于雙雙，白興達，吳春艷，張琪，陳善峰

（山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博255049）

擠壓加工技術是集輸送、混合、粉碎、剪切、增壓和泵出等功能于一體的新型加工技術，具有應用范圍廣，原料利用率高和能源節(jié)約等諸多優(yōu)點而被廣泛應用于谷物食品加工、釀造以及制油領域中[1-4]。以半濕法玉米胚為原料，運用單螺桿擠壓機擠壓浸油簡化了制油工藝，省去了蒸炒、軋胚、篩分、預榨等操作工藝，節(jié)約了生產成本，同時提高了原料利用率[5-6]。單螺桿擠壓機與雙螺桿及多螺桿擠壓機相比具有價格低、工藝簡單、操作流程短等優(yōu)點，同時擠壓所得玉米原油質量較好，殘油率低，擠壓膨化半濕法玉米胚浸油工藝具有一定的研究和應用價值[7]。

單位功耗是指單位生產能力消耗的功率，在一定程度上能夠體現(xiàn)擠壓機性能的高低，是反映擠壓機系統(tǒng)特性的重要指標[8-9]，關于擠壓機的功耗問題一直是研究的熱點。楊綺云等[10]以蕎麥、薏米、黑米為原料，研究了螺桿轉速、物料濕度和機筒溫度對雙螺桿擠壓機單位功耗的影響，得到功耗較低的操作參數。郭樹國等[11]研究了豆粕擠壓過程中，物料含水量、螺桿轉速、機筒溫度和模頭長徑比對耗電量的影響規(guī)律，得到耗電量低的參數組合，并且得出螺桿轉速對耗電量影響最大。本文以半濕法玉米胚粕為研究對象，運用單螺桿擠壓對玉米胚芽進行擠壓膨化預處理，研究在擠壓膨化過程中阻流環(huán)直徑、軸頭間隙、螺紋升角以及螺桿轉速對單螺桿擠壓機單位功耗的影響，為單螺桿擠壓機更好地應用于擠壓膨化浸油工藝提供理論基礎和試驗依據。

1 材料與方法

1.1 原料

半濕法玉米胚（含水率為7.61%，含油率為19.00%）：黑龍江肇東金玉集團公司油脂廠。

1.2 設備

單螺桿擠壓機說明螺桿參數（擠壓機包括3節(jié)套筒和1根螺桿，螺桿轉速及套筒溫度均可調[12]）：山東理工大學農產品精深加工實驗室自制；數據記錄儀：杭州米科儀表設備有限公司。

1.3 數據采集

運用數據記錄儀記錄電流和壓力值，同時記錄一定時間內的喂料量。

1.4 計算方法

式中：P 為單位功耗，kW·h/kg；U 為電壓，380V；I為電流，A；t為時間，h；M 為喂料質量，kg。

螺桿擠壓機的擠料速度：140 r/min（進料速度）18 kg/h；160 r/min（進料速度）24 kg/h；180 r/min（進料速度）30 kg/h；200 r/min（進料速度）36 kg/h；220 r/min（進料速度）42 kg/h。

2 結果與討論

2.1 試驗因素水平的確定

以擠壓機單位功耗為考察指標，選取阻流環(huán)直徑、軸頭間隙、螺紋升角以及螺桿轉速為試驗變量，根據前人的研究結果[13-14]采用正交試驗設計，試驗因素和水平如表1所示。

表1 試驗因素和水平Table 1 Test factors and levels

2.2 試驗安排與結果

根據表2中的試驗安排，測定不同擠壓參數下的單位功耗，采用SAS 9.1軟件對試驗數據進行分析，同時對回歸方程做顯著性檢驗和方差分析，分析不同擠壓參數對單位功耗的不同影響，從而得到最佳擠壓參數。

表2 試驗安排與結果Table 2 Test arrangements and results

續(xù)表2 試驗安排與結果Continue table 2 Test arrangements and results

2.3 不同擠壓參數對單位功耗的影響

不同擠壓參數對單位功耗的影響見表3。

表3 單位功耗回歸方程系數顯著性檢驗表Table 3 Significance test of regression equation coefficient of unit power consumption

續(xù)表3 單位功耗回歸方程系數顯著性檢驗表Continue table 3 Significance test of regression equation coefficient of unit power consumption

從表3單位功耗的回歸方程顯著性檢驗可知：X4（P<0.000 1）極顯著；X1（P<0.011 6）有較高的顯著性；模型交互項X1X1，X2X2和X4X4（P<0.000 1）極顯著；交互項X3X1（P<0.009 5），X3X3（P<0.001 3）和X4X3（P<0.030 7）具有較高的顯著性，其他項均不顯著。

表4 方差分析表Table 4 Table of variance analysis

根據表4可以看出，總回歸系數R2為0.952 8，二次項（P<0.000 1）極顯著，總回歸（P<0.000 1）極顯著，說明該模型擬合效果好，能通過分析回歸方程分析試驗結果。

2.4 不同擠壓參數對單位功耗影響

軸頭間隙為16 mm，螺桿轉速為180 r/min時，阻流環(huán)直徑和螺紋升角對單位功耗影響的響應面如圖1所示。螺紋升角固定時，單位功耗隨阻流環(huán)直徑的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。阻流環(huán)直徑固定時，單位功耗隨螺紋升角的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。阻流環(huán)直徑較小時，原料受到的壓力較小，物料之間的作用力較大，單位功耗值較大；隨著阻流環(huán)直徑逐漸增大，物料所受壓力逐漸增大，使物料較容易輸出，單位功耗值降低；阻流環(huán)直徑繼續(xù)增大時，加大了物料與螺桿和套筒之間的摩擦力，使消耗功率增加。螺紋升角較低時，物料較難輸出，電機作用力較大，消耗的電功率較大[8]。螺紋升角增加，物料之間的作用力以及物料與螺桿之間的作用力使物料較易輸出，功耗降低。螺紋升角較大時，加大了物料與螺桿和套筒之間的摩擦力，使單位功耗增加。

圖2為螺紋升角7°6′、螺桿轉速180 r/min時軸頭間隙和阻流環(huán)直徑對單位功耗影響的響應面圖。

圖1 螺紋升角和阻流環(huán)直徑曲面分析Fig.1 Response surface analysis of the helix angle and the diameter of choke ring

圖2 軸頭間隙和阻流環(huán)直徑的曲面分析Fig.2 Response surface analysis of the interval of spindle and the diameter of choke ring

當阻流環(huán)直徑固定時，單位功耗隨著軸頭間隙的增加先降低后增加。軸頭間隙較低時，物料較難輸出，單位功耗較大；軸頭間隙繼續(xù)增加時，使物料較易輸出；軸頭間隙較大時，物料被壓成厚餅，輸出時物料之間的作用力增加，單位功耗增加。軸頭間隙保持不變時，單位功耗隨阻流環(huán)直徑的增加先降低后增加。阻流環(huán)直徑影響物料的輸出時間以及物料與套筒和螺桿之間的作用力，阻流環(huán)直徑較小使物料之間作用力增大，阻流環(huán)直徑較大時，物料與套筒和螺桿之間作用力較大，單位功耗增加。

圖3為軸頭間隙固定在16 mm、螺紋升角為7°6′時阻流環(huán)直徑和螺桿轉速對單位功耗影響的響應面。

圖3 阻流環(huán)直徑和螺桿轉速的曲面分析Fig.3 Response surface analysis of the diameter of choke ring and the speed of screw

螺桿轉速保持不變時，單位功耗隨阻流環(huán)直徑的增加先降低后增加，變化的幅度較低。阻流環(huán)直徑保持不變時，隨著螺桿轉速的增加，單位功耗先降低后增加，增加的幅度較低。螺桿轉速通過影響物料在擠壓機內的停留時間影響單位功耗的大小，轉速較低時，停留時間較長，功耗較高。在一定的螺桿轉速范圍內，隨著螺桿轉速的增加，物料在擠壓機內停留時間逐漸縮短，單位功耗逐漸降低[15]。螺桿轉速較大時，一方面擠壓機本身消耗的能量增加，另一方面物料與套筒及螺桿間的作用力增大，單位功耗增加。螺桿轉速對單位功耗的影響較大。

圖4為阻流環(huán)直徑固定在92 mm、螺桿轉速為180 r/min時，軸頭間隙和螺紋升角對單位功耗影響的響應面。

圖4 軸頭間隙和螺紋升角的曲面分析Fig.4 Response surface analysis of the the interval of spindle and the helix angle

當軸頭間隙保持不變時，單位功耗隨螺紋升角的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。螺紋升角保持不變時，單位功耗隨軸頭間隙的增加先降低后增加。軸頭間隙較小時，物料較難輸出，消耗能量較多，單位功耗較大；軸頭間隙較大時，物料緩沖時間增加，料胚層增厚，單位功耗值較大[16]。

圖5 軸頭間隙和螺桿轉速的曲面分析Fig.5 Response surface analysis of the interval of spindle and the speed of screw

圖5為阻流環(huán)直徑為92 mm，螺紋升角為7°6′時，軸頭間隙與螺桿轉速對單位功耗影響的響應面。螺桿轉速保持不變時，隨軸頭間隙的增加，單位功耗先降低后增加。軸頭間隙保持不變時，單位功耗隨螺桿轉速的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。軸頭間隙處于較低或者較高水平時，單位功耗隨螺桿轉速的變化趨勢均比較明顯。螺桿轉速在-2水平時，單位功耗高，這是由于螺桿轉速低，物料在擠壓機內停留時間長，導致單位功耗增加。

圖6 螺紋升角和螺桿轉速的曲面分析Fig.6 Response surface analysis of the helix angle and the speed of screw

圖6為阻流環(huán)直徑和軸頭間隙分別固定在92、16 mm時，螺紋升角和螺桿轉速對單位功耗影響的響應面。當螺桿轉速保持較低水平不變時，單位功耗隨螺紋升角的增大先降低后增加，降低的趨勢不明顯。螺桿轉速保持在較高水平不變時，單位功耗隨螺紋升角的增加先降低后增加，變化幅度不大。螺紋升角保持不變時，單位功耗隨螺桿轉速的增加先降低后增加，降低趨勢明顯。

表5 單位功耗嶺回歸尋優(yōu)分析結果Table 5 Result of ridge regression optimization of unit power consumption

以單位功耗為考察指標，經過嶺回歸選優(yōu)得到最佳工藝參數范圍為：X1為阻流環(huán)直徑為91.05 mm～92.00 mm；X2為軸頭間隙為 15.88 mm～16.00 mm；X3為螺紋升角為 5°39′～7°6′；X4為螺桿轉速為 178.88 r/min～180.00 r/min。

2.5 驗證試驗

試驗的目的是獲取單螺桿擠壓機單位功耗值最低時的擠壓參數，選取最佳工藝參數：阻流環(huán)直徑為91 mm～93 mm，軸頭間隙為 14 mm～16 mm，螺紋升角為 6°30′～ 7°6′，螺桿轉速為 170.00 r/min～180.00 r/min。驗證試驗結果如表6所示。

表6 驗證試驗安排和試驗結果Table 6 Arrangement and result of verification test

在最佳工藝參數條件基礎上進行驗證試驗，得到結果為單位功耗為0.146 kW·h/kg，尋優(yōu)結果與實際試驗所得結果相吻合，回歸方程較好地體現(xiàn)了阻流環(huán)直徑、螺紋升角、軸頭間隙以及螺桿轉速之間的關系。在該工藝參數下單螺桿擠壓機擠壓玉米油單位功耗值最低，大大節(jié)約了能源。

3 結論

以單位功耗為考察指標，探討阻流環(huán)直徑、螺紋升角、螺桿轉速以及軸頭間隙對單位功耗的影響規(guī)律，得到最佳擠壓參數：阻流環(huán)直徑為92 mm，軸頭間隙為16 mm，螺紋升角為7°6′，螺桿轉速為180 r/min。且在該擠壓參數條件下，單位功耗為0.146 kW·h/kg，既滿足了生產質量合格玉米油的需求，又達到了節(jié)約能源的要求。

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