基于ANSYS的螺旋榨油機(jī)榨籠的應(yīng)力分析

余南輝 李詩龍 宋良浩

摘 要：螺旋榨油機(jī)是一種用于榨油的機(jī)械加工設(shè)備。其核心部件是榨膛，榨籠作為榨膛的主要組成部分，其強(qiáng)度是保證榨油機(jī)正常運行的前提條件。針對傳統(tǒng)分析校核方法的復(fù)雜和不足，建立了榨籠的簡化三維模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行了有限元分析，獲得了榨籠的整體變形和應(yīng)力分布，為榨籠結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計提供了有價值的參考。

關(guān)鍵詞：螺旋榨油機(jī)；榨籠；有限元方法；應(yīng)力分析

1 引言

壓榨法取油是一種機(jī)械提取油脂的方法，螺旋榨油機(jī)是國際上目前廣泛采用的較先進(jìn)的連續(xù)壓榨取油設(shè)備，其顯著特點是連續(xù)生產(chǎn)、單機(jī)處理量大、工人勞動強(qiáng)度低、出油率較高，餅薄易粉碎有利于加工利用等，但是它也存在著動力消耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多等問題[1～3]。螺旋榨油機(jī)的工作原理是靠壓榨螺旋的旋轉(zhuǎn)，一方面將榨料向前推動，一方面靠榨膛空間體積不斷縮小產(chǎn)生壓榨作用[1～2]。因此，榨膛是螺旋榨油機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)的合理性和整體的強(qiáng)度直接影響到榨油機(jī)的性能。榨籠作為榨膛的主要組成部分，在榨油過程中承受較大的載荷，容易發(fā)生損壞，因而要了解其在榨油過程中的受力情況，使其強(qiáng)度能夠保證榨油機(jī)正常運行。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算大致得到相應(yīng)的受力狀態(tài)，類比同類型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計，存在一定的缺陷和不足，有必要引入先進(jìn)的分析和設(shè)計方法。本文以一種典型的螺旋榨油機(jī)為例，建立了其榨籠的簡化三維模型，然后利用大型有限元分析軟件ANSYS，對其進(jìn)行了受力分析。從而在制造之前，對榨油機(jī)榨籠設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性提供了有價值的參考，進(jìn)而可進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2 榨籠模型的建立

本文選取一種小型冷榨機(jī)[4]作為研究對象。榨籠主要組成部分包括榨籠框架、榨條、壓板等。利用UG軟件對榨籠進(jìn)行了三維建模，模型如圖1所示。

圖1 榨籠的三維模型圖

若對榨油機(jī)榨籠整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，則需考慮榨條的位置及約束，這樣將使整個分析變得復(fù)雜和難以實現(xiàn)。而根據(jù)實際情況，榨油機(jī)正常運行時，榨條上的受力最終轉(zhuǎn)移到榨籠框架上，故可只對榨籠框架進(jìn)行有限元分析，施加載荷時加上通過力學(xué)換算后的載荷。并且，由于榨籠框架的結(jié)構(gòu)采用對稱的兩半通過螺栓螺母連接固定，因此在進(jìn)行分析時只取一半框架即可。同時，為了分析方便，使模型簡化，可略去該處的螺栓螺母。根據(jù)榨籠的結(jié)構(gòu)特點，選用了Solid92單元進(jìn)行單元劃分，最終生成68388個單元，113489個節(jié)點，得到的有限元模型如圖2所示。從圖中可以看出，在孔和肋板連接處單元都比較密，這樣可以保證這些部位分析的更加精確。

圖 2 榨籠的簡化有限元模型

有限元模型建立后，需要對模型適當(dāng)?shù)氖┘蛹s束條件和外加載荷，使其和實際工況相符合。榨油機(jī)工作時，榨籠的兩端各有兩個孔通過螺栓固定在機(jī)架上，所以對兩端的兩個孔進(jìn)行全約束。另外，榨籠結(jié)構(gòu)對稱，該模型只取了榨籠框架的一半，故需要在對稱面上施加對稱約束以達(dá)到整體效果。同時，由于略去了連接固定用的螺栓螺母，因而需要在孔的位置施加相應(yīng)的約束使其達(dá)到固定的效果。至于載荷的施加，考慮到榨油機(jī)實際工作時，雖然榨膛內(nèi)部同時受到徑向載荷、軸向載荷以及摩擦力等，但主要承受的是徑向載荷，因此分析時暫且只考慮徑向載荷。由于榨籠所受的外載荷主要集中在榨籠肋板上，故根據(jù)實驗測得的榨膛徑向壓力分布數(shù)據(jù)[5]，將不同的徑向載荷分別施加到每塊肋板上。

3 結(jié)果分析與討論

利用ANSYS軟件進(jìn)行計算求解后[6～7]，榨籠變形情況如圖3所示。由該圖可知，變形從第一個肋板開始先增大然后又逐漸減小，在第二個和第三個肋板處變形最大，其最大的位移為2.46×10-5m，無過大變形，符合要求。

圖3 榨籠的變形圖

榨籠所受的應(yīng)力如圖4所示。從該圖中可以看出，最大的應(yīng)力為1.08×108Pa，位于第二個肋板與框架連接處，與進(jìn)行強(qiáng)度校核計算的到的最大應(yīng)力相近，與實際受載情況相符。

圖4 榨籠的應(yīng)力云圖

圖5為榨籠第二塊肋板處兩個不同橫截面的應(yīng)力云圖，從該圖可以清楚的觀察到肋板包括上下兩橫梁整個截面的應(yīng)力分布狀況，最大的應(yīng)力主要集中在肋板靠近兩端橫梁的內(nèi)表面，然后朝著外表面方向逐步減小。

圖5 榨籠肋板橫截面的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

針對螺旋榨油機(jī)榨籠傳統(tǒng)分析校核方法的復(fù)雜和不足，以一種小型榨油機(jī)為例，建立了三維模型，并通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，獲得榨籠的連續(xù)變形和應(yīng)力分布。得到以下幾點結(jié)論：

4.1 榨籠變形沿著軸向先增大后逐漸減小，在第二個和第三個肋板處變形最大。主要因為最大徑向壓力集中在第二個和第三個肋板處。榨籠整體上無過大變形。

4.2 榨籠最大應(yīng)力位于第二個和第三個肋板處，主要集中在肋板靠近兩端橫梁的內(nèi)表面，然后朝著外表面方向逐步減小。分析得到的最大應(yīng)力值與理論計算數(shù)據(jù)相近。

4.3 本文在榨籠受力方面主要考慮徑向載荷，未能考慮實際工況中其它因素影響，還可做進(jìn)一步改進(jìn)，使模型更接近實際，結(jié)果更準(zhǔn)確。

4.4 通過分析可知，只要模型建立的合理、盡量符合實際，仿真分析的準(zhǔn)確性較高，可以作為進(jìn)一步設(shè)計和改進(jìn)的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]雕鴻蓀.油料預(yù)處理及壓榨工藝學(xué)[M].南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

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[3]李詩龍.雙螺桿榨油機(jī)國內(nèi)外研究進(jìn)展[J].中國油脂，2005，30（12）：13-16.

[4]李詩龍，劉協(xié)舫，林國祥.一種小型冷榨機(jī)的開發(fā)[J].中國油脂，2004，29（6）：20-23.

[5]范本雋，彭蕙苓.螺桿式榨油機(jī)膛內(nèi)壓力的測試[J].江南大學(xué)學(xué)報，2003，2（2）：164-166.

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[7]尚曉江.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.