基于EDEM的家用榨油機(jī)壓榨腔工作性能仿真研究

張 強(qiáng)，張 旭，孫紹安

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基于EDEM的家用榨油機(jī)壓榨腔工作性能仿真研究

張 強(qiáng)，張 旭，孫紹安

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，阜新 123000）

為改善榨油機(jī)出油率，利用CATIA建立壓榨腔三維模型，在EDEM中構(gòu)建家用榨油機(jī)壓榨腔的破碎仿真模型，采用多指標(biāo)三水平三因素的正交試驗(yàn)探究家用榨油機(jī)壓榨腔壓榨花生工作性能與榨桿轉(zhuǎn)速、物料投放量、榨桿螺距三者的關(guān)系，利用極差法分析影響因素對(duì)各指標(biāo)的主次順序，通過(guò)矩陣分析得到物料顆粒黏結(jié)鍵斷裂比例、理論出油率與三因素的各層結(jié)構(gòu)矩陣以及2個(gè)指標(biāo)值的權(quán)矩陣，并計(jì)算得到各因素各水平的權(quán)重。根據(jù)權(quán)重大小確定各因素對(duì)壓榨腔總體工作能力影響主次順序以及最優(yōu)工作方案。結(jié)果表明：物料黏結(jié)鍵斷裂比例的影響因素主次順序?yàn)椋赫U轉(zhuǎn)速>物料投放量>榨桿螺距。隨著榨桿轉(zhuǎn)速的增大黏結(jié)鍵斷裂比例不斷增大；隨螺距的增大先減小后增大；隨物料投放量的增加不斷減小。理論出油率的影響因素主次順序?yàn)椋赫U轉(zhuǎn)速>物料投放量>榨桿螺距，隨著轉(zhuǎn)速的增加理論出油率大小逐漸增加，隨著投放量的增加不斷減??；隨著榨桿螺距的增加而逐漸增加。通過(guò)矩陣分析，各個(gè)因素對(duì)正交試驗(yàn)的指標(biāo)值影響的主次順序?yàn)椋海ㄕU轉(zhuǎn)速）>（物料投放量）>（榨桿螺距），因素3、1、3的權(quán)重最大，故壓榨腔最佳方案為313，即榨油機(jī)壓榨腔壓榨花生最佳工作參數(shù)為：榨桿轉(zhuǎn)速80 r/min，單次投放量100粒，榨桿螺距6.3 mm。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證，矩陣分析所得最佳工作參數(shù)條件下的花生出油率為45.20%，高于其余9組方案，故仿真所得結(jié)果具有合理性，為小型家用榨油機(jī)改良，油脂工業(yè)生產(chǎn)、榨油機(jī)械制造業(yè)升級(jí)奠定理論基礎(chǔ)。

壓榨；矩陣；食品加工；家用榨油機(jī)；EDEM；正交設(shè)計(jì)；矩陣分析

0 引 言

家用榨油機(jī)是一種利用機(jī)械外力作用，使得油料溫度提高，活化油分子，使油料中油被擠壓出來(lái)的機(jī)器。壓榨腔是其主要的工作機(jī)構(gòu)，主要由榨桿與榨腔組成。與工業(yè)榨油機(jī)連續(xù)加工不同的是，家用榨油機(jī)一般采用單次投料且在一定加工周期內(nèi)完成壓榨。工作時(shí)利用榨桿的自身旋轉(zhuǎn)將榨腔里的油料逐步向前推進(jìn)，油料的推進(jìn)動(dòng)力來(lái)源于榨桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓榨過(guò)程也隨之進(jìn)行。

改善榨油機(jī)壓榨條件一直以來(lái)都是影響出油效率的首要難題，為了實(shí)現(xiàn)高效率的壓榨，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量深入的研究。為進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，廖念禾等[1-4]研究了出油率與輸送率主要影響因素；何東平等[5]通過(guò)試驗(yàn)獲得花生臨界壓榨壓力；姚英政等[6-7]分別探究了壓榨形式、不同級(jí)數(shù)對(duì)油脂性質(zhì)及榨油工藝影響；李昌珠等[8]計(jì)算了最佳入料溫度；劉汝寬[9-12]自制裝置進(jìn)行試驗(yàn)構(gòu)建了單軸壓榨蓖麻籽油臨界壓縮比的模型、保壓時(shí)間與出油率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫秸セ\內(nèi)表面的溫度分布曲線；解士聰[13]研究了加熱條件對(duì)腔內(nèi)溫度影響；王會(huì)等[14]分析微波預(yù)處理?xiàng)l件下對(duì)出油率及油脂理化指標(biāo)等五個(gè)方面的影響。一些專家學(xué)者也對(duì)設(shè)計(jì)方法和理論進(jìn)行大量研究，得到雙螺桿的最佳布置形式[15]；優(yōu)化變徑變螺距的榨螺[16]；研制了一種雙階多級(jí)壓榨雙螺桿榨油機(jī)[17]，陳麟星等[18-19]構(gòu)建了壓榨控制系統(tǒng)；楊銀初[20]研究了雙螺桿榨油機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)；模擬仿真是研究的又一種有效手段，黃志輝等[21]對(duì)保壓回路設(shè)計(jì)以及AMESim系統(tǒng)仿真；戶曉磊[22]對(duì)ZYJ339型低溫螺旋榨油機(jī)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究；邱云峰等[23-28]運(yùn)用ANSYS Workbench、離散元、FLUENT等進(jìn)行仿真模擬研究機(jī)械內(nèi)腔流場(chǎng)與工作性能；李鴻程[29]介紹了礦物顆粒粉碎理論基于EDEM進(jìn)行磨礦離散元模擬試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析得到最佳工作參數(shù)。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果多側(cè)重于研究工業(yè)榨油機(jī)工作時(shí)油料特性和壓榨壓力壓榨時(shí)間等壓榨條件單因素或者多因素對(duì)出油率影響、榨油方式對(duì)油脂理化指標(biāo)影響以及壓榨過(guò)程中油料自身?xiàng)l件變化等方面的研究。對(duì)于如何通過(guò)優(yōu)化家用榨油機(jī)結(jié)構(gòu)以及工作參數(shù)從而達(dá)到最佳壓榨條件仍然存在需要進(jìn)一步探討的科學(xué)問(wèn)題。筆者針對(duì)這一現(xiàn)狀，以家用榨油機(jī)壓榨腔工作參數(shù)為研究對(duì)象，建立壓榨腔壓榨花生顆粒的仿真模型，構(gòu)建以顆粒黏結(jié)鍵破碎比率以及理論出油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)的壓榨腔工作性能與工作參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。為小型家用榨油機(jī)改良，油脂工業(yè)生產(chǎn)、榨油機(jī)械制造業(yè)升級(jí)奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)中國(guó)糧油生產(chǎn)業(yè)、提高食用油自給率降低進(jìn)口依存度具有重要理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值，是中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)從中國(guó)制造走向中國(guó)創(chuàng)造的一項(xiàng)必不可少的舉措，也符合中國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

1 仿真模型的建立

1.1 花生物料模型及參數(shù)設(shè)定

1.1.1 花生物料模型力學(xué)分析

EDEM模擬是采用BPM（bonded particle model）模型來(lái)建立物料模型，所建模型由一定數(shù)量的小顆粒黏結(jié)而成，BPM模型通過(guò)黏結(jié)鍵的形成和斷裂來(lái)表征顆粒的黏結(jié)與破碎，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本文采用單一分布的BPM模型進(jìn)行建模。在建立黏結(jié)模型前為便于分析，特進(jìn)行如下假設(shè)：所用顆粒均采用軟顆粒接觸；假定顆粒間的黏結(jié)力均相同，組成各大顆粒的小顆粒間的作用力也相同；接觸允許顆粒碰撞能夠持續(xù)一定的時(shí)間，可以同時(shí)考慮多個(gè)顆粒的碰撞作用。

顆粒在某一時(shí)刻BOND被黏結(jié)起來(lái)，在這之前顆粒通過(guò)默認(rèn)的Hertz-Mindlin黏結(jié)模型產(chǎn)生相互作用，這種黏結(jié)可以阻止切向和法向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到最大法向和切向應(yīng)力時(shí)這種結(jié)合就會(huì)被破壞，顆粒之間就會(huì)產(chǎn)生相互作用[30]。然后黏結(jié)力即法向、切向力F，F和法向、切向力矩T，T隨著時(shí)步的增加，根據(jù)顆粒的法向和切向速度以及法向和切向角速度的數(shù)值變化，按照式（1）從零開(kāi)始疊加。

當(dāng)法向和切向應(yīng)力超過(guò)某個(gè)定義的值時(shí)，黏結(jié)就被破壞。因此，得到定義法向和切向應(yīng)力的最大值max，max

在戶外動(dòng)態(tài)雕塑與自然的互動(dòng)中，自然力或許占了更主導(dǎo)的地位，換一種說(shuō)法，這種互動(dòng)更接近于大自然對(duì)作品的塑造。在這個(gè)先決條件下，作品的“反作用”于自然實(shí)際上更接近于“無(wú)為”。這種作用關(guān)系是否可以被進(jìn)一步深化？

這就意味著在完成顆粒替換后小顆粒形成黏結(jié)鍵，便可以形成一個(gè)由眾多小單元組成的花生大顆粒。當(dāng)黏結(jié)的顆粒群受到外部作用力時(shí)，依據(jù)離散單元法，根據(jù)牛頓第二定律在單位時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)對(duì)顆粒的位移與轉(zhuǎn)角進(jìn)行更新，此時(shí)黏結(jié)鍵上會(huì)受到力與力矩的作用，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的黏結(jié)鍵最大法向應(yīng)力max和切向應(yīng)力max時(shí)，黏結(jié)鍵斷裂，以此來(lái)模擬顆粒的破碎過(guò)程。

黏結(jié)鍵斷裂表示壓榨腔對(duì)花生顆粒的作用效果,表明壓榨腔對(duì)花生顆粒中每個(gè)細(xì)小單元之間的黏結(jié)作用的破壞。黏結(jié)鍵破壞的效率高，則代表壓榨腔作用在花生顆粒功越多，即單位時(shí)間內(nèi)破壞的黏結(jié)鍵數(shù)目以及斷裂黏結(jié)鍵的占比可以用于評(píng)判出壓榨腔工作性能的好壞，為進(jìn)一步研究壓榨腔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供參考。

1.1.2 花生物料模型建立

本文破碎模型中的物料模型數(shù)據(jù)包括其3軸尺寸、物理特性等主要來(lái)自于中國(guó)花生主產(chǎn)區(qū)典型花生品種中的白沙（大）。構(gòu)建花生仁的幾何模型時(shí)，用游標(biāo)卡尺對(duì)其外形尺寸進(jìn)行測(cè)繪，根據(jù)測(cè)繪結(jié)果在CATIA中建立幾何模型，以相應(yīng)的格式導(dǎo)入EDEM軟件中，將外殼作為顆粒工廠填充用于替換花生大顆粒的花生碎小顆粒。在EDEM的Particles窗口分別計(jì)算大顆粒與小顆粒體積，并根據(jù)公式，得到填充的半徑為0.77 mm的小顆粒個(gè)數(shù)為=58。根據(jù)此數(shù)據(jù)設(shè)置顆粒參數(shù)、顆粒工廠位置以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行小顆粒填充設(shè)置，運(yùn)行結(jié)束得到填充后的花生顆粒的模型如圖1。

圖1 壓榨花生模型

1.1.3 參數(shù)選擇

將編寫好的顆粒替換API（application programming interface,應(yīng)用程序編程接口）以及顆粒替換文件放在仿真文件夾中，在全局參數(shù)設(shè)置中將particle to particle（顆粒與顆粒）設(shè)置為Hertz-Mindlin with bonding build-in（黏結(jié)接觸模型）；particle body force（顆粒體積力）設(shè)置為particle replacement plugin（顆粒替換插件）。顆粒替換時(shí)間設(shè)置為0.1 s，開(kāi)始黏結(jié)時(shí)間設(shè)置為0.1 s。這樣設(shè)置的時(shí)間非常近保證顆粒替換以后可以立即黏結(jié)成大顆粒，且保證顆粒黏結(jié)時(shí)不會(huì)被外力所破壞。

由于花生品種眾多，物理參數(shù)也不盡相同，本文仿真模擬參數(shù)主要參考中國(guó)主產(chǎn)區(qū)典型花生品種中的白沙（大）的物理特性，最后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)確定組成花生仁顆粒的小顆粒的黏結(jié)模型參數(shù)如表1。

表1 小顆粒黏結(jié)模型參數(shù)

1.2 家用榨油機(jī)模型及參數(shù)設(shè)置

表2 樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖2 壓榨腔模型

表3 花生及壓榨腔參數(shù)

1.3 仿真參數(shù)設(shè)定

在Particles模塊中進(jìn)行物料顆粒以及小顆粒的建立，其中用于黏結(jié)的小顆粒名為Fraction半徑0.77 mm，黏結(jié)半徑1 mm；另外被替換的大顆粒名為Whole，尺寸恰好能包住所有小顆粒。對(duì)導(dǎo)入的幾何模型定義材料，并設(shè)置榨桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。運(yùn)動(dòng)形式定義為New Dynamic 0 Linear Rotation；開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為0開(kāi)始；設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，先由Detail 模塊中獲取榨桿的質(zhì)心坐標(biāo)，然后根據(jù)集合體位置定義,方向的起止位置都為質(zhì)心坐標(biāo)，方向起止點(diǎn)分別為?100與100 mm。旋轉(zhuǎn)速度依據(jù)需要設(shè)置為相應(yīng)的值。根據(jù)軟件EDEM2.6中的simulator模塊當(dāng)中的Time Step設(shè)定有2個(gè)選項(xiàng)，選取此次仿真試驗(yàn)的Simulation Time為20 s，再按照EDEM2.6軟件開(kāi)發(fā)商的參照設(shè)置Fixed time step為10%。數(shù)據(jù)輸出時(shí)間間隔越小，計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)會(huì)越多，此次仿真試驗(yàn)選取數(shù)據(jù)輸出時(shí)間間隔應(yīng)為0.1 s。此次仿真為減少計(jì)算處理顆粒與顆粒間碰撞的時(shí)間，最佳的網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為顆粒最小半徑的2倍。本次模擬仿真試驗(yàn)將最小網(wǎng)格尺寸（grid size）設(shè)定為2倍的粒子最小半徑（min）。

2 壓榨方案設(shè)計(jì)與壓榨過(guò)程分析

2.1 方案設(shè)計(jì)

在榨油機(jī)工作過(guò)程中榨桿的轉(zhuǎn)速影響著物料的輸送速率。目前市場(chǎng)上大部分家用榨油機(jī)轉(zhuǎn)速為50～80 r/min，小型工業(yè)榨油機(jī)轉(zhuǎn)速一般為30～80 r/min，因此本文選擇了40、60、80 r/min 3個(gè)水平值。油料作物投放量過(guò)大可能造成下料困難，投放量過(guò)小則不能發(fā)揮壓榨腔效率。充分考慮壓榨腔工作空間與下料速度，選取100、150、200粒3個(gè)水平值。榨桿螺距大小影響榨桿與榨膛之間的空余體積從而影響壓榨腔壓榨效果。由于本文基于某品牌樣機(jī)進(jìn)行研究，為保證榨桿結(jié)構(gòu)合理性，選取5.3、5.8、6.3 mm 3個(gè)水平值。取同種顆粒條件下，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，榨桿轉(zhuǎn)速為因素，投放量為因素，榨桿螺距為因素。因素水平表，如表4。

表4 因素水平表

2.2 壓榨過(guò)程分析

依據(jù)試驗(yàn)方案，通過(guò)EDEM對(duì)家用榨油機(jī)壓榨腔進(jìn)行工作過(guò)程仿真，得到9組方案壓榨過(guò)程中0～20 s的黏結(jié)鍵破碎情況，以方案9為例，其壓榨過(guò)程的方向視圖如圖3所示，圖中分別壓榨腔幾何體以及物料顆粒，為了反映顆粒的速度特征，利用EDEM的后處理模塊對(duì)不同速度的顆粒進(jìn)行標(biāo)記，顆粒速度的由高到低分別設(shè)置為紅黃綠，由圖3中可以清晰的看出顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖中顆粒最大速度可以達(dá)到0.018 m/s。

在仿真過(guò)程中為確保仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組方案分別進(jìn)行3組仿真，取其20 s時(shí)黏結(jié)鍵破碎數(shù)目的平均值得到各方案的黏結(jié)鍵破碎趨勢(shì)圖，通過(guò)EDEM后處理統(tǒng)計(jì)斷裂鍵數(shù)目，如圖4所示。

由圖4可知，方案（9）的黏結(jié)鍵斷裂數(shù)目最多，破碎速率最快，方案（8）次之，其中方案（1）的黏結(jié)鍵破碎速率與數(shù)目最低。為了更加明確地對(duì)比各組方案的黏結(jié)鍵斷裂數(shù)目預(yù)計(jì)斷裂效率情況，將各組方案黏結(jié)鍵斷裂數(shù)目，斷裂鍵比例統(tǒng)計(jì)在表5中。由表5可知方案9斷裂鍵數(shù)目最多為3 410，方案（1）至方案（8）分別為1 508、1 798、2 269、1 992、2 022、2 717、1 779、2 716，最大數(shù)目差為1 902；方案（4）的斷裂鍵比例最大為0.113 7，其他方案分別為0.100 5、0.079 9、0.075 6、0.089 9、0.090 6、0.118 6、0.120 7、0.113 7，最大比例差為0.057 2。

圖3 方案（9）壓榨過(guò)程圖

圖4 9組方案物料顆粒黏結(jié)鍵斷裂情況曲線

利用EDEM后處理模塊劃分出2個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，如圖5所示，統(tǒng)計(jì)區(qū)1為油渣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)區(qū)，統(tǒng)計(jì)區(qū)2為壓榨花生物料的總質(zhì)量統(tǒng)計(jì)區(qū)。分別統(tǒng)計(jì)出渣區(qū)的油渣質(zhì)量以及壓榨的花生物料總質(zhì)量，進(jìn)而求得出油質(zhì)量，出油質(zhì)量與花生物料總質(zhì)量之比即為理論出油率，最終求得出油率具體數(shù)值如表5所示。

注：藍(lán)色框?yàn)榻y(tǒng)計(jì)區(qū)。

2.3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

由于正交表具有綜合可比性，故利用極差法分析試驗(yàn)中各因素水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響趨勢(shì)，進(jìn)而確定各因素的主次及最優(yōu)工作組合。對(duì)9組模擬結(jié)果整理可以得到各水平因素下平均斷裂鍵比例、理論出油率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)以及各自極差數(shù)據(jù)，如表6所示。

表5 9組方案仿真結(jié)果

由表6可知，顆粒榨桿轉(zhuǎn)速為三者中最主要影響因素，且對(duì)于第一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，最優(yōu)方案組合為313。顆粒榨桿轉(zhuǎn)速為三者中最主要影響因素，且對(duì)于第二個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，最優(yōu)方案組合為312。根據(jù)表6繪制各因素3水平對(duì)黏結(jié)鍵斷裂比例以及理論出油率的影響曲線，如圖6a、6b所示。

由圖6a可知，對(duì)物料黏結(jié)鍵破碎的影響因素主次順序?yàn)椋阂蛩兀ㄕU轉(zhuǎn)速）>因素（投放量）>因素（榨桿螺距），且隨著轉(zhuǎn)速的增加黏結(jié)鍵破碎比例逐漸增加，隨著投放量的增加不斷減小；隨著榨桿螺距的增大先減小當(dāng)達(dá)到一定值后開(kāi)始逐漸增加。由圖6b可知，對(duì)理論出油率大小影響因素主次順序?yàn)椋阂蛩兀ㄕU轉(zhuǎn)速）>因素（投放量）>因素（榨桿螺距），且隨著轉(zhuǎn)速的增加理論出油率大小逐漸增加，隨著投放量的增加不斷減?。浑S著榨桿螺距的增加而逐漸增加。

表6 各水平因素?cái)噫I比例及理論出油率極差數(shù)據(jù)

注：11、12、13分別代表3個(gè)影響因素在各水平內(nèi)斷裂的黏結(jié)鍵比例值均值，1為第一個(gè)指標(biāo)（黏結(jié)鍵斷裂比例）的極差；21、22、23分別代表3個(gè)影響因素在各水平內(nèi)理論出油率均值，2為第二個(gè)指標(biāo)（理論出油率）的極差。

Note:11,12,13represents the mean value of bond fracture ratio of three influencing factors at different levels respectively,1is the range of the first index (bond fracture ratio);21,22,23represents the mean value of theoretical oil yield of three influencing factors at different levels respectively,2is the range of the second index (theoretical oil yield).

圖6 3因素對(duì)黏結(jié)鍵斷裂比例及理論出油率的影響

2.4 矩陣分析

2.4.1 矩陣模型的建立

2.4.2 矩陣模型的分析

2為理論出油率值，越大越好，采用矩陣分析法，其權(quán)矩陣2計(jì)算過(guò)程同1故求得2如式（6）。

2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的總權(quán)矩陣為2個(gè)指標(biāo)值的權(quán)矩陣的平均值，計(jì)算過(guò)程如下

由以上計(jì)算可得各個(gè)因素對(duì)正交試驗(yàn)的指標(biāo)值影響的主次順序（主－次）為>>，因素3、1、3的權(quán)重最大，壓榨腔最佳方案為313即榨桿轉(zhuǎn)速為80 r/min，投放量為100粒（折合成單位時(shí)間投放為300粒/min），榨桿螺距為6.3 mm。最優(yōu)條件取到了極值，考慮到機(jī)械本身的限制，選取的條件符合實(shí)際需要。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，利用樣機(jī)進(jìn)行壓榨試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過(guò)程如圖7。

依據(jù)表5的9組方案以及擬合得到的最佳工作參數(shù)方案，選取壓榨轉(zhuǎn)速分別為40、60、80 r/min；單次顆粒投放量為100、150、200粒即投放量為300、450、600粒/min；榨桿螺距5.3、5.8、6.3 mm，壓榨時(shí)間為樣機(jī)額定的70 min，進(jìn)行壓榨試驗(yàn)。出油率公式如下式（8）。

=/×100% （8）

式中為全部榨出后用油的質(zhì)量，為花生質(zhì)量。

根據(jù)式（3）計(jì)算各工作參數(shù)的出油率，如表7。其中出油率最高方案為回歸分析所得最佳工作參數(shù)：榨桿轉(zhuǎn)速80 r/min，單次投放量100粒即300粒/min，榨桿螺距6.3 mm，出油率為45.20%。

圖7 驗(yàn)證試驗(yàn)圖

表7 各方案出油率

4 討 論

4.1 花生壓榨模型在壓榨腔工作性能探究中優(yōu)勢(shì)與不足

相比于傳統(tǒng)榨油機(jī)研究方法，仿真模擬最大的優(yōu)勢(shì)就是研究周期短、投入成本少、研究結(jié)果不但可以定性還可以定量化。目前應(yīng)用于榨油機(jī)模擬仿真的方法有文獻(xiàn)[21]所應(yīng)用的AMEsim系統(tǒng)仿真方法、文獻(xiàn)[22]所應(yīng)用的基于Solid Works有限元理論方法、以及文獻(xiàn)[23]所應(yīng)用的ANSYS 流固耦合分析方法等，但這些模型多針對(duì)于榨油機(jī)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行建模分析，目前鮮有針對(duì)壓榨過(guò)程中壓榨結(jié)構(gòu)與物料壓榨情況進(jìn)行分析的仿真模擬研究方法。與此同時(shí)基于EDEM的離散單元法已應(yīng)用于諸如文獻(xiàn)[31-32]等農(nóng)作物加工過(guò)程模擬分析，目前卻鮮有應(yīng)用于花生等油料作物加工中。

本文基于離散單元法BPM（bonded particle model）模型建立花生物料顆粒模型，假設(shè)顆粒之間采用軟顆粒接觸，且由一定數(shù)量小顆粒黏結(jié)成花生物料大顆粒，依靠黏結(jié)鍵形成與斷裂模擬花生顆粒黏結(jié)與破碎。以已有樣機(jī)為基礎(chǔ)，建立壓榨腔花生壓榨模型，通過(guò)3因素3水平正交試驗(yàn)?zāi)M花生壓榨過(guò)程，以平均斷裂鍵比例、理論出油率量指標(biāo)作為評(píng)價(jià)依據(jù)尋求壓榨腔工作參數(shù)與其工作性能之間影響規(guī)律，從而得到最優(yōu)工作參數(shù)。相較于文獻(xiàn)[1]本文所建立花生壓榨模型以及因素影響試驗(yàn)均基于計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件，從研究投入角度講大大降低研究成本、縮短研究周期，無(wú)論從時(shí)間還是經(jīng)濟(jì)上都具有一定優(yōu)勢(shì)。此外從研究效果角度考慮，本次模擬分別從宏觀出油率與微觀黏結(jié)鍵斷裂情況2方面對(duì)壓榨腔工作效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究結(jié)果可以精確到細(xì)微結(jié)構(gòu)，這是其他研究方式較少可以做到的。此外本文為在簡(jiǎn)化仿真模型基礎(chǔ)上更接近于實(shí)際工況，將花生結(jié)構(gòu)理想化均質(zhì)化，選取單一尺寸細(xì)微小顆粒黏結(jié)成花生顆粒模型，將原有壓榨過(guò)程中物料由粗、中、細(xì)、微的體積變化、以及不同體積對(duì)應(yīng)不同屈服極限變化伴隨的物料塑性變形過(guò)程等效成由花生大顆粒模型至細(xì)微小顆粒模型變化以及細(xì)微小顆粒之間微觀黏結(jié)鍵斷裂情況變化，將顆粒的物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為模型的特征參數(shù)進(jìn)行求解。這樣在壓榨腔作用下，微觀小顆粒之間相互作用的力也就是黏結(jié)鍵被破壞掉，隱含物料體積變化與隨之伴隨的屈服極限變化過(guò)程。但是，由于本模型壓榨之后花生最小單元視覺(jué)上無(wú)明顯由粗到中由細(xì)至微的體積變化，與實(shí)際壓榨過(guò)程在形式上存在一定偏差，因此在今后研究中可建立一種微小顆粒黏結(jié)成小顆粒，小顆粒黏結(jié)成大顆粒的更加接近實(shí)際的花生壓榨模型，細(xì)化花生壓榨過(guò)程之后深入研究壓榨過(guò)程中伴隨體積變化的物料屈服極限變化過(guò)程，以期達(dá)到更加真實(shí)的模擬效果以及更加深入性能研究。

4.2 壓榨腔最優(yōu)工作參數(shù)在提高出油率方面局限性

本文主要針對(duì)特定物料即花生以及特定結(jié)構(gòu)家用榨油機(jī)進(jìn)行壓榨腔工作性能研究和最優(yōu)工作參數(shù)探究，研究結(jié)果針對(duì)相似結(jié)構(gòu)榨油機(jī)壓榨近似性質(zhì)物料具有一定參考價(jià)值，對(duì)于其他形式榨油機(jī)或者花生之外物料僅具有一定參考性與研究方法導(dǎo)向性，所以研究結(jié)果在應(yīng)用方面存在一定局限性。此外本文所研究壓榨腔工作參數(shù)包括榨桿轉(zhuǎn)速、螺距大小、投放量3種因素，故而所得最優(yōu)參數(shù)僅包括這3種因素最佳值，雖然可以從這3個(gè)方面改良使得出油率得到提升但還不夠全面，在優(yōu)化出油率參數(shù)方面還有一定局限性。出油率影響因素還包括壓榨時(shí)間、壓縮比等，未來(lái)還需對(duì)此進(jìn)行其他影響因素影響效果深入探討與研究，找到一組全面可靠工作參數(shù)以期進(jìn)一步提高花生出油率。此外還應(yīng)針對(duì)其他不同物化特性物料進(jìn)行進(jìn)一步研究尋求其最佳工作參數(shù)，為研制適合多種物料壓榨的高效家用榨油機(jī)產(chǎn)品提供理論指導(dǎo)及數(shù)值參考。在不超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速條件下，得到最優(yōu)組合中最佳轉(zhuǎn)速為80 r/min，高于樣機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速參數(shù)60 r/min，雖然轉(zhuǎn)速增大，但同時(shí)降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，不對(duì)電機(jī)能耗有特別的影響，因此，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速不會(huì)影響電機(jī)特性和能量消耗。

5 結(jié) 論

1）在CATIA中建立壓榨腔幾何模型，采用離散單元法利用EDEM建立物料的BPM模型，編寫顆粒替換API實(shí)現(xiàn)大小顆粒的替換，構(gòu)建家用榨油機(jī)壓榨腔工作過(guò)程仿真模型；

2）利用建立的仿真模型進(jìn)行多指標(biāo)的三因素三水平的正交試驗(yàn)，利用極差法分析9組方案結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，榨桿轉(zhuǎn)速為影響?zhàn)そY(jié)鍵破碎比例的最主要因素，影響因素按影響大小排序?yàn)椋赫U轉(zhuǎn)速>投放量>榨桿螺距。隨著榨桿轉(zhuǎn)速的增加，黏結(jié)鍵斷裂比例不斷增大，隨螺距增大先減少后增加；隨投放量增大不斷減?。挥绊懤碚摮鲇偷淖钪饕蛩匾彩钦U轉(zhuǎn)速，影響因素按影響大小排序?yàn)椋赫U轉(zhuǎn)速>投放量>榨桿螺距，隨著轉(zhuǎn)速的增加理論出油率大小逐漸增加，隨著投放量的增加不斷減小，隨著榨桿螺距的增加而逐漸增加；

3）對(duì)仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣分析，構(gòu)建物料顆粒黏結(jié)鍵斷裂比例、理論出油率與3因素的各層結(jié)構(gòu)矩陣以及2個(gè)指標(biāo)值的權(quán)矩陣，并計(jì)算得到各因素各水平的權(quán)重。根據(jù)權(quán)重大小確定各因素對(duì)壓榨腔總體工作能力影響主次順序?yàn)?>，且因素3、1、3的權(quán)重最大，故壓榨腔最佳方案為313，即榨油機(jī)壓榨腔壓榨花生最佳工作參數(shù)為：榨桿轉(zhuǎn)速80 r/min，單次投放量100粒即300粒/min，榨桿螺距6.3 mm。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，矩陣分析所得最佳工作參數(shù)出油率最高，為45.20%，高于其余9組方案，仿真結(jié)果合理有效。

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Simulation study on working performance of pressing cavity of household oil press based on EDEM

Zhang Qiang, Zhang Xu, Sun Shaoan

(,123000,)

To improve the oil extraction rate of oil press, the three-dimensional model of press chamber was established by CATIA. The crushing simulation model of the press chamber of the domestic oil press was built by EDEM. Orthogonal experiment with multiple indices, three factors was used to explore the relationship between the work performance of squeezing peanuts in the press chamber of the household press. And the rotation speed of the press rod, dosage quantity and the screw pitch of the pressing rod. The range method was used to analyse the primary and secondary order of the influencing factors. Through matrix analysis, the fracture ratio of material particle bond fracture, the theoretical oil yield and the three-factor structure matrix were obtained. It included index layer matrix, factor layer matrixand horizontal level matrix. The weight matrix of two index values were obtained then, and the weight of each factor level was calculated. According to the results, the influence of various factors on the overall working capacity of the press chamber optimal working scheme was determined by the primary and secondary order. The results showed that the primary and secondary subsequence of factors of material bond fracture ratio was: press rod speed > dosage quantity > press rod pitch. With the increase of the rate of press rod, the fracture ratio of the bond was larger. With the growth of screw pitch, it decreased first and then increased. With the growth of the amount of material, the quantity of material was decreasing. And for the evaluation index of the material bond fracture ratio, the optimal combination was313. The order of influencing factors of theoretical oil yield could be seen as: press rod speed > dosage quantity > press rod pitch. With the growth of rotational speed, the theoretical oil yield increased gradually. With the growth of screw pitch, it decreased first and then increased. With the growth of the screw pitch of the press rod, it increased gradually. And for the evaluation index of general oil production rate, the optimal scheme was312. Through matrix analysis, the order of the influence of each factor on the index value of the orthogonal test is(press rod speed) >(dosage quantity)>(press rod pitch). The weight of factor3,1,3was the largest. Therefore, the best scheme for press chamber was313. That was to say, the optimum working parameters of the press cavity of the press machine were as follows: the rotation speed of the press rod was 80 r/min, the dosage quantity was 300 grains per minute, 6.3 mm was obtained as the press rod. Verify by verification test, the oil yield of the nine groups were 42.67% and 41.25%, and 40.65% and 44.05%, and 41.83% and 42.05%, and 43.85% and 43.96%, 43.06% respectively. The oil yield of peanut was 45.20% under the optimum working parameters obtained by matrix analysis and it was higher than the other 9 clusters. The results above verified that the simulation results were reasonable.

press; matrix algebra; food processing; household oil press; EDEM; orthogonal design; matrix analysis

張 強(qiáng)，張 旭，孫紹安. 基于EDEM的家用榨油機(jī)壓榨腔工作性能仿真研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(24)：283－291. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.034 http://www.tcsae.org

Zhang Qiang, Zhang Xu, Sun Shaoan. Simulation study on working performance of pressing cavity of household oil press based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 283－291. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.034 http://www.tcsae.org

2018-05-20

2018-10-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51504121）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51774161）；礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（BGRIMM-KJSKL-2017-20）聯(lián)合資助

張 強(qiáng)，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事礦業(yè)工程，機(jī)械工程的研究。Email：lgdjx042@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.034

TS223.3

A

1002-6819(2018)-24-0283-09