3.2. Механические свойства зерна и крупы

Очевидно, что механические свойства зависят от вида сырья. Зерно различных видов отличается своими характеристиками [13]. Более того, зерно одного и того же вида, но разных сортов, или выращенное в раз­ных местах, или в разное время, тоже различается. Даже внутри одной партии зерна свойства отдельных зерновок не идентичны. Поэтому все величины, о которых мы будем говорить, понимаются как случайные со своими статистическими характеристиками.

На механические и прочностные характеристики влияют размеры объекта. В теории сопротивления материалов удается исключить эту зависимость для деформационных характеристик, используя понятия напряжения и деформации (относительной). Для тех продуктов, с кото­рыми вам предстоит иметь дело, далеко не всегда удается сделать обра­зец, который бы позволял определить механические характеристики материала в духе «сопромата». Во-первых, объекты часто представляют собой неоднородные среды, например, зерно. Во-вторых, как объекты, так и образцы, более или менее однородные по составу и строению, имеют очень малые размеры, что существенно затрудняет или делает невозможной работу с ними. Чтобы снизить влияние масштабного фак­тора при работе, например, с цельным зерном или крупой, вместо силы, действующей на зерновку, рассматривают некое условное напряжение - отношение силы к площади поперечного сечения зерновки (максималь­ное по нормали к вектору силы).

Поэтому, работая с продуктом, необходимо четко понимать и ого­варивать при обмене информацией, о каких характеристиках идет речь, и осознавать их случайную природу.

В отличие, например, от металлов, зернопродукты являются гигро­скопичным материалом органического происхождения. По характеру взаимодействия с водой зерно и продукты его переработки относятся к капиллярно-пористым коллоидным телам. При впитывании влаги они су­щественно меняют свои механические характеристики. Содержание влаги в продукте удобнее всего оценивать влажностью. Абсолютная влажность (влагосодержание) - это отношение массы влаги в продукте к массе сухого (обезвоженного) продукта. Иногда под влажностью понимают относи­тельную влажность - отношение массы влаги к массе продукта (с влагой).

Еще один фактор, который необходимо учитывать или, по крайней мере, иметь в виду, - температура. Кроме косвенного влияния, напри­мер, за счет потери влаги, желательно не забывать о тех биохимических изменениях, которые происходят в зернопродуктах при повышении тем­пературы - клейстеризация крахмала, денатурация белка и т. п. Особен­но сильное влияние температуры проявляется на ряде жидких продук­тов, с которыми приходится иметь дело, например, в комбикормовой промышленности - жиры, меласса и т. п.

Как было показано, зерновка представляет собой достаточно слож­ный и неоднородный объект малого размера. Поэтому простейшие оценки физико-механических свойств относятся к случаю простейших схем нагружения - сжатию между плоскими поверхностями и срезу в квазистатических условиях.

Блок-схема установки с кинематической схемой нагружающего устройства показана на рис. 3.1.

Нагружающее устройство работает следующим образом. Враща­тельное движение вала двигателя через червячную, ременную и зубча­тую передачи передается на винтовую пару, где преобразуется в посту­пательное движение динамометра 6 с предметным столиком 5. Между столиком 5 и упором 3 зерно 4 подвергается деформированию. В зави­симости от конфигурации столика и упора можно реализовать схему нагружения сжатия или сдвига. Скорость перемещения предметного столика (скорость деформирования образца) 3,310 ⁵ м/с.

В качестве датчиков усилия 6 и деформации (перемещения динамо­метрического столика) 2 использованы тензорезисторы. Сигналы после усиления поступают на двухкоординатный самописец /, где в виде кривой регистрируются в двухмерной системе координат (деформация-усилие).

/ 2 3 4 5

Рис. 3.1. Блок-схема установки для определения податливости зерновок с кинематической схемой нагружающего устройства:

1 - двухкоординатный графопостроитель; 2 - датчик перемещений: 3 - упор; 4 - зерновка; 5 - предметный столик; 6 - динамометр; 7 - нагружающее уст­ройство; 8 - тензоусилитель

Установки могут быть различной конструкции; основное требова­ние - они должны регистрировать величину прилагаемой силы и пере­мещения в соответствующем диапазоне с соответствующей точностью.

Отметим, что данный метод оценки механических и прочностных свойств относится к разрушающим, т. е. повторное использование объ­екта для испытаний невозможно в силу его разрушения или существен­ного изменения свойств в процессе испытаний. Кроме того, при испы­тании множества зерен деформационные кривые не идентичны. Поэто­му их надо рассматривать как случайные функции и их характеристики будут случайными величинами.

Типичные деформационные кривые при нагружении зерновок яч­меня по схеме сжатия даны на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Деформационные кривые ячменя при различном влагосодержании:

1 - 10%; 2 - 22%

В начальной стадии нагружения поведение зерна близко к поведе­нию упругого тела, с учетом (при малых усилиях) особенности контакта плоскости и поверхности зерновки, имеющей радиусы кривизны (тео­рия Герца). В дальнейшем развиваются пластические деформации и при некоторых предельных значениях нагрузки и деформации происходит разрушение зерновки. В общем случае зерно и крупа ведут себя как сложное нелинейное тело с нелинейной упругостью и добавлением пла­стического элемента [13].