基于EDEM的家用榨油机压榨腔工作性能仿真研究

2019-01-15 00:26孙绍安
农业工程学报 2018年24期
关键词:出油率螺距花生

张 强,张 旭,孙绍安



基于EDEM的家用榨油机压榨腔工作性能仿真研究

张 强,张 旭,孙绍安

(辽宁工程技术大学机械工程学院,阜新 123000)

为改善榨油机出油率,利用CATIA建立压榨腔三维模型,在EDEM中构建家用榨油机压榨腔的破碎仿真模型,采用多指标三水平三因素的正交试验探究家用榨油机压榨腔压榨花生工作性能与榨杆转速、物料投放量、榨杆螺距三者的关系,利用极差法分析影响因素对各指标的主次顺序,通过矩阵分析得到物料颗粒黏结键断裂比例、理论出油率与三因素的各层结构矩阵以及2个指标值的权矩阵,并计算得到各因素各水平的权重。根据权重大小确定各因素对压榨腔总体工作能力影响主次顺序以及最优工作方案。结果表明:物料黏结键断裂比例的影响因素主次顺序为:榨杆转速>物料投放量>榨杆螺距。随着榨杆转速的增大黏结键断裂比例不断增大;随螺距的增大先减小后增大;随物料投放量的增加不断减小。理论出油率的影响因素主次顺序为:榨杆转速>物料投放量>榨杆螺距,随着转速的增加理论出油率大小逐渐增加,随着投放量的增加不断减小;随着榨杆螺距的增加而逐渐增加。通过矩阵分析,各个因素对正交试验的指标值影响的主次顺序为:(榨杆转速)>(物料投放量)>(榨杆螺距),因素3、1、3的权重最大,故压榨腔最佳方案为313,即榨油机压榨腔压榨花生最佳工作参数为:榨杆转速80 r/min,单次投放量100粒,榨杆螺距6.3 mm。经验证试验验证,矩阵分析所得最佳工作参数条件下的花生出油率为45.20%,高于其余9组方案,故仿真所得结果具有合理性,为小型家用榨油机改良,油脂工业生产、榨油机械制造业升级奠定理论基础。

压榨;矩阵;食品加工;家用榨油机;EDEM;正交设计;矩阵分析

0 引 言

家用榨油机是一种利用机械外力作用,使得油料温度提高,活化油分子,使油料中油被挤压出来的机器。压榨腔是其主要的工作机构,主要由榨杆与榨腔组成。与工业榨油机连续加工不同的是,家用榨油机一般采用单次投料且在一定加工周期内完成压榨。工作时利用榨杆的自身旋转将榨腔里的油料逐步向前推进,油料的推进动力来源于榨杆的旋转运动,压榨过程也随之进行。

改善榨油机压榨条件一直以来都是影响出油效率的首要难题,为了实现高效率的压榨,国内外专家学者进行了大量深入的研究。为进行工艺参数优化,廖念禾等[1-4]研究了出油率与输送率主要影响因素;何东平等[5]通过试验获得花生临界压榨压力;姚英政等[6-7]分别探究了压榨形式、不同级数对油脂性质及榨油工艺影响;李昌珠等[8]计算了最佳入料温度;刘汝宽[9-12]自制装置进行试验构建了单轴压榨蓖麻籽油临界压缩比的模型、保压时间与出油率经验模型得到榨笼内表面的温度分布曲线;解士聪[13]研究了加热条件对腔内温度影响;王会等[14]分析微波预处理条件下对出油率及油脂理化指标等五个方面的影响。一些专家学者也对设计方法和理论进行大量研究,得到双螺杆的最佳布置形式[15];优化变径变螺距的榨螺[16];研制了一种双阶多级压榨双螺杆榨油机[17],陈麟星等[18-19]构建了压榨控制系统;杨银初[20]研究了双螺杆榨油机关键设计技术;模拟仿真是研究的又一种有效手段,黄志辉等[21]对保压回路设计以及AMESim系统仿真;户晓磊[22]对ZYJ339型低温螺旋榨油机进行二次开发进行参数化设计系统研究;邱云峰等[23-28]运用ANSYS Workbench、离散元、FLUENT等进行仿真模拟研究机械内腔流场与工作性能;李鸿程[29]介绍了矿物颗粒粉碎理论基于EDEM进行磨矿离散元模拟试验并对试验结果进行回归分析得到最佳工作参数。

国内外现有研究成果多侧重于研究工业榨油机工作时油料特性和压榨压力压榨时间等压榨条件单因素或者多因素对出油率影响、榨油方式对油脂理化指标影响以及压榨过程中油料自身条件变化等方面的研究。对于如何通过优化家用榨油机结构以及工作参数从而达到最佳压榨条件仍然存在需要进一步探讨的科学问题。笔者针对这一现状,以家用榨油机压榨腔工作参数为研究对象,建立压榨腔压榨花生颗粒的仿真模型,构建以颗粒黏结键破碎比率以及理论出油率为评价指标的压榨腔工作性能与工作参数之间的数学模型。为小型家用榨油机改良,油脂工业生产、榨油机械制造业升级奠定理论基础,对中国粮油生产业、提高食用油自给率降低进口依存度具有重要理论意义和工程实践价值,是中国工业生产从中国制造走向中国创造的一项必不可少的举措,也符合中国的长远发展战略目标。

1 仿真模型的建立

1.1 花生物料模型及参数设定

1.1.1 花生物料模型力学分析

EDEM模拟是采用BPM(bonded particle model)模型来建立物料模型,所建模型由一定数量的小颗粒黏结而成,BPM模型通过黏结键的形成和断裂来表征颗粒的黏结与破碎,为了简化分析过程,本文采用单一分布的BPM模型进行建模。在建立黏结模型前为便于分析,特进行如下假设:所用颗粒均采用软颗粒接触;假定颗粒间的黏结力均相同,组成各大颗粒的小颗粒间的作用力也相同;接触允许颗粒碰撞能够持续一定的时间,可以同时考虑多个颗粒的碰撞作用。

颗粒在某一时刻BOND被黏结起来,在这之前颗粒通过默认的Hertz-Mindlin黏结模型产生相互作用,这种黏结可以阻止切向和法向相对运动,当达到最大法向和切向应力时这种结合就会被破坏,颗粒之间就会产生相互作用[30]。然后黏结力即法向、切向力FF和法向、切向力矩TT随着时步的增加,根据颗粒的法向和切向速度以及法向和切向角速度的数值变化,按照式(1)从零开始叠加。

当法向和切向应力超过某个定义的值时,黏结就被破坏。因此,得到定义法向和切向应力的最大值max,max

在户外动态雕塑与自然的互动中,自然力或许占了更主导的地位,换一种说法,这种互动更接近于大自然对作品的塑造。在这个先决条件下,作品的“反作用”于自然实际上更接近于“无为”。这种作用关系是否可以被进一步深化?

这就意味着在完成颗粒替换后小颗粒形成黏结键,便可以形成一个由众多小单元组成的花生大颗粒。当黏结的颗粒群受到外部作用力时,依据离散单元法,根据牛顿第二定律在单位时间步长内对颗粒的位移与转角进行更新,此时黏结键上会受到力与力矩的作用,当达到设定的黏结键最大法向应力max和切向应力max时,黏结键断裂,以此来模拟颗粒的破碎过程。

黏结键断裂表示压榨腔对花生颗粒的作用效果,表明压榨腔对花生颗粒中每个细小单元之间的黏结作用的破坏。黏结键破坏的效率高,则代表压榨腔作用在花生颗粒功越多,即单位时间内破坏的黏结键数目以及断裂黏结键的占比可以用于评判出压榨腔工作性能的好坏,为进一步研究压榨腔结构的改进提供参考。

1.1.2 花生物料模型建立

本文破碎模型中的物料模型数据包括其3轴尺寸、物理特性等主要来自于中国花生主产区典型花生品种中的白沙(大)。构建花生仁的几何模型时,用游标卡尺对其外形尺寸进行测绘,根据测绘结果在CATIA中建立几何模型,以相应的格式导入EDEM软件中,将外壳作为颗粒工厂填充用于替换花生大颗粒的花生碎小颗粒。在EDEM的Particles窗口分别计算大颗粒与小颗粒体积,并根据公式,得到填充的半径为0.77 mm的小颗粒个数为=58。根据此数据设置颗粒参数、颗粒工厂位置以及运动参数进行小颗粒填充设置,运行结束得到填充后的花生颗粒的模型如图1。

图1 压榨花生模型

1.1.3 参数选择

将编写好的颗粒替换API(application programming interface,应用程序编程接口)以及颗粒替换文件放在仿真文件夹中,在全局参数设置中将particle to particle(颗粒与颗粒)设置为Hertz-Mindlin with bonding build-in(黏结接触模型);particle body force(颗粒体积力)设置为particle replacement plugin(颗粒替换插件)。颗粒替换时间设置为0.1 s,开始黏结时间设置为0.1 s。这样设置的时间非常近保证颗粒替换以后可以立即黏结成大颗粒,且保证颗粒黏结时不会被外力所破坏。

由于花生品种众多,物理参数也不尽相同,本文仿真模拟参数主要参考中国主产区典型花生品种中的白沙(大)的物理特性,最后通过经验与试验确定组成花生仁颗粒的小颗粒的黏结模型参数如表1。

表1 小颗粒黏结模型参数

1.2 家用榨油机模型及参数设置

表2 样机技术参数

图2 压榨腔模型

表3 花生及压榨腔参数

1.3 仿真参数设定

在Particles模块中进行物料颗粒以及小颗粒的建立,其中用于黏结的小颗粒名为Fraction半径0.77 mm,黏结半径1 mm;另外被替换的大颗粒名为Whole,尺寸恰好能包住所有小颗粒。对导入的几何模型定义材料,并设置榨杆的运动参数。运动形式定义为New Dynamic 0 Linear Rotation;开始运动时间设置为0开始;设置旋转轴时,先由Detail 模块中获取榨杆的质心坐标,然后根据集合体位置定义,方向的起止位置都为质心坐标,方向起止点分别为−100与100 mm。旋转速度依据需要设置为相应的值。根据软件EDEM2.6中的simulator模块当中的Time Step设定有2个选项,选取此次仿真试验的Simulation Time为20 s,再按照EDEM2.6软件开发商的参照设置Fixed time step为10%。数据输出时间间隔越小,计算机记录的数据会越多,此次仿真试验选取数据输出时间间隔应为0.1 s。此次仿真为减少计算处理颗粒与颗粒间碰撞的时间,最佳的网格单元边长为颗粒最小半径的2倍。本次模拟仿真试验将最小网格尺寸(grid size)设定为2倍的粒子最小半径(min)。

2 压榨方案设计与压榨过程分析

2.1 方案设计

在榨油机工作过程中榨杆的转速影响着物料的输送速率。目前市场上大部分家用榨油机转速为50~80 r/min,小型工业榨油机转速一般为30~80 r/min,因此本文选择了40、60、80 r/min 3个水平值。油料作物投放量过大可能造成下料困难,投放量过小则不能发挥压榨腔效率。充分考虑压榨腔工作空间与下料速度,选取100、150、200粒3个水平值。榨杆螺距大小影响榨杆与榨膛之间的空余体积从而影响压榨腔压榨效果。由于本文基于某品牌样机进行研究,为保证榨杆结构合理性,选取5.3、5.8、6.3 mm 3个水平值。取同种颗粒条件下,进行三因素三水平的正交试验,榨杆转速为因素,投放量为因素,榨杆螺距为因素。因素水平表,如表4。

表4 因素水平表

2.2 压榨过程分析

依据试验方案,通过EDEM对家用榨油机压榨腔进行工作过程仿真,得到9组方案压榨过程中0~20 s的黏结键破碎情况,以方案9为例,其压榨过程的方向视图如图3所示,图中分别压榨腔几何体以及物料颗粒,为了反映颗粒的速度特征,利用EDEM的后处理模块对不同速度的颗粒进行标记,颗粒速度的由高到低分别设置为红黄绿,由图3中可以清晰的看出颗粒运动状态,图中颗粒最大速度可以达到0.018 m/s。

在仿真过程中为确保仿真数据的准确性,每组方案分别进行3组仿真,取其20 s时黏结键破碎数目的平均值得到各方案的黏结键破碎趋势图,通过EDEM后处理统计断裂键数目,如图4所示。

由图4可知,方案(9)的黏结键断裂数目最多,破碎速率最快,方案(8)次之,其中方案(1)的黏结键破碎速率与数目最低。为了更加明确地对比各组方案的黏结键断裂数目预计断裂效率情况,将各组方案黏结键断裂数目,断裂键比例统计在表5中。由表5可知方案9断裂键数目最多为3 410,方案(1)至方案(8)分别为1 508、1 798、2 269、1 992、2 022、2 717、1 779、2 716,最大数目差为1 902;方案(4)的断裂键比例最大为0.113 7,其他方案分别为0.100 5、0.079 9、0.075 6、0.089 9、0.090 6、0.118 6、0.120 7、0.113 7,最大比例差为0.057 2。

图3 方案(9)压榨过程图

图4 9组方案物料颗粒黏结键断裂情况曲线

利用EDEM后处理模块划分出2个统计区域,如图5所示,统计区1为油渣质量统计区,统计区2为压榨花生物料的总质量统计区。分别统计出渣区的油渣质量以及压榨的花生物料总质量,进而求得出油质量,出油质量与花生物料总质量之比即为理论出油率,最终求得出油率具体数值如表5所示。

注:蓝色框为统计区。

2.3 数值仿真结果分析

由于正交表具有综合可比性,故利用极差法分析试验中各因素水平对试验指标的影响趋势,进而确定各因素的主次及最优工作组合。对9组模拟结果整理可以得到各水平因素下平均断裂键比例、理论出油率2个评价指标以及各自极差数据,如表6所示。

表5 9组方案仿真结果

由表6可知,颗粒榨杆转速为三者中最主要影响因素,且对于第一个评价指标来说,最优方案组合为313。颗粒榨杆转速为三者中最主要影响因素,且对于第二个评价指标来说,最优方案组合为312。根据表6绘制各因素3水平对黏结键断裂比例以及理论出油率的影响曲线,如图6a、6b所示。

由图6a可知,对物料黏结键破碎的影响因素主次顺序为:因素(榨杆转速)>因素(投放量)>因素(榨杆螺距),且随着转速的增加黏结键破碎比例逐渐增加,随着投放量的增加不断减小;随着榨杆螺距的增大先减小当达到一定值后开始逐渐增加。由图6b可知,对理论出油率大小影响因素主次顺序为:因素(榨杆转速)>因素(投放量)>因素(榨杆螺距),且随着转速的增加理论出油率大小逐渐增加,随着投放量的增加不断减小;随着榨杆螺距的增加而逐渐增加。

表6 各水平因素断键比例及理论出油率极差数据

注:11、12、13分别代表3个影响因素在各水平内断裂的黏结键比例值均值,1为第一个指标(黏结键断裂比例)的极差;21、22、23分别代表3个影响因素在各水平内理论出油率均值,2为第二个指标(理论出油率)的极差。

Note:11,12,13represents the mean value of bond fracture ratio of three influencing factors at different levels respectively,1is the range of the first index (bond fracture ratio);21,22,23represents the mean value of theoretical oil yield of three influencing factors at different levels respectively,2is the range of the second index (theoretical oil yield).

图6 3因素对黏结键断裂比例及理论出油率的影响

2.4 矩阵分析

2.4.1 矩阵模型的建立

2.4.2 矩阵模型的分析

2为理论出油率值,越大越好,采用矩阵分析法,其权矩阵2计算过程同1故求得2如式(6)。

2个评价指标的总权矩阵为2个指标值的权矩阵的平均值,计算过程如下

由以上计算可得各个因素对正交试验的指标值影响的主次顺序(主-次)为>>,因素3、1、3的权重最大,压榨腔最佳方案为313即榨杆转速为80 r/min,投放量为100粒(折合成单位时间投放为300粒/min),榨杆螺距为6.3 mm。最优条件取到了极值,考虑到机械本身的限制,选取的条件符合实际需要。

3 验证试验

为进一步验证仿真结果的有效性,利用样机进行压榨试验验证,试验过程如图7。

依据表5的9组方案以及拟合得到的最佳工作参数方案,选取压榨转速分别为40、60、80 r/min;单次颗粒投放量为100、150、200粒即投放量为300、450、600粒/min;榨杆螺距5.3、5.8、6.3 mm,压榨时间为样机额定的70 min,进行压榨试验。出油率公式如下式(8)。

=/×100% (8)

式中为全部榨出后用油的质量,为花生质量。

根据式(3)计算各工作参数的出油率,如表7。其中出油率最高方案为回归分析所得最佳工作参数:榨杆转速80 r/min,单次投放量100粒即300粒/min,榨杆螺距6.3 mm,出油率为45.20%。

图7 验证试验图

表7 各方案出油率

4 讨 论

4.1 花生压榨模型在压榨腔工作性能探究中优势与不足

相比于传统榨油机研究方法,仿真模拟最大的优势就是研究周期短、投入成本少、研究结果不但可以定性还可以定量化。目前应用于榨油机模拟仿真的方法有文献[21]所应用的AMEsim系统仿真方法、文献[22]所应用的基于Solid Works有限元理论方法、以及文献[23]所应用的ANSYS 流固耦合分析方法等,但这些模型多针对于榨油机结构部分进行建模分析,目前鲜有针对压榨过程中压榨结构与物料压榨情况进行分析的仿真模拟研究方法。与此同时基于EDEM的离散单元法已应用于诸如文献[31-32]等农作物加工过程模拟分析,目前却鲜有应用于花生等油料作物加工中。

本文基于离散单元法BPM(bonded particle model)模型建立花生物料颗粒模型,假设颗粒之间采用软颗粒接触,且由一定数量小颗粒黏结成花生物料大颗粒,依靠黏结键形成与断裂模拟花生颗粒黏结与破碎。以已有样机为基础,建立压榨腔花生压榨模型,通过3因素3水平正交试验模拟花生压榨过程,以平均断裂键比例、理论出油率量指标作为评价依据寻求压榨腔工作参数与其工作性能之间影响规律,从而得到最优工作参数。相较于文献[1]本文所建立花生压榨模型以及因素影响试验均基于计算机模拟仿真软件,从研究投入角度讲大大降低研究成本、缩短研究周期,无论从时间还是经济上都具有一定优势。此外从研究效果角度考虑,本次模拟分别从宏观出油率与微观黏结键断裂情况2方面对压榨腔工作效果进行评价,研究结果可以精确到细微结构,这是其他研究方式较少可以做到的。此外本文为在简化仿真模型基础上更接近于实际工况,将花生结构理想化均质化,选取单一尺寸细微小颗粒黏结成花生颗粒模型,将原有压榨过程中物料由粗、中、细、微的体积变化、以及不同体积对应不同屈服极限变化伴随的物料塑性变形过程等效成由花生大颗粒模型至细微小颗粒模型变化以及细微小颗粒之间微观黏结键断裂情况变化,将颗粒的物理参数转化为模型的特征参数进行求解。这样在压榨腔作用下,微观小颗粒之间相互作用的力也就是黏结键被破坏掉,隐含物料体积变化与随之伴随的屈服极限变化过程。但是,由于本模型压榨之后花生最小单元视觉上无明显由粗到中由细至微的体积变化,与实际压榨过程在形式上存在一定偏差,因此在今后研究中可建立一种微小颗粒黏结成小颗粒,小颗粒黏结成大颗粒的更加接近实际的花生压榨模型,细化花生压榨过程之后深入研究压榨过程中伴随体积变化的物料屈服极限变化过程,以期达到更加真实的模拟效果以及更加深入性能研究。

4.2 压榨腔最优工作参数在提高出油率方面局限性

本文主要针对特定物料即花生以及特定结构家用榨油机进行压榨腔工作性能研究和最优工作参数探究,研究结果针对相似结构榨油机压榨近似性质物料具有一定参考价值,对于其他形式榨油机或者花生之外物料仅具有一定参考性与研究方法导向性,所以研究结果在应用方面存在一定局限性。此外本文所研究压榨腔工作参数包括榨杆转速、螺距大小、投放量3种因素,故而所得最优参数仅包括这3种因素最佳值,虽然可以从这3个方面改良使得出油率得到提升但还不够全面,在优化出油率参数方面还有一定局限性。出油率影响因素还包括压榨时间、压缩比等,未来还需对此进行其他影响因素影响效果深入探讨与研究,找到一组全面可靠工作参数以期进一步提高花生出油率。此外还应针对其他不同物化特性物料进行进一步研究寻求其最佳工作参数,为研制适合多种物料压榨的高效家用榨油机产品提供理论指导及数值参考。在不超过电机额定转速条件下,得到最优组合中最佳转速为80 r/min,高于样机设定转速参数60 r/min,虽然转速增大,但同时降低了电机的转矩,不对电机能耗有特别的影响,因此,适当增加转速不会影响电机特性和能量消耗。

5 结 论

1)在CATIA中建立压榨腔几何模型,采用离散单元法利用EDEM建立物料的BPM模型,编写颗粒替换API实现大小颗粒的替换,构建家用榨油机压榨腔工作过程仿真模型;

2)利用建立的仿真模型进行多指标的三因素三水平的正交试验,利用极差法分析9组方案结果可以发现,榨杆转速为影响黏结键破碎比例的最主要因素,影响因素按影响大小排序为:榨杆转速>投放量>榨杆螺距。随着榨杆转速的增加,黏结键断裂比例不断增大,随螺距增大先减少后增加;随投放量增大不断减小;影响理论出油的最主要因素也是榨杆转速,影响因素按影响大小排序为:榨杆转速>投放量>榨杆螺距,随着转速的增加理论出油率大小逐渐增加,随着投放量的增加不断减小,随着榨杆螺距的增加而逐渐增加;

3)对仿真所得数据进行矩阵分析,构建物料颗粒黏结键断裂比例、理论出油率与3因素的各层结构矩阵以及2个指标值的权矩阵,并计算得到各因素各水平的权重。根据权重大小确定各因素对压榨腔总体工作能力影响主次顺序为>>,且因素3、1、3的权重最大,故压榨腔最佳方案为313,即榨油机压榨腔压榨花生最佳工作参数为:榨杆转速80 r/min,单次投放量100粒即300粒/min,榨杆螺距6.3 mm。经试验验证,矩阵分析所得最佳工作参数出油率最高,为45.20%,高于其余9组方案,仿真结果合理有效。

[1] 廖念禾,李华阳. FY172-C型螺旋榨油机制取蓖麻籽油工艺研究[J]. 中国油脂,2016,41(8):104-106.

Liao Nianghe, Li Huayang. Pressing of castor seed oil by FY172-C screw press[J]. Chinese Oils and Fats, 2016, 41(8): 104-106. (in Chinese with English abstract)

[2] Rukuan L, Fanglei X, Zhihong X, et al. Model of plug flow and equivalent in process of castor beans by single screw press[J]. Journal of Bioprocess Engineering and Biorefinery, 2014, 3(3): 227-231.

[3] Sriti J, Msaada K,Talou T, et al.Extraction of coriander oil by twin-screw extruder: Screw configuration and operating conditions effect[J]. Industrial Crops and Products, 2012(40): 355-360.

[4] 黄志辉,柯佳见,白鹏展,等. 直筒式压榨蓖麻油的工艺参数优化[J]. 沈阳农业大学学报,2015,46(6):699-705.

Huang Zhihui, Ke Jiajian, Bai Pengzhan, et al. Research of process parameters of castor's cylindrical pressing[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2015, 46(6): 699-705. (in Chinese with English abstract)

[5] 何东平,郑晓,林国强,等. 花生冷榨过程中的基本特性研究[J]. 中国油脂,2007(5):19-23.

He Dongping, Zheng Xiao, Lin Guoqiang, et al. Study on the basic characteristics in peanut cold pressing process[J]. Chinese Oils and Fats, 2007(5): 19-23. (in Chinese with English abstract)

[6] 姚英政,董玲,黎剑,等. 冷榨与热榨工艺对双低菜籽油品质影响[J]. 粮食与油脂,2016,29(3):28-31.

Yao Yingzheng, Dong Ling, Li Jian, et al. Effect of cold and hot pressing on quality of double-low rapeseed oil[J]. Cereals & Oils, 2016, 29(3): 28-31. (in Chinese with English abstract)

[7] 高金成,赵庆亮,张凡伟. 探讨不同压榨级数对榨油机工艺和性能的影响[J]. 农业开发与装备,2016(9):106-107.

[8] 李昌珠,董春英,肖志红,等. 温度对蓖麻籽压榨制油的影响[J]. 湖南林业科技,2016,43(6):74-77.

Li Changzhu, Dong Chunying, Xiao Zhihong, et al. The impact of temperature on squeeze processing and optimization efficiency of making castor oil[J]. Hunan Forestry Science & Technology, 2016, 43(6): 74-77. (in Chinese with English abstract)

[9] 刘汝宽,施亮林,肖志红,等. 压榨时间和压力对蓖麻籽压榨性能的影响及其数学拟合研究[J]. 中国粮油学报,2014,29(10):51-55.

Liu Rukuan, Shi Lianglin, Xiao Zhihong, et al. Effect of press time and pressure on press performance of castor seeds and its mathematical fitting[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2014, 29(10): 51-55. (in Chinese with English abstract)

[10] 刘汝宽,杨星星,肖志红,等. 压榨条件对蓖麻籽冷态压榨制油效果的影响[J]. 中国油脂,2015,40(8):92-94.

Liu Rukuan, Yang Xingxing, Xiao Zhihong, et al. Effects of pressing conditions on cold press of castor seed[J]. Chinese oils and fats, 2015, 40(8): 92-94. (in Chinese with English abstract)

[11] 刘汝宽,许方雷,肖志红,等. 蓖麻籽单轴压榨制油临界压缩比模型构建及计算[J]. 林业工程学报,2017,2(2):83-88.

Liu Rukuan, Xu Fanglei, Xiao Zhihong, et al. Numerical calculation model on critical compression ratio of castor bean in cold uniaxial press[J]. Journal of Forestry Engineering, 2017, 2(2): 83-88. (in Chinese with English abstract)

[12] 刘汝宽,杨星星,肖志红,等. 蓖麻籽冷态压榨过程保压时间与出油率的关系及其曲线拟合[J]. 湖南林业科技,2016,43(1):12-15.

Liu Rukuan, Yang Xingxing, Xiao Zhihong, et al. Relationship and curve fitting of holding time and oil yield efficiency in process of cold press for castor beans[J]. Hunan Forestry Science & Technology, 2016, 43(1): 12-15. (in Chinese with English abstract)

[13] 解士聪. 蓖麻籽螺旋榨油机榨膛温度与加热方法研究[D]. 长沙:中南大学,2014.

Xie Shicong. Study on the Temperature of Pressing Chamber and Heating Method of Screw Expeller for Castor Seeds[D]. Changsha: Central South University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[14] 王会,杨湄,刘昌盛,等. 微波处理油料对油脂品质影响的研究进展[J]. 中国油脂,2011,36(4):23-26.

Wang Hui, Yang Mei, Liu Changsheng, et al. Research advance in effect of microwave treatment of oil seeds on the quality of oil[J]. Chinese Oils and Fats, 2011, 36(4): 23-26. (in Chinese with English abstract)

[15] 许方雷. 蓖麻籽螺旋压榨机理研究与螺旋榨油机双螺杆结构设计[D]. 长沙:中南大学,2014.

Xu Fanglei. Study on the Mechanism of Screw Pressing for Castor Seeds and Twin Screw Structure Design of Screw Oil Press[D]. Changsha: Central South University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[16] 王连栋. 变径变螺距榨螺的参数化建模与结构分析[D]. 杨凌:西北农林科技大学,2010.

Wang Liandong. Paramatric Pmodeling and Structural Analysis of the Press Screw With Variable Diameters and Variable Pitches[D]. Yangling: Northwest University of Agriculture and Forestry Science and Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[17] 李诗龙,张永林,刘协舫. 双阶多级压榨双螺杆榨油机研制[J]. 农业工程学报,2010,26(8):102-107.

Li Shilong, Zhang Yonglin, Liu Xiefang. Development of a twin-screw oil press with double-step multiple-stage squeezing chamber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(8): 102-107. (in Chinese with English abstract)

[18] 陈麟星. 基于Arduino的家用榨油机控制系统的研究与设计[D]. 武汉:武汉轻工大学,2015.

Chen Linxing. Research and Design of the Domestric press to control system based on Arduino[D]. Wuhan: Wuhan University of Light Industry, 2015. (in Chinese with English abstract)

[19] 陈以亮. 基于PLC螺旋榨油机控制系统的设计研究[D]. 武汉:武汉轻工大学,2015.

Chen Yiliang. Research and Design of the Screw Press Control System Based on PLC[D]. Wuhan: Wuhan Light Industry University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[20] 杨银初. 双螺杆榨油机关键设计技术的研究[D]. 武汉:武汉工业学院,2010.

Yang Yinchu. The Key Design Technology Research of the Twin-scrw Oil Press[D]. Wuhan: Wuhan Institute of Technology, 2010.(in Chinese with English abstract)

[21] 黄志辉,刘东升,刘汝宽,等. 关于液压榨油机保压出油率优化控制[J]. 计算机仿真,2016,33(4):269-273.

Huang Zhihui, Liu Dongsheng, Liu Rukuan, et al. Optimimal control of oil yielding rate for hydraulic press[J]. Computer Simulation, 2016, 33(4): 269-273. (in Chinese with English abstract)

[22] 户晓磊. 基于ZYJ339型低温螺旋榨油机关键技术的研究[D]. 郑州:郑州大学,2016.

Hu Xiaolei. Research on the Key Technology of Cold-pressing Expeller Based on ZYJ339[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[23] 邱云峰. 螺旋榨油机中流固耦合物理场的研究[D]. 武汉:武汉轻工大学,2015.

Qiu Yunfeng. The Research of Fluid-Structure Coupling Physical Fields in Screw Press[D]. Wuhan: Wuhan University of Light Industry, 2015. (in Chinese with English abstract)

[24] 邢志中,李贵荣,张海东,等. 基于EDEM的小型立式粉碎机数值模拟与优化研究[J]. 食品工业,2017,38(1):206-209.

Xing Zhizhong, Li Guirong, Zhang Haidong, et al. Small vertical disintegrator based on EDEM numerical simulation and optimization research[J]. The Food Industry, 2017, 38(1): 206-209. (in Chinese with English abstract)

[25] 宁新杰. CP型单螺杆压缩机关键技术研究及内流场模拟[D].湘潭:湘潭大学,2012.

Ning Xinjie. Key Technology Research and CFD-based Simulation of the Single Screw Compressor[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[26] 黄志刚,李梦林,闫梅,等. 单螺杆挤出机螺杆模态分析及其优化设计[J]. 山东化工,2016,45(3):98-101. Huang Zhigang, Li Menglin, Yan Mei, et al. The Modal analysis and optimization design of single screw extruder[J]. Shandong Chemical Industry, 2016, 45(3): 98-101. (in Chinese with English abstract)

[27] 戴进. 基于啮合线法的双螺杆压缩机转子型线的研究[D].无锡:江南大学,2015.

Dai Jin. Research on Rotor Profile of the Twin Screw Compressor Based on Sealing Line Method[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[28] 陈合玉. 啮合同向双螺杆挤出机挤出过程模拟研究[D]. 上海:上海交通大学,2008.

Chen Heyu. A Global Model for Polymer Flows in Co-rotating Twin Screw Extruder[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[29] 李鸿程. 基于离散单元法的球磨机工作参数优化[D]. 昆明:昆明理工大学,2013.

Li Hongcheng. Research on Working Parameters Optimization of Ball Mill Using Discrete Element Method[D]. Kunming: Kunming University of Technology, 2013. (in Chinese with English abstract)

[30] 王国强,郝万军,王继新. 离散单元法及其在EDEM上的实践[M]. 西安:西北工业大学出版社,2010

[31] 李美生,宋少云,张永林,等. 基于EDEM的砻谷机的砻谷过程仿真[J]. 武汉轻工大学学报,2017,36(4):48-53.

Li Meisheng, Song Shaoyun, Zhang Yonglin, et al. Husking simulation of rice hullerbased on EDEM[J]. Journal of Wuhan Polytechnic University, 2017, 36(4): 48-53. (in Chinese with English abstract)

[32] 伍毅,白晓丽,张双,等. 基于离散元EDEM的碾米机内物料运动离散元分析研究[J]. 粮食加工,2018,43(2):52-55.

Simulation study on working performance of pressing cavity of household oil press based on EDEM

Zhang Qiang, Zhang Xu, Sun Shaoan

(,123000,)

To improve the oil extraction rate of oil press, the three-dimensional model of press chamber was established by CATIA. The crushing simulation model of the press chamber of the domestic oil press was built by EDEM. Orthogonal experiment with multiple indices, three factors was used to explore the relationship between the work performance of squeezing peanuts in the press chamber of the household press. And the rotation speed of the press rod, dosage quantity and the screw pitch of the pressing rod. The range method was used to analyse the primary and secondary order of the influencing factors. Through matrix analysis, the fracture ratio of material particle bond fracture, the theoretical oil yield and the three-factor structure matrix were obtained. It included index layer matrix, factor layer matrixand horizontal level matrix. The weight matrix of two index values were obtained then, and the weight of each factor level was calculated. According to the results, the influence of various factors on the overall working capacity of the press chamber optimal working scheme was determined by the primary and secondary order. The results showed that the primary and secondary subsequence of factors of material bond fracture ratio was: press rod speed > dosage quantity > press rod pitch. With the increase of the rate of press rod, the fracture ratio of the bond was larger. With the growth of screw pitch, it decreased first and then increased. With the growth of the amount of material, the quantity of material was decreasing. And for the evaluation index of the material bond fracture ratio, the optimal combination was313. The order of influencing factors of theoretical oil yield could be seen as: press rod speed > dosage quantity > press rod pitch. With the growth of rotational speed, the theoretical oil yield increased gradually. With the growth of screw pitch, it decreased first and then increased. With the growth of the screw pitch of the press rod, it increased gradually. And for the evaluation index of general oil production rate, the optimal scheme was312. Through matrix analysis, the order of the influence of each factor on the index value of the orthogonal test is(press rod speed) >(dosage quantity)>(press rod pitch). The weight of factor3,1,3was the largest. Therefore, the best scheme for press chamber was313. That was to say, the optimum working parameters of the press cavity of the press machine were as follows: the rotation speed of the press rod was 80 r/min, the dosage quantity was 300 grains per minute, 6.3 mm was obtained as the press rod. Verify by verification test, the oil yield of the nine groups were 42.67% and 41.25%, and 40.65% and 44.05%, and 41.83% and 42.05%, and 43.85% and 43.96%, 43.06% respectively. The oil yield of peanut was 45.20% under the optimum working parameters obtained by matrix analysis and it was higher than the other 9 clusters. The results above verified that the simulation results were reasonable.

press; matrix algebra; food processing; household oil press; EDEM; orthogonal design; matrix analysis

张 强,张 旭,孙绍安. 基于EDEM的家用榨油机压榨腔工作性能仿真研究[J]. 农业工程学报,2018,34(24):283-291. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.034 http://www.tcsae.org

Zhang Qiang, Zhang Xu, Sun Shaoan. Simulation study on working performance of pressing cavity of household oil press based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 283-291. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.034 http://www.tcsae.org

2018-05-20

2018-10-19

国家自然科学基金资助项目(51504121);国家自然科学基金面上项目(51774161);矿物加工科学与技术国家重点实验室开放课题(BGRIMM-KJSKL-2017-20)联合资助

张 强,教授,博士,博士生导师,主要从事矿业工程,机械工程的研究。Email:lgdjx042@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.034

TS223.3

A

1002-6819(2018)-24-0283-09

猜你喜欢
出油率螺距花生
掏花生
油樟叶不同生长期出油率的分析
柠檬植株4个部位精油出油率比较分析
超声波辅助提取桑葚籽油的研究
纤维素酶结合碱性蛋白酶提高冷榨大豆出油率的工艺优化
教你玩转模型直升机
CJ/T488—2016建筑排水钢塑复合短螺距内螺旋管材
到底埋在哪棵树下
花生去哪儿了
某调距桨螺距振荡控制分析