CC BY
35
УДК 631.356.4 + 635.21
деформационно-прочностные свойства картофеля различающейся степени жесткости
В.Г. ЖУКОВ1, доктор технических наук, зав. кафедрой (е-mail: z-v-gr@ mail.ru)
Н.Р. АНДРЕЕВ2, доктор технических наук, член-корр. РАН, научный руководитель института (е-mail: vniik@ arrisp.ru)
А.А. МИХАЙЛЕНКО2, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Д.В. БЕЗРУКОВ1, аспирант
Московский государственный университет пищевых производств, Волоколамское шоссе, 11а, Москва, 125080, Российская Федерация
2Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, Красково, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Свойства картофеля зависят от сорта и вида, агрохимических и почвенно-климатическихусловий выращивания, способа и длительности хранения перед переработкой. Энергозатраты на переработку свежего картофеля значительно ниже, чем на измельчение вялых клубней после длительного хранения, деформационно-прочностные свойства которых меняются, ухудшая эффективность измельчения. Результаты испытания образцов клубней на сжатие с получением диаграмм их разрушения позволяют оценить энергозатраты на измельчение картофеля при переработке свежего и вялого сырья. Методика экспериментов была основана на ГОСТ25.503-97 в применении к клубням с разной степенью вялости. Разрушение образцов из картофельных клубней происходило по типу хрупкого вне зависимости от степени вялости клубней по плоской поверхности, направленной под углом 45° к оси образца. Степень вялости клубней не влияла на предел прочности материала и величину относительной деформации разрушения: ап„ м 0,5 МПа, s = 0,27 соответственно. Однако она влияет
ПЧ ' ' max ' ^
на начальный этап сжатия образцов, который характеризуется пологим участком, растущим с увеличением степени вялости клубня. Вслед за пологим участком идет основная часть диаграмм, которая может быть описана линейными функциями а = а + Es. В них величина Езависит от степени вялости клубней и потому может называться условным модулем продольной упругости. По мере увеличения вялости клубня Е возрастает. Для снижения энергозатрат на переработку картофеля следует использовать эффективные современные методы его хранения и уменьшать длительность производственного сезона. Ключевые слова: крахмал, картофельный клубень, предел прочности, деформационные свойства, диаграмма разрушения сжатием.
Для цитирования: Деформационно-прочностные свойства картофеля различающейся степени жесткости / В.Г. Жуков, Н.Р. Андреев, А.А. Михайленко, Д.В. Безруков //Достижения науки и техники АПК. 2016. №12. С. 101-103.
Разработка оборудования для пищевых производств основана на использовании в его расчетах физико-механических и иных параметров сырья [1]. Для производств, перерабатывающих биологические продукты, склонные к значительному изменению свойств в течение времени и вследствие различных условий хранения, необходимо учитывать и эти особенности. К таким продуктам относится картофель, измельчаемый в технологических линиях картофелекрахмального производства [2]. В процессе хранения он становится значительно менее жестким. Его деформационные свойства меняются, ухудшая эффективность переработки на крахмал, чипсы, пюре и другие продукты.
Ранее исследования по оценке деформационно-прочностных свойств картофеля проводили в условиях моделирования конкретного процесса обработки на
цельных клубнях [3, 4] либо в рамках динамических испытаний [2, 5], что было обусловлено целевым назначением этих работ, но вносило в результаты влияние факторов примененных методик.
Деформационно-прочностные свойства клубней картофеля изучали в основном для снижения их повреждаемости при копке, очистке, транспортировке и хранении. При этом было выявлено, что прочность и упругость клубней зависят от сорта, срока уборки и длительности хранения.
При ударном способе измельчения в условиях сравнительной высокой скорости нагружения испытываемого образца картофеля, вызывающей скорость деформации 0,2 мм/с для свежих твёрдых клубней, предельное значение напряжения составило апр= a +Ee = 1,1 МПа, модуль упругости Е=5 МПа при относительной деформации е = 0,22. При испытании образцов из вялых, проросших клубней при той же скорости нагружения величины этих показателей были следующими: апр=0,6 МПа, Е=1,0 МПа, е =0,6. В процессе нагружения зависимость напряжения от относительной деформации оставалась линейной [2, 5].
В работе [6] при скорости деформации 0,3 мм/мин получена практически линейная зависимость напряжения от относительной деформации:
а = - 0,073 + 2,706 е.
Величина модуля упругости для сорта Невский после зимнего хранения составила Е=2,7 МПа, а предел прочности апр = 0,83 МПа. Однако в этой работе исследовали образцы из клубней примерно одинаковой жесткости и потому степени ее влияния на физико-механические характеристики образцов не выявлено.
Цель нашей работы - определение деформационно-прочностных характеристик образцов из клубней различающейся жесткости на основе ГОСТ [7, 8], для получения диаграмм их разрушения, в которых фиксируется связь между нагрузкой и деформацией и предельные величины этих показателей. Такие параметры необходимы для дальнейших расчетов технологического оборудования.
Условия, материалы и методы. Исследования на сжатие проводили с 5-11-кратным повторением параллельных экспериментов вплоть до разрушения на образцах, вырезаемых из картофельных клубней.
Клубни делили на две партии. В первой был свежий, крепкий картофель. Вторую партию выдерживали при повышенной температуре до вялого состояния. Все образцы имели начальную длину l0 и начальную площадь круглого поперечного сечения A0. При проведении исследования фиксировали изменение длины l в виде укорочения (абсолютная деформация) Д1 = l - l0 (мм) в зависимости от усилия сжатия F (Н).
Результаты экспериментов представляли в следующих координатах: е - ось абсцисс, а - ось ординат. При этом были получены довольно резко различающиеся области расположения экспериментальных значений (рис. 1), которые сходились в области разрушения образцов. Степень вялости клубней в исследованном диапазоне ее изменения слабо влияла на предел прочности материала и величину относительной деформации разрушения.
результаты и обсуждение. Образцы проявляли высокую податливость от нулевой до некоторой величины, после чего их жесткость (угол наклона изменения напря-
жения к оси абсцисс) довольно резко возрастала. Дальнейшее деформационное поведение материала образцов можно с достаточной точностью считать линейным. Обобщающие графические построения свидетельствует об отчетливых различиях деформационно-прочностных свойств жесткого (область разброса экспериментальных значений 1) и вялого (область 2) картофеля, что заставляет по-разному линеаризировать их графиками 3 и 4 соответственно (см. рис. 1).
При напряжениях атт > 0,1 МПа функцию напряжений можно считать линейной вне зависимости от степени вялости клубня. Значения начальных деформаций (ешин), с которых линеаризуются диаграммы, во многом зависят от степени вялости. Для образца из крепкого клубня начальная деформация составила е1лин « 0,07, для вялого - е2лин « 0,14.
У жесткого клубня при 0,14 < е < 0,27 осредненная линейная функция изменения напряжений имеет вид: о(1) = - 0,6 +Е1е = - 0,6 + 2,0е.
Поскольку в линейной функции напряжений имеется свободный член, то продольный модуль упругости в этой области деформаций следует считать условным. Такое ограничение термина следует из методик ГОСТ, в которых продольный модуль упругости определяется по начальному участку диаграмм, начиная с нулевой точки координатных осей. Более того, в нашем случае он меняется для одного и того же сорта, то есть одного и того же материала, в зависимости от степени жесткости, возможно, характерной для каждой партии картофеля.
Для образцов из жестких клубней условный модуль продольной упругости в линейной области деформаций составил:
Е =fga = — = 1 1 Де
До 0,5-Ю6-0,1-10®
0,27-0,07
= 2,0-10 Па= 2,0 МПа
У вялых клубней при е > 0,007 осредненная линейная функция изменения напряжений имеет вид:
(2)
: - 0,4 +Е2е =
- 0,4 + 3,3е, МПа
Рис. 1. Обобщенные результаты экспериментов при сжатии образцов из крепкого (1) и вялого (2) клубней и линеаризация их диаграмм (3 и 4 соответственно).
Условный продольный модуль упругости в линейной области деформаций для таких клубней составил:
^ , До 0,5 ■ 106 — 0,1 -106
Е =fga = — = —-!-=
2 2 Де 0,27-0,15
= 3,3-10® Па= 3,3 МПа
Условный продольный модуль упругости образца материала из вялых клубней оказался выше, чем у более крепких:
Е2 = 3,3 МПа > Е1 = 2,0 МПа.
Результаты экспериментов оказались близки, изложенным в работе [6], в которой, однако не было выявлено характерного различия диаграмм сжатия образцов из крепких и вялых картофельных клубней.
Важным наблюдением оказалось то, что образцы обоих видов клубней (крепкий и вялый) одинаково разрушаются по типу хрупкого материала, поскольку бочкообразность поверхности образца незначительна, и плоская поверхность разрушения направлена под углом 45° к оси образца и линии действия сжимающих усилий (рис. 2). Значит, степень вялости не изменяет общую
структуру материала, и разрушение происходит в области действия максимальных касательных (сдвиговых) напряжений.
Разрушение происходит при одинаковом пределе прочности, составляющем
СПЧ(1) ~ СПЧ(2) = СПЧ ~ °,5-°,55
МПа, и близкой предельной относительной деформации - деформации разрушения образца ер1» ер2= ер» (0,26-0,28). В среднем она близка к ер = 0,27. Сортовые различия и условия хранения могут вызвать некоторое расхождение в значениях экспериментально получаемых деформационно-прочностных параметров.
Сближение значений экспериментальных данных с приближением к единому пределу прочности для образцов различающейся твердости может свидетельствовать о неизменности прочностных свойств оболочки клеток и структурной связи между ними. Значит, в процессе нагружения отсутствует относительное скольжение клеток между собой или постепенное их
рис. 2. Характерная фотография, свидетельствующая о хрупком разрушении образца из картофельного клубня: разрушение происходит по плоской поверхности под углом 45° к оси образца, где действуют максимальные касательные напряжения.
разрушение. Происходит лишь растягивание клеточных оболочек, сморщивающихся под действием диффузионного процесса испарения влаги в зависимости отсрока и условий хранения клубней. Величина области высокой податливости при малых нагрузках требует ее учета при разработке измельчителей в зависимости от твердости перерабатываемых клубней: чем менее твердый клубень, тем больше должна быть скорость резания для снижения деформаций в процессе резания.
Поэтому расход электроэнергии на переработку вялого картофеля после длительного хранения клубней
значительно выше, чем на измельчение свежего. Для снижения таких энергозатрат следует использовать эффективные современные методы хранения картофеля и уменьшать длительность производственного сезона.
выводы. Основная часть диаграмм разрушения клубня картофеля может быть описана линейными функциями а = а + Е*е, в которых величина Е* зависит от степени твердости клубней и потому должна называться условным модулем продольной упругости, характерным для конкретной партии картофеля.
Разрушение происходит внезависимости от степени вялости клубней по типу хрупкого по плоской поверхности, направленной под углом 45° к оси образца. Степень вялости клубней в исследованном диапазоне ее изменения слабо влияет на предел прочности материала и величину относительной деформации разрушения. В экспериментах они составили аПЧ « 0,5 МПа и етах = 0,27 соответственно. Однако высокая начальная деформация вялых клубней может служить обоснованием требования повышенных скоростей резания измельчителей для снижения деформаций в процессе резания и получения нужной степени измельчения.
Литература.
1. Машины и аппараты пищевых производств. Учеб. для вузов / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др. / Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. М.: Высшая школа, 2001. Кн.1.
2. Андреев Н.Р., Лукин Д.Н. Производство крахмала и крахмалопродуктов для импортозамещения // Пищевая промышленность, 2014. №12. С. 34-36.
3. Заводнов С.В. Исследование взаимодействия клубней картофеля с рабочими органами сельскохозяйственных машин: Автореф. дис. канд.техн.наук. М., 2002. 143 с.
4. В основе разработки техники - физико-механические свойства картофеля/Н.П. Ларюшин, О.Н. Кухарев, А.А. Кабунин и др.// Картофель и овощи. 2012. № 7. С. 10.
5. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. М.: Пищепромиздат, 2001. С. 87-95.
6. Саврасова Н.Р. Результаты экспериментального определения модуля упругости и предела прочности мякоти клубня картофеля// Вестник ЧГАА. 2012. Т. 60. С. 80-82.
7. ГОСТ 25.503-97 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие». М.: Издательство стандартов, 1998.
8. ГОСТ4651-82. «Пластмассы. Метод испытания на сжатие». М.: Издательство стандартов, 2007.
DEFORMATION AND STRENGTH PROPERTIES OF POTATO WITH DIFFERENT DEGREE OF FIxITY
V.G. Zhukov1, N.R. Andreev2, A.A. Mikhaylenko2, D.V. Bezrukov1
'Moscow State University of Food production, Volokolamskoe shosse, 11a, Moskva, 125080, Russian Federation
2All-Russian Research Institute of Starch Products, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Moskovskaya obl., 140051, Russian
Federation
Summary. Properties of potato depend on the variety, agrochemical and soil and climate conditions, the way and duration of storage period before processing at a plant. Energy consumption for processing of fresh potato is much lower than for crushing of faded tubers after the long storage, deformation and strength properties of which change significantly decreasing the crushing efficiency. The submitted experimental compression data of potato tuber samples with obtained charts of their destruction enable to estimate energy consumption for potato crushing while processing fresh raw materials and faded potato. The test technique was based on GOST 25.50397 for tubers with different hardness. The destruction of samples happens according to a fragile type regardless of tuber hardness on the even surface directed at the angle 45 degrees to the sample axis. The hardness degree of tubers does not influence the material strength point and the relative value of the destruction deformation. Sigma(MS) is about 0.5 MPa and epsilon(max) is 0.27. However, it influences the initial stage of samples compression, which has the flat part growing with the increasing degree of the tuber decay. After the flat section there is the main part of charts which can be described by linear functions sigma = a + E * epsilon. The E value depends on the degree of tuber decay and therefore can be called as a conditional module of a longitudinal elasticity. With the increase in the level of tuber decay E value grows. To decrease the energy consumption for potato processing it is necessary to use the efficient modern methods for its storage and to reduce the duration of a production season.
Keywords: starch, potato tuber, strength point, deformation properties, chart of destruction by compression. Authors Details: V.G. Zhukov, D.Sc. (Techn.), prof.; N.R. Andreyev, D.Sc. (Techn.), corresponding member of the RAS, scientific supervisor; A.A. Mikhaylenko, Cand. Sc. (Techn.), senior research fellow; D.V. Bezrukov, post graduate student
For citation: Zhukov V.G., Andreyev N.R., Mikhaylenko A.A., Bezrukov D.V. Deformation and Strength Properties of Potato with Different Degree of Fixity // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2016. V.30. No. 12. Pp. 101-103 (in Russ.)
