何　瀟，黃悅峰

（廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

甘蔗壓榨提汁是一個古老的行業(yè)，長期以來由于甘蔗壓榨提汁過程涉及大應(yīng)變、接觸摩擦、強流固耦合等多種復(fù)雜的非線性問題，其理論模型難以構(gòu)建，人們對甘蔗壓榨提汁過程中榨輥的開口間隙、輥子直徑等壓榨機結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運行速度的選擇只能憑生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行選取[1]。而隨著對甘蔗壓榨提汁率要求越來越高、以及要求壓榨能耗更低，單憑經(jīng)驗的設(shè)計壓榨機很粗糙，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制糖行業(yè)更加精細(xì)的要求。因此，必須要搞清甘蔗壓榨提汁過程的排汁規(guī)律，及壓榨機輥子直徑、輥子速度、輥子開口間隙等與排汁的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)規(guī)律對甘蔗壓榨機進(jìn)行設(shè)計。ABAQUS有限元軟件在非線性和流固耦合領(lǐng)域的應(yīng)用非常適用[2]，把壓榨提汁過程中由撕蔗機破碎后的蔗料視為各向同性多孔介質(zhì)，蔗汁在蔗料固體骨架中的流動滿足達(dá)西定律，其物理過程和巖土的變形滲透非常類似，因此可以通過ABAQUS有限元軟件對甘蔗壓榨進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，在計算機上再現(xiàn)甘蔗壓榨提汁過程可以研究無法通過實驗檢測觀察到的蔗料內(nèi)部的微觀現(xiàn)象，對于深入認(rèn)識甘蔗壓榨提汁過程的排汁與輥子開口、輥子直徑、輥子速度關(guān)系十分必要。

已有一些國內(nèi)外研究者對甘蔗壓榨提汁數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，如OWEN運用蔗料應(yīng)力應(yīng)變的平均值構(gòu)建的本構(gòu)模型 σˉ＝aεˉb以及蔗料固體骨架的平均彈性模量泊松比值對甘蔗壓榨提汁進(jìn)行了數(shù)值模擬[3，4]，研究了壓力與壓縮比的關(guān)系以及對比了多孔輥子和不可變形輥子壓榨提汁的效果，分析了輥子速度與輥子直徑與孔隙壓力和輥子轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，Kannapiran采用更加符合蔗料實際的本構(gòu)模型，Drucker-Prager Cap模型研究了輥子受力和力矩隨壓縮比的變化關(guān)系[5]，以及蔗汁的流動情況和蔗料的變形情況。但還少有對輥子直徑、輥子速度、輥子開口間隙與排汁的關(guān)系的研究。

為此，本文參考前人對甘蔗壓榨提汁過程中蔗料固體骨架的本夠模型Drucker-Prager Cap模型參數(shù)、蔗汁滲透率參數(shù)，以及通過單軸側(cè)限壓壓縮試驗測得彈性模量泊松比參數(shù)，根據(jù)蔗料的壓縮比在達(dá)到3的時候基本排出蔗汁的規(guī)律，將對壓縮比到3的甘蔗壓榨提汁過程進(jìn)行了模擬研究，根據(jù)數(shù)值模擬分析了蔗層厚度、輥子直徑、輥子速度對排汁的影響，為壓榨機的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

由上可知，“工業(yè)為主”論對于“農(nóng)業(yè)為主”論的立論依據(jù)“以農(nóng)立國”論持否定態(tài)度，認(rèn)為只有順應(yīng)世界經(jīng)濟發(fā)展趨勢，發(fā)展工業(yè)，使中國走上工業(yè)化的道路，中國經(jīng)濟才有發(fā)展的可能。與之相應(yīng)，發(fā)展生產(chǎn)教育應(yīng)當(dāng)以“工業(yè)為主”，強調(diào)工業(yè)為主，并非否定農(nóng)業(yè)的價值，而是工業(yè)發(fā)展以后反哺農(nóng)業(yè)，推動農(nóng)業(yè)工業(yè)化。

1　甘蔗壓榨提汁模型及數(shù)值參數(shù)

1.1　甘蔗壓榨提汁模型

目前大部分糖廠使用三輥壓榨機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要構(gòu)件包括頂輥、前輥、后輥和底梳。甘蔗纖維在壓榨過程中的受力十分復(fù)雜，主要包括以下幾種情況[6]：

在A區(qū)域甘蔗纖維受力狀態(tài)包括正常固結(jié)、卸載和正常固結(jié)下的剪切；在B區(qū)域甘蔗纖維的受力狀態(tài)通常包括超固結(jié)、卸載和超固結(jié)下的剪切。目前學(xué)者主要針對A區(qū)域甘蔗纖維的力學(xué)行為進(jìn)行分析和建模，而且研究尚不充分。

圖1　三輥壓榨機示意圖

三輥壓榨機經(jīng)過200多年的使用和改進(jìn)，已逐步完善。但是仍然有一些固有的缺點，如底梳摩擦的存在，前后輥開口大小不同而產(chǎn)生側(cè)壓力，這些導(dǎo)致壓榨機功率增加，維修管理麻煩，事故多等問題。國內(nèi)外近二十年也都有研究和試用兩輥壓榨機，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，兩輥壓榨機沒有底梳，減少了功率，消除底梳漏渣、底梳事故的隱患等問題；甘蔗纖維入轆順利，頂輥升降靈活；結(jié)構(gòu)簡單，少一個輥子及其附件，節(jié)省投資。

圖2　兩輥子壓榨示意圖

蔗汁液體總速度云圖如圖4.

1.2　蔗料材料本構(gòu)模型及蔗汁滲透率數(shù)值

對甘蔗壓榨提汁進(jìn)行模擬首先要有蔗料固體骨架的彈性、塑性參數(shù)和蔗汁液體隨壓縮變化的滲透率值。查閱中文和外文文獻(xiàn)，甘蔗蔗料的彈性參數(shù)取值如表1，根據(jù)Kannapiran的實驗研究，得到的蔗料固體骨架的本構(gòu)關(guān)系為Drucker-Prager Cap模型[5]，其模型參數(shù)見表2.

表1　蔗料固體骨架的彈性參數(shù)

表2　蔗料固體骨架的Drucker-Prager Cap模型參數(shù)

為了探究蔗層厚度對提汁的影響，以直徑D=1.05 m的輥子為模型，設(shè)定輥子線速度為1.5 m/s，分別模擬了蔗層厚度為H=0.08 m和H=0.04 m的蔗料壓縮比為3的壓榨提汁。

表3　CAP PLASTICITY參數(shù)

液體通過多孔介質(zhì)單位面積的體積流量和液體的壓力梯度之間的關(guān)系被定義為滲透率，當(dāng)前的研究把多孔介質(zhì)看著各向同性的，所以滲透率也是各向同性，為孔隙比的函數(shù)，的實驗研究測定蔗料的滲透率值如表4.

表4　蔗汁滲透率隨孔隙比變化值

2　基于ABAQUS的模擬結(jié)果

2.1　仿真方法

應(yīng)用ABAQUS流固耦合分析模塊soil對甘蔗壓榨提汁進(jìn)行模擬分析[7，8]，由于把蔗料視為各向同性的多孔介質(zhì)，所以把三維實體輥子簡化到二維平面進(jìn)行模擬。蔗料初始為一個矩形，輥子設(shè)為剛體，兩個輥子以蔗料中心，即矩形中心線為對稱軸對稱分布。對蔗料的網(wǎng)格的劃分采用CPE8RP（八節(jié)點平面應(yīng)力四邊形單元，該單元為減縮積分單元[9]，該單元模型能模擬飽和和非飽和液體流過變形多孔介質(zhì)。初始條件：蔗料的初始孔隙比為12.1，蔗料初始孔隙壓力為0.輥子剛體的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)模擬的壓榨速度計算設(shè)置，輥子與蔗料之間的摩擦因素設(shè)為0.5.

2.2　仿真結(jié)果及初步分析

以直徑D=1.05 m的榨輥提汁為例，設(shè)置輥子角速度轉(zhuǎn)速 W=0.285 714，則輥子轉(zhuǎn)速 V=WR=0.149 999 85 m/s，蔗料進(jìn)料高度設(shè)為0.08 m，輥子開口設(shè)為0.026 6 m，即模擬壓縮比為3的壓榨提汁過程，孔隙壓力云圖3.

圖3　孔隙壓力云圖

本文把甘蔗纖維的模型應(yīng)用于壓榨提汁仿真，主要關(guān)注的是甘蔗纖維在A區(qū)域的力學(xué)行為，因此，采用結(jié)構(gòu)簡單的兩輥壓榨機模型更合適，如圖2所示。圖中H為蔗層厚度、W為輥子開口、V為輥子速度。

高校社團是大學(xué)生自我教育、自我管理、自我服務(wù)的重要載體，也是高校馬克思主義大眾化實現(xiàn)路徑的主要媒介，更是高校馬克思主義大眾化實現(xiàn)路徑的全新探索。社團文化以學(xué)生為主體，因此，社團文化總選擇有利于學(xué)生身心發(fā)展的社會主流文化的基本精神，批判和剔除有害于學(xué)生發(fā)展的社會非主流文化[7]。用社會主義核心價值體系引領(lǐng)社團文化建設(shè),是提高學(xué)生思想素質(zhì)、引領(lǐng)學(xué)生在新的歷史環(huán)境下不斷成長的客觀需要，也是推進(jìn)學(xué)生身心發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生“四真”信念(真心、真信、真情、真行)的現(xiàn)實需要，讓學(xué)生做到真學(xué)、真懂、真信、真用。具體而言，高校社團文化建設(shè)的實現(xiàn)路徑主要體現(xiàn)在四個方面。

圖4　蔗汁液體速度云圖

由于不考慮重力，蔗汁液體速度在以蔗料中心線為對稱軸對稱分布，與空隙壓力從內(nèi)向外減小相反，蔗汁速度從內(nèi)向外增大，在蔗料的表層蔗汁速度達(dá)到最大，蔗汁速度較大的一段在壓榨段的中間。蔗汁速度矢量圖如圖5所示。

圖5　蔗汁速度矢量圖

3　蔗層厚度、輥子速度、輥子直徑對壓榨提汁的影響

3.1　設(shè)置參考線

為了探究蔗料內(nèi)部蔗汁的流動和空隙壓力的變化規(guī)律，在蔗料上設(shè)置參考線，蔗料厚度為0.08 m，壓縮比為3時，進(jìn)料厚度為0.08 m的蔗料被壓縮后的高度約為0.026 m，進(jìn)料厚度為0.04 m的蔗料被壓縮后的高度約為0.013 m.由于進(jìn)料蔗料簡化為矩形，如圖2所示，建模時，以矩形中心線為橫軸，則進(jìn)料蔗層厚0.08 m和0.04 m的蔗料壓縮后的蔗料上表面高度分別為0.013 m和0.0065 m，分別在厚度0.08 m和0.04 m的蔗料中心和上表面高度上設(shè)置路徑CENTER和UP，蔗層厚0.08 m時，其中心線（CENTER）上和上表面線（UP）上的孔隙壓力分別簡寫為PC-H0.08、PUP-H0.08，在蔗料上表面選取速度最大的網(wǎng)格單元得到三個節(jié)點的速度V01-H0.08、V02-H0.0/8、V03-H0.08、V04-H0.08，得到輥子的力矩為RM-H0.08；蔗料厚度為0.04 m，其中心線（CENTER）上和上表面線（UP）上的孔隙壓力分別簡寫為PC-H0.0，4、PUP-H0.04，在蔗料上表面選取速度最大的網(wǎng)格單元得到三個節(jié)點的速度V01-H0.04、V02-H0.04、V03-H0.04、V04-H0.04，得到輥子的力矩為RM-H0.04.

其中心和上表面孔隙壓力對比圖，蔗層厚度方向的孔隙壓力變化圖、表面最大速度對比圖，輥子力矩對比圖分別如圖6、圖7、圖8.

自動駕駛系統(tǒng)系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)，對列車實現(xiàn)實時、連續(xù)控制。采用現(xiàn)代通信手段，直接面對列車，可實現(xiàn)車地間的雙向數(shù)據(jù)通信，傳輸速率快，信息量大，后續(xù)追蹤列車和控制中心可以及時獲知前行列車的確切位置，使得運行管理更加靈活，控制更為有效，更加適應(yīng)列車自動駕駛的需求。

由圖6可以得到蔗層降低之后，蔗料內(nèi)部的孔隙壓力反而增大，蔗料厚度方向的孔隙壓力梯度增大。

3.2　蔗層厚度與排汁的關(guān)系

當(dāng)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力以后，蔗料會發(fā)生永久的塑性應(yīng)變，所以用屈服點和屈服后硬化曲線描述材料的塑性，在材料的屈服后變形區(qū)域，同時發(fā)生彈性和塑性應(yīng)變。Drucker-Prager/Cap模型定義了屈服面參數(shù)，CAP PLASTICITY定義了材料屈服后的硬化行為。所以需要輸入體塑性應(yīng)變和相對靜水壓力屈服應(yīng)力。根據(jù)前人的研究，其值如表3所示。

遲恒去小店買了包三十幾塊一包的“紅塔山”，拆開點燃抽了口，純，真煙，這種價的煙，在市里不熟的店子買，冷不丁就給你來包贗品。到尾砂庫東頭下游壩底后，遲恒結(jié)帳讓司機回了。河床似的、延伸很遠(yuǎn)的平地，上面只種菜，沒有建房，潰壩的話，砂流會順著河床沖跑，但河床兩旁都是房屋，地勢比河床高不了多少，如果大潰壩，從一百多米高處傾瀉而下的砂槳流勢能極大，一旦成扇型展開，這些民房極有可能會被砂流沖埋。外省一個地方尾砂礦潰壩，一次淹死下游267個人。河灘左側(cè)有條很長的渠，不像新修的，流出的水清澈，砂庫的積水、滲水一部分從這里導(dǎo)出。菜地長出的菜綠綠的挺好看。

在輥子的轉(zhuǎn)速比較小時，所設(shè)定模擬的蔗料長度為1 m，輥子轉(zhuǎn)速比較大時，設(shè)定蔗料長度為3 m.在模擬仿真時設(shè)定蔗料與輥子接觸的靜力分析步時間為2 s，壓榨提汁流固耦合分析步時間為3 s.所以后面得到的坐標(biāo)圖，壓榨提汁段的坐標(biāo)圖時間軸為2~5 s，而以路徑距離為橫縱的坐標(biāo)在速度比較小的時候是1，而速度比較大的時候為3.

圖6　厚度0.08m和0.04m蔗層空隙壓力對比

圖7為厚度分別為壓榨0.08m和0.04m的蔗料的力矩，可以發(fā)現(xiàn)蔗層更薄，壓榨蔗料所需的力矩更小。

咳嗽是人體生理性保護機制，是自行清除呼吸道黏液的唯一辦法。嬰幼兒的呼吸系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，咳嗽反射能力較差，痰液不容易排出，如果給予強力止咳，會導(dǎo)致痰液滯留在呼吸道，將加重病情甚至可引發(fā)其他并發(fā)癥。

由圖8可以得到，對于相同的輥子速度，輥子直徑越大，蔗料蔗層中心的孔隙壓力越大。

圖7　厚度0.08m和0.04m蔗層上力矩對比

3.3　榨輥直徑對提汁的影響

固定蔗層厚度，設(shè)為0.08 m，輥子線速度都是0.15m/s，輥子直徑分別為 0.55、0.65、0.75、0.85、0.95、1.05 m，分別研究其中心線上的空隙壓力，上表面最大速度，輥子力矩，分別如圖8、圖9、圖10所示。

所以可以得到結(jié)論，從排汁的角度，降低蔗層厚度，蔗汁速度更快，有利于排汁。

圖8　中心空隙壓力圖

由圖9所示，相同的蔗層厚度和輥子速度，輥子直徑越大，蔗料表層的蔗汁流動速度越大，但是蔗汁速度與輥子速度不在同一個數(shù)量級，所以雖然輥子的直徑越大蔗汁流動速度更快，但是差別不大。

圖9　輥子上表面最大速度

由圖10可以得到，輥子直徑越大，輥子的力矩越大。由圖8、圖9、圖10可以得到，輥子直徑越大，蔗料內(nèi)部空隙壓力，蔗汁流動速度，榨輥力矩越大，但是，由于蔗汁的流動速度相對于榨輥的轉(zhuǎn)動速度比較小，所以榨輥直徑對蔗汁流動速度的影響不明顯，但是輥子轉(zhuǎn)矩隨輥子直徑增大很明顯。

圖10　不同輥子直徑的力矩

3.4　榨輥速度對壓榨提汁的影響

由于對直徑為0.95 m的榨輥進(jìn)行仿真模擬發(fā)現(xiàn)，輥子速度為1 m/s時，蔗料內(nèi)形成的空隙壓力和力矩比較小。所以再取直徑為1.05的輥子，蔗層厚度0.08 m，輥子速度分別取 0.5、0.8、1、1.2、1.5 m/s進(jìn)行研究，加密速度變化的值，在速度變化范圍0.5~1.5 m/s之間，用0.8 m/s和1.2 m/s去逼近速度1 m/s，觀測速度在1 m/s上下波動時孔隙壓力的變化。得到蔗層中心孔隙壓力、蔗層上表面孔隙壓力、榨輥力矩分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11　蔗料中心空隙壓力

圖12　蔗料上表面空隙壓力

圖13　輥子力矩

由圖11、圖12、圖13可以得到輥子的速度對輥子的力矩影響不明顯，輥子速度為1 m/s時，輥子的力矩減小很明顯。1 m/s的輥子速度對于輥子的速度與輥子轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系來說是一個拐點。

發(fā)酵香腸是指以碎肉、脂質(zhì)為主要原料，與鹽、糖、味精、香料及微生物發(fā)酵劑等混合腌制后灌進(jìn)腸衣，在一定條件下發(fā)酵而成的發(fā)酵肉制品[3-6]。發(fā)酵香腸中常用的發(fā)酵劑菌株是乳酸菌、接觸酶陰性球菌(主要是葡萄球菌屬和考克斯菌屬)以及酵母和霉菌[7]。發(fā)酵香腸不僅風(fēng)味特殊，食用方便，還含有多種有益于人體的營養(yǎng)成分，自20世紀(jì)以來，國內(nèi)對發(fā)酵香腸的研究便備受矚目，發(fā)酵劑種類日益更新，由單一的微生物發(fā)酵劑到復(fù)合發(fā)酵劑[8]。復(fù)配發(fā)酵劑是直投式發(fā)酵劑的一種，通過優(yōu)勢菌的作用，在不改變發(fā)酵品質(zhì)的基礎(chǔ)上，成功克服了微生物發(fā)酵劑的不足，從而改善了發(fā)酵劑的性能[9,10]。

4　結(jié)束語

蔗汁的速度與蔗料內(nèi)部的孔隙壓力梯度有關(guān)，輥子的受力與蔗料內(nèi)部的孔隙壓力有關(guān)，輥子的力矩受到輥子的直徑、輥子的速度、蔗層的厚度綜合的影響。所以輥子直徑、輥子速度、蔗層厚度對蔗料內(nèi)部的孔隙壓力和孔隙壓力梯度的影響最直接反應(yīng)其對壓榨提汁的影響。因此重點對壓榨提汁模擬結(jié)果的空隙壓力，蔗汁速度、輥子力矩進(jìn)行研究，得到了如下的一些結(jié)論：

（1）減小蔗層厚度，蔗料內(nèi)部的空隙壓力增大，蔗層內(nèi)外的孔隙壓力梯度增大，蔗汁的排汁速度加快；減小蔗層厚度對排汁速度的要求降低，所以降低蔗層厚度有利于排汁；

（2）加大輥子直徑，蔗料內(nèi)部的孔隙壓力增大，輥子力矩增大；

旅游小鎮(zhèn)建設(shè)可以依托具有開發(fā)價值或者已經(jīng)建設(shè)發(fā)展中的著名旅游景區(qū)，為了優(yōu)化景區(qū)旅游服務(wù)功能，以旅游產(chǎn)業(yè)為核心建設(shè)，如黃山風(fēng)景區(qū)東部綜合開發(fā)核心區(qū)譚家橋國際旅游休閑小鎮(zhèn)；恩施大峽谷旅游風(fēng)情小鎮(zhèn)等都是基于著名旅游風(fēng)景區(qū)建設(shè)的特色旅游小鎮(zhèn)。

針對移動開發(fā)諸多的模式選擇和技術(shù)棧，如何找到最適合本企業(yè)的開發(fā)技術(shù)是移動開發(fā)團隊最關(guān)心的問題。圖2為選型策略參考模型，使用決策樹模式展示。企業(yè)可根據(jù)自身團隊的特點和技術(shù)積累，參照參考模型選擇技術(shù)棧。圖2中，箭頭上的條件決定著選擇路徑的走向。參考模型中并未囊括所有的選擇可能和開發(fā)技術(shù)，可根據(jù)實際條件和技術(shù)偏好添加或移除相關(guān)分支。

（3）榨輥的速度對蔗料內(nèi)部空隙壓力的影響不明顯，速度為1 m/s時，蔗料內(nèi)部的孔隙壓力和榨輥的力矩最小，1 m/s的壓榨速度是一個拐點，用1 m/s速度進(jìn)行壓榨提汁最能減小能耗。