黃志輝，許方雷，李昌珠，劉汝寬

(1中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083;2湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南長沙410004)

蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應(yīng)力關(guān)系的研究

黃志輝1，許方雷1，李昌珠2，劉汝寬2

(1中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083;2湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南長沙410004)

【目的】研究蓖麻籽在不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系.【方法】進(jìn)行了完整蓖麻籽與碾碎后的蓖麻籽在不同的壓榨方式、不同的壓榨速率下的冷榨試驗;采用川北方程建立了雙曲線型壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系模型，并依據(jù)試驗結(jié)果，應(yīng)用最小二乘法求得該模型的待定參數(shù).【結(jié)果和結(jié)論】蓖麻籽碾碎后壓榨在相同的條件下所達(dá)到的等價壓縮比和完整籽基本一致，但實際壓縮比比完整籽小得多;多次壓榨在相同的條件下比單次壓榨可以達(dá)到更大的壓縮比;模擬值與實測值的對比和誤差分析表明，模擬值與實測值比較吻合.

蓖麻籽;壓榨方式;壓縮比;軸向應(yīng)力

植物油料在冷態(tài)壓榨過程中壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系是冷榨試驗與理論研究的重要內(nèi)容，隨著壓縮比的增大，應(yīng)力也不斷的增大，且壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系是非線性關(guān)系.Mrema等［1］對油料機(jī)械壓榨的三步假設(shè)推導(dǎo)出，線性加載與恒量加載在任意時刻、餅粕在任意高度時的壓力模型.游燕等［2］基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型預(yù)測了菜籽、菜籽仁、花生、大豆等油料作物的應(yīng)力 -壓縮比關(guān)系曲線，Zheng等［3-4］基于固液耦合滲流場建立油料作物壓榨模型，并預(yù)測了油料作物在恒量加載的情況下，壓榨時間與位移的關(guān)系曲線.棉籽、蓖麻籽、菜籽等油料作物的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)力-壓縮比關(guān)系的相關(guān)研究表明壓榨速率越大，壓縮比越小，軸向應(yīng)力越大［5-8］.但油料作物在不同狀態(tài)不同壓榨方式下的壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系目前鮮見報道.

本文通過單軸壓榨研究蓖麻籽在不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應(yīng)力的關(guān)系.應(yīng)用川北方程建立雙曲線型壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系模型，通過比較蓖麻籽在不同狀態(tài)、不同壓榨方式下的壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系，探討蓖麻籽何種狀態(tài)、何種壓榨方式、何種壓榨速度下達(dá)到更大的壓縮比需最小的軸向應(yīng)力.

1 材料與方法

1.1 試驗材料和儀器

試驗采用湖南省林業(yè)科學(xué)院培育的“湘蓖一號”蓖麻籽，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院蓖麻課題組自行研制的內(nèi)徑為39 mm的單軸壓榨試驗裝置和濟(jì)南凱銳機(jī)械設(shè)備有限公司制造的微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)加載裝置.

1.2 試驗方法

試驗選擇了20、35、50 mm·min-13種不同的壓榨速率，采用速度控制加載方式探討速率對壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系的影響.為了探討蓖麻籽在不同狀態(tài)(完整與碾碎)和單次與多次壓榨對壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系的影響，試驗選擇了完整蓖麻籽和碾碎后的蓖麻籽分別進(jìn)行單次與多次壓榨.每次試驗取蓖麻籽45 g，分別裝入壓榨室，將試驗裝置放在萬能試驗機(jī)上，利用材料試驗機(jī)上的加載裝置對試驗裝置上的活塞直接加載.單次壓榨是指在1個試驗中，用萬能試驗機(jī)對單軸壓榨試驗裝置在恒定速度下不間斷的壓到預(yù)設(shè)高度.多次壓榨則是在1個試驗中，用萬能試驗機(jī)對單軸壓榨試驗裝置在恒定速度下壓到第1個預(yù)設(shè)高度后，停止壓榨，對餅粕進(jìn)行攪拌松弛，然后第2次進(jìn)行壓榨到第2個預(yù)設(shè)高度，再次停止壓榨，對餅粕再次進(jìn)行攪拌松弛，依次下去，進(jìn)行到最后一個預(yù)設(shè)高度.單次壓榨的數(shù)據(jù)是從萬能試驗機(jī)剛接觸到單軸壓榨試驗裝置的活塞時，開始采集應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過采集到的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)和初始高度計算壓縮比-軸向應(yīng)力數(shù)據(jù).多次壓榨第1次壓榨跟單次壓榨一樣采集數(shù)據(jù)，第2次壓榨從壓到第1次預(yù)設(shè)高度后開始采集數(shù)據(jù)，第3次從壓到第2次預(yù)設(shè)高度后開始采集數(shù)據(jù)，依次類推.本次試驗的分組見表1:

表1 試驗組及壓榨速率Tab.1 Test groups and squeeze rates

相關(guān)參數(shù)［9］計算如下:

式中，p為壓榨軸向應(yīng)力(Mpa);F為壓榨壓力(N); A為油料表面面積(mm2);εn為壓榨壓縮比;V0為壓榨前的初始體積(mm3);V為壓榨后的體積(mm3)，H為壓榨后的高度(mm);H0為壓榨前的初始高度(mm);ρ為顆粒集合體的密度(g·mm-3);ρ∞為顆粒集合體在受壓無窮大時的理論最大密度(g·mm-3); D為餅粕的相對密度(g·mm-3);V∞為顆粒集合體在受壓無窮大時的凈體積(mm3);e為孔隙率.

1.3 模型建立

若忽略應(yīng)力-應(yīng)變突變，采用Kawakita方程建立蓖麻籽在不同狀態(tài)下壓縮比-應(yīng)力模型.Kawakita方程［11］的形式為:

式中，p為壓榨軸向應(yīng)力(MPa);a、b為待定參數(shù)，C為體積壓縮率.

體積壓縮率C［9］定義為:

式中，V0表示壓榨前的初始體積(mm3);V表示壓榨后的體積(mm3).

根據(jù)上述方程，當(dāng)時p→∞，可得

根據(jù)川北［10］的定義及上述方程，當(dāng)施加壓力時，a為集合體的初始孔隙率［9］，即a=1-D0.

根據(jù)εn、C將Kawakita方程轉(zhuǎn)化為壓縮比和軸向應(yīng)力關(guān)系表達(dá)式，即:

2 結(jié)果與分析

2.1 壓軸比-軸向應(yīng)力試驗

完整蓖麻籽單次壓榨壓縮比-軸向應(yīng)力試驗結(jié)果(圖1a)表明，蓖麻籽的壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系是非線性變化，并且存在突變.壓縮比-軸向應(yīng)力突變表現(xiàn)為油料顆粒的屈服與破碎蓖麻籽散體層中存在大量孔隙，殼仁間也存在空隙.當(dāng)油料外皮殼破碎后，顆粒強(qiáng)度減小，產(chǎn)生壓縮比-軸向應(yīng)力突變［5］.壓力在一定的情況下，壓榨速率對壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系有很大影響，速率越大，破碎應(yīng)力越大，突變越小［5-6］.由圖1a也可以看出當(dāng)壓縮比達(dá)到比較大時，應(yīng)力增長得比較快，壓縮比-軸向應(yīng)力曲線比較陡.這時表明壓縮比接近臨界狀態(tài)，不可再壓縮.

與完整蓖麻籽壓榨相比，碾碎后壓榨在相同的壓力下，達(dá)到的壓縮比小得多，而且在各壓榨速率下壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系曲線發(fā)生的突變比較小，基本上沒有明顯的突變現(xiàn)象(圖1b).這主要是因為碾碎后壓榨時，散體之間的孔隙變小了，皮殼與內(nèi)仁所受的壓力比較均勻，在同一條件下，碾碎后壓榨所能達(dá)到的壓縮比比完整籽壓榨小，其主要原因是一定質(zhì)量的蓖麻籽碾碎后的體積比碾碎前小，根據(jù)密度公式可知其顆粒集合體密度變大，再根據(jù)孔隙率公式得出碾碎后的顆粒集合體的孔隙率變小，可壓縮性變小［11］.經(jīng)測定，蓖麻籽碾碎后裝入壓榨筒內(nèi)的體積是未碾碎前的0.60倍，也就是說蓖麻籽碾碎后相當(dāng)于壓縮比達(dá)到了1.67.

圖1 蓖麻籽完整和碾碎后單次壓榨壓縮比與軸向應(yīng)力關(guān)系Fig.1 The relationship between compression ratio and axial stress of complete seeds and crushed seeds in a single squeeze way

與單次壓榨相比，多次壓榨在相同的壓力下可以達(dá)到更大的壓縮比(圖2).其主要原因一是因為當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，餅粕就開始形成自身特有的內(nèi)部抗壓結(jié)構(gòu)，當(dāng)繼續(xù)壓榨時，這種結(jié)構(gòu)的抗壓能力越強(qiáng)，最終達(dá)到不可再壓縮狀態(tài).但是當(dāng)開始形成時或形成后破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其抗壓能力減弱，此時再壓榨可以達(dá)到更大的壓縮比.二是當(dāng)達(dá)到一定壓縮比時，松弛再壓榨，在壓榨到相同壓縮比時，有一部分油脂能夠被擠出，使其顆粒集合體質(zhì)量變小.根據(jù)密度計算公式，在體積不變的條件下，質(zhì)量減小，密度減小;根據(jù)孔隙率公式，顆粒集合體密度減小，可得出顆粒集合體的孔隙率變大，可壓縮性變好［11］.

圖2 蓖麻籽完整和碾碎后單次與多次壓榨壓縮比與軸向應(yīng)力關(guān)系(壓榨速率50 mm·min-1)Fig.2 Single squeeze compared with repeated squeeze of complete seeds and crushed seeds

2.2 蓖麻籽壓縮比與軸向應(yīng)力關(guān)系的數(shù)值模擬

根據(jù)圖1可知，完整籽壓榨壓縮比小于3與碾碎壓榨壓縮比小于2.2時，壓榨壓力比較小，試驗證明此時出油比較少，研究價值不大.根據(jù)以上分析，完整籽壓榨選擇壓縮比大于3，碾碎壓榨選擇壓縮比大于2.2進(jìn)行分析.根據(jù)試驗結(jié)果應(yīng)用最小二乘法求得蓖麻籽在不同狀態(tài)下模型參數(shù)a、b值，結(jié)果見表2.

應(yīng)用雙曲線型應(yīng)力-應(yīng)變模型模擬蓖麻籽冷榨壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系，結(jié)果見圖3.由圖可知，采用川北方程建立的壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系曲線與實測值比較吻合.但由于蓖麻籽壓榨過程中存在突變或其他原因?qū)е履M值與實測值還是有一定誤差.

表2 壓縮比-軸向應(yīng)力參數(shù)Tab.2 Compression ratio-axial stress parameters

圖3 蓖麻籽完整和碾碎后模擬壓榨壓縮比與軸向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3 The analogue curve of the relationship between compression ratio and axial stress of complete seeds and crushed seeds

2.3 誤差分析

因殘差平方和的大小不僅與模型曲線好壞有關(guān)，而且還與實測值的個數(shù)有關(guān)，對于某一模型曲線來說，實測值越多，殘差平方和就越大(除實測值與模型曲線完全重合的情況).為了方便比較模型曲線的好壞程度，引入殘差平方和均值和平均誤差.

表3 蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式的誤差分析Tab.3 Error analysis of castor seeds of different states in different squeeze ways

根據(jù)試驗結(jié)果與模型模擬結(jié)果，計算得到殘差標(biāo)準(zhǔn)差、殘差平方和均值和平均誤差.結(jié)果見表3.

由表3可得，各組試驗的殘差標(biāo)準(zhǔn)差相差不大，均小于5.3，殘差平方和均值相差比較大(2.845 3～16.036 6)，各組試驗的平均誤差相差不大(0.041 8～0.085 8).

3 結(jié)論

壓榨速率對蓖麻籽的壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系有比較大的影響，壓榨速率越大，壓縮比越小，軸向應(yīng)力越大.碾碎后的蓖麻籽在相同的壓力下達(dá)到的實際壓縮比比完整籽小得多，但等價壓縮比基本一致，多次壓榨在相同的條件下可以達(dá)到更大的壓縮比.采用川北方程建立的雙曲線型壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系模型能較好描述蓖麻籽冷榨壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系.蓖麻籽在不同狀態(tài)不同壓榨方式的壓縮比-軸向應(yīng)力關(guān)系的研究為榨油機(jī)設(shè)計提供了依據(jù).特別是碾碎后壓榨試驗數(shù)據(jù)說明了蓖麻籽壓榨前的預(yù)處理可以有效地減小榨膛壓縮比，提高榨油機(jī)的生產(chǎn)效率.多次壓榨試驗數(shù)據(jù)為螺旋變徑變螺距榨油機(jī)設(shè)計提供了依據(jù).

［1］ MREMA G C，McNULTY P B.Mathematical model of mechanical oil expression from oilseeds［J］.J Agr Eng Res，1985，31(4):361-370.

［2］ 游燕，鄭曉，王經(jīng)州.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的植物油料實際壓縮比與臨界壓榨壓力預(yù)測［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工(學(xué)刊)，2006(7):18-23.

［3］ ZHENG X，YOU Y，LIN G X，etal.Fluid-solid coupling seepage-based numerical simulation ofmechanical oil expression from peanut［C］∥Anon.Proceedings of the 2009 International conference on engineering computation. Beijing:Beijing Society of Agricultural Engineering，2009: 67-70.

［4］ ZHENG X，YOU Y，LIN G X，et al.Numerical simulation of mechanical oil expression from sesame based on fluid-solid coupling flowing through porousmedia［C］∥Anon.Proceedings of the2009 International conference on engineering computation.Beijing:Beijing Society of Agricultural Engineering，2009:645-648.

［5］ 鄭曉，林國祥，游燕，等.棉籽和蓖麻籽的冷榨試驗與數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(9):260-264.

［6］ 鄭曉，李智，林國祥，等.菜籽與脫皮菜籽冷榨的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004，6:187-189.

［7］ 鄭曉，林國祥，王少梅.菜籽與菜籽仁散粒體的壓榨塑性模型［J］.浙江大學(xué)學(xué)報:農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2005，31(6):802-806

［8］ 鄭曉，林國祥，尹芳，等.植物油料實際壓縮比計算模型與數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2006，37(8):10-14.

［9］ 葛榮德.川北公夫粉末壓制方程應(yīng)用中的幾個問題及方程的修正［J］.粉末冶金技術(shù)，1993，11(2):90-94.

［10］KAWAKITA K.Some considerations on powder compression equations［J］.Powder Technol，1971，4(2):61-68.

［11］王晉，張汝華，楊建云，等.乙基纖維素粉體學(xué)性質(zhì)的研究［J］.中國藥學(xué)雜志，2000，35(2):102.

［12］鄭竟成，唐善華.關(guān)于螺旋榨油機(jī)壓縮比分析［J］.糧食與油脂，2001(9):41.

【責(zé)任編輯 霍 歡】

Researchs of the relationship between com pression ration and axial stress of castor seeds of different states in different squeeze ways

HUANG Zhihui1，XU Fanglei1，LIChangzhu2，LIU Rukuan2
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China; 2 Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004，China)

【Objective】To study the relationship of compression ratio between axial stress and castor seeds in different stateswith different squeezemethods.【Method】Cold pressing tests of complete and crushed castor seedswere accomplished in different squeeze ways with different squeeze rates.Hyperbolic compression relationship model between ratio and stress was developed on the basis of the Kawakita＇s equations.The parameters of themodelwere determined by the least squaremethod according to the tested results.【Result and conclusion】The results showed that crushed castor seeds achieved an equivalent compression ratio consistent with complete ones，while the actual compression ratio wasmuch smaller than that of the complete seeds.Pressing repeatedly under the same conditions can achieve a greater compression ratio than that of a single press.Simulated values and measured valuesmatched well by comparison of values and their error analysis.

castor seed;squeeze way;compression ratio;axial stress

TH-39

A

1001-411X(2015)01-0101-05

黃志輝，許方雷，李昌珠，等.蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應(yīng)力關(guān)系的研究［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，36(1):101-105.

2013-11-18 優(yōu)先出版時間:2014-12-02

優(yōu)先出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7671/j.issn.1001-411X.2015.01.019.html

黃志輝(1952—)，男，教授，E-mail:zhhuang@mail.csu.edu.cn;通信作者:許方雷(1988—)，男，碩士，E-mail: 841469575@qq.com

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304608)，國家科技支撐計劃(2011BAD22B04)