拓扑优化方法在双螺杆榨油机设计中的应用研究

发布时间：2020-04-13 08:29

【摘要】：双螺杆榨油机作为油料作物的压榨工具,目前正得到较为广泛的应用。当前市面上使用的双螺杆榨油机在使用中存在下列问题:榨油机实际生产能力相对较低、平行双螺杆水平肩并肩的布置方式容易引起榨笼顶部饼屑堆积结块,影响双螺杆正常运转。双螺杆榨油机的工作原理主要是:双螺杆与包裹在其外的榨笼共同构成的榨膛空余体积逐渐减小,以达到对物料的挤压作用。因此榨膛是其压榨出油的关键,但目前针对榨笼的设计主要还是依据经验,这种经验设计在一定程度上缺乏科学性,设计周期长,设计结果不理想,导致榨笼的外形尺寸较大,重量偏重,结构也不尽合理,最终导致材料成本偏高。且机架作为双螺杆榨油机的支撑部件,其结构设计不仅要考虑到承重需要,还要考虑到经济效益。针对上述问题,本论文基于双螺杆榨油机设计理论对双螺杆榨油机传动装置、压榨装置、进料装置和出饼装置进行了重新设计。其中对压榨装置中的双螺杆采用竖直布置方式,能够有效减少水平布置方式引起的榨笼饼屑堆积现象。进料装置采用水平和竖直同时进料,且水平进料装置采用变频电机控制,能更好的控制进料速度,以更好的控制榨膛内压力。之后对关键部件双螺杆使用Abaqus进行有限元分析,验证了结构的合理性。并且经计算本设计中榨膛的压缩比达到21,在一定程度上提高了双螺杆榨油机的压榨效率。双向渐进结构优化方法(BESO)作为一种相对成熟的启发式拓扑优化设计方法,其能从理论上给出结构的最佳传力路径,且易于编程,因此本论文将双向渐进结构优化方法引入到榨笼和机架的设计中来。基于Abaqus平台,利用Python与Abaqus的接口,将BESO的程序导入到Abaqus中,对双螺杆榨油机的榨笼、机架进行拓扑优化。并在拓扑优化结果的基础上对榨笼和机架进行结构再设计。经分析,新榨笼和新机架在满足强度和刚度的基础上质量分别减轻了 35.1%、49.7%。本论文为双螺杆榨油机关键部件的设计提供了一种新思路。
【图文】：

平行双螺杆,压榨机,反向旋转,日本

为了进一步提高双螺杆榨油机的压榨效率，并保证油脂和饼粕的质量，逡逑各学者对双螺杆榨油机的结构设计进行了研宄［１３］。１９９２年，日本Ｓ．Ｉｓｏｂｅ等人［１４］^u发逡逑了一种双螺杆部分啮合反向旋转的平行双螺杆榨油机（如图１－１所示），该机油料在螺逡逑杆啮合区的停留时间较长，且有较高的挤压力和摩擦力，从而实现对油料的强化机械逡逑处理。法国ＣＬＥＸＴＲＡＬ公司开发了一种双螺杆完全啮合同向旋转的带有滤油筒体的逡逑平行双螺杆压榨机（如图１－２所示），该机分为预压榨装置和压榨装置两部分，其中预逡逑压榨部分的双螺杆完全啮合而压榨部分的双螺杆不啮合。１９９６年Ｂｏｕｖｉｅｒ和逡逑Ｇｕｙｏｍａｒｄ１１５１研发了一种同向旋转双螺杆（如图１－３所示），螺杆的中间部分设置反向逡逑螺旋，且各段螺杆螺距不同，以产生较大压力，增大出油率。后来经过试验验证了该逡逑设计的有效性；１９９９年，Ｄｕｆａｕｒｅ等人［１６］也利用经过改进的ＣＬＥＸＴＲＡＬ邋ＢＣ４５型试验逡逑榨油机，如图１－４所示，对葵花整籽进行了压榨试验，对影响油脂质量的关键因素，逡逑如榨笼结构、双螺杆啮合方式和排布方式、螺杆转速、油料成分和压榨温度进行了深逡逑入的研宄，，并对饼粕的质量进行了检测和分析，最终发现螺杆结构对挤压加工性能、逡逑能耗和产品质量至关重要。ＥＶ0ｎｎｒ｜等人对存在反向螺旋的双螺杆的压榨段着重进行了逡逑研宄

平面图,双螺杆,平面图,横向

图１－４邋Ｂｏｕｖｉｅｒ和Ｇｕｙｏｍａｒｄ设计的双螺杆横向平面图逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｖｉｅｗ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ａ邋ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ邋ｐｌａｎｅ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｂｏｔｈ邋ｓｃｒｅｗ邋ａｘｅｓ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｂｏｕｖｉｅｒ逡逑ａｎｄ邋Ｇｕｙｏｍａｒｄ逡逑３逡逑
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ643

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