книги из ГПНТБ / Куликов, С. Я. Сопротивление материалов учеб. пособие

ГЛАВА ХУ

ИССЛЕДОВАНИЕ 5ИЗИК0-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДОЛЕВЫХ ПРОДУКТОБ

§ I . I 5 . Введение

Знание физико-механических свойств перерабаты­ ваемого сырья необходимо при расчете и конструировании большинства машин в пищевой промышленности, в которых осуществляются процессы механической обработки пищевых продуктов: размол, центрифугирование, шелушение, сепа­ рирование, резка, рзсфасовка, прессование, формование, смешение к др. В процессе механической обработки про­ исходит не только из^ененке внешней формы и структуры перерабатываемого сырья, нои получение сырья качественно новых свойств.

Исследование взаимодействия рабочих органов с пере рабатываемой массой дает возможность наилучшим образом выбрать траекторию движения и размеры рабочих органов, определить усилия в них и произвести обоснованный рас­ чет мощности привода.

Однако, не представляется возможным решить эти за­ дачи в общей постановке ввиду сложности происходящих процессов.

Дело в том, что деформирование различных пищевых материалов в реальных условиях происходит при наличии процессов тепломассообмена, химических и биологических изменений продукта переработки. Последние, в свою оче­ редь, не являются определенными и неизменными во време ни. Поэтому управление многими процессами часто осуще­ ствляется не по научно-обоснованным рекомендациям, а н основании опыта, и существующее оборудование работает

588

режимах, найденных опытным путем. Поэтому эти машины не могут полностью исг.эльзовать возможности, заключен­ ные в принципе работы данных конструкций.

Для более рационального совершенствования оборудо­ вания, создания высокопроизводительных машин на новых принципах работы, когда практический опыт эксплуатации существующих машин может быть применен ограниченно, нуж ны специглькке исследования, в частности исследозанио физико-механических свойств формуемого .родукта.

.".Н.Ауэрыан / 3 / указывает на необходимость зна­ ния структурно-механических свойств пищевых продуктов при организации производства их.

Реолопгзскио исслздованкя, результаты которых ис­ пользуются в технологии различных производственных про­ цессов ипри конструировании машин, многочисленны. Рео­ логическим исследованиям по данным М.П.Воларовича / I I / и Р.Хоувинка / 87 / подвергались глина, почва, торфы, краски, консистентные смазки, нефтепродукты, высокололимэры, строительные материалы, гляниотые растворы, клеи, растворы каучука, смолы, различные продукты пищевой про­ мышленности, волокнистые материалы другие.

Советские ученые П.А.Ребиндер / 9, 57, 58, 59/,ж Ы.П.Воларозич / I I , 12, 13/, А.А.Трапезников /75, 76/, Г.В.Виноградов / 10 / и многие другие, а также зарубеж­ ные, такие как Е.Бингам / 82 /, Ы.Рейнер -/61, 62, 63/, Г.В.Скотт-Биэр /83, 90, 91, 92, 91, 95, 96/, Р.Хоувинн

/ 87 /, В.Оствальд / 87 /, В.Прагер / 55/, Т.Алфрей / I / , И.П.Бюргерс / 83 /, И.Л.Ферри / 86 / внесли значительный вклад в развитие реологии.

Исследованию реологических свойств пищевых продук­ тов посвящены труды Федорова Н.Б., Соколова А.Я., Рогова И.А.9 Гортинского В.В., Маршалкина Г.А., Лунина О.Г., Гуоькова К.П., Горбатова А.В., Ыачихина Ю.А, и др. Они

589

исследовали физико-мэханичее:;ие свойства таких пищевых продуктов как: мясные и колбасные фарши, макаронное, пшеничное, ржаное, бискзитное, бараночное тесто, кон­ фетные, пралиновыз, шоколадные пассы и др. Результаты проведенных исследований были применены при расчете и конструировании различных узлов и механизмов пищевых ма шин.

Целью исследования механических свойств пищевых продуктов является определение коэффициентов, обуславливаю­ щие поведение материалов при всестороннем растяжении - сжатии и сдвиге.

§ 2.15. Реологические характеристики

Полная характеристика физико-механических свойств структурированных систем, в частности пищевых масс, ох­ ватывающая все случаи поведения их под нагрузками, сл гается из следующих шести показателей, предложенных П.А.Ребиндером / 9, 57, 58, 59/ (рис.2.15 и 3.15).

I . Верхнего предела упругости, предела текучести или истинного предельного напряжения сдвига Z' , соот­ ветствующего переходу тела от упругих к необратимым д формациям. Наличием Т пластические тела отличаются от жидких (или согласно терминологии П.А.Ребиндера, твердообразные тела отличаются от упруго-вязких). Его нахо­

590

4.Релаксационной вязкости или вязкооти ползучест

г- г '

ры неразрушенной или полностью успевающей восстанавли в потоке при градиентах не превышающей 1.10~^сек"*.

5. Вязкости упругого последствия £ * своим обра значением, характеризующей начальную, т.е. наибольшую с

591

38-1256

рооть нарастания эластичной деформации

(5.15)

Рис.3.15 Зависимость скорости деформации и напряжения сдвига а/твердообразные системы; б/жкдкообразные системы.

6. Предела прочности Т*", определяющего переход от деформаци; ползучести к разрушению структуры.

Таким образом, П.А.Ребиндер четко разграничивает

Релаксация напряжений и деформация ползучести по представлениям Максвелла должна развиваться в телах уж при сколь угодно малых напряжениях сдвига, отличных о

592

дуля. В связи с этим, некоторые авторы полагают, что

вязкие тела относят к одной группе. В частности, к т кому выводу пришел Трапезников А.А. / 75, 76 /,изучав­ ший на специальном вискозиметре (эласторелаксометре) свойства гелей нафтената алюминия и других колоидных систем. Фиксируемые приборами, пределы ползучести или текучести он считает не точками перехода от обратимых упругих к необратимым пластичным деформациям, а точками резкого ускорения течения. По достижении данного напря жения тело, которое течет с пренебрежимо малой скоро­ стью пропорциональной действующему напряжению сдвига, "ачинает течь гораздо быстрее. Вопроо о том, существу ет ли абсолютный предел текучести у пластичных тел, пока остается дискуссионным.

Основы реологии дисперсных оиотем (которыми явля­ ются в основном вое пищевые продукты) были заложены Ф.Н.Шведовым / 93 /, который впервые исследовал анома­ лию вязкости н релаксации напряжений ХК Это позволило

х

) Релаксация напряжений - явление, при котором происхо

дит изменение напряжений с течением времени при п тоянной деформации.

593

ему предложить уравнение течения пластичного тела.

2" = /г/о у. ~ —

dt dt

(6.15)

В несколько видоизмененной форме уравнения (6.15) спустя 30 лет после Шведова предложил Бингам

dev_

dt

(7.15)

Втаком виде уравнение Шведова-Бингам и получило распространение.

Уравнен"е Шведова-Бингаыа, как это показал Бингам, соответствует характер течения некрторых красок и вязк суспензий глины.

В30-х годах нашего века в результате выскозиметр ческих исследований на ротационном вискозиметре М.П.Воларовича были исследованы л причислены также к этой группе типографские краски, суспензии торфа, пшеничное те^то / 12 /. Однако вскоре выяснилось, что многие стр турированные дисперсии подчиняются этому уравнению тоя.-. ко при малых напряжениях сдвига. Выше показано, что значительных напряжениях сдвига скорость течения тела

начинает возрастать гораздо быстрее, чем напряжение сдвига. Поэтому такие тела по характеру течения станов ся в ряд условно пластических тел. В этом случае пр галось использовать уравнение (7.15) и находить предел текучести экстраполяцией линейного участка кривой тече­ ния (рис.1.15 кривая г) до пересечения с осью напряже­ ния сдвига .

Однако условный характер такой величины очевиден.

594

Поэтому в дальнейшем динамическое предельное напряже­ ние сдвига , которое определялось расчетным путем из формулы (7.15) или графически из экспериментально установленных величин зависимости скорости сдвига от напряжения, потеряло значение реального предала теку­ чести. Возникло понятие о статическом предельном нап жении сдвига, как напряжение, соответствующем фактиче кому началу течения пластической системы 2"f .

Значительный интерес представляли работы, прове­

на тангенциальном смещении пластинки, которая помещен в образце вертикально (рис.4.15). При помощи часки дл

595

мени^при постоянном напряжении (рис. 2.15). Напря­

жение сдвига которое разделяет области упругой

деформации ползучести, по своему физическому смыслу пол чило наименование предела упругости(ползучести) или нижне предела текучести(рис.3.15)

При значительных напряжениях сдвига(рис. 3.15а) зависимосиь деформации от времени приобретает «5-образный характер в момент разрушения структуры материала. При э скорость деформации опережает рост напряжения.После снят

дается после того, как действующие напряжения превысят прочности сисями 2 . Он связан с быстрым понижением вя кости система до минимального значения^ при котором она вновь становится независимой от величины напряжения сдви (рис. 3.15)

На этом рисунке показана также зависимость

нап лжения сдвига от эффективной вязкости (жидкообразных

А

систем), не имеющих предел текучести.

Поведение пищевых продуктов под действием нагрузок, способных вызвать деформацию ,в первую очередь определяется показателями прочностных и вязкостных его

596

свойств. При малых нагрузках имеют значения также упр гие свойства:

а) Прочностные свойства структурированных систем

Прочностные свойства обычно оценизают по величине предела текучести.

Предел текучести, иногда называемый напряжением сдвига или пределом прочности на сдвиг, определяет пра тическую границу между состоянием покоя и пластическим течением тела.

В настоящее время существует ряд методов и приборов для непосредственного определения предела текучести.

Наиболее простой метод состоит в определении напр жения сдвига, соответствующего началу смещения мениска материала в капиллярах при постепенном повышении сдви­ гающего напряжения. Этот принцип использован во многих приборах, в том числе, в пластоыетре К-2. Материал в к пиллярах сдвигается давлением масла, нагреваемого в за­ крытом объеме. Предел текучести рассчитывается по фор­ муле:

Однако, при использовании гладкоотенных капилляров материал может проскальзывать по ним без нарушения пр отенного слоя. Это явление подучило наименование ^"-эф фекта, искажает величину предела текучести, занижая ее Во избежание проскальзывания материала используются реб­ ристые капилляры.

59?