油料在螺旋壓榨機(jī)榨腔內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變特性研究

1、油料在螺旋壓榨機(jī)榨腔內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變特性研究摘要首先，對油料進(jìn)行了基本力學(xué)分析，并采用川北方程建立了側(cè)限排油壓榨的 應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系模型。結(jié)果表明：川北方程能較好地模擬花生、大豆、芝麻、業(yè) 麻籽的側(cè)限排油壓榨的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。研究了油料的流固耦合滲流問題。 基于 油料為可變形多孔介質(zhì)，油料的流變特性，流變場與滲流場的相互作用，建立流 固耦合滲流模型，運(yùn)用數(shù)值分析方法求解油料的流固耦合滲流問題。然后，針對榨螺進(jìn)行了有限元計(jì)算的理論分析。最后，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，代替手工繁雜的計(jì)算，采用ANSYSANSYS 析軟件對油料和榨螺進(jìn)行有限元應(yīng)力應(yīng)變分析分。結(jié)論，由油菜的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)壓力達(dá)到一定值

2、時(shí)，再增加壓力出油率增加的很有限，所以當(dāng)壓力達(dá)到一定值還采用不斷增加壓力的方法提高出油率不 可取。軸向力和圓周力等綜合作用的使端面螺紋根部小腳處產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集 中，前六節(jié)榨螺最大應(yīng)力不超過 12Mpa12Mpa 后兩節(jié)榨螺達(dá)到 500Mpa500Mpa 所以前六節(jié)榨 螺只需要一般材料就行，后兩節(jié)需要用 40cr40cr 合金鋼。關(guān)鍵詞：油料，壓榨，應(yīng)力應(yīng)變，榨螺，ansys,ansys,有限元分析1.建立榨螺實(shí)體模型1.1榨螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)榨螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 11 1表 1 11 1 榨螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)外徑根徑螺距長度空余體積每轉(zhuǎn)體積排(cnj)(cnj)(cm)(cm)(cmj)(cmj)

3、(cmi)(cmi)(cm3(cm3量（cm3cm310109.09.05.65.67.37.311011080801.2榨螺鍵槽相對螺旋起止位置的角度榨螺鍵槽相對螺旋起止位置的角度如表1 1 2 2。表 1-21-2 榨螺鍵槽相對螺旋起止位置的角度名稱榨螺a929261051051.3建模對榨螺進(jìn)行有限元分析，首先建立合適的有限元模型，好的模型不但能節(jié)省分析時(shí)間，而且可以使計(jì)算機(jī)的結(jié)果更精確。 而若模型不適合，可能導(dǎo)致大量的時(shí) 間浪費(fèi)，分析的結(jié)果和實(shí)際相差較遠(yuǎn)，甚至出現(xiàn)分析錯(cuò)誤的情況。有限元模型的 建立是進(jìn)行有限元分析必須的一步，也是關(guān)鍵的一步。圖 1 1 1 1 為本次論文所分析的第八節(jié)榨

4、螺 solidworkssolidworks 三維模型,圖 1 1 1 1 榨螺 solidworkssolidworks 三維模型2建立榨螺受載力學(xué)模型2.1壓力的形成及分布2.1.1 榨膛壓力的形成榨膛之間的壓力，是由于榨料受壓力后，隨榨油機(jī)相應(yīng)部分產(chǎn)生反作用所致。 此反作用大致歸納如下：(1)(1)榨膛空間體積的縮小，迫使榨料壓縮而形成壓力：空余體積系數(shù)指榨膛內(nèi)每 一導(dǎo)程榨螺所包含的空間體積。空余體積和沿軸向縮小的情況包括：a.a.導(dǎo)程依次 縮小而根徑不變或榨螺根園直徑逐漸變大；b.b.榨螺內(nèi)徑逐次縮小?？s小出餅圈縫寬，增大對榨料的反作用力：調(diào)節(jié)出餅圈厚度在一定程度上可 以改變榨膛內(nèi)壓力

5、大小。一旦調(diào)至某一限度，壓力就主要取決于榨料所產(chǎn)生抵抗 力的大小。此時(shí)，對于一定結(jié)構(gòu)的螺旋榨油機(jī)，其最大壓力值取決于榨料結(jié)構(gòu)。2.1.2 壓力的大小與變化規(guī)律 1.1.壓力變化規(guī)律：榨螺壓力一般指徑向壓力、軸向力和圓周力，徑向壓力很容易 利用應(yīng)變儀定方法進(jìn)行測定，而且他也能基本反映出榨膛內(nèi)壓力變化的實(shí)際情況。軸向壓力目前還沒有很好的測定方法， 根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，其變化規(guī)律與徑 向壓力相近，且略大一點(diǎn)。不過螺旋榨油機(jī)的特殊點(diǎn)是最高壓力區(qū)段最小， 即所 謂瞬時(shí)高壓，最大壓力一般分布在主壓榨段。 對于底油分油料的一次壓榨，一般 分布在主壓榨段中后期。2.2. 最大壓力值：一般可以由螺旋壓榨機(jī)的最大榨

6、膛徑向壓力衡量榨料受壓情況。但由于影響因素較多，壓力值變化范圍很大，為此也有一個(gè)確定合理壓力值的問 題 0 02.2第八節(jié)榨螺受力分析結(jié)果表 2-12-1 榨螺的受力分析結(jié)果理論壓縮比實(shí)際壓 縮比作用在各節(jié)榨螺上的單位壓力(mpa)(mpa)各節(jié)榨螺所受單位軸向力(mpa)(mpa)作用在各節(jié) 榨螺螺旋面 上的單位圓周力(mpa)(mpa)作用在各節(jié) 榨螺上的單 位徑向力(mpa)(mpa)15.02515.0257.6767.67681.9281.920.7370.7370.81920.819273.72873.7283 ANSY S有限元分析 在有限元分析過程中，主要是應(yīng)用三個(gè)基本模塊：預(yù)

7、處理模塊，分析計(jì)算求 解模塊，后處理模塊。預(yù)處理模塊是提供一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具， 用戶可方便地構(gòu)造有限元模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)定義，實(shí)體建模，網(wǎng)格劃分三種功能。 在分析計(jì)算模塊中，是定義分析的類型，分析的選項(xiàng)，載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)等， 來對模型進(jìn)行有限元分析求解。對丁后處理模塊則主要是用來查看分析結(jié)果，從 而得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變等的圖形和數(shù)字顯示。有限元分析流程圖如圖4-114-11。3.1指定單元類型選擇 structurestructure ,進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從而熱力學(xué)分析，電磁場分析，聲場分析, 壓力分析，流體動力學(xué)分析的相關(guān)菜單只顯示結(jié)構(gòu)分析的有關(guān)菜單， 方便用戶處 理。3.2定義單

8、元類型在有限元分析中，單元類型決定力：每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)和分布，節(jié)點(diǎn)的自由 度，單元型函數(shù)。有限元軟件中，通常把單元類型按功能劃分。根據(jù)榨螺實(shí)體建定義單元類型圖31有限元分析流程圖模特性及其在運(yùn)行中所反映的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性， 榨螺應(yīng)采用實(shí)體單元，選擇 solidsolid , ,10nod18710nod187。solidsolid , , 10nod18710nod187。單元是 3 3D D 固體結(jié)構(gòu)單元，由 1010 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成， 在單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度，即分別沿著三個(gè)坐標(biāo)方向。此單元可以進(jìn)行塑 性，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形以及大應(yīng)變分析。3.3輸入材料屬性榨螺軸采用材料 40cr,40cr,查

9、閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，40cr40cr 的彈性模量為 2.0 x102.0 x105 5, , 泊松比為0.30.3，許用應(yīng)力 120mpa120mpa 拉升強(qiáng)度 980mpa980mpa 屈服點(diǎn) 785mpa785mpa3.4導(dǎo)入實(shí)體模型運(yùn)用 solidworkssolidworks 進(jìn)行實(shí)體造型； 建立榨油機(jī)榨螺受載的力學(xué)模型； 最后把 solidworksolidworks s實(shí)體造型直接導(dǎo)入 ansysansys 軟件進(jìn)行有限元分析，避免 ansysansys 建模時(shí)繁雜 的操作，快捷、方便地計(jì)算出結(jié)果。ANDEC 30 201100:45:53圖 3 3 2 2 榨螺 ansysansys

10、 實(shí)體模型1VOLUMESTYPE NUMFile: .拔掖如計(jì)跋汛辱黃繳礫蘑賢8#zhaluo.x t3.5劃分網(wǎng)格生成有限元模型根據(jù)榨螺實(shí)體建模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和 ANSYANSY 歌件的網(wǎng)格劃分功能以及本課題所要達(dá)到的目的，我們對榨螺進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。這種方法可以根據(jù)模型的集合特 點(diǎn)，自動劃分的疏密得當(dāng)，利用 ANSYMeshingANSYMeshing 模塊中提供的可以創(chuàng)建和管理節(jié) 點(diǎn)和單元命令，采用 solidsolid , , 10nod9210nod92 單元，并運(yùn)用上述自由網(wǎng)格劃分對榨螺進(jìn) 行劃分。榨螺網(wǎng)格劃分截圖如下：。圖 3 33 3 榨螺 ansysansys 網(wǎng)格劃分3.6建

11、立邊界條件在建立榨螺的有限元模型后，就要對模型施加邊界條件，在 可以在模型上施加邊界條件，是根據(jù)分析實(shí)體的實(shí)際工作情況，在有限元分析，計(jì)算模型邊界節(jié)點(diǎn)上施加必要的約束。在有限元分析中確定邊界條件是要遵循以 下原則：要施加足夠的位置約束，消除有限元模型的剛體位移來確定的邊界條件應(yīng)盡量簡單直觀，減少計(jì)算機(jī)的存儲量和計(jì)算時(shí)間了建立的邊界條件必須符合結(jié) 構(gòu)的實(shí)際工作條件，否則計(jì)算結(jié)果將丁實(shí)際不符。榨螺的兩端軸承固定在機(jī)架上， 所以對兩端進(jìn)行全約束，而對丁榨螺內(nèi)控部分視其端面進(jìn)行約束， 如圓孔部分添 加徑向約束，鍵槽部分添加端面法向約束。3.7加載根據(jù)上述分析，榨螺所受的外載荷主要集中在沿進(jìn)料方向的榨螺

12、螺紋側(cè)面 （軸ANSYANSY 歌件中,向力和圓周力）和榨螺底徑圓柱上（徑向力）。3.8求解在求解之前還需做出如下選擇：分析類型：靜力學(xué)分析；求解模式：校驗(yàn)，求解或重分析求解；定義完成后，既可以開始求解，最后處理檢查結(jié)果。3.9后處理(1)(1)榨螺變形分析變形分析是檢驗(yàn)榨螺在施加載荷的情況下的變形情況，以及其是否能夠在施 加載荷是正常工作，并根據(jù)分析的結(jié)果對榨螺的變形情況預(yù)先改進(jìn)，保證其變形 大小在求解范圍內(nèi)。圖 3 3 4 4 為榨螺 ansysansys 變形分析結(jié)果。AN.KfiE-CS優(yōu)某旦言，,11. IE-3 4.1SZE-IH.311E-34B3KE-3I-001E-C!：點(diǎn)彩

13、菖-”.IKE-34,23SHJ4圖 3 34 4 第八節(jié)榨螺 ansysansys 變形分析結(jié)果(2)(2)榨螺應(yīng)力分析應(yīng)力的分析主要是應(yīng)力集中的部分， 還有榨螺的整體的應(yīng)力分布規(guī)律，從而找出解決實(shí)際運(yùn)行中潛在的問題，并通過改進(jìn)材料、加工方法以及熱處理方法等 方式來改進(jìn)榨螺的應(yīng)力集中，從而使系統(tǒng)更加安全的運(yùn)行。圖 3 3 5 5 為榨螺 ansysansys 應(yīng)力分析結(jié)果3.10小結(jié)由所得榨螺形變圖可以看出應(yīng)力隨螺旋線而漸變， 在端面螺紋根部小角處應(yīng) 力變形最大（第八節(jié)最大時(shí)達(dá)到 506.135Mp506.135Mp 。這是因?yàn)檩S向力和圓周力等綜合 作用的使端面螺紋根部小腳處產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中。榨螺是螺旋榨油機(jī)的核心部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由心軸、鍵、各節(jié)榨螺和錐圈等 裝配而成，其材料應(yīng)選用承載能力較高的結(jié)構(gòu)和金剛（此處選40cr40cr）。本文在榨螺所受應(yīng)力方面只考慮了 3 3 個(gè)主要應(yīng)力（軸向力、徑向力、圓周力），故在榨螺 受力分析方面所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)仍有出入，可以做進(jìn)一步考慮研究。通過這次分析可以知道榨螺在壓榨時(shí)其螺旋側(cè)面承受巨大壓力，因此選用榨螺軸和各節(jié)榨螺的材料需首要考慮榨螺小倒角處應(yīng)力集中（最大時(shí)達(dá)到 511.187Mpa511.187Mpa）, ,因此應(yīng)盡量避免過多的倒角和小尖角。 設(shè)計(jì)時(shí)除去不必要的倒角。