黃志輝，許方雷，李昌珠，劉汝寬

(1中南大學機電工程學院，湖南長沙410083;2湖南省林業(yè)科學院，湖南長沙410004)

蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應力關(guān)系的研究

黃志輝1，許方雷1，李昌珠2，劉汝寬2

(1中南大學機電工程學院，湖南長沙410083;2湖南省林業(yè)科學院，湖南長沙410004)

【目的】研究蓖麻籽在不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比-軸向應力關(guān)系.【方法】進行了完整蓖麻籽與碾碎后的蓖麻籽在不同的壓榨方式、不同的壓榨速率下的冷榨試驗;采用川北方程建立了雙曲線型壓縮比-軸向應力關(guān)系模型，并依據(jù)試驗結(jié)果，應用最小二乘法求得該模型的待定參數(shù).【結(jié)果和結(jié)論】蓖麻籽碾碎后壓榨在相同的條件下所達到的等價壓縮比和完整籽基本一致，但實際壓縮比比完整籽小得多;多次壓榨在相同的條件下比單次壓榨可以達到更大的壓縮比;模擬值與實測值的對比和誤差分析表明，模擬值與實測值比較吻合.

蓖麻籽;壓榨方式;壓縮比;軸向應力

植物油料在冷態(tài)壓榨過程中壓縮比-軸向應力關(guān)系是冷榨試驗與理論研究的重要內(nèi)容，隨著壓縮比的增大，應力也不斷的增大，且壓縮比-軸向應力關(guān)系是非線性關(guān)系.Mrema等［1］對油料機械壓榨的三步假設推導出，線性加載與恒量加載在任意時刻、餅粕在任意高度時的壓力模型.游燕等［2］基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的預測模型預測了菜籽、菜籽仁、花生、大豆等油料作物的應力 -壓縮比關(guān)系曲線，Zheng等［3-4］基于固液耦合滲流場建立油料作物壓榨模型，并預測了油料作物在恒量加載的情況下，壓榨時間與位移的關(guān)系曲線.棉籽、蓖麻籽、菜籽等油料作物的應力-應變關(guān)系、應力-壓縮比關(guān)系的相關(guān)研究表明壓榨速率越大，壓縮比越小，軸向應力越大［5-8］.但油料作物在不同狀態(tài)不同壓榨方式下的壓縮比-軸向應力關(guān)系目前鮮見報道.

本文通過單軸壓榨研究蓖麻籽在不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應力的關(guān)系.應用川北方程建立雙曲線型壓縮比-軸向應力關(guān)系模型，通過比較蓖麻籽在不同狀態(tài)、不同壓榨方式下的壓縮比-軸向應力關(guān)系，探討蓖麻籽何種狀態(tài)、何種壓榨方式、何種壓榨速度下達到更大的壓縮比需最小的軸向應力.

1 材料與方法

1.1 試驗材料和儀器

試驗采用湖南省林業(yè)科學院培育的“湘蓖一號”蓖麻籽，中南大學機電工程學院蓖麻課題組自行研制的內(nèi)徑為39 mm的單軸壓榨試驗裝置和濟南凱銳機械設備有限公司制造的微機控制電子萬能試驗機加載裝置.

1.2 試驗方法

試驗選擇了20、35、50 mm·min-13種不同的壓榨速率，采用速度控制加載方式探討速率對壓縮比-軸向應力關(guān)系的影響.為了探討蓖麻籽在不同狀態(tài)(完整與碾碎)和單次與多次壓榨對壓縮比-軸向應力關(guān)系的影響，試驗選擇了完整蓖麻籽和碾碎后的蓖麻籽分別進行單次與多次壓榨.每次試驗取蓖麻籽45 g，分別裝入壓榨室，將試驗裝置放在萬能試驗機上，利用材料試驗機上的加載裝置對試驗裝置上的活塞直接加載.單次壓榨是指在1個試驗中，用萬能試驗機對單軸壓榨試驗裝置在恒定速度下不間斷的壓到預設高度.多次壓榨則是在1個試驗中，用萬能試驗機對單軸壓榨試驗裝置在恒定速度下壓到第1個預設高度后，停止壓榨，對餅粕進行攪拌松弛，然后第2次進行壓榨到第2個預設高度，再次停止壓榨，對餅粕再次進行攪拌松弛，依次下去，進行到最后一個預設高度.單次壓榨的數(shù)據(jù)是從萬能試驗機剛接觸到單軸壓榨試驗裝置的活塞時，開始采集應力-應變數(shù)據(jù)，通過采集到的應力-應變數(shù)據(jù)和初始高度計算壓縮比-軸向應力數(shù)據(jù).多次壓榨第1次壓榨跟單次壓榨一樣采集數(shù)據(jù)，第2次壓榨從壓到第1次預設高度后開始采集數(shù)據(jù)，第3次從壓到第2次預設高度后開始采集數(shù)據(jù)，依次類推.本次試驗的分組見表1:

表1 試驗組及壓榨速率Tab.1 Test groups and squeeze rates

相關(guān)參數(shù)［9］計算如下:

式中，p為壓榨軸向應力(Mpa);F為壓榨壓力(N); A為油料表面面積(mm2);εn為壓榨壓縮比;V0為壓榨前的初始體積(mm3);V為壓榨后的體積(mm3)，H為壓榨后的高度(mm);H0為壓榨前的初始高度(mm);ρ為顆粒集合體的密度(g·mm-3);ρ∞為顆粒集合體在受壓無窮大時的理論最大密度(g·mm-3); D為餅粕的相對密度(g·mm-3);V∞為顆粒集合體在受壓無窮大時的凈體積(mm3);e為孔隙率.

1.3 模型建立

若忽略應力-應變突變，采用Kawakita方程建立蓖麻籽在不同狀態(tài)下壓縮比-應力模型.Kawakita方程［11］的形式為:

式中，p為壓榨軸向應力(MPa);a、b為待定參數(shù)，C為體積壓縮率.

體積壓縮率C［9］定義為:

式中，V0表示壓榨前的初始體積(mm3);V表示壓榨后的體積(mm3).

根據(jù)上述方程，當時p→∞，可得

根據(jù)川北［10］的定義及上述方程，當施加壓力時，a為集合體的初始孔隙率［9］，即a=1-D0.

根據(jù)εn、C將Kawakita方程轉(zhuǎn)化為壓縮比和軸向應力關(guān)系表達式，即:

2 結(jié)果與分析

2.1 壓軸比-軸向應力試驗

完整蓖麻籽單次壓榨壓縮比-軸向應力試驗結(jié)果(圖1a)表明，蓖麻籽的壓縮比-軸向應力關(guān)系是非線性變化，并且存在突變.壓縮比-軸向應力突變表現(xiàn)為油料顆粒的屈服與破碎蓖麻籽散體層中存在大量孔隙，殼仁間也存在空隙.當油料外皮殼破碎后，顆粒強度減小，產(chǎn)生壓縮比-軸向應力突變［5］.壓力在一定的情況下，壓榨速率對壓縮比-軸向應力關(guān)系有很大影響，速率越大，破碎應力越大，突變越?。?-6］.由圖1a也可以看出當壓縮比達到比較大時，應力增長得比較快，壓縮比-軸向應力曲線比較陡.這時表明壓縮比接近臨界狀態(tài)，不可再壓縮.

與完整蓖麻籽壓榨相比，碾碎后壓榨在相同的壓力下，達到的壓縮比小得多，而且在各壓榨速率下壓縮比-軸向應力關(guān)系曲線發(fā)生的突變比較小，基本上沒有明顯的突變現(xiàn)象(圖1b).這主要是因為碾碎后壓榨時，散體之間的孔隙變小了，皮殼與內(nèi)仁所受的壓力比較均勻，在同一條件下，碾碎后壓榨所能達到的壓縮比比完整籽壓榨小，其主要原因是一定質(zhì)量的蓖麻籽碾碎后的體積比碾碎前小，根據(jù)密度公式可知其顆粒集合體密度變大，再根據(jù)孔隙率公式得出碾碎后的顆粒集合體的孔隙率變小，可壓縮性變?。?1］.經(jīng)測定，蓖麻籽碾碎后裝入壓榨筒內(nèi)的體積是未碾碎前的0.60倍，也就是說蓖麻籽碾碎后相當于壓縮比達到了1.67.

圖1 蓖麻籽完整和碾碎后單次壓榨壓縮比與軸向應力關(guān)系Fig.1 The relationship between compression ratio and axial stress of complete seeds and crushed seeds in a single squeeze way

與單次壓榨相比，多次壓榨在相同的壓力下可以達到更大的壓縮比(圖2).其主要原因一是因為當壓力達到一定值后，餅粕就開始形成自身特有的內(nèi)部抗壓結(jié)構(gòu)，當繼續(xù)壓榨時，這種結(jié)構(gòu)的抗壓能力越強，最終達到不可再壓縮狀態(tài).但是當開始形成時或形成后破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其抗壓能力減弱，此時再壓榨可以達到更大的壓縮比.二是當達到一定壓縮比時，松弛再壓榨，在壓榨到相同壓縮比時，有一部分油脂能夠被擠出，使其顆粒集合體質(zhì)量變小.根據(jù)密度計算公式，在體積不變的條件下，質(zhì)量減小，密度減小;根據(jù)孔隙率公式，顆粒集合體密度減小，可得出顆粒集合體的孔隙率變大，可壓縮性變好［11］.

圖2 蓖麻籽完整和碾碎后單次與多次壓榨壓縮比與軸向應力關(guān)系(壓榨速率50 mm·min-1)Fig.2 Single squeeze compared with repeated squeeze of complete seeds and crushed seeds

2.2 蓖麻籽壓縮比與軸向應力關(guān)系的數(shù)值模擬

根據(jù)圖1可知，完整籽壓榨壓縮比小于3與碾碎壓榨壓縮比小于2.2時，壓榨壓力比較小，試驗證明此時出油比較少，研究價值不大.根據(jù)以上分析，完整籽壓榨選擇壓縮比大于3，碾碎壓榨選擇壓縮比大于2.2進行分析.根據(jù)試驗結(jié)果應用最小二乘法求得蓖麻籽在不同狀態(tài)下模型參數(shù)a、b值，結(jié)果見表2.

應用雙曲線型應力-應變模型模擬蓖麻籽冷榨壓縮比-軸向應力關(guān)系，結(jié)果見圖3.由圖可知，采用川北方程建立的壓縮比-軸向應力關(guān)系曲線與實測值比較吻合.但由于蓖麻籽壓榨過程中存在突變或其他原因?qū)е履M值與實測值還是有一定誤差.

表2 壓縮比-軸向應力參數(shù)Tab.2 Compression ratio-axial stress parameters

圖3 蓖麻籽完整和碾碎后模擬壓榨壓縮比與軸向應力關(guān)系曲線Fig.3 The analogue curve of the relationship between compression ratio and axial stress of complete seeds and crushed seeds

2.3 誤差分析

因殘差平方和的大小不僅與模型曲線好壞有關(guān)，而且還與實測值的個數(shù)有關(guān)，對于某一模型曲線來說，實測值越多，殘差平方和就越大(除實測值與模型曲線完全重合的情況).為了方便比較模型曲線的好壞程度，引入殘差平方和均值和平均誤差.

表3 蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式的誤差分析Tab.3 Error analysis of castor seeds of different states in different squeeze ways

根據(jù)試驗結(jié)果與模型模擬結(jié)果，計算得到殘差標準差、殘差平方和均值和平均誤差.結(jié)果見表3.

由表3可得，各組試驗的殘差標準差相差不大，均小于5.3，殘差平方和均值相差比較大(2.845 3～16.036 6)，各組試驗的平均誤差相差不大(0.041 8～0.085 8).

3 結(jié)論

壓榨速率對蓖麻籽的壓縮比-軸向應力關(guān)系有比較大的影響，壓榨速率越大，壓縮比越小，軸向應力越大.碾碎后的蓖麻籽在相同的壓力下達到的實際壓縮比比完整籽小得多，但等價壓縮比基本一致，多次壓榨在相同的條件下可以達到更大的壓縮比.采用川北方程建立的雙曲線型壓縮比-軸向應力關(guān)系模型能較好描述蓖麻籽冷榨壓縮比-軸向應力關(guān)系.蓖麻籽在不同狀態(tài)不同壓榨方式的壓縮比-軸向應力關(guān)系的研究為榨油機設計提供了依據(jù).特別是碾碎后壓榨試驗數(shù)據(jù)說明了蓖麻籽壓榨前的預處理可以有效地減小榨膛壓縮比，提高榨油機的生產(chǎn)效率.多次壓榨試驗數(shù)據(jù)為螺旋變徑變螺距榨油機設計提供了依據(jù).

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【責任編輯 霍 歡】

Researchs of the relationship between com pression ration and axial stress of castor seeds of different states in different squeeze ways

HUANG Zhihui1，XU Fanglei1，LIChangzhu2，LIU Rukuan2
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China; 2 Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004，China)

【Objective】To study the relationship of compression ratio between axial stress and castor seeds in different stateswith different squeezemethods.【Method】Cold pressing tests of complete and crushed castor seedswere accomplished in different squeeze ways with different squeeze rates.Hyperbolic compression relationship model between ratio and stress was developed on the basis of the Kawakita＇s equations.The parameters of themodelwere determined by the least squaremethod according to the tested results.【Result and conclusion】The results showed that crushed castor seeds achieved an equivalent compression ratio consistent with complete ones，while the actual compression ratio wasmuch smaller than that of the complete seeds.Pressing repeatedly under the same conditions can achieve a greater compression ratio than that of a single press.Simulated values and measured valuesmatched well by comparison of values and their error analysis.

castor seed;squeeze way;compression ratio;axial stress

TH-39

A

1001-411X(2015)01-0101-05

黃志輝，許方雷，李昌珠，等.蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應力關(guān)系的研究［J］.華南農(nóng)業(yè)大學學報，2015，36(1):101-105.

2013-11-18 優(yōu)先出版時間:2014-12-02

優(yōu)先出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7671/j.issn.1001-411X.2015.01.019.html

黃志輝(1952—)，男，教授，E-mail:zhhuang@mail.csu.edu.cn;通信作者:許方雷(1988—)，男，碩士，E-mail: 841469575@qq.com

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304608)，國家科技支撐計劃(2011BAD22B04)