基于ANSYS的螺旋榨油機榨籠的應力分析

余南輝 李詩龍 宋良浩

摘 要：螺旋榨油機是一種用于榨油的機械加工設備。其核心部件是榨膛，榨籠作為榨膛的主要組成部分，其強度是保證榨油機正常運行的前提條件。針對傳統分析校核方法的復雜和不足，建立了榨籠的簡化三維模型，利用ANSYS軟件進行了有限元分析，獲得了榨籠的整體變形和應力分布，為榨籠結構的改進設計提供了有價值的參考。

關鍵詞：螺旋榨油機；榨籠；有限元方法；應力分析

1 引言

壓榨法取油是一種機械提取油脂的方法，螺旋榨油機是國際上目前廣泛采用的較先進的連續壓榨取油設備，其顯著特點是連續生產、單機處理量大、工人勞動強度低、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、結構復雜、易損件多等問題[1～3]。螺旋榨油機的工作原理是靠壓榨螺旋的旋轉，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生壓榨作用[1～2]。因此，榨膛是螺旋榨油機的核心部件，其結構的合理性和整體的強度直接影響到榨油機的性能。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，容易發生損壞，因而要了解其在榨油過程中的受力情況，使其強度能夠保證榨油機正常運行。傳統的設計方法是通過經驗數據進行計算大致得到相應的受力狀態，類比同類型產品的結構尺寸進行設計，存在一定的缺陷和不足，有必要引入先進的分析和設計方法。本文以一種典型的螺旋榨油機為例，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，對其進行了受力分析。從而在制造之前，對榨油機榨籠設計結構的合理性提供了有價值的參考，進而可進行改進優化。

2 榨籠模型的建立

本文選取一種小型冷榨機[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

若對榨油機榨籠整體結構進行有限元分析，則需考慮榨條的位置及約束，這樣將使整個分析變得復雜和難以實現。而根據實際情況，榨油機正常運行時，榨條上的受力最終轉移到榨籠框架上，故可只對榨籠框架進行有限元分析，施加載荷時加上通過力學換算后的載荷。并且，由于榨籠框架的結構采用對稱的兩半通過螺栓螺母連接固定，因此在進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。根據榨籠的結構特點，選用了Solid92單元進行單元劃分，最終生成68388個單元，113489個節點，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，需要對模型適當的施加約束條件和外加載荷，使其和實際工況相符合。榨油機工作時，榨籠的兩端各有兩個孔通過螺栓固定在機架上，所以對兩端的兩個孔進行全約束。另外，榨籠結構對稱，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的約束使其達到固定的效果。至于載荷的施加，考慮到榨油機實際工作時，雖然榨膛內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，故根據實驗測得的榨膛徑向壓力分布數據[5]，將不同的徑向載荷分別施加到每塊肋板上。

3 結果分析與討論

利用ANSYS軟件進行計算求解后[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

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

圖4 榨籠的應力云圖

圖5為榨籠第二塊肋板處兩個不同橫截面的應力云圖，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力分布狀況，最大的應力主要集中在肋板靠近兩端橫梁的內表面，然后朝著外表面方向逐步減小。

圖5 榨籠肋板橫截面的應力云圖

4 結論

針對螺旋榨油機榨籠傳統分析校核方法的復雜和不足，以一種小型榨油機為例，建立了三維模型，并通過ANSYS軟件進行有限元分析，獲得榨籠的連續變形和應力分布。得到以下幾點結論：

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表面，然后朝著外表面方向逐步減小。分析得到的最大應力值與理論計算數據相近。

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，還可做進一步改進，使模型更接近實際，結果更準確。

4.4 通過分析可知，只要模型建立的合理、盡量符合實際，仿真分析的準確性較高，可以作為進一步設計和改進的參考。

參考文獻

[1]雕鴻蓀.油料預處理及壓榨工藝學[M].南昌：江西科學技術出版社，1985.

[2]李詩龍.螺旋榨油機的開發[J].中國油脂，2003，28（8）：21-23.

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

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

[5]范本雋，彭蕙苓.螺桿式榨油機膛內壓力的測試[J].江南大學學報，2003，2（2）：164-166.

[6]商躍進.有限元原理與ANSYS應用指南[M].北京：清華大學出版社，2005.

[7]尚曉江.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.