CC BY
16
УДК 631.356.4 + 635.21
МЕХАНИЗМ ДЕФОРМАЦИИ СЖАТИЕМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА ИЗ КАРТОФЕЛЬНОГО КЛУБНЯ
В.Г. ЖУКОВ1, доктор технических наук, профессор (е-mail: z-v-gr@ mail.ru)
Н.Р. АНДРЕЕВ2, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, научный руководитель института (е-mail: vniik@arrisp.ru)
Д.Н. ЛУКИН, кандидат экономических наук Московский государственный университет пищевых производств, Волоколамское шоссе,11а, Москва, 125080, Российская Федерация
2Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, пос. Краско-во, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. В статье развивается представление о механизме деформационно-прочностных свойств клеточной структуры картофельных клубней при их обработке исследованием на сжатие вырезанных цилиндрических образцов. Особенность исследования заключалась в осуществлении промежуточных разгрузок образцов вплоть до равного нулю напряжения сжатия и выполнении следующих за ними повторных нагружений. Промежуточные разгрузки проводили после превышения напряжений сжатия 0,1 МПа. Этим значением напряжения заканчивается начальный этап диаграммы сжатия, имеющий вид кривой, направленной своей выпуклостью к оси деформаций. Количество промежуточных разгрузок, начиная с разных в образце напряжениях, составляло от одной до трех. С ростом количества разгрузок диаграмма сжатия приобретает явный пологий участок в области напряжений, близких пределу прочности. При этом отмечено снижение интенсивности релаксационных эффектов в виде падения напряжения сжатия в период 30-секундных остановок на-гружения. Деформация образца при напряжениях сжатия а от нуля до 0,1 МПа происходит в виде неравномерной по клеточной структуре упругой деформации клеток, а после превышения этого предела - в виде постепенного разрушения наиболее нагруженных клеток с ростом их количества, слияния этих разрушений и конечным разрушением образца по типу хрупкого материала. Клеточная структура образца показывает себя отчасти как пластический материал, разрушающийся с большой остаточной деформацией (близкой к 0,3), отчасти как хрупкий, с разрушением под углом 45° к продольной оси образца, то есть имеет гибридный деформационно-прочностной тип. Поэтому деформацию, остающуюся после промежуточной разгрузки, следует считать условно пластической, квазипластической. Она обозначена как£*.
Ключевые слова: картофельный клубень, цилиндрический образец, испытания на сжатие, диаграмма сжатия, напряжение, деформационные свойства, промежуточная разгрузка, механизм разрушения, хрупкое разрушение. Для цитирования: Жуков В.Г., Андреев Н.Р., Лукин Д.Н. Механизм деформации сжатием цилиндрического образца из картофельного клубня // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №6. С. 80-83.
Практика выявила значительные потери картофеля в процессах выкапывания, транспортировки и переработки, что заставило изучать физико-механические свойства этого продукта. Основным фактором, потребовавшим проведения деформационно-прочностных исследований, оказалась необходимость выявления и снижения причин порчи клубней. При этом чаще всего изучение относилось не к внутренней структуре картофельного клубня, а к его целостному виду как элементу исследования, то есть как к «конструкции», обладающей взаимовлиянием сложной геометриче-
ской конфигурации поверхности, свойствами оболочки и сердцевины [1, 2, 3]. Такой подход был оправдан с точки зрения приближения условий эксперимента к реальным производственным, связанным в основном с силовыми воздействиями при копке и транспортировке картофеля и лишь до некоторой степени с его измельчением в процессе первичной переработки.
Необходимость изучения физико-механических свойств продуктов с их учетом в расчетах пищевого оборудования стала острой уже с самого начала периода интенсификации переработки [4, 5]. Значительные объемы картофеля и, даже в большей степени, растущие требования к увеличению глубины его переработки приводили к росту парка измельчающего оборудования высоких параметров, а также общих и удельных (на единицу продукции) энергетических затрат. Потребовались энергетические и технологические расчеты при измельчении клубней, и важными оказались физико-механические свойства внутренней структуры клубня. В этой связи стали появляться публикации о физико-механических свойствах клеточной структуры образцов, вырезанных из картофеля [6-8].
Для отраслей, в которых широко используют механическую обработку материалов, чаще всего конструкционных, со значительными затратами энергии, давно наработаны методики определения механических характеристик в условиях воздействия различного вида силовых нагрузок. Они реализованы в виде Государственных стандартов [9-10], и сами исследования проводят на стандартизированных образцах, которые чаще всего имеют цилиндрическую форму, что связано с простой осесимметричной геометрией и видом реализуемого напряженного со-
О
^пч
2// J 1 > / 1 ^^^ У ^
От fuf 11 1 I
La! L~M f\f\ i
0 £qct2 £пл SoctI £
Рис. 1. Характерные диаграммы сжатия образцов из пластичного (1) и хрупкого (2) материалов. Стрелками показано: вверх - нагружение, вниз - промежуточная разгрузка образца; аТ и апч - пределы текучести и прочности; а - угол, характеризующий жесткость материала ^да = Е - модуль продольной упругости материала); гост1, еост2< 0,06 - остаточная деформация пластичного и хрупкого материалов соответственно; епл - пластическая деформация к моменту промежуточной разгрузки пластичного материала.
стояния. В результате испытаний получают графики, называемые диаграммами сжатия пластичных или хрупких материалов с фиксацией характерных силовых и деформационных параметров (рис. 1). К ним относятся пределы текучести (аТ) и прочности (апч), пластические (е ) и остаточные (е ) относительные
* пл' * ост'
деформации образцов. Тангенсы углов наклона (а) линейных отрезков диаграмм характеризуют модули продольной упругости исследуемых материалов.
По диаграммам пластичного и хрупкого материалов можно судить о величине соотношения остаточных деформаций после их разрушения. Для хрупких материалов остаточную деформацию условно ограничивают величиной до 6 %, для пластичных сталей она достигает 30 % и более.
Однако уже начальные исследования физико-механических свойств цилиндрических образцов, вырезаемых из картофельных клубней, показали существенные отличия их диаграмм разрушения от аналогичных кривых для конструкционных материалов [8, 11, 12]. К наиболее важным результатам следует отнести наблюдаемое разрушение образцов картофельных клубней по типу хрупкого при значительных остаточных деформациях, близких к 30 %, и большую нелинейность диаграмм с прогибом в сторону оси деформаций в начале нагружения образцов.
Особенности биологического характера свойств строения картофельного клубня существенно отличаются от свойств микроструктуры конструкционных, чаще всего неорганических, материалов. Поэтому стандартизированные наработки и методики изучения механических характеристик конструкционных материалов могут учитываться лишь в качестве основы и нуждаются в адаптации к материалам растительного происхождения. Так, выявленные уже на начальном этапе исследований особенности механических (более полно - технических) свойств цилиндрических образцов из картофельных клубней, требуют дальнейшей и более детальной проработки и объяснений, дополнительных качественных и количественных результатов, необходимых для решения многих практических вопросов. В этой связи изучение физико-механических свойств образцов из картофельных клубней следует считать актуальным.
Цель исследований - изучение механизма роста деформации при увеличении осевой (продольной) сжимающей нагрузки (напряжений) на образцы из картофельных клубней для расчета процессов и энергетических затрат при механической переработке картофеля, развитие представления о механизме их деформационно-прочностных свойств.
Условия, материалы и методы. Установка и методика экспериментов изложены в предыдущих работах [11, 12]. Отличительная особенность обсуждаемой серии опытов заключалась в том, что при напряжениях, превышающих 0,1 МПа, осуществляли промежуточные разгрузки цилиндрических образцов и следующие за ними повторные нагружения до больших значений напряжений сжатия. Количество промежуточных разгрузок при разных создаваемых в образце напряжениях и доведении при разгрузке напряжения сжатия до нуля составляло от одной до трех.
Результаты и обсуждение. Сравнение диаграмм сжатия образцов с однократной (рис. 2), двукратной (рис. 3) и трехкратной (рис. 4) разгрузкой и последующими нагружениями указывает на то, что с увеличением количества промежуточных разгрузок и повторных
О, МПа
0,5
0,4
0,3 Оа
0,2 0,1
■
0
О
Ж* )
А
Ч ^ —1
0,05 £ 0,10 0,15
0,20
0,25 в, б/р
Рис. 2. Характерная диаграмма сжатия с однократным разгружением и последующим догружением: • - садия нагружения, о - после релаксации в стадии нагружения; V - стадия разгружения; Д - после релаксации в стадии разгружения; 1 и 2 - участок промежуточной разгрузки и повторного нагружения соответственно; аА - напряжение, с которого началась промежуточная разгрузка; е*В - деформация, остающаяся после промежуточной разгрузки.
нагружений релаксационные эффекты в виде падения напряжения сжатия в период 30-секундных остановок снижаются. При единственной разгрузке релаксационный эффект при напряжениях, близких к пределу прочности, существенен и достигает 9 %, а при трехкратной он снижается до 4 %. Без разгрузок в [11] релаксационный эффект достигал 12 %. Этот результат необходимо учитывать при конструировании механизма измельчения. С ростом количества разгрузок диаграмма сжатия приобретает явный пологий участок в области напряжений, близких пределу прочности.
Поскольку участки диаграмм для каждой промежуточной разгрузки (А^В, C^D, Я^Б) и следующим за ней повторным нагружением (В^А, D^C, Б^Я) практически совпадают (на рис. 2-4 линии 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6 соответственно), то можно сделать вывод о том,
а, МПа
0,4
0,2
0,1
.......и
с ■__ __з
• / о
и / ъ^я п
■ф • * V ^4
л? / 42
V /
0,05 0,10 е*я 0,15 е*о0,20 0,25 0,30 0,35 8, б/р
Рис. 3. Характерная диаграмма сжатия с двукратной разгрузкой (обозначения экспериментальных значений - как на рис. 2): 1 и 2, 3 и 4 - участки первичной и вторичной промежуточных разгрузок и следующих за ними повторных нагружений соответственно; аА, аС - напряжения, с которых начинались промежуточные разгрузки; е*В, е*D - деформации, остающиеся после промежуточных разгрузок. Образец разрушился при апч = 0,552 МПа по типу хрупкого разрушения (положение по оси ординат обозначено звездочкой; положение вдоль оси абсцисс показано условно, поскольку величина деформации в момент разрушения не зафиксирована).
Рис. 4. Характерная диаграмма сжатия с трехкратной разгрузкой (обозначения экспериментальных значений как на рис. 2): 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6 - участки первичной, вторичной и третьей промежуточных разгрузок и следующих за ними повторных нагружений соответственно; аА, аС, ар - напряжения, с которых начинались промежуточные разгрузки; е*В, s*D, е*Б - деформации, остающиеся после промежуточных разгрузок. Величина деформации в момент разрушения не зафиксирована. Образец разрушился при спч = 0,528 МПа по типу хрупкого разрушения.
что в этом процессе не происходит разрушения клеток в образце.
Аналогичный вывод можно распространить и на начальный этап первичного нагружения образца вплоть до напряжения, близкого к а = 0,1 МПа. Из этого наблюдения также следует то, что в подобных условиях происходит только упругая деформация по растягиванию клеток в клеточной структуре материала образца с повышением давления внутриклеточного сока.
Упругую функцию выполняют заполненные внутриклеточным соком оболочки неразрушенных клеток. Кривизна диаграммы на начальных участках напряжений (от 0 до 0,1 МПа) с выпуклостью, направленной к оси деформаций, свидетельствует о первоначальном неравномерном распределении нагрузок на клетки с последующим постепенным выравниванием (выпрямление диаграммы при а > 0,1 МПа) упругого сопротивления по всей клеточной структуре образца.
Промежуточные разгрузки, начинающиеся при напряжениях сжатия более 0,1 МПа, показывают отличные от нуля деформации в образце после достижения в нем напряжения, равного нулю (точки А, В, С). Эти деформации отчасти напоминают пластическую, отражающуюся в методиках испытаний конструкционных материалов при промежуточной разгрузке епл (см. рис. 1). Однако, поскольку конечное разрушение образцов из картофельных клубней происходит по плоскости, направленной под углом в 45° к оси образца, то есть по типу хрупкого, можно обоснованно предположить, что в процессе нагружения при напряжениях более 0,1 МПа происходит не только упругое растяжение, но и разрушение части клеток. Это свидетельствует о различии прочностных свойств разных клеток, составляющих структуру объема образца, или различии условий их связей, создающих неравномерность напряжений в оболочках разных клеток. При этом о
типичной пластической деформации речь не идет, поскольку для конструкционных материалов считается, что при пластических деформациях происходит лишь перескакивание связей между составляющими структуру материала неразрушающимися элементами. В результатах наших экспериментов наблюдается лишь постепенное с ростом нагрузки разрушение отдельных клеток. Возможно, оно происходит разрывом оболочек обеих или даже большего количества смежных клеток. Значит, подобная деформация не может быть пластической в полном смысле такого стандартного для конструкционных материалов термина. Поэтому для образца из картофельного клубня в диапазоне от а > 0,1 МПа до а < апч деформацию следует считать квазипластической (е*В, e*D, е*Б), как бы напоминающей пластическую, но, по сути, отражающую постепенное разрушение клеточной структуры по типу хрупкого.
Поскольку общее разрушение образца происходит по типу хрупкого по плоскости действия касательных напряжений, можно предположить, что оно происходит после накопления достаточного количества разрушенных клеток и слияния разрушений. Образец разрушается вследствие появляющейся недостаточной прочности структуры из оставшихся цельными и скрепленными между собой смежными оболочками клеток.
В условиях выполнения промежуточных разгрузок с приближением напряжений к пределу прочности апч отмечается постепенный переход к более пологой кривой, что в первичных экспериментах без разгрузок было не столь явным. Вследствие снижения количества менее прочных клеток этот эффект может свидетельствовать о постепенном перераспределении упругих связей и слиянии разрушений, приводящих к повышению способности к деформации оставшейся структуры межклеточных связей.
Выводы. С ростом количества разгрузок отмечено снижение интенсивности релаксационных эффектов в виде падения напряжения сжатия в период 30-секундных остановок нагружения. При этом диаграмма сжатия приобретает явный пологий участок в области напряжений, близких к пределу прочности.
Анализ диаграмм указывает на то, что клеточная структура образца, вырезанного из клубня картофеля, ведет себя отчасти как пластический материал, разрушающийся с большой остаточной деформацией (близкой к 0,3), отчасти как хрупкий, с разрушением под углом 45° к продольной оси образца, то есть имеет гибридный деформационно-прочностной тип. Поэтому после достижения напряжений выше 0,1 МПа выполнение промежуточных разгрузок вплоть до а = 0 приводит к деформации, отличной от нуля, которую следует считать лишь условно пластической, квазипластической. Она обозначена как е*.
Деформация образца при напряжениях сжатия а от нуля до 0,1 МПа происходит в виде неравномерной по клеточной структуре упругой деформации клеток, а после превышения этого предела напряжений - в виде постепенного разрушения наиболее нагруженных клеток с ростом их количества, слияния этих разрушений и конечным разрушением образца по типу хрупкого материала.
Литература.
1. Машины и аппараты пищевых производств: учеб. для вузов: в 2 кн./С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др. / под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. М.: Высшая школа, 2001. Кн.1. 703 с.
2. Технологическое оборудование пищевых производств: учеб. пособие для студентов вузов / Б.М. Азаров, А. Аурих, С. Дичев и др. М.: Агропромиздат, 1988. 463 с.
3. Заводнов С.В. Исследование взаимодействия клубней картофеля с рабочими органами сельскохозяйственных машин: автореф. дис.... канд. техн. наук. М., 2002. 143 с.
4. Горячкин В.П. Теория соломорезки и силосорезки: собр. соч. М.: Сельхозиздат, 1940. Т. 5. 384 с.
5. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. М.: Легкая и пищ. промышленность, 1981. 216 с.
6. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. М.: Пищепромиздат, 2001. С. 87-95.
7. 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.
8. Саврасова Н.Р. Результаты экспериментального определения модуля упругости и предела прочности мякоти клубня картофеля// Вестник ЧГАА. 2012. Т. 60. С. 80-82.
9. ГОСТ 25.503-97 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие». М.: Издательство стандартов, 1998. 28 с.
10. ГОСТ4651-82. «Пластмассы. Метод испытания на сжатие». М.: Издательство стандартов, 2007.
11. Жуков В.Г., Андреев Н.Р., Безруков Д.В. Релаксационный эффект при испытании картофельных образцов сжатием// Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 11. С. 12-122.
12. 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. Т.30. № 12. С. 101-103.
DEFORMATION MECHANISM BY COMPRESSION OF CYLINDRICAL SAMPLES
FROM POTATO TUBERS
V.G. Zhukov1, N.R. Andreev2, |D.N. Lukin2!
'Moscow State University of Food Productions, Volokolamskoe shosse, 11a, Moskva, 125080, Russian Federation 2All-Russian Research Institute of Starch Products ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation Abstract. In the article it is presented the mechanism of strain and strength properties of the cell structure of potato tubers, studied by the compression of cylindrical samples cut out from them. The research feature consisted in carrying out the intermediate unloading of samples right up to the zero compression strain that was followed by repeated loadings. The intermediate unloading was carried out after exceeding of compression strain of 0.1 MPa. This strain value means the end of the initial stage of the compression strain chart appearing a curve with its bulge directed to an axis of deformations. The number of intermediate unloading of samples with different strain value in them amounted from one to three. While increasing the number of unloading the compression chart gets the apparent flat site in the field of strain close to the strength limit. At the same time, it is noted the decrease in the intensity of relaxation effects in the form of a compression strain drop during 30-second breaks of loading. The mechanism of sample deformation at compression strain sigma from 0 to 0.1 MPa happens as elastic cell deformation which is not uniform in cell structure; after exceeding of this strain limit it goes as gradual destruction of the most loaded cells according to their quantity, merging of these destructions and the final sample destruction as fragile material. Thus, the sample cell structure proves to be partly as plastic material collapsing with large residual deformation (close to 0.3), partly as the fragile material with destruction at the angle 45 degrees to a longitudinal axis of the sample, i.e. it is of a hybrid strain-strength type. Therefore, the deformation after the intermediate unloading should be conditionally considered as conditionally plastic, quasiplastic. It is designated as epsilon*.
Keywords: potato tuber, cylindrical sample, compression tests, chart of compression, strain, straining properties, intermediate unloading, destruction mechanism, fragile destruction.
Authors Details: V.G. Zhukov, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: z-v-gr@ mail.ru); N.R. Andreyev, D. Sc. (Tech.), corresponding member of the RAS, scientific supervisor of institute (e-mail: vniik@arrisp.ru); D.N. Lukin, Cand. Sc. (Econ.).
For citation: Zhukov V.G., Andreyev N.R., |Lukin D.N.. Deformation Mechanism by Compression of Cylindrical Samples from Potato Tubers. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 6. Pp. 80-83 (in Russ.).
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.
