):41 ～53.

7 鄭春婷，蔡燕燕，戚志博，等.基于回歸分析法的改進Duncan-Chang模型研究［J］.武漢理工大學學報，2012，24(4):108～112.

8 余南輝，李詩龍，柳德文.基于有限元法的螺旋榨油機榨螺的應力分析［J］.輕工科技，2014(2):57～58.

9 張朝暉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析工程應用實例解析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:33 ～125.

10 鄭曉.油料壓榨理論與試驗研究［D］.武漢:武漢理工大學，2005.