榨膛内压力对榨螺应力应变及油料出油率的影响

胡志刚 邱云峰 涂德先

(武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉 430023)

机械压榨制油是一种传统而又古老的方法，虽然目前大多食用油脂加工企业都采用溶剂萃取等化学方法来提取植物油脂，但在食品安全问题越来越受到重视的今天，低温冷榨植物油又重新受到了消费者的青睐。20世纪初，美国人V.D.Anderson发明了连续式螺旋压榨机使油料加工得以实现规模化生产［1］。但到目前为止，关于榨油机械设备的设计优化和制造工艺等方面，都还缺乏一套系统、完整的理论依据，榨油机的设计制造还大多依赖工程师的经验。植物油料在压榨中的物理特征及生物组织结构变化是一个非常复杂的过程，顾毓珍［2］通过7种油料的水压机压榨试验后，提出了油料压榨的通用压榨公式;贝洛波罗道夫［3］根据流体动力学原理，建立了压榨过程的流体动力学方程;也有研究者［4，5］尝试利用流固耦合渗流理论来建立油料的压榨数值模型，但对于油菜籽、大豆、花生等常见油料压榨力学特征变化过程，都还没有形成成熟、系统的理论体系。油料在压榨过程中的应力应变关系具有明显的非线性特征，为了对油料压榨过程中的力学特性进行分析，需要建立侧限排油压榨条件下的应力应变数学模型。而目前岩土工程力学理论已经比较成熟，可借助相关理论，提出相应的非线性应力应变简便计算模型。

1 榨膛内基本力学特性

1.1 油料的压榨力学特性

分析油料压榨过程中的流固耦合特性，对比土力学的多孔介质渗流理论，借助Karl Terzaghi的研究成果，提出的油菜籽、大豆、花生等植物油料压榨过程的孔隙比与有效应力的半对数型应力应变模型［6］:

式中:

e、e0——分别为油料空隙比和压榨前的初始孔隙比;

σ、σ0——分别为油料所受应力和初始有效应力，MPa;

CC——压缩系数。

利用Duncan-Chang模型，提出油料压榨过程的双曲线型应力应变模型［7］:

1.2 榨螺的受力计算

榨油机榨笼为榨油机的主要工作部分，而油脂的压榨挤出过程主要发生在榨笼的内腔(榨膛)，榨螺轴为榨膛的主要部件，为便于制造和后期维修，榨螺轴一般由芯轴、榨螺和锥圈等组成，榨螺为榨膛内的主要工作元件，对压榨油料的出油质量和出油率有着关键的作用。图1为典型的单螺杆榨油机的榨膛结构示意图。

螺旋榨油机榨螺的力学计算，已有较为成熟的经验公式［8］。以LYZX18型单螺杆榨油机为例，榨螺轴上共有7节榨螺(从前到后分别编为1～7号)，根据榨螺的结构参数及各节空间压缩比，计算作用在每节榨螺上的单位压力、单位轴向力、单位圆周力和单位径向力，计算结果见表1。

图1 榨膛结构示意图Figure 1 Squeezing chamber Structure diagram

2 榨螺的有限元分析

由于榨螺曲面比较复杂，对其进行有限元分析，首先要选用具有较强曲面造型功能的三维软件(如Catia、UG、Pro-E等)，建立榨螺的三维实体模型，然后导入ANSYSWork-bench软件进行有限元分析［9］。

表1 各节榨螺受力计算结果Table 1 Squeeze screws stress calculation results

根据有限元分析的一般步骤，首先定义单元类型和节点(实体单元，solid，10nod92)，输入材料属性(选用 40Cr)，进行网格划分;然后确立边界条件，因为榨螺轴的两端通过轴承固定在机架上，可以对1号和7号榨螺的端部进行全约束，而对于其余榨螺，可视其端面情况添加进行约束，如在轴孔面上添加径向约束，键槽侧面上添加法向约束，再根据前述受力计算结果添加外载荷;最后进行求解分析。由于油料压榨是一个逐渐加压的过程，后段榨螺明显比前段榨螺所受的力要大得多。图2和图3分别显示了4～7号榨螺所受的应力及应变分析结果。

由图2、3可知，榨螺的应力应变随螺旋线发生渐变，在7号榨螺的螺纹根部处应力达到最大(达到506.135 MPa)，这是由于油料在螺杆的推进和挤压下，对榨螺施加轴向力和圆周力，使得螺纹根部产生较大的应力集中。同时榨螺螺旋侧面承受着巨大的压力，因此对榨螺轴及榨螺的材料选择和加工工艺都要有较高的要求，应尽量避免过多的倒角和小尖角。6号榨螺的最大应力不超过12 MPa，所以前段榨螺可以考虑不使用合金钢，一般的结构钢进行合适的表面处理后即可达到要求。

3 油料的压力与出油率试验

采用简单的柱塞式压榨试验装置［10］，选择油菜籽和花生仁两种常见油料作为试验对象，出油压力分别采用10，20，30，40，50，60，70，80 MPa，共 8 种压力值，通过压力机加载达到目标压力，然后测定出油值和残油值，分别计算出各个试样油料的出油率，利用MATLAB的Curve Fitting Toolbox进行拟合，得到了如图4和图5所示的油菜籽和花生仁出油率与压力关系曲线。

由于油料的生物特性及物理上的不规则性，对油料颗粒的应力应变过程很难准确地计算仿真。由物理学基本知识可知，榨膛内榨螺与油料所受的应力是作用力与反作用力的关系，根据前述对榨螺的受力计算及应力应变分析，可知油料在榨膛内各阶段所承受的应力应变情况。

由图4、5可知，油料所承受压力与出油率呈对数关系，在压力上升的前段(30 MPa以前)，随着压力的增加，出油率上升较快，当压力增加到40 MPa以后，出油率的增加值明显下降，60 MPa以后出油率已经增加非常缓慢，这是由于过大的压力导致油料间的孔隙减小，堵塞了流道，阻碍了油液的渗流。

通过应力应变分析仿真和油料压榨试验，可以看出，油料的出油主要集中在6、7号榨螺，几种常见的植物油料，在受到的压力达到50～60 MPa的压力后，出油率已经很高了，要想继续提高出油率，简单地通过提高压力已无太大必要，这时可考虑如何保持油路通畅和持续保压。

4 结论

通过对螺旋榨油机榨膛内油料及榨螺的力学特性分析，采用软件仿真和压榨试验相结合的方法，对榨膛内榨螺的应力应变进行了模拟仿真，通过试验找到了常见油料的压力与出油率的关系。得出了如下结论:

图2 榨螺应力云图Figure 2 Squeeze screws stress nephogram

图3 榨螺应变云图Figure 3 Squeeze screws strain nephogram

(1)在榨螺的结构设计和材料的选择上，可以通过计算机模拟仿真的方法进行优化设计，以提高压榨效率和节约成本;

(2)油料的螺旋压榨取油并非压力越大出油率越高，对于不同的油料，寻找合适的出油压力才是重要的;

(3)植物油料压榨理论虽然还未成熟，但可以通过计算机仿真等数值计算方法和物理样机试验相结合的方法，探索其规律。

图4 油菜籽出油率与压力关系曲线Figure 4 Rapeseeds rate of oil yield and pressure curve

图5 花生仁出油率与压力关系曲线Figure 5 Peanut meats rate of oil yield and pressure curve

1 何东平.食用油脂加工技术［M］.武汉:湖北科学技术出版社，2010:38～76.

2 齐玉堂.油料加工工艺学［M］.郑州:郑州大学出版社，2011:90～103.

3 施亮林.蓖麻籽螺旋压榨机理及关键技术研究［D］.长沙:中南大学，2013.

4 Li Ying，Fabiano-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 郑晓，林国祥，游燕.可变形芝麻与花生饼的渗透率试验与数值模拟［J］.食品与机械，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 郑春婷，蔡燕燕，戚志博，等.基于回归分析法的改进Duncan-Chang模型研究［J］.武汉理工大学学报，2012，24(4):108～112.

8 余南辉，李诗龙，柳德文.基于有限元法的螺旋榨油机榨螺的应力分析［J］.轻工科技，2014(2):57～58.

9 张朝晖.ANSYS结构分析工程应用实例解析［M］.北京:机械工业出版社，2010:33 ～125.

10 郑晓.油料压榨理论与试验研究［D］.武汉:武汉理工大学，2005.