油茶籽壓榨過程中的應力應變特性研究

李正文，宋少云,2,鄭 曉,曹梅麗,2，尹 芳，周 勁,2，馮新東

(1.武漢輕工大學 機械工程學院，武漢 430023； 2.湖北省糧油機械工程技術研究中心, 武漢 430023)

油茶籽油是我國最古老的木本食用植物油之一，我國是世界上山茶科植物分布最廣的國家，是世界上最大的油茶籽油生產基地[1]。油茶籽油具有預防和治療心血管疾病、延緩衰老、增強免疫系統功能、抗癌等作用，是一種食用與醫療兼優的良品油[2-3]。壓榨法是油茶籽制油的常用方法。吳雪輝等[4]采用3種壓榨方式獲得油茶籽油，使用灰色關聯法和主成分分析法綜合分析得出：古法壓榨獲得的油茶籽油品質最好，營養價值最高。熊平原等[5]設計了一套輕巧型油茶籽脫殼裝置，并利用ADAMS對油茶籽運動軌跡及破殼受力進行了運動仿真分析。上述研究多關注的是油茶籽的壓榨效果，而尚未對壓榨的應力應變關系進行深入研究。但對于其他油料作物，則有學者對其壓榨力學特性有較為深入的研究。何東平等[6]確立了花生在壓榨過程中出油率與壓榨壓力的經驗公式。鄭曉等[7-8]采用川北方程建立了花生、大豆、芝麻等壓榨的應力應變的關系模型，對于油菜籽和菜籽仁的出油壓力和出油率的關系也進行了系統研究。

為了深入了解油茶籽在壓榨過程中的應力應變關系，本文以湖北省的某種油茶籽為壓榨對象，使用自制的側限排油柱塞式壓榨裝置，分別對3種質量(20、30、40 g)的油茶籽進行了4種加載速率(0.01、0.02、0.04 kN/s和0.06 kN/s)的壓榨，得到了其應力應變曲線。使用川北方程進行了曲線擬合，得到了4種加載速率下的應力應變關系的數學模型。建立的數學模型可以作為有限元仿真分析的底層數學公式，可為榨油仿真奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

油茶籽產自于湖北省，皆為剝殼油茶籽，含水率7.5%、含油率29.2%。

試驗裝置主要由一臺液壓式材料壓縮試驗機(簡稱壓縮試驗機)、與之配套的控制系統SmartTest以及一個自制的側限排油柱塞式壓榨裝置(簡稱壓榨裝置)組成[8]，如圖1所示。壓榨裝置放置在壓縮試驗機的工作臺和上壓頭之間，而上壓頭固定。在SmartTest程序的控制下，工作臺受液壓驅動而上行以壓縮壓榨裝置的活塞，從而完成對壓榨室內油茶籽的壓榨。

注：1.壓縮試驗機；2.控制系統；3.壓榨裝置。

圖1 油茶籽壓縮試驗裝置

1.2 試驗方法

稱取指定質量(20、30、40 g)的油茶籽，裝入壓榨室內；將壓榨裝置置于材料壓縮試驗機上，利用壓縮試驗機控制系統中的SmartTest程序控制加載裝置對壓榨裝置進行加載，以恒定的加載速率加載到指定的壓力水平，然后卸載；此時SmartTest會記錄力-時間、變形-時間、位移-時間、應力-時間、應變-時間、力-變形、力-位移、應力-應變等試驗曲線，并保存下所有試驗數據。為了考察不同加載速率對于壓榨的影響，本試驗選擇4種加載速率：0.01、0.02、0.04 kN/s和0.06 kN/s。壓榨試驗在常溫18℃下進行。

2 結果與討論

2.1 應力應變試驗結果

40 g油茶籽在不同加載速率下的部分應力應變結果如表1所示。

表1 40 g油茶籽不同加載速率的應力應變結果

40 g油茶籽在加載速率0.04 kN/s的應力應變曲線如圖2所示。

圖2 0.04 kN/s加載速率下40 g油茶籽的應力應變曲線

不同加載速率下的油茶籽應力應變曲線如圖3～圖5所示。

為了考察在大量出油階段加載速率對出油率的影響，將圖3中大量出油階段之前的部分放大，結果如圖6所示。

圖3 不同加載速率下40 g油茶籽的應力應變曲線

圖4 不同加載速率下30 g油茶籽的應力應變曲線

圖5 不同加載速率下20 g油茶籽的應力應變曲線

圖6 不同加載速率下突變現象階段的應力應變曲線

2.2 應力應變試驗結果分析

值得注意的是，在試驗過程中，以下幾種情況的試驗均失敗了：情況1(40 g的油茶籽，加載速率為0.1 kN/s)，情況2(30 g的油茶籽，加載速率為0.06 kN/s)，情況3(20 g的油茶籽，加載速率為0.04 kN/s)。此處的試驗失敗是指當加載速率過快超過某個值以后，試驗會在很短時間內完成，并且此試驗會呈現出油量極少的情況，與前面的試驗完全不成比例，出現這種情況的原因可能是加載速率過快，油來不急排出所致。

試驗發現，不同質量的油茶籽對應力應變關系的影響可以忽略。同時質量越大，系統所產生的誤差越小，被誤差影響的概率越小，故而主要對40 g的油茶籽進行研究即可。

為了對油茶籽的壓榨應力應變曲線有一個更清晰的認識，取一種各種特征特別明顯的典型工況(40 g的油茶籽，加載速率為0.04 kN/s)的應力應變曲線進行分析和研究(如圖2所示)。

從圖2可以發現，油茶籽壓榨過程中的應力應變總體上分為4個階段：①壓縮階段(即0a)。此階段基本上是一條斜率較小的傾斜線段，此時油茶籽被逐漸壓緊，發生輕微的塑性變形。②壓實階段(即ab)。此階段開始呈現較陡的非線性變化，并伴有突變現象，此時油茶籽被壓得十分密實，發生劇烈的塑性變形，開始少量出油，顆粒之間的空隙基本已全被填滿。③出油階段(即bc)。此階段油料逐漸變為飽和多孔介質狀態，開始大量出油，這是壓榨法出油效率最高的階段。④強化階段(即cd)。這個階段應力應變曲線變得陡峭，斜率變得很大，油料應變硬化很大，物料結構緊密，雖然壓力直線上升，但是油料變形很小，出油效率大大降低。

從圖3～圖5可以發現，加載速率對其應力應變關系的影響明顯，應變總體上隨著加載速率的減小而增加。根據滲流理論，液體在多孔介質中的滲流具有明顯的時間效應，液體滲流量與滲流時間成正比。加載速率越小，滲流時間越長，滲流量越多，變形也就越大。因此，應變將隨著加載速率的減小而增加。此外，加載速率為0.04 kN/s的40 g油茶籽、加載速率為0.06 kN/s的40 g油茶籽、加載速率為0.02 kN/s的20 g油茶籽的應力應變曲線均出現了瞬時突變。筆者認為瞬時突變之前為壓實階段，在這個階段內幾乎不出油；當加載速率較大的時候，顆粒之間會留下一定的縫隙不會被完全填滿，當試驗力達到一定的值后，會瞬時把這些遺留的空隙填滿，故而產生了突變現象。

從圖6可以發現，在同一應力水平下，圖中的水平橫線從左往右依次穿過的是0.06、0.02、0.04、0.01 kN/s，可以發現加載速率0.04 kN/s的應變反而比0.02 kN/s大。這意味著：并不是加載速率越小，應變就越大，從而出油率就越大。產生此現象的原因可能是：雖然壓榨過程需要足夠的時間以保證油脂充分排出，但是時間過長，也會使流油通道變窄甚至閉塞。因此，每一種油料壓榨時都有一種合適的加載速率。該速率既不能太快，從而使得油不能及時排出；也不能太慢，使得流油通道變狹窄。對于本文所考察的油茶籽而言，0.04 kN/s是一個合適的加載速率，既保證了一定的壓榨效率，也保證了合適的出油量。

2.3 應力應變數學模型的建立

為了得到油茶籽在側限排油的一維壓榨應力應變的數學模型，用川北方程進行推導擬合，得到

(1)

式中：a、b為常數。

將表1中對應每一個加載速率，任選兩行(本文選擇的是10、20 MPa兩行)數據代入式(1)，得到兩個二元一次線性方程，聯立求解得到常數a、b的值，如表2所示。

表2 待定系數a、b值

將表2中的a、b代入式(1)中，就得到一定加載速率下的應力應變關系數學模型。為了驗證所建立的數學模型的正確性，將數學模型所對應的曲線與試驗值進行比較，結果如圖7～圖10所示。

從圖7～圖10可以看出，實測的數據散點都在建立的數學模型曲線周圍波動，說明使用川北方程所建立的數學模型是比較準確的。

圖7 加載速率為0.01 kN/s的應力應變模擬

圖8 加載速率為0.02 kN/s的應力應變模擬

圖9 加載速率為0.04 kN/s的應力應變模擬

圖10 加載速率為0.06 kN/s的應力應變模擬

3 結 論

(1)油茶籽壓榨過程中的應力應變曲線可分為4個階段：壓縮階段、壓實階段、出油階段、強化階段。

(2)總體上加載速率越小，同一應力水平下的應變越大，出油率越高；但是，加載速率為0.04 kN/s的應變反而比加載速率為0.02 kN/s的應變大，意味著0.04 kN/s是一個合適的加載速率，既保證了一定的壓榨效率，也提供了較高的出油率；此外，不同質量的油茶籽對應力應變關系的影響可以忽略。

(3)基于川北方程建立了油茶籽在側限排油的一維壓榨應力應變的數學模型，結果表明，川北方程能夠較好地擬合油茶籽的壓榨應力應變曲線，為榨油過程的有限元仿真分析提供了基礎。