擠壓參數(shù)對(duì)單螺桿擠壓機(jī)單位功耗影響研究

于雙雙，白興達(dá)，吳春艷，張琪，陳善峰

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博255049）

擠壓加工技術(shù)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(shù)，具有應(yīng)用范圍廣，原料利用率高和能源節(jié)約等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于谷物食品加工、釀造以及制油領(lǐng)域中[1-4]。以半濕法玉米胚為原料，運(yùn)用單螺桿擠壓機(jī)擠壓浸油簡(jiǎn)化了制油工藝，省去了蒸炒、軋胚、篩分、預(yù)榨等操作工藝，節(jié)約了生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了原料利用率[5-6]。單螺桿擠壓機(jī)與雙螺桿及多螺桿擠壓機(jī)相比具有價(jià)格低、工藝簡(jiǎn)單、操作流程短等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擠壓所得玉米原油質(zhì)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(yīng)用價(jià)值[7]。

單位功耗是指單位生產(chǎn)能力消耗的功率，在一定程度上能夠體現(xiàn)擠壓機(jī)性能的高低，是反映擠壓機(jī)系統(tǒng)特性的重要指標(biāo)[8-9]，關(guān)于擠壓機(jī)的功耗問題一直是研究的熱點(diǎn)。楊綺云等[10]以蕎麥、薏米、黑米為原料，研究了螺桿轉(zhuǎn)速、物料濕度和機(jī)筒溫度對(duì)雙螺桿擠壓機(jī)單位功耗的影響，得到功耗較低的操作參數(shù)。郭樹國(guó)等[11]研究了豆粕擠壓過程中，物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度和模頭長(zhǎng)徑比對(duì)耗電量的影響規(guī)律，得到耗電量低的參數(shù)組合，并且得出螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)耗電量影響最大。本文以半濕法玉米胚粕為研究對(duì)象，運(yùn)用單螺桿擠壓對(duì)玉米胚芽進(jìn)行擠壓膨化預(yù)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(zhuǎn)速對(duì)單螺桿擠壓機(jī)單位功耗的影響，為單螺桿擠壓機(jī)更好地應(yīng)用于擠壓膨化浸油工藝提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

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(tuán)公司油脂廠。

1.2 設(shè)備

單螺桿擠壓機(jī)說明螺桿參數(shù)（擠壓機(jī)包括3節(jié)套筒和1根螺桿，螺桿轉(zhuǎn)速及套筒溫度均可調(diào)[12]）：山東理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品精深加工實(shí)驗(yàn)室自制；數(shù)據(jù)記錄儀：杭州米科儀表設(shè)備有限公司。

1.3 數(shù)據(jù)采集

運(yùn)用數(shù)據(jù)記錄儀記錄電流和壓力值，同時(shí)記錄一定時(shí)間內(nèi)的喂料量。

1.4 計(jì)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(shí)間，h；M 為喂料質(zhì)量，kg。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)因素水平的確定

以擠壓機(jī)單位功耗為考察指標(biāo)，選取阻流環(huán)直徑、軸頭間隙、螺紋升角以及螺桿轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)變量，根據(jù)前人的研究結(jié)果[13-14]采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素和水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素和水平Table 1 Test factors and levels

2.2 試驗(yàn)安排與結(jié)果

根據(jù)表2中的試驗(yàn)安排，測(cè)定不同擠壓參數(shù)下的單位功耗，采用SAS 9.1軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)回歸方程做顯著性檢驗(yàn)和方差分析，分析不同擠壓參數(shù)對(duì)單位功耗的不同影響，從而得到最佳擠壓參數(shù)。

表2 試驗(yàn)安排與結(jié)果Table 2 Test arrangements and results

續(xù)表2 試驗(yàn)安排與結(jié)果Continue table 2 Test arrangements and results

2.3 不同擠壓參數(shù)對(duì)單位功耗的影響

不同擠壓參數(shù)對(duì)單位功耗的影響見表3。

表3 單位功耗回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)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(shù)顯著性檢驗(yàn)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(yàn)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(xiàng)X1X1，X2X2和X4X4（P<0.000 1）極顯著；交互項(xiàng)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(xiàng)均不顯著。

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

根據(jù)表4可以看出，總回歸系數(shù)R2為0.952 8，二次項(xiàng)（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(yàn)結(jié)果。

2.4 不同擠壓參數(shù)對(duì)單位功耗影響

軸頭間隙為16 mm，螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，阻流環(huán)直徑和螺紋升角對(duì)單位功耗影響的響應(yīng)面如圖1所示。螺紋升角固定時(shí)，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(shì)。阻流環(huán)直徑固定時(shí)，單位功耗隨螺紋升角的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。阻流環(huán)直徑較小時(shí)，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(shí)，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(shí)，物料較難輸出，電機(jī)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(shí)，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(zhuǎn)速180 r/min時(shí)軸頭間隙和阻流環(huán)直徑對(duì)單位功耗影響的響應(yīng)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(dāng)阻流環(huán)直徑固定時(shí)，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(shí)，物料較難輸出，單位功耗較大；軸頭間隙繼續(xù)增加時(shí)，使物料較易輸出；軸頭間隙較大時(shí)，物料被壓成厚餅，輸出時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)阻流環(huán)直徑和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)單位功耗影響的響應(yīng)面。

圖3 阻流環(huán)直徑和螺桿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速保持不變時(shí)，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(shí)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，單位功耗先降低后增加，增加的幅度較低。螺桿轉(zhuǎn)速通過影響物料在擠壓機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間影響單位功耗的大小，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，停留時(shí)間較長(zhǎng)，功耗較高。在一定的螺桿轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料在擠壓機(jī)內(nèi)停留時(shí)間逐漸縮短，單位功耗逐漸降低[15]。螺桿轉(zhuǎn)速較大時(shí)，一方面擠壓機(jī)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(zhuǎn)速對(duì)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(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，軸頭間隙和螺紋升角對(duì)單位功耗影響的響應(yīng)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(dāng)軸頭間隙保持不變時(shí)，單位功耗隨螺紋升角的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。螺紋升角保持不變時(shí)，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(shí)，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(shí)，物料緩沖時(shí)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(zhuǎn)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(shí)，軸頭間隙與螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)單位功耗影響的響應(yīng)面。螺桿轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，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(shí)，單位功耗隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。軸頭間隙處于較低或者較高水平時(shí)，單位功耗隨螺桿轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)均比較明顯。螺桿轉(zhuǎn)速在-2水平時(shí)，單位功耗高，這是由于螺桿轉(zhuǎn)速低，物料在擠壓機(jī)內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致單位功耗增加。

圖6 螺紋升角和螺桿轉(zhuǎn)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(shí)，螺紋升角和螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)單位功耗影響的響應(yīng)面。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速保持較低水平不變時(shí)，單位功耗隨螺紋升角的增大先降低后增加，降低的趨勢(shì)不明顯。螺桿轉(zhuǎn)速保持在較高水平不變時(shí)，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(shí)，單位功耗隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加先降低后增加，降低趨勢(shì)明顯。

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

以單位功耗為考察指標(biāo)，經(jīng)過嶺回歸選優(yōu)得到最佳工藝參數(shù)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(zhuǎn)速為 178.88 r/min～180.00 r/min。

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是獲取單螺桿擠壓機(jī)單位功耗值最低時(shí)的擠壓參數(shù)，選取最佳工藝參數(shù)：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(zhuǎn)速為 170.00 r/min～180.00 r/min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)安排和試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Arrangement and result of verification test

在最佳工藝參數(shù)條件基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到結(jié)果為單位功耗為0.146 kW·h/kg，尋優(yōu)結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)所得結(jié)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(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在該工藝參數(shù)下單螺桿擠壓機(jī)擠壓玉米油單位功耗值最低，大大節(jié)約了能源。

3 結(jié)論

以單位功耗為考察指標(biāo)，探討阻流環(huán)直徑、螺紋升角、螺桿轉(zhuǎn)速以及軸頭間隙對(duì)單位功耗的影響規(guī)律，得到最佳擠壓參數(shù)：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(zhuǎn)速為180 r/min。且在該擠壓參數(shù)條件下，單位功耗為0.146 kW·h/kg，既滿足了生產(chǎn)質(zhì)量合格玉米油的需求，又達(dá)到了節(jié)約能源的要求。

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