油料在螺旋压榨机榨腔内的应力应变特性研究

1、油料在螺旋压榨机榨腔内的应力应变特性研究摘要首先，对油料进行了基本力学分析，并采用川北方程建立了侧限排油压榨的应力、应变关系模型。结果表明：川北方程能较好地模拟花生、大豆、芝麻、亚麻籽的侧限排油压榨的应力、应变关系。研究了油料的流固耦合渗流问题。基于油料为可变形多孔介质，油料的流变特性，流变场与渗流场的相互作用，建立流固耦合渗流模型，运用数值分析方法求解油料的流固耦合渗流问题。然后，针对榨螺进行了有限元计算的理论分析。最后，借助计算机强大的计算能力，代替手工繁杂的计算，采用ANSYS分析软件对油料和榨螺进行有限元应力应变分析分。结论，由油菜的应力应变实验可知当压力达到一定值时，再增加压力出油率

2、增加的很有限，所以当压力达到一定值还采用不断增加压力的方法提高出油率不可取。轴向力和圆周力等综合作用的使端面螺纹根部小脚处产生较明显的应力集中，前六节榨螺最大应力不超过12Mpa，后两节榨螺达到500Mpa，所以前六节榨螺只需要一般材料就行，后两节需要用40cr合金钢。关键词：油料，压榨，应力应变，榨螺，ansys，有限元分析1.建立榨螺实体模型1.1榨螺的结构参数【1】榨螺的结构参数如表11。表11 榨螺的结构参数外径（cm）根径（cm）螺距（cm）长度（cm）空余体积（cm3）每转体积排量（cm3）109.05.67.3110801.2榨螺键槽相对螺旋起止位置的角度榨螺键槽相对螺旋起止位置

3、的角度如表12。表12 榨螺键槽相对螺旋起止位置的角度名称榨螺921051.3建模 对榨螺进行有限元分析，首先建立合适的有限元模型，好的模型不但能节省分析时间，而且可以使计算机的结果更精确。而若模型不适合，可能导致大量的时间浪费，分析的结果和实际相差较远，甚至出现分析错误的情况。有限元模型的建立是进行有限元分析必须的一步，也是关键的一步。图11为本次论文所分析的第八节榨螺solidworks三维模型,图11 榨螺solidworks三维模型2建立榨螺受载力学模型2.1压力的形成及分布2.1.1榨膛压力的形成榨膛之间的压力，是由于榨料受压力后，随榨油机相应部分产生反作用所致。此反作用大致归纳如下

4、：(1)榨膛空间体积的缩小，迫使榨料压缩而形成压力：空余体积系数指榨膛内每一导程榨螺所包含的空间体积。空余体积和沿轴向缩小的情况包括：a.导程依次缩小而根径不变或榨螺根园直径逐渐变大；b.榨螺内径逐次缩小。(2)缩小出饼圈缝宽，增大对榨料的反作用力：调节出饼圈厚度在一定程度上可以改变榨膛内压力大小。一旦调至某一限度，压力就主要取决于榨料所产生抵抗力的大小。此时，对于一定结构的螺旋榨油机，其最大压力值取决于榨料结构。2.1.2压力的大小与变化规律【2】1. 压力变化规律：榨螺压力一般指径向压力、轴向力和圆周力，径向压力很容易利用应变仪定方法进行测定，而且他也能基本反映出榨膛内压力变化的实际情况。

5、轴向压力目前还没有很好的测定方法，根据有关文献介绍，其变化规律与径向压力相近，且略大一点。不过螺旋榨油机的特殊点是最高压力区段最小，即所谓瞬时高压，最大压力一般分布在主压榨段。对于底油分油料的一次压榨，一般分布在主压榨段中后期。2. 最大压力值：一般可以由螺旋压榨机的最大榨膛径向压力衡量榨料受压情况。但由于影响因素较多，压力值变化范围很大，为此也有一个确定合理压力值的问题。2.2第八节榨螺受力分析结果表21 榨螺的受力分析结果理论压缩比实际压缩比作用在各节榨螺上的单位压力(mpa)各节榨螺所受单位轴向力(mpa)作用在各节榨螺螺旋面上的单位圆周力(mpa)作用在各节榨螺上的单位径向力(mpa)

6、15.0257.67681.920.7370.819273.7283 ANSYS有限元分析【3】定义单元类型定义材料属性绘制几何模型进行网格划分加载及约束分析查看结果在有限元分析过程中，主要是应用三个基本模块：预处理模块，分析计算求解模块，后处理模块。预处理模块是提供一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可方便地构造有限元模型，实现参数定义，实体建模，网格划分三种功能。在分析计算模块中，是定义分析的类型，分析的选项，载荷数据和载荷步选项等，来对模型进行有限元分析求解。对于后处理模块则主要是用来查看分析结果，从而得到位移、应力、应变等的图形和数字显示。有限元分析流程图如图411。图31 有限元分

7、析流程图3.1指定单元类型选择structure，进行结构分析，从而热力学分析，电磁场分析，声场分析，压力分析，流体动力学分析的相关菜单只显示结构分析的有关菜单，方便用户处理。3.2定义单元类型在有限元分析中，单元类型决定力：每个单元的节点数和分布，节点的自由度，单元型函数。有限元软件中，通常把单元类型按功能划分。根据榨螺实体建模特性及其在运行中所反映的结构力学特性，榨螺应采用实体单元，选择solid，10nod187。solid，10nod187。单元是3D固体结构单元，由10个节点组成，在单元每个节点上有三个自由度，即分别沿着三个坐标方向。此单元可以进行塑性，应力强化，大变形以及大应变分析

8、。3.3输入材料属性榨螺轴采用材料40cr，查阅机械设计手册，40cr的弹性模量为2.0x10，泊松比为0.3，许用应力120mpa，拉升强度980mpa，屈服点785mpa。3.4导入实体模型 运用solidworks进行实体造型；建立榨油机榨螺受载的力学模型；最后把solidworks实体造型直接导入ansys软件进行有限元分析，避免ansys建模时繁杂的操作，快捷、方便地计算出结果。图32 榨螺 ansys 实体模型3.5划分网格生成有限元模型 根据榨螺实体建模的结构特点和ANSYS软件的网格划分功能以及本课题所要达到的目的，我们对榨螺进行自由网格划分。这种方法可以根据模型的集合特点，自

9、动划分的疏密得当，利用ANSYS Meshing模块中提供的可以创建和管理节点和单元命令，采用solid，10nod92单元，并运用上述自由网格划分对榨螺进行划分。榨螺网格划分截图如下：。 图33 榨螺ansys网格划分3.6建立边界条件在建立榨螺的有限元模型后，就要对模型施加边界条件，在ANSYS软件中，可以在模型上施加边界条件，是根据分析实体的实际工作情况，在有限元分析，计算模型边界节点上施加必要的约束。在有限元分析中确定边界条件是要遵循以下原则：要施加足够的位置约束，消除有限元模型的刚体位移来确定的边界条件应尽量简单直观，减少计算机的存储量和计算时间了建立的边界条件必须符合结构的实际工作

10、条件，否则计算结果将于实际不符。榨螺的两端轴承固定在机架上，所以对两端进行全约束，而对于榨螺内控部分视其端面进行约束，如圆孔部分添加径向约束，键槽部分添加端面法向约束。3.7加载根据上述分析，榨螺所受的外载荷主要集中在沿进料方向的榨螺螺纹侧面（轴向力和圆周力）和榨螺底径圆柱上（径向力）。3.8求解在求解之前还需做出如下选择：分析类型：静力学分析；求解模式：校验，求解或重分析求解；定义完成后，既可以开始求解，最后处理检查结果。3.9后处理（1） 榨螺变形分析变形分析是检验榨螺在施加载荷的情况下的变形情况，以及其是否能够在施加载荷是正常工作，并根据分析的结果对榨螺的变形情况预先改进，保证其变形大小

11、在求解范围内。图34为榨螺ansys 变形分析结果。 图34 第八节榨螺ansys变形分析结果（2） 榨螺应力分析应力的分析主要是应力集中的部分，还有榨螺的整体的应力分布规律，从而找出解决实际运行中潜在的问题，并通过改进材料、加工方法以及热处理方法等方式来改进榨螺的应力集中，从而使系统更加安全的运行。图35为榨螺ansys 应力分析结果 图35 第八节榨螺ansys应力分析结果3.10小结由所得榨螺形变图可以看出应力随螺旋线而渐变，在端面螺纹根部小角处应力变形最大（第八节最大时达到506.135Mpa）。这是因为轴向力和圆周力等综合作用的使端面螺纹根部小脚处产生较明显的应力集中。榨螺是螺旋榨油机的核心部件，结构复杂，由心轴、键、各节榨螺和锥圈等装配而成，其材料应选用承载能力较高的结构和金刚（此处选40cr）。本文在榨螺所受应力方面只考虑了3个主要应力（轴向力、径向力、圆周力），故在榨螺受力分析方面所得结果与实验仍有出入，可以做进一步考虑研究。通过这次分析可以知道榨螺在压榨时其螺旋侧面承受巨大压力，因此选用榨螺轴和各节榨螺的材料需首要考