油茶籽压榨过程中的应力应变特性研究

2020-07-14李正文宋少云曹梅丽冯新东

中国油脂 2020年7期

李正文，宋少云,2,郑晓,曹梅丽,2，尹芳，周劲,2，冯新东

(1.武汉轻工大学机械工程学院，武汉 430023； 2.湖北省粮油机械工程技术研究中心, 武汉 430023)

油茶籽油是我国最古老的木本食用植物油之一，我国是世界上山茶科植物分布最广的国家，是世界上最大的油茶籽油生产基地[1]。油茶籽油具有预防和治疗心血管疾病、延缓衰老、增强免疫系统功能、抗癌等作用，是一种食用与医疗兼优的良品油[2-3]。压榨法是油茶籽制油的常用方法。吴雪辉等[4]采用3种压榨方式获得油茶籽油，使用灰色关联法和主成分分析法综合分析得出：古法压榨获得的油茶籽油品质最好，营养价值最高。熊平原等[5]设计了一套轻巧型油茶籽脱壳装置，并利用ADAMS对油茶籽运动轨迹及破壳受力进行了运动仿真分析。上述研究多关注的是油茶籽的压榨效果，而尚未对压榨的应力应变关系进行深入研究。但对于其他油料作物，则有学者对其压榨力学特性有较为深入的研究。何东平等[6]确立了花生在压榨过程中出油率与压榨压力的经验公式。郑晓等[7-8]采用川北方程建立了花生、大豆、芝麻等压榨的应力应变的关系模型，对于油菜籽和菜籽仁的出油压力和出油率的关系也进行了系统研究。

为了深入了解油茶籽在压榨过程中的应力应变关系，本文以湖北省的某种油茶籽为压榨对象，使用自制的侧限排油柱塞式压榨装置，分别对3种质量(20、30、40 g)的油茶籽进行了4种加载速率(0.01、0.02、0.04 kN/s和0.06 kN/s)的压榨，得到了其应力应变曲线。使用川北方程进行了曲线拟合，得到了4种加载速率下的应力应变关系的数学模型。建立的数学模型可以作为有限元仿真分析的底层数学公式，可为榨油仿真奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

油茶籽产自于湖北省，皆为剥壳油茶籽，含水率7.5%、含油率29.2%。

试验装置主要由一台液压式材料压缩试验机(简称压缩试验机)、与之配套的控制系统SmartTest以及一个自制的侧限排油柱塞式压榨装置(简称压榨装置)组成[8]，如图1所示。压榨装置放置在压缩试验机的工作台和上压头之间，而上压头固定。在SmartTest程序的控制下，工作台受液压驱动而上行以压缩压榨装置的活塞，从而完成对压榨室内油茶籽的压榨。

注：1.压缩试验机；2.控制系统；3.压榨装置。

图1 油茶籽压缩试验装置

1.2 试验方法

称取指定质量(20、30、40 g)的油茶籽，装入压榨室内；将压榨装置置于材料压缩试验机上，利用压缩试验机控制系统中的SmartTest程序控制加载装置对压榨装置进行加载，以恒定的加载速率加载到指定的压力水平，然后卸载；此时SmartTest会记录力-时间、变形-时间、位移-时间、应力-时间、应变-时间、力-变形、力-位移、应力-应变等试验曲线，并保存下所有试验数据。为了考察不同加载速率对于压榨的影响，本试验选择4种加载速率：0.01、0.02、0.04 kN/s和0.06 kN/s。压榨试验在常温18℃下进行。

2 结果与讨论

2.1 应力应变试验结果

40 g油茶籽在不同加载速率下的部分应力应变结果如表1所示。

表1 40 g油茶籽不同加载速率的应力应变结果

40 g油茶籽在加载速率0.04 kN/s的应力应变曲线如图2所示。

图2 0.04 kN/s加载速率下40 g油茶籽的应力应变曲线

不同加载速率下的油茶籽应力应变曲线如图3～图5所示。

为了考察在大量出油阶段加载速率对出油率的影响，将图3中大量出油阶段之前的部分放大，结果如图6所示。

图3 不同加载速率下40 g油茶籽的应力应变曲线

图4 不同加载速率下30 g油茶籽的应力应变曲线

图5 不同加载速率下20 g油茶籽的应力应变曲线

图6 不同加载速率下突变现象阶段的应力应变曲线

2.2 应力应变试验结果分析

值得注意的是，在试验过程中，以下几种情况的试验均失败了：情况1(40 g的油茶籽，加载速率为0.1 kN/s)，情况2(30 g的油茶籽，加载速率为0.06 kN/s)，情况3(20 g的油茶籽，加载速率为0.04 kN/s)。此处的试验失败是指当加载速率过快超过某个值以后，试验会在很短时间内完成，并且此试验会呈现出油量极少的情况，与前面的试验完全不成比例，出现这种情况的原因可能是加载速率过快，油来不急排出所致。

试验发现，不同质量的油茶籽对应力应变关系的影响可以忽略。同时质量越大，系统所产生的误差越小，被误差影响的概率越小，故而主要对40 g的油茶籽进行研究即可。

为了对油茶籽的压榨应力应变曲线有一个更清晰的认识，取一种各种特征特别明显的典型工况(40 g的油茶籽，加载速率为0.04 kN/s)的应力应变曲线进行分析和研究(如图2所示)。

从图2可以发现，油茶籽压榨过程中的应力应变总体上分为4个阶段：①压缩阶段(即0a)。此阶段基本上是一条斜率较小的倾斜线段，此时油茶籽被逐渐压紧，发生轻微的塑性变形。②压实阶段(即ab)。此阶段开始呈现较陡的非线性变化，并伴有突变现象，此时油茶籽被压得十分密实，发生剧烈的塑性变形，开始少量出油，颗粒之间的空隙基本已全被填满。③出油阶段(即bc)。此阶段油料逐渐变为饱和多孔介质状态，开始大量出油，这是压榨法出油效率最高的阶段。④强化阶段(即cd)。这个阶段应力应变曲线变得陡峭，斜率变得很大，油料应变硬化很大，物料结构紧密，虽然压力直线上升，但是油料变形很小，出油效率大大降低。

从图3～图5可以发现，加载速率对其应力应变关系的影响明显，应变总体上随着加载速率的减小而增加。根据渗流理论，液体在多孔介质中的渗流具有明显的时间效应，液体渗流量与渗流时间成正比。加载速率越小，渗流时间越长，渗流量越多，变形也就越大。因此，应变将随着加载速率的减小而增加。此外，加载速率为0.04 kN/s的40 g油茶籽、加载速率为0.06 kN/s的40 g油茶籽、加载速率为0.02 kN/s的20 g油茶籽的应力应变曲线均出现了瞬时突变。笔者认为瞬时突变之前为压实阶段，在这个阶段内几乎不出油；当加载速率较大的时候，颗粒之间会留下一定的缝隙不会被完全填满，当试验力达到一定的值后，会瞬时把这些遗留的空隙填满，故而产生了突变现象。

从图6可以发现，在同一应力水平下，图中的水平横线从左往右依次穿过的是0.06、0.02、0.04、0.01 kN/s，可以发现加载速率0.04 kN/s的应变反而比0.02 kN/s大。这意味着：并不是加载速率越小，应变就越大，从而出油率就越大。产生此现象的原因可能是：虽然压榨过程需要足够的时间以保证油脂充分排出，但是时间过长，也会使流油通道变窄甚至闭塞。因此，每一种油料压榨时都有一种合适的加载速率。该速率既不能太快，从而使得油不能及时排出；也不能太慢，使得流油通道变狭窄。对于本文所考察的油茶籽而言，0.04 kN/s是一个合适的加载速率，既保证了一定的压榨效率，也保证了合适的出油量。