李芃荃，譚雪松，張黎驊，李 舉

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，四川 雅安625000)

螺旋榨油機(jī)被廣泛運(yùn)用于植物油料中的油脂提取，通過(guò)對(duì)榨油機(jī)某些關(guān)鍵技術(shù)的研究，能夠保障榨油質(zhì)量的同時(shí)增加油脂產(chǎn)量，可節(jié)約時(shí)間和人力成本[1]。目前世界范圍對(duì)螺旋榨油機(jī)的研究較少，理論經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏有效的試驗(yàn)驗(yàn)證。影響榨油機(jī)性能的因素有很多，其中溫度是對(duì)榨油機(jī)出油率及出油質(zhì)量影響最大的因素之一[2]。榨油機(jī)工作時(shí), 主要通過(guò)榨膛內(nèi)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(lái)維持所需的溫度，但這種平衡模式是比較難保持的[3-5]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)螺旋榨油機(jī)的核心部分是榨膛[6]，而加熱裝置大多放置在榨膛上，通過(guò)導(dǎo)熱的方式為榨料提供壓榨時(shí)的溫度條件，因此對(duì)榨油機(jī)榨膛溫度的研究很有必要。

溫度屬于熱力學(xué)范疇，對(duì)于熱力學(xué)來(lái)說(shuō)，包括穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析(系統(tǒng)的凈熱流率為零)和瞬態(tài)熱力學(xué)分析(系統(tǒng)加熱或冷卻的過(guò)程)，榨油機(jī)工作時(shí)，對(duì)于榨油機(jī)榨膛自身結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，屬于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題[7]。有限元方法常用來(lái)解決穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)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(tái)能對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)熱、電磁場(chǎng)以及耦合場(chǎng)等進(jìn)行分析模擬，其強(qiáng)大的功能以及簡(jiǎn)便的操作已成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件之一[9]。到目前為止，國(guó)內(nèi)還未有用ANSYS Workbench來(lái)研究榨油機(jī)榨油時(shí)適宜溫度范圍的先例。本文旨在運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)單螺旋榨油機(jī)榨膛溫度分布進(jìn)行研究，并提出此方法可用于預(yù)測(cè)榨膛內(nèi)外壁溫度分布。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

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

1.2 試驗(yàn)方法

為方便測(cè)量榨膛外壁溫度，用卷尺測(cè)量榨膛全長(zhǎng)190 mm,從左到右每5 mm選取一個(gè)點(diǎn)，選點(diǎn)時(shí)錯(cuò)開榨膛出油孔，均勻選取36個(gè)點(diǎn)，由于紅外測(cè)溫儀光斑大小為2～3 mm，故測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)誤差以毫米為單位。測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 榨膛外表測(cè)溫點(diǎn)示意圖

試驗(yàn)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(jī)，接通電源，空轉(zhuǎn)調(diào)試，確保榨油機(jī)能夠正常工作。③記錄試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)地點(diǎn)、環(huán)境溫度以及榨膛各測(cè)點(diǎn)的初始溫度，待榨油機(jī)工作前榨膛外壁各測(cè)點(diǎn)的平均溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度基本一致時(shí)開始試驗(yàn)。④完成試驗(yàn)1(無(wú)預(yù)熱)，記錄試驗(yàn)壓榨時(shí)間為4 min以及試驗(yàn)后榨膛外壁指定各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。⑤完成試驗(yàn)2～6(預(yù)熱5 min)，記錄試驗(yàn)壓榨時(shí)間皆為4 min(確保壓榨時(shí)間一致)，記錄試驗(yàn)結(jié)束后各測(cè)點(diǎn)的溫度。⑥計(jì)算并記錄試驗(yàn)2～6結(jié)束后各測(cè)點(diǎn)溫度的有效平均值，統(tǒng)計(jì)各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平均溫度，以此作為試驗(yàn)榨膛外壁各對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)溫度測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表1、表2)

經(jīng)檢查調(diào)試以后，該榨油機(jī)可以正常工作。由試驗(yàn)1可知，若不預(yù)熱不易出油，并且各個(gè)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度(見(jiàn)表1)變化不大，不宜用來(lái)作為分析溫度變化的數(shù)據(jù)(試驗(yàn)室溫為25℃，試驗(yàn)前測(cè)得所有測(cè)點(diǎn)的平均溫度為24.3℃，誤差在可忽略不計(jì)的范圍以內(nèi))。

表1 試驗(yàn)1榨膛外壁溫度 ℃

表2 試驗(yàn)2～6榨膛外壁平均溫度 ℃

記錄預(yù)熱時(shí)間為5 min的5組試驗(yàn)的榨膛外壁測(cè)點(diǎn)溫度，并求得榨膛外壁平均溫度如表2所示(試驗(yàn)室溫為25℃，5組試驗(yàn)前所有測(cè)點(diǎn)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(jì)的范圍以內(nèi))。

2.2 單螺旋榨油機(jī)榨膛穩(wěn)態(tài)熱仿真

基本傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射3種。

在穩(wěn)態(tài)熱分析中任意一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)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(dǎo)矩陣，包括熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射系數(shù)和形狀系數(shù)；{I}是節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}是節(jié)點(diǎn)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(dòng)生成[K]、{I}、{Q}。

2.2.1 建立有限元模型設(shè)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(dǎo)入Steady-State Thermal圖形窗口中，經(jīng)過(guò)Solid Model Facets等操作將模型實(shí)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(jiǎn)易模型導(dǎo)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(cè)到榨膛右側(cè)依次選取36個(gè)測(cè)量點(diǎn)。本文采用Solid87(六節(jié)點(diǎn)四面體單元)劃分方式進(jìn)行劃分，因?yàn)镾olid87在熱仿真中對(duì)于不太規(guī)整的結(jié)構(gòu)比較適合，并且精度較高，對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保障依據(jù)，將Mesh中的Patch Conforming Method設(shè)置為Tetrahedrons，并把Details of Mesh中的Relevance調(diào)制成100。最終如圖3所示將榨膛劃分成117 704個(gè)單元72 502個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 榨膛簡(jiǎn)易模型劃分單元格示意圖

2.2.3 施加載荷和邊界條件進(jìn)行求解

假設(shè)環(huán)境溫度恒定，在Steady- State Thermal的Initial Temperature中設(shè)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(gè)點(diǎn)的溫度導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并進(jìn)行求解得到榨膛溫度分布云圖，如圖4所示。

圖4 榨膛簡(jiǎn)易模型導(dǎo)入溫度示意圖

因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)法再在榨膛內(nèi)壁標(biāo)定點(diǎn)，所以用等比例的方式在榨膛內(nèi)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(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)溫度，共23個(gè)，如圖5所示。

圖5 榨膛簡(jiǎn)易模型內(nèi)壁溫度示意圖

2.2.4 反解榨膛外壁仿真溫度

將榨膛當(dāng)成一個(gè)整體，在內(nèi)壁添加同樣的邊界條件、網(wǎng)格劃分方式，選取測(cè)點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的榨膛內(nèi)壁仿真溫度加載在榨膛內(nèi)表面(選中Steady-State Thermal的Temperature，將Magnitude設(shè)置為28.436℃)，通過(guò)ANSYS Workbench熱仿真得到榨膛外壁仿真溫度，重復(fù)22次以上步驟得到榨膛內(nèi)、外壁23個(gè)仿真溫度，如表3所示。

2.3 單螺旋榨油機(jī)榨膛內(nèi)外壁熱仿真溫度誤差

通過(guò)試驗(yàn)和仿真得到榨膛外壁23個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度，如表4所示。由表4可知，在測(cè)點(diǎn)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(duì)于該農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)誤差是在可接受范圍以內(nèi)的，因此可以用仿真溫度替代實(shí)際測(cè)量的溫度用于后面的溫度曲線擬合。

通過(guò)Matlab可以將23個(gè)榨膛外壁仿真溫度擬合成如圖6的函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式為f(x)=0.065 859x+27.463，且取得的最大誤差為6.191 3%，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，誤差低于10%，同樣滿足擬合精度。

榨膛內(nèi)壁仿真溫度擬合函數(shù)如圖7所示，其函數(shù)表達(dá)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(nèi)、外壁仿真溫度 ℃

表4 榨膛外壁實(shí)測(cè)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(nèi)壁仿真溫度擬合函數(shù)示意圖

2.4 單螺旋榨油機(jī)榨膛外壁仿真結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文熱傳導(dǎo)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在榨膛外壁選取36個(gè)測(cè)點(diǎn)剩下的13個(gè)測(cè)點(diǎn)，在擬合通過(guò)仿真得到的榨膛外壁溫度的曲線上求得對(duì)應(yīng)的13個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，并與實(shí)際測(cè)得的溫度進(jìn)行比較，如表5所示。

表5 榨膛外壁實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度

由表5可知，剩下13個(gè)測(cè)點(diǎn)的榨膛外壁實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度的最大誤差為5.819%。因此，這種熱傳導(dǎo)反解問(wèn)題的方式是可以用來(lái)預(yù)估榨膛壓榨時(shí)內(nèi)外壁溫度分布以及壓榨溫度范圍的。

3 結(jié) 論

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)CH 1500T單螺旋榨油機(jī)的榨膛進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及穩(wěn)態(tài)傳熱仿真，得到榨膛內(nèi)外壁相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫度。對(duì)比榨膛外壁實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度，誤差范圍在-2.023%～6.274%之間,對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)此誤差范圍在可接受范圍內(nèi)(低于10%)，從而驗(yàn)證了可以運(yùn)用ANSYS Workbench來(lái)預(yù)測(cè)榨膛內(nèi)外壁溫度分布。