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玉米和大米混合粉双螺杆挤压特征参数的研究


第 25 卷第 4 期 2009年7月

Vol . 25 ,No . 4 J ul . 2 0 0 9

玉米和大米混合粉双螺杆挤压特征参数的研究
St udy of t he co rn2rice powder characteristic parameter s in t win2screw ext rusio n p ro

cess

张志森1

( 1 四川文理学院理工系 , 四川 达州   635000 ; 2 . 暨南大学理工学院食品科学与工程系 , 广东 广州   510632) ( 1 . De pt. of S cience an d Technolog y , S ichuan U ni versit y of A rts an d S cience , D az hou , S ichuan 635000 , Chi na;

2 . De pt. of Food S cience an d En gi neeri n g , J i nan U ni versit y , Guan gz hou , Guan g don g 510632 , Chi na)

摘要 : 为寻求挤压机特征参数之间的内部关系 , 指导挤压生 产加工实践 ,以玉米粉和大米粉为原料 , 在双螺杆挤压机上 进行 2 因素 3 水平的正交试验 。试验因素为 : 螺杆转速和喂 料速率 ; 试验指标为机筒内部压力 、 模头出口温度和主机电 流 。通过单指标回归分析 , 表明螺杆转速对机筒内部压力 、 模头出口温度及主机电流 3 者影响均显著 ,而喂料速率仅对 机筒内部压力和主机电流影响显著 ; 进一步通过响应面分 析 ,得到较好的试验条件为 : 螺杆转速 150 r/ min : , 喂料速 率 :14 r/ min 。 关键词 : 挤压 ; 特征参数 ; 单指标 ; 回归分析 ; 响应面分析
Abstract :For t he purpo se of finding t he inner relations of ext rusion characteristic parameters and guiding t he ext rusion p ractice. 22fac2 tors are set to be screw rate and feed rate ; t he indices are set to be : conditions are obtained. The factors should be set as : screw rate = 150 r/ min , feed rate = 14 r/ min. experimental result s are inspected wit h t he single index regression a2 and generator current , while t he feed rate only impact significantly sponse analysis of t he original variables , t he desired experimental gression analysis ; Response analysis

inner pressure , die outlet temperat ure and generator current . The

ence on t he variables of barrel inner p ressure , die outlet temperat ure

on t he barrel inner pressure and generator current . After t he re2

tors and 32levels ort hogonal experiment s are carried out on t he t win2

作者简介 : 张志森 (1969 - ) ,男 ,四川文理学院理工系讲师 。 E2mail :t hrywood @yahoo . com. cn 收稿日期 :2009 - 04 - 11

nalysis , t he result s show t hat t he screw rate has t he significant influ2

压加工研究中 ,食品物料挤压特性研究与设备特征参数研究 成了人们关注的两大课题 [1~4 ] 。左春柽等 [5 ] 通过口感评价

screw ext ruder wit h t he corn2rice powder as t he materials. The fac2 Keywords : Ext rusion ; Characteristic parameters ; Single index ; Re2

食品挤压加工是现代食品加工中的高新技术 ,在食品挤

160

Z H A N G Z hi2sen

1

 

李爱军2

和膨化度对比 ,得出了较优的工艺参数和食品配方 。张志森 等 [6 ] 研究了因素变量对指标变量的影响顺序 ,获得了较好的 挤压加工条件 。本试验研究了玉米与大米混合粉挤压特征 参数 ( 模头处物料压力 、 温度以及主机电流 ) 受螺杆转速与进 料速率影响的规律 , 对指导挤压生产实践 , 提高挤压生产效 率具有一定的指导意义 。

1  材料与方法
1. 1   设备

司) ,该机对原料适应性好 ,具有较好的应变性和控制性 。其 主要参数为 : 螺杆外径 <55 mm ,螺杆总长 600 mm ,两螺杆中 心距 45 mm ,喂料螺杆的直径 <48 mm ,电机功率14. 7 kW 。 熔体压力传感器 : TP T493 型 ,美国 Dynisco 公司 。
1. 2   材料

入一些糖和盐调味 。配方如下 : 玉米粉 49 % , 大米粉 49 % , 精盐 1. 7 % ,甜蜜素 0. 3 % 。
1. 3   方法

表 1。

L I A i2j un
水平
1 2 3

2

本试 验采 用 BC45 型双 螺杆挤 压机 ( 法 国 Clext ral 公

采用玉米全粉和大米粉 1 ∶ ( W ∶ ) 的比例 ,再适当加 1 W

采用正交试验设计 , 根据预试验结果 , 设置因素水平见

表1  因素水平表

Table 1  Table of factors and levels
螺杆转速 N
90

/ (r ? min - 1 )

进料速率 V
14 16 18

120 150

机械与设计
  机筒中间段的温度定为 180 ℃。考察的指标变量为 :

 
2. 2   原始变量响应面分析

2009 年第 4 期

) 模头出口处温度 T ( ℃ ,出口压力 P ( Pa) ,主机电流 I ( A ) 。

为进行原始变量响应面分析 ,需对编码变量的回归方程 进行变量还原 。为此 ,令 :
x1 = x2 = N - 120

在挤压生产中 ,输入的单位机械能 、 单位热能和挤压机的功 耗等特征参数可由上述指标间接体现 。

2  结果与分析
试验采用 L 9 ( 3 4 ) 正交表中的因素组合进行 ,试验获得的 各指标变量值如表 2 所示 。
2. 1   试验结果分析 [ 7 ] 对编码变量的回归分析

30
V - 16

2

( 代入上述方程 ( 1) 、3) 中 , 得到 : P = 248 . 72 - 3 . 79 N + 5 . 5V + 0 . 012 N 2 ( 4)

编码变量 ( - 1 ,0 ,1) 是将各原始变量减去中心数再除以 变量间距构成的 ,该编码变量在进行回归分析时 , 可以使各 因素变量向量正交 , 回归分析过程简化 。应用 SAS 通用分 析软件得到各响应变量对因素变量的回归方程为 ( 各回归系 数的检验均为极显著 P ≤ 002) : 0.
P = 52 . 43 - 28 . 50 x 1 + 11 x 2 + 10 . 64 x 2 1 T = 126 . 86 + 9 . 50 x 1 I = 22 - 4 . 5 x 1 + 2 . 17 x2 - 0 . 5 x 1 x2 + 1 . 5 x2 1 ( 1) ( 2) - 0 . 5 x2 2 ( 3)
2

I = 20 . 84 - 0 . 42 N + 6 . 09V - 0 . 008 3 NV + 0 . 001 7 N - 0 . 13V 2 ( 5)

(5) 应用 Matlab 软件 ,绘制方程 (4) 、 的响应面 , 如图 1 、

图 2 所示 。

式中 :
x 1 ——因素变量螺杆转速 N , r/ min ; — x 2 ——进料速率 V 的编码变量 。 —

表2  正交试验结果
Table 2  The result s of t he o rt hogonal experiment s
试验 次数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
N V

物料压力
10 P × 5 / Pa 91 77 101 62 51 36 24 34 40 55

物料温度/ ℃
110 115 120 124 127 129 133 134 135 130

主机电流/
A 28 25 30 24 22 19 17 19 20 22

图1  物料压力对因素变量的响应面
Figure 1  Respo nse surface of p res. vs facto rs

- 1 - 1 - 1 0 0 0 1 1 1 0

0 - 1 1 1 0 - 1 - 1 0 1 0

图2  主机电流对因素变量的响应面
Figure 2  Respo nse surface of current vs facto rs

通过回归方程分析可以看到 ,挤压机物料压力受螺杆转 速的 1 次项 、 次项以及喂料速率 1 次项的影响显著 ,表明挤 2 压机内物料压力与螺杆转速 、 喂料速率关系极大 ; 挤压机内 物料温度仅与螺杆转速的 1 次项有关 , 两者成正相关关系 , 表明挤压过程产生的热能与螺杆转速成正比 , 转速越高 , 对 物料的剪切作用越大 , 产生的热量也越大 , 物料的温升与喂 料速率无关 ; 挤压机主电流受两因素变量的 1 次项 、 次项以 2 及交互项的影响均极显著 。为进一步详细研究螺杆转速与 进料速率对挤压机内物料压力与主机电流的影响 ,进行响应 面分析 ,为此需要对上述方程进行原始变量的回归分析 。

从物料压力对因素变量的响应面 ( 图 1) 可以进一步看 到 ,螺杆转速对挤压机内物料压力的影响比喂料速率的影响 要大 ,压力随螺杆转速的增大而减小 , 随进料速率的增大而 增大 ,在低的螺杆转速下模头压力随进料速率的变化显著 。 这主要是由于随着螺杆转速的降低 ,物料在挤压机内驻留的 时间增长 ,物料的压缩段加大并且后移 , 使得挤压机模头处 熔融段增加 ,压力得以建立并保持较大值而造成的 。相反 , 当螺杆转速较高时 , 物料在机筒内的驻留时间相对缩短 , 压 缩段较短 ,相应的熔融段也减少 ,使模头处压力较小 。

161

第 25 卷第 4 期

张志森等 : 玉米和大米混合粉双螺杆挤压特征参数的研究
255~264.

 

从主机电流对因素变量的响应面 ( 图 2) 可以看到 , 螺杆 转速与喂料速率均对挤压机的主机电流具有较复杂的影响 , 说明在操作挤压机进行挤压加工过程中 ,两个特征参数对挤 压机的能量消耗尤为重要 。从图 2 可见 , 主机电流随着螺杆 转速的增大而减小 ,随着进料速率的增大而增大 。为使功耗 较小 ,可采用较大的螺杆转速和较小的喂料速率组合 。

3  结论
本试验以玉米粉和大米粉为原料 ,在双螺杆挤压机上进 行了正交试验 ,对试验结果进行了回归分析和响应面分析 , 表明 : 物料压力随螺杆转速的增大而减小 、 随进料速率的增 大而增大 ; 主机电流随着螺杆转速的增大而减小 , 随着进料 速率的增大而增大 ; 挤压机内物料温度在固定机筒外加热装 置设定温度条件下 ,仅与螺杆转速有关 。 参考文献
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( 上接第 37 页)

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( 上接第 82 页)

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