CC BY
25
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11020 УДК 631.356.4 + 635.21
Форма диаграммы сжатия цилиндрических образцов различной длины из клубней картофеля
В. Г. ЖУКОВ, доктор технических наук, главный научный сотрудник (е-mail: vniik@arrisp.ru) Н. С. ЛУКИНА, старший научный сотрудник Е. Н. МАЛЕЕВА, старший научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Механические свойства мякоти картофеля чаще всего изучают, используя методику одноосного сжатия вырезаемых из клубней цилиндрических образцов. В результате получают диаграммы в координатах напряжение-относительная деформация. В зависимости от условий проведения эксперимента диаграммы могут оказываться прямолинейными, иметь Б-образную форму или иной вид. Цель наших исследований -изучение влияния соотношения длины образца к его диаметру и условий крепления образцов в опорах на форму диаграммы. Эксперименты проводили на лабораторной установке с механическим приводом для исследования малопрочных материалов с образцами, имеющими различные соотношения длины к диаметрувдиапазоневеличин0,357...1,786. Образцыразделя-ли на две группы. Одну размещали между обычными жесткими плоскими и гладкими металлическими опорами. Образцы другой группы устанавливали в опорах, на каждой из которых была четырехмиллиметровой толщины прокладка, имеющая тонкое наждачное покрытие, для выявления воздействия на диаграмму шероховатости опор. Проверка зависимости деформации собственно прокладок от продольной нагрузки показала линейную связь и, следовательно, в экспериментах их деформация не могла влиять на криволинейность диаграммы. У всех образцов вне зависимости от длины и условий крепления в опорах отмечали диаграммы одноосного сжатия в виде Б-образных кривых. В каждой группе отмечена тенденция, согласно которой с уменьшением длины образца увеличивается его относительная деформация. Основная причина устойчиво больших относительных деформаций у коротких образцов, по сравнению с более длинными, - малая величина знаменателя при расчете относительной деформации. Возможно, на этот факт оказывает влияние краевой эффект со стороны опор. Ключевые слова: картофельный клубень, цилиндрический образец, одноосное сжатие, Б-образная диаграмма, напряжение, деформация.
Для цитирования: Жуков В. Г., Лукина Н. С., Малеева Е. Н. Форма диаграммы сжатия цилиндрических образцов различной длины из клубней картофеля // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 10. С. 87-89. 001: 10.24411/02352451-2018-11020.
Механические свойства растительного сырья изучают с момента начала его интенсивной промышленной переработки. В последние 40 лет в печати регулярно появляются публикации по этой теме [1, 2, 3]. После начального многообразия методов экспериментального исследования механических свойств [4] все больше исследователей отдают предпочтение хорошо изученным методам применительно к конструкционным и перерабатываемым органическим и неорганическим материалам различной природы [5, 6]. Для растительного сырья, включая картофель, вследствие особенностей клеточного строения, первичны и наиболее информативны исследования в условиях одноосного сжатия образцов, как правило, цилиндрической формы [7]. В них получают диаграммы, иллюстрирующие взаимосвязь между созданным в образце нормальным напряжением и вызванной им относительной деформацией. При значи-
тельном количестве публикаций по картофелю отсутствует устоявшееся мнение о форме получаемых диаграмм. В некоторых из них диаграммы можно считать линейными [8, 9, 10]. Как правило, такие опыты проводили с образцами, имеющими длину, равную или меньше их диаметра, что обычно объясняют необходимостью предотвращения потери продольной устойчивости. В других публикациях отмечена характерная нелинейность диаграмм [11, 12]. В наших экспериментах с образцами длиной 25 мм и диаметром 14 мм диаграммы имели Б-образный вид большей или меньшей кривизны [13, 14]. Наиболее простым объяснением установленного различия вида диаграмм может оказаться влияние соотношения длины образца к его диаметру. Кроме того, на вид диаграмм может оказывать влияние шероховатость поверхностей опор крепления образцов.
В этой связи цель нашего исследования состояла в экспериментальной проверке формы диаграммы продольного (одноосного) сжатия вырезаемых из картофельных клубней цилиндрических образцов, имеющих различные соотношения между длиной и диаметром, а также влияние шероховатости поверхностей опор крепления образцов.
Условия, материалы и методы. В исследовании использовали клубни картофеля сорта Гала, собранного в августе 2016 г. на полях ООО «Максим Горький» Тульской области, хранившегося при температуре от +1 до +14 °С и относительной влажности воздуха до 50 %. Эксперименты проводили в октябре 2016 г. Образцы вырезали из средней части мякоти клубней с наибольшим размером среднего клубня 60 мм и более крупного (условно-большого) клубня - 80 мм. Все образцы имели диаметр 14 мм, а их длина составляла 5, 10, 15, 20 и 25 мм, что соответствовало величинам соотношений длины к диаметру 0,357; 0,714; 1,071; 1,429 и 1,786 соответственно.
Эксперименты проводили на лабораторной установке с механическим приводом для исследования малопрочных материалов при одноосном сжатии. Образцы устанавливали традиционно между оппозитными опорами. При последовательном нагружении образца с целью нивелирования влияния релаксационного эффекта замеры продольного усилия F и изменяющейся длины образца I осуществляли во время 30-секундных остановок. В расчет принимали средние за время остановки значения каждого параметра.
Для определения влияния скольжения по опорам в поперечном нагрузке направлении образцы разделили на две группы. В одной их устанавливали влажными от среза торцевыми плоскостями непосредственно на жесткие гладкие металлические плиты опор. В этой группе было малое количество образцов, поскольку результаты многочисленных аналогичных экспериментов уже опубликованы [13, 14] и требовались лишь контрольные подтверждающие данные. В другой - между плитами опор установки и торцевыми поверхностями образцов размещали прокладки толщиной 4 мм, имеющие тонкое наждачное покрытие. Зажатый таким образом между опорами образец не мог скользить в направлении, поперечном к оси нагружения, что особенно важно при экспериментах с удлиненными образцами. Во второй
Рисунок. Формы экспериментальных диаграммы продольного (одноосного) сжатия цилиндрических образцов, вырезаемых из картофельных клубней, с различным соотношением между длиной и диаметром, а также влияние шероховатости поверхностей опор крепления образцов: М1 - группа из образцов, устанавливаемых непосредственно в гладких металлических опорах, N - группа образцов в опорах с пластинками четырехмиллиметровой толщины, имеющими тонкое наждачное покрытие; пунктирная кривая - граница, разделяющая диаграммы первой и второй групп образцов; первый подстрочные индекс (/) обозначает начальную длину образца (1 - /0=25 мм; 2 - /0=20 мм; 3 - /0=15 мм; 4 - /0=10 мм; 5 - /0=5 мм); второй индекс (у) - средний наибольший размер клубня, из которого вырезан образец (1 - средний клубень; 2 - большой клубень для выборочного контроля влияния размера клубня).
сравнению с образцами второй группы, что было вполне ожидаемо в связи с упругими свойствами прокладок, использованных для второй группы. В обеих группах диаграммы имели Б-образный вид, потери устойчивости не происходило. Диаграммы образцов, вырезанных из различающихся по размеру клубней, качественного влияния размеров клубня не демонстрировали.
Наличие прокладок между торцевыми поверхностями образцов и опорами лабораторной установки не меняло Б-образную форму диаграммы, поскольку зависимость между нагрузкой и деформацией была линейной. Бокового скольжения в опорах и различия форм поперечной деформации образцов обеих групп при нагружении не выявлено.
В каждой группе отме-
группе несколько образцов были вырезаны из крупных клубней как контрольные для выявления влияния размера клубня. Проверка зависимости деформации собственно прокладок от нагрузки между опорами показала линейную связь и, следовательно, в опытах их деформация не могла влиять на криволинейность диаграммы. Она лишь несколько растягивала диаграмму вдоль оси абсцисс, увеличивая фиксируемую относительную деформацию.
Результаты экспериментов одноосного сжатия цилиндрических образцов различной длины в виде диаграмм в координатах абсолютной величины нормального напряжения сжатия а (ось ординат) и относительной деформации е (ось абсцисс) представлены графически (см. рисунок). Напряжение подсчитывали делением продольной силы Г на начальную площадь А0 поперечного сечения образца а=Г/А0 (МПа), относительную деформацию - делением величины изменения начальной длины 10 образца Д=/-/0 (абсолютная деформация) на его начальную длину е=Д//0 (безразмерная величина). Абсолютную деформацию Д брали без учета знака.
Результаты и обсуждение. Установлено четкое разделение мест размещения диаграмм каждой группы образцов на рисунке. Граница между ними проведена пунктирной кривой для упрощения зрительного восприятия этого различия. У образцов первой группы, которые устанавливали непосредственно на металлические гладкие плиты опор, отмечали меньшие деформации, по
чали тенденцию, согласно которой с уменьшением длины образца возрастала его относительная деформация. Исключение составила диаграмма образца длиной 10 мм в жестких опорах (М41), которая показывает меньшие деформации, в сравнении с диаграммами образцов длиной 20 мм и 15 мм для тех же условий опирания. Это, на наш взгляд, можно отнести к возможной погрешности эксперимента.
Основная причина устойчиво больших относительных деформаций у коротких образцов, по сравнению с более длинными, заключается в малой для них величине знаменателя при расчете относительной деформации. Возможно, это связано также со сложным напряженным состоянием у опор (краевым эффектом), захватывающим часть высоты образца и приводящим к усилению его абсолютной деформации. С уменьшением высоты образца оно распространяется на большую долю его объема, что приводит к увеличению относительной деформации.
Выводы. Независимо от условий крепления в опорах и соотношения между длиной и диаметром цилиндрических образцов из картофельных клубней, которое варьировало от 0,357 до 1,786, диаграмма их одноосного сжатия имела вид Б-образной кривой.
С уменьшением длины образца его относительная деформация возрастала, что можно объяснить малыми размерами образца, длина которого входит в знаменатель формулы относительной деформации, и влиянием на образцы краевого эффекта со стороны опор.
Литература.
1. Mohsenin N. N. Physical Properties of Plant and Animal Materials. New York, USA: Gordon and Breach Science Publishers, 1986. Vol. 1. 891 p.
2. Blahovec J.: Static mechanics and texture of fruits and vegetables // Research in Agricultural Engineering. 2001. Vol. 47. № 4. Pp. 144-169.
3. Mechanical Properties and Sensory Evaluation of Selected Apple Cultivars / F. Paoletti, E. Moneta, A. Bertone, etc.// LWT - Food Science and Technology. 1993. Vol. 26. № 3. Pp. 264-270.
4. Abbott J. A. Quality measurement of fruits and vegetables // Postharvest Biology and Technology. 1999. Vol. 15. Pp. 207225.
5. Bentini M., Caprara C., Martelli R. Physico-mechanical properties of potato tubers during cold storage // Biosystems Engineering. 2009. Vol. 104. Pp. 25-32.
6. Жуков В. Г. Механика. Сопротивление материалов. Краснодар-СПб.-М.: Лань, 2012. 415 c.
7. Canet W., Alvarez M.D, Gil M. J. Fracture behavior of potato samples (cv. Desiree) under uniaxial compression // Journal of Food Engineering. 2007. Vol. 82. № 4. Pp. 427-435.
8. Blahovec J., Vlckova M., Paprstein F. Static low-level bruising in pears//Research in Agricultural Engineering. 2002. Vol. 48. № 2. Pp. 41-46.
9. Bajema R.W., Hyde G.M., Peterson K. Instrumentation design for dynamic axial compression of cylindrical tissue samples // Trans. ASAE. 1998. № 41. Pp. 747-754.
10. Саврасова Н. P. Результаты экспериментального определения модуля упругости и предела прочности мякоти клубня картофеля// Вестник ЧГАА. 2012. Т. 60. С. 80-82.
11. Laza M. Mechanical properties affecting slicing performance of potatoes // A Thesis Submitted to the Facuity of Graduate Studies In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degrtt of master of science. Winnipeg, Manitoba: Food Science Department University of Manitoba, 1999. 162 с.
12. Oey M. Influence of Turgor on Micromechanical and Structural Properties of Apple Tissue // IUFoST World Congress. 13th World Congress of Food Science & Technology Nantes, France. 2006. Pp. 1879-1889 [Электронный ресурс]. URL: https://iufost. edpsciences.org/articles/iufost/abs/2006/01/iufost06000855/iufost06000855.html(дата обращения: 05.10.2018).
13. Деформационно-прочностные свойства картофеля различающейся степени жесткости / В. Г. Жуков, Н. P. Андреев, А. А. Михайленко и др. //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 12. С. 101-103.
14. Жуков В. Г., Андреев Н. P., Карев А. Ю. О физико-механических свойствах мякоти картофельных клубней // Междун. научно-практ. конф, посв. памяти В. М. Горбатова. М.: ФГБНУ «Федер. науч. центр пищ. систем им. В.М. Горбатова» ^Ан, 2017. № 1. С. 121-122.
Shape of a Compression Chart of Cylindrical Samples of Various Length from
Potato Tubers
V. G. Zhukov, N. S. Lukina, E. N. Maleeva
All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation
Abstract. Mechanical characteristics of potato pulp are most often studied, using a technique of uniaxial compression of cylindrical samples, cut out from tubers. As a result, charts were obtained in the coordinates of the tension - relative deformation. Depending on experimental conditions, the charts can be rectilinear, have an S-shaped form or other appearance. The aim of the research was to study the influence of a ratio of the sample length to its diameter and conditions of samples fastening in supports on the chart shape. The experiments were carried out by a laboratory unit with a mechanical drive for examination of weak materials in samples having various ratios of length to a diameter within the range of 0.357-1.786. The samples were divided into two groups. One group of samples was put between simple rigid flat and smooth metal supports. To identify the impact of the support roughness on the chart, the samples of the other group was put in supports, which were covered by a 4-mm gasket with a thin emery covering. A check of the dependence of gasket deformation from longitudinal loading revealed the linear relation and, consequently, their deformation could not influence chart curvilinearity in experiments. All samples showed axial compression charts with S-shaped curves regardless of the length and conditions of fastening in supports. In each group there was a tendency according to which with decreasing sample length its relative deformation increases. The main reason for steadily larger relative deformations in short samples compared with the longer ones is a small dominator for these samples. It is suggested also that this fact is affected by the edge effect from supports. Keywords: potato tuber; cylindrical sample; axial compression; S-shaped chart; tension; deformation.
Author Details: V. G. Zhukov, D. Sc. (Tech.), chief research fellow (e-mail: vniik@arrisp.ru); N. S. Lukina, senior research fellow; E. N. Maleeva, senior research fellow.
For citation: Zhukov V. G., Lukina N. S., Maleeva E. N. Shape of a Compression Chart of Cylindrical Samples of Various Length from Potato Tubers. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 10. Pp. 87-89 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11020.
Требования к оформлению статей в журнале «Достижения науки и техники АПК»
В статье должно быть кратко изложено состояние дел по изучаемой проблеме со ссылками на публикации (желательно не менее трех ссылок). Затем указаны цели, задачи, условия и методы исследований. Подробно представлены результаты экспериментов и их анализ. Сделаны выводы и даны предложения производству. В статье следует по возможности выделять следующие блоки: введение; цель и задачи исследований; условия, материалы и методы исследований; результаты исследований; выводы.
Вместе со статьей должны быть представлены перевод названия на английский язык; аннотация (200-250 слов) на русском и английском языках; ключевые слова на русском и английском языках; полные почтовые адреса всех учреждений, в которых работают авторы, на русском и английском языке; ученые степени и должности авторов на русском и английском языке код УДК; библиографический список.
В тексте ссылка на источник отмечается соответствующей цифрой в квадратных скобках в порядке цитирования. В списке литературы приводятся только те источники, на которые есть ссылка в тексте. Использование цитат без указания источника информации запрещается.
Материал для подачи в журнал набирается в текстовом редакторе Word версия не ниже 97 файл с расширением *.rtf.
Объем публикации 12-16 стр. машинописного текста набранного шрифтом Times New Roman, размер кегля 14 с полуторным интервалом. На 2,5 страницы текста допускается не более 1 рисунка или таблицы.
Статьи необходимо направлять с сопроводительным письмом с указанием сведений об авторах (фамилия, имя, отчество -полностью, ученая степень, место работы и занимаемая должность) на русском и английском языке, контактных телефонов и адреса электронной почты для обратной связи.
На публикацию представляемых материалов необходимо письменное разрешение и рекомендация руководства организации, на средства которой проводились исследования. Его вместе с одним экземпляром рукописи, подписанным авторами, и статьей в электронном виде нужно отправлять по адресу: 101000, г. Москва, Моспочтамт, а/я 166, ООО «Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК». Для ускорения выхода в свет материалы в электронном виде можно направлять по адресу: agroapk@mail.ru.
Плата с аспирантов за публикацию рукописей не взимается.
Несоответствие статьи по одному из перечисленных пунктов может служить основанием для отказа в публикации.
Все рукописи, содержащие сведения о результатах научных исследований, рецензируются, по итогам рецензирования принимается решение о целесообразности опубликования материалов.
