李芃荃，譚雪松，張黎驊，李 舉

(四川農業(yè)大學 機電學院，四川 雅安625000)

螺旋榨油機被廣泛運用于植物油料中的油脂提取，通過對榨油機某些關鍵技術的研究，能夠保障榨油質量的同時增加油脂產量，可節(jié)約時間和人力成本[1]。目前世界范圍對螺旋榨油機的研究較少，理論經驗不足，缺乏有效的試驗驗證。影響榨油機性能的因素有很多，其中溫度是對榨油機出油率及出油質量影響最大的因素之一[2]。榨油機工作時, 主要通過榨膛內部油料粒子之間、油料與螺桿及油料與榨膛之間的摩擦生熱來維持所需的溫度，但這種平衡模式是比較難保持的[3-5]。國內生產螺旋榨油機的核心部分是榨膛[6]，而加熱裝置大多放置在榨膛上，通過導熱的方式為榨料提供壓榨時的溫度條件，因此對榨油機榨膛溫度的研究很有必要。

溫度屬于熱力學范疇，對于熱力學來說，包括穩(wěn)態(tài)熱力學分析(系統(tǒng)的凈熱流率為零)和瞬態(tài)熱力學分析(系統(tǒng)加熱或冷卻的過程)，榨油機工作時，對于榨油機榨膛自身結構來說，屬于穩(wěn)態(tài)熱傳導問題[7]。有限元方法常用來解決穩(wěn)態(tài)熱傳導問題,常用的有限元軟件有ANSYS Workbench、SDRC/I-DEAS等[8]。其中ANSYS Workbench仿真平臺能對復雜機械系統(tǒng)的結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、結構熱、電磁場以及耦合場等進行分析模擬，其強大的功能以及簡便的操作已成為國際最流行的有限元分析軟件之一[9]。到目前為止，國內還未有用ANSYS Workbench來研究榨油機榨油時適宜溫度范圍的先例。本文旨在運用ANSYS Workbench對單螺旋榨油機榨膛溫度分布進行研究，并提出此方法可用于預測榨膛內外壁溫度分布。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗使用CH 1500T 家用單螺旋榨油機(功率1 500 W，榨螺轉數(shù)30～50 r/min，處理量1.5 kg/h)，對新疆薄皮核桃仁進行壓榨試驗。密封袋、HT-866紅外測溫儀、電子稱、卷尺、秒表等。

1.2 試驗方法

為方便測量榨膛外壁溫度，用卷尺測量榨膛全長190 mm,從左到右每5 mm選取一個點，選點時錯開榨膛出油孔，均勻選取36個點，由于紅外測溫儀光斑大小為2～3 mm，故測點坐標誤差以毫米為單位。測點位置如圖1所示。

圖1 榨膛外表測溫點示意圖

試驗步驟：①將剝好的核桃仁掰成小塊，平均分為6組，每組80 g。②檢查榨油機，接通電源，空轉調試，確保榨油機能夠正常工作。③記錄試驗時間、試驗地點、環(huán)境溫度以及榨膛各測點的初始溫度，待榨油機工作前榨膛外壁各測點的平均溫度與室內環(huán)境溫度基本一致時開始試驗。④完成試驗1(無預熱)，記錄試驗壓榨時間為4 min以及試驗后榨膛外壁指定各點對應的溫度數(shù)據(jù)。⑤完成試驗2～6(預熱5 min)，記錄試驗壓榨時間皆為4 min(確保壓榨時間一致)，記錄試驗結束后各測點的溫度。⑥計算并記錄試驗2～6結束后各測點溫度的有效平均值，統(tǒng)計各對應點的平均溫度，以此作為試驗榨膛外壁各對應點溫度。

2 結果與分析

2.1 試驗溫度測試結果(見表1、表2)

經檢查調試以后，該榨油機可以正常工作。由試驗1可知，若不預熱不易出油，并且各個測點所對應的溫度(見表1)變化不大，不宜用來作為分析溫度變化的數(shù)據(jù)(試驗室溫為25℃，試驗前測得所有測點的平均溫度為24.3℃，誤差在可忽略不計的范圍以內)。

表1 試驗1榨膛外壁溫度 ℃

表2 試驗2～6榨膛外壁平均溫度 ℃

記錄預熱時間為5 min的5組試驗的榨膛外壁測點溫度，并求得榨膛外壁平均溫度如表2所示(試驗室溫為25℃，5組試驗前所有測點的平均溫度分別為24.6、24.4、24.7、24.5、24.2℃，誤差在可忽略不計的范圍以內)。

2.2 單螺旋榨油機榨膛穩(wěn)態(tài)熱仿真

基本傳熱方式有熱傳導、熱對流及熱輻射3種。

在穩(wěn)態(tài)熱分析中任意一節(jié)點的溫度不隨時間變化，穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為：[K]{I}={Q}。式中：[K]是傳導矩陣，包括熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射系數(shù)和形狀系數(shù)；{I}是節(jié)點溫度向量；{Q}是節(jié)點熱流向量，包含熱生成。在ANSYS Workbench中利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，自動生成[K]、{I}、{Q}。

2.2.1 建立有限元模型設置材料特性

在Solidworks中把模型另存為(.igs/stp)格式，打開ANSYS Workbench，將其導入Steady-State Thermal圖形窗口中，經過Solid Model Facets等操作將模型實體化, 如圖2所示。并添加材料屬性，本文中榨膛的材料為304不銹鋼。

圖2 榨膛簡易模型導入示意圖

2.2.2 定義接觸區(qū)域并網(wǎng)格劃分

以5 mm為單位間隔，從榨膛左側到榨膛右側依次選取36個測量點。本文采用Solid87(六節(jié)點四面體單元)劃分方式進行劃分，因為Solid87在熱仿真中對于不太規(guī)整的結構比較適合，并且精度較高，對結果的準確性提供了保障依據(jù)，將Mesh中的Patch Conforming Method設置為Tetrahedrons，并把Details of Mesh中的Relevance調制成100。最終如圖3所示將榨膛劃分成117 704個單元72 502個節(jié)點。

圖3 榨膛簡易模型劃分單元格示意圖

2.2.3 施加載荷和邊界條件進行求解

假設環(huán)境溫度恒定，在Steady- State Thermal的Initial Temperature中設置初始環(huán)境溫度為25℃，在Convection的Film Coefficient中選中Import Temperature Dependent后選擇Stagnant Air—Simplified Case。然后將榨膛外壁從右到左指定36個點的溫度導入ANSYS Workbench中，并進行求解得到榨膛溫度分布云圖，如圖4所示。

圖4 榨膛簡易模型導入溫度示意圖

因為此時無法再在榨膛內壁標定點，所以用等比例的方式在榨膛內部從右往左選取第1、2、3、5、7、9、10、11、13、15、17、19、20、21、23、25、27、29、30、31、33、35、36測點的對應溫度，共23個，如圖5所示。

圖5 榨膛簡易模型內壁溫度示意圖

2.2.4 反解榨膛外壁仿真溫度

將榨膛當成一個整體，在內壁添加同樣的邊界條件、網(wǎng)格劃分方式，選取測點1對應的榨膛內壁仿真溫度加載在榨膛內表面(選中Steady-State Thermal的Temperature，將Magnitude設置為28.436℃)，通過ANSYS Workbench熱仿真得到榨膛外壁仿真溫度，重復22次以上步驟得到榨膛內、外壁23個仿真溫度，如表3所示。

2.3 單螺旋榨油機榨膛內外壁熱仿真溫度誤差

通過試驗和仿真得到榨膛外壁23個對應點的溫度，如表4所示。由表4可知，在測點36(185 mm，40.5℃)取得最大誤差為6.274%，平均誤差為2.44%，由于最大誤差和平均誤差都小于10%，所以對于該農業(yè)機械來說誤差是在可接受范圍以內的，因此可以用仿真溫度替代實際測量的溫度用于后面的溫度曲線擬合。

通過Matlab可以將23個榨膛外壁仿真溫度擬合成如圖6的函數(shù)，其函數(shù)表達式為f(x)=0.065 859x+27.463，且取得的最大誤差為6.191 3%，對于農業(yè)機械來說，誤差低于10%，同樣滿足擬合精度。

榨膛內壁仿真溫度擬合函數(shù)如圖7所示，其函數(shù)表達式為f(x)= 0.067 098x+27.514 1，且取得的最大誤差為6.279 2%。

表3 榨膛內、外壁仿真溫度 ℃

表4 榨膛外壁實測溫度與仿真溫度

圖6 榨膛外壁仿真溫度擬合函數(shù)示意圖

圖7 榨膛內壁仿真溫度擬合函數(shù)示意圖

2.4 單螺旋榨油機榨膛外壁仿真結果驗證

為了驗證本文熱傳導仿真結果的準確性，在榨膛外壁選取36個測點剩下的13個測點，在擬合通過仿真得到的榨膛外壁溫度的曲線上求得對應的13個測點的溫度，并與實際測得的溫度進行比較，如表5所示。

表5 榨膛外壁實測溫度與仿真溫度

由表5可知，剩下13個測點的榨膛外壁實測溫度與仿真溫度的最大誤差為5.819%。因此，這種熱傳導反解問題的方式是可以用來預估榨膛壓榨時內外壁溫度分布以及壓榨溫度范圍的。

3 結 論

利用ANSYS Workbench軟件對CH 1500T單螺旋榨油機的榨膛進行網(wǎng)格劃分以及穩(wěn)態(tài)傳熱仿真，得到榨膛內外壁相應測點的溫度。對比榨膛外壁實測溫度與仿真溫度，誤差范圍在-2.023%～6.274%之間,對于農業(yè)機械來說此誤差范圍在可接受范圍內(低于10%)，從而驗證了可以運用ANSYS Workbench來預測榨膛內外壁溫度分布。