基于ANSYS的螺旋榨油机榨笼的应力分析
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摘 要：螺旋榨油机是一种用于榨油的机械加工设备。其核心部件是榨膛，榨笼作为榨膛的主要组成部分，其强度是保证榨油机正常运行的前提条件。针对传统分析校核方法的复杂和不足，建立了榨笼的简化三维模型，利用ansys软件进行了有限元分析，获得了榨笼的整体变形和应力分布，为榨笼结构的改进设计提供了有价值的参考。
1 引言
压榨法取油是一种机械提取油脂的方法，螺旋榨油机是国际上目前广泛采用的较先进的连续压榨取油设备，其显著特点是连续生产、单机处理量大、工人劳动强度低、出油率较高，饼薄易粉碎有利于加工利用等，但是它也存在着动力消耗大、结构复杂、易损件多等问题[1～3]。螺旋榨油机的工作原理是靠压榨螺旋的旋转，一方面将榨料向前推动，一方面靠榨膛空间体积不断缩小产生压榨作用[1～2]。因此，榨膛是螺旋榨油机的核心部件，其结构的合理性和整体的强度直接影响到榨油机的性能。榨笼作为榨膛的主要组成部分，在榨油过程中承受较大的载荷，容易发生损坏，因而要了解其在榨油过程中的受力情况，使其强度能够保证榨油机正常运行。传统的设计方法是通过经验数据进行计算大致得到相应的受力状态，类比同类型产品的结构尺寸进行设计，存在一定的缺陷和不足，有必要引入先进的分析和设计方法。本文以一种典型的螺旋榨油机为例，建立了其榨笼的简化三维模型，然后利用大型有限元分析软件ANSYS，对其进行了受力分析。从而在制造之前，对榨油机榨笼设计结构的合理性提供了有价值的参考，进而可进行改进优化。
2 榨笼模型的建立
本文选取一种小型冷榨机[4]作为研究对象。榨笼主要组成部分包括榨笼框架、榨条、压板等。利用UG软件对榨笼进行了三维建模，模型如图1所示。
图1 榨笼的三维模型图
若对榨油机榨笼整体结构进行有限元分析，则需考虑榨条的位置及约束，这样将使整个分析变得复杂和难以实现。而根据实际情况，榨油机正常运行时，榨条上的受力最终转移到榨笼框架上，故可只对榨笼框架进行有限元分析，施加载荷时加上通过力学换算后的载荷。并且，由于榨笼框架的结构采用对称的两半通过螺栓螺母连接固定，因此在进行分析时只取一半框架即可。同时，为了分析方便，使模型简化，可略去该处的螺栓螺母。根据榨笼的结构特点，选用了Solid92单元进行单元划分，最终生成68388个单元，113489个节点，得到的有限元模型如图2所示。从图中可以看出，在孔和肋板连接处单元都比较密，这样可以保证这些部位分析的更加精确。
图 2 榨笼的简化有限元模型
有限元模型建立后，需要对模型适当的施加约束条件和外加载荷，使其和实际工况相符合。榨油机工作时，榨笼的两端各有两个孔通过螺栓固定在机架上，所以对两端的两个孔进行全约束。另外，榨笼结构对称，该模型只取了榨笼框架的一半，故需要在对称面上施加对称约束以达到整体效果。同时，由于略去了连接固定用的螺栓螺母，因而需要在孔的位置施加相应的约束使其达到固定的效果。至于载荷的施加，考虑到榨油机实际工作时，虽然榨膛内部同时受到径向载荷、轴向载荷以及摩擦力等，但主要承受的是径向载荷，因此分析时暂且只考虑径向载荷。由于榨笼所受的外载荷主要集中在榨笼肋板上，故根据实验测得的榨膛径向压力分布数据[5]，将不同的径向载荷分别施加到每块肋板上。
3 结果分析与讨论
利用ANSYS软件进行计算求解后[6～7]，榨笼变形情况如图3所示。由该图可知，变形从第一个肋板开始先增大然后又逐渐减小，在第二个和第三个肋板处变形最大，其最大的位移为2.46×10-5m，无过大变形，符合要求。
图3 榨笼的变形图
榨笼所受的应力如图4所示。从该图中可以看出，最大的应力为1.08×108Pa，位于第二个肋板与框架连接处，与进行强度校核计算的到的最大应力相近，与实际受载情况相符。
图4 榨笼的应力云图
图5为榨笼第二块肋板处两个不同横截面的应力云图，从该图可以清楚的观察到肋板包括上下两横梁整个截面的应力分布状况，最大的应力主要集中在肋板靠近两端横梁的内表面，然后朝着外表面方向逐步减小。
图5 榨笼肋板横截面的应力云图
4 结论
针对螺旋榨油机榨笼传统分析校核方法的复杂和不足，以一种小型榨油机为例，建立了三维模型，并通过ANSYS软件进行有限元分析，获得榨笼的连续变形和应力分布。得到以下几点结论：
4.1 榨笼变形沿着轴向先增大后逐渐减小，在第二个和第三个肋板处变形最大。主要因为最大径向压力集中在第二个和第三个肋板处。榨笼整体上无过大变形。
4.2 榨笼最大应力位于第二个和第三个肋板处，主要集中在肋板靠近两端横梁的内表面，然后朝着外表面方向逐步减小。分析得到的最大应力值与理论计算数据相近。
4.3 本文在榨笼受力方面主要考虑径向载荷，未能考虑实际工况中其它因素影响，还可做进一步改进，使模型更接近实际，结果更准确。
4.4 通过分析可知，只要模型建立的合理、尽量符合实际，仿真分析的准确性较高，可以作为进一步设计和改进的参考。
参考文献
[1]雕鸿荪.油料预处理及压榨工艺学[M].南昌：江西科学技术出版社，1985.
[2]李诗龙.螺旋榨油机的开发[J].中国油脂，2003，28（8）：21-23.
[3]李诗龙.双螺杆榨油机国内外研究进展[J].中国油脂，2005，30（12）：13-16.
[4]李诗龙，刘协舫，林国祥.一种小型冷榨机的开发[J].中国油脂，2004，29（6）：20-23.
[5]范本隽，彭蕙苓.螺杆式榨油机膛内压力的测试[J].江南大学学报，2003，2（2）：164-166.
[6]商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005.
[7]尚晓江.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.