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基于三维CAD软件螺旋榨油机理论压榨比的计算

发布日期:2017-11-06 中国油脂网

 孙伟南,赵建国,户晓磊
 
(郑州大学机械工程学院,郑州450001)
 
摘要:提出一种利用三维CAD软件进行螺旋榨油机理论压榨比的计算方法。应用三维CAD软件创建螺旋榨油机的三维实体模型,并由此快速准确地求出螺旋榨油机的理论压榨比,从而使螺旋榨油机的理论压榨比计算变得更加快捷,而且更加准确。以ZX18A型螺旋榨油机为例,通过计算实例证明,使用该方法计算理论压榨比切实可行,且精确快速。
 
关键词:螺旋榨油机;理论压榨比;三维CAD软件;三维模型
 
中图分类号:TS223;TQ643文献标识码:A
 
文章编号:1003-7969(2016)04-0105-04

Calculation of theoretical squeezing ratio of screw press based on 
three-dimensional CAD software 
SUN Weinan,ZHAO Jianguo,HU Xiaolei
(College of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)
 
 
Abstract:A method for calculating the theoretical squeezing ratio of screw press using three-dimensional CAD software was proposed. Three-dimensional solid model for screw press was established by three-dimensional CAD software, thereby the theoretical squeezing ratio of screw press could be determined quickly and accurately, so the calculation of theoretical squeezing ratio of screw press became more quickly and accurately. With ZX18A type screw press as example, it was proved that the calculation of theoretical squeezing ratio by the method was feasible, fast and accurate.
Key words:screw press;theoretical squeezing ratio;three-dimensional CAD software;three-dimension model

现代机械产品已离不开三维建模、装配仿真技术,如何最大效益发挥三维CAD软件的功能,快速完成产品设计,是每个设计人员追求的目标。三维CAD软件都具备计算截面面积、物体体积等功能,巧妙利用此功能可减轻计算强度,提高设计效率。目前,针对螺旋榨油机的理论压榨比计算,采用的是简化估算方法,此方法不仅计算烦琐,而且不够精确。本文以ZX18A型螺旋榨油机为例,基于三维CAD软件计算榨膛体积代替传统简化估算榨膛体积的方法,精确快速计算出螺旋榨油机的理论压榨比,为三维CAD技术在油脂设备设计中的应用作进一步探索。
 
1螺旋榨油机理论压榨比的计算原理
 
螺旋榨油机的理论总压榨比,指设计中的压榨比,即在理想的情况下(榨膛充满系数为1,榨料没有随轴回转和回料),榨膛内第一级榨螺对应的榨膛体积V1和最后一级榨螺所对应的榨膛体积Ve之比值;理论第n级压榨比,即第n级榨螺对应的榨膛体积和第(n-1)级榨螺对应的榨膛体积之比值,二者计算公式:
 
 
 
计算理论压榨比,需要每级榨螺对应的榨膛体积参数,因此要先计算出榨膛的体积。
 
榨膛主要由榨笼和榨螺轴组成。榨笼是一个由榨条、间隙片围成的带有缝隙的内圈和用于固定榨条内圈的榨笼固定板组成的装配体。榨螺轴主要包括七级榨螺和主轴。七级榨螺安装在主轴上,主轴驱动七级榨螺转动,使油料和榨笼发生挤压,使油从榨条缝隙渗出[1-2]。
 
榨膛的体积是用榨笼部分的内腔体积减去榨螺轴在榨笼部分的体积。
 
2传统计算方法
 
2.1榨笼内腔体积的计算
 
单螺旋榨油机榨笼内腔简化模型如图1所示,其结构参数主要有榨笼内径D和长度L,由圆柱体体积计算公式可知,单螺旋榨油机榨笼内腔体积为[3-4]:
 
 
 
 
2.2榨螺体积计算
 
2.2.1圆柱形榨螺体积计算
 
圆柱形榨螺的结构如图2所示,其结构参数主要有榨螺的根圆直径D1、外圆直径D2、榨螺螺距P、榨螺长度L、螺旋槽宽f、螺纹头数m、以及过榨螺轴心且平行于XOZ面的平面所截得榨螺螺旋的梯形截面基本尺寸(即梯形的上底长度b1、下底长度b2)[3-4]。
 
单根榨螺的体积V2:
 
 
 
 
2.2.2圆锥形榨螺体积计算
 
圆锥形榨螺结构如图3所示,其结构参数主要有榨螺根圆圆锥体及基本尺寸(包括小端直径D11、大端直径D12、圆锥角θ)、外圆直径D2、榨螺螺距P、榨螺长度L、螺纹头数m、螺旋槽宽f、以及过榨螺轴心且平行于XOZ面的平面所截得的榨螺螺旋的梯形截面基本尺寸(即梯形的上底长度b1、下底长度b2)[3-4]。
 
单根榨螺的体积V3:
 
 
 
 
2.3榨膛的体积计算
 
(1)单螺旋榨油机圆柱形根圆圆柱形外圆榨螺和圆柱形榨笼组成的榨膛体积的数学模型为:
 
 
 
 
(2)单螺旋榨油机圆锥形根圆圆柱形外圆榨螺和圆柱形榨笼组成的榨膛体积的数学模型为:
 
 
 
 
2.4理论压榨比计算
 
用榨笼的内腔体积减去榨螺轴在榨笼内的体积,以计算出榨膛体积,由此计算出每级榨螺对应的榨膛体积,根据每级榨螺对应的榨膛体积,使用公式(1)、(2)计算理论压榨比。
 
2.5传统计算方法的不足
 
用圆代替多边形截面,会使计算出的截面面积小于实际截面面积,而且不同级的榨笼的截面不同,用同一圆代替会进一步增大误差。
 
榨笼内侧安装有打散用刮刀,使用圆柱简化模型代替榨笼内腔,并没有去掉刮刀的体积,导致榨笼内腔体积计算不准确。
 
对于ZX18A型螺旋榨油机榨笼部分内腔需要用两个圆柱分别代替Ⅰ级榨笼和Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级榨笼,将导致Ⅰ级榨笼和Ⅱ级榨笼间出现没有计算到的空隙,将导致第Ⅱ级榨螺对应的榨膛体积计算不准确。
 
计算榨螺体积时,将螺纹部分进行简化时,将会把螺纹两端为方便进料出料而设计圆角切角简化掉,会导致计算出的每级榨螺体积大于实际值。
 
3三维CAD软件计算螺旋榨油机理论压榨比
 
3.1调用榨膛相关部件的三维模型
 
在现代产品设计中,已经广泛采用三维CAD软件进行设计,用其绘制设备的三维设计图纸,因此运用本方法计算螺旋榨油机理论压榨比时,不需要重新创建榨膛相关部件的三维模型,直接调用原始设计图纸即可,这大大地提高了计算螺旋榨油机理论压榨比的速度。
 
3.2创建榨膛实体填充模型
 
根据螺旋榨油机设计图纸中榨螺和榨笼的位置要求,将榨螺轴装配到榨笼内,如图4所示。
 
 
使用自上而下的设计方法,在装配体里新建零部件,先分别以4级榨笼的内腔多边形轮廓作为截面,对4级榨笼内腔进行实体填充,然后将第Ⅰ级和第Ⅱ级榨笼之间的空隙以及第Ⅰ级榨螺所对应的腔体进行实体填充,然后运用布尔运算的求并集功能,将各部分的填充实体合并成一个实体,如图5所示。
 
 
对上一步中生成的榨膛填充进行在位设计,运用布尔运算的求差集功能,将其与刮刀、榨螺轴的交集部分切除掉,完成填充模型的创建,如图6所示。
 
 
 
3.3计算各级榨螺对应的榨膛体积
 
使用实体分割功能对创建的榨膛填充模型进行分割,将按七级榨螺对应的榨膛,分割成7个与榨螺相对应的实体,使用软件的测量分析功能计算出7个与榨螺相对应的实体的体积,结果如表1所示。
 
 
 
 
3.4螺旋榨油机理论压榨比的计算
 
根据3.3中的各级榨螺对应的榨膛体积参数,运用公式(1)、(2)计算出的理论压榨比如表2所示。
 
 
 
3.5数据对比
 
运用公式(1)、(2)、(3)、(4)和(6),使用传统算法计算出的ZX18A型螺旋榨油机理论压榨比,如表3所示。
 
 
 
 
 
通过对比表2和表3的数据,可知基于三维CAD软件计算的理论总压榨比,比传统方法计算出的理论总压榨比大0.9%,且各级压榨比数据存在差异。原因是基于三维CAD软件的计算方法中没有对模型进行简化,充分考虑了刮刀、榨螺螺纹切角圆角、榨条间夹角部分占用的体积,误差更小。两种计算方法计算出的数据接近,但是基于三维CAD软件的计算方法更加精确,证明了使用三维CAD软件计算螺旋榨油机的理论压榨比的可行性、准确性。
 
4结论
 
直接利用三维CAD参数化设计模型计算榨膛体积,不需要进行简化估算,避免了复杂的体积计算过程,实际误差比传统算法更小,而且当改变设计榨笼榨螺参数时,榨膛填充部分的数据能自动修改,不需要手动修改,提高了设计效率。如果对软件进行二次开发,利用所建模型直接计算出理论压榨比,可以使螺旋榨油机的设计工作更加顺利、高效。

参考文献:
[1] 刘玉兰.油脂制取工艺学[M].北京:化学工业出版社,2006.
[2] 倪培德.油脂加工技术[M].北京:化学工业出版社,2003.
[3] 周良强.关于螺旋榨油机榨膛空余体积求法的探讨[J].中国油脂,1990,15(3):37-40.
[4] 毛尚宁.榨螺的体积计算[J].数学的实践与认识,1985(2):26-34.

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