CC BY
17
УДК: 664.2.032
РЕЛАКСАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ ИСПЫТАНИИ КАРТОФЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ СЖАТИЕМ
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.В. БЕЗРУКОВ1, аспирант
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 производственных условиях измельчители картофеля имеют мощные электроприводы с большими затратами энергии. Расчёт энергии резания и других величин процесса измельчения основан на результатах прямых испытаний, поэтому физико-механические показатели материала картофельных клубней входят в расчётные формулы в виде параметров, неявно объединяющих и учитывающих комплекс формирующих их значение величин. При этом остаются не выясненными механические свойства картофеля. Наша работа посвящена выявлению характера деформационно-прочностных механических свойств при сжатии образцов из картофельных клубней. Основанием для выбора размеров образцов послужил Г0СТ25.503-97«Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие». График, иллюстрирующий деформацию картофельного образца, оказался близок к параболической кривой с вершиной в начале координат, которая своей выпуклостью направлена к оси абсцисс (ось деформаций), и с некоторого значения напряжения сжатия становится практически линейной на большей части вплоть до разрушения. Этими двумя особенностями полученная диаграмма принципиально отличается от классических диаграмм испытания металлов. Основная часть кривой может быть охарактеризована линейной функцией а = a +Ec. Образец, вырезанный из картофельного клубня, разрушается при напряжениях около 0,5 МПа по типу хрупкого материала раскалыванием по плоскости, наклоненной под углом 45° к оси в направлении действия максимальных касательных напряжений. Релаксация в виде снижения нагрузки на образец к моменту его разрушения составляет 10-12 %.
Ключевые слова: картофельный клубень, крахмал, образцы, испытания на сжатие, диаграмма разрушения сжатием, предел прочности, релаксация.
Для цитирования: Жуков В.Г., Андреев Н.Р., Безруков Д.В. Релаксационный эффект при испытании картофельных образцов сжатием // Достижения науки и техники АПК. 2016. №11. С. 121-122.
В картофелекрахмальном производстве, а также для многих других технологий пищевых и кормовых производств требуется измельчение картофеля до состояния кашицы. Его проводят на разного рода измельчителях [1-4]. В производственных условиях они должны иметь мощные электроприводы с большими затратами энергии. Вместе с тем, расчёт энергии резания и других величин процесса измельчения базируется в основном на результатах прямых испытаний измельчителей, поэтому физико-механические показатели материала картофельных клубней, если и используются, то входят в расчётные формулы в виде параметров, неявно объединяющих и учитывающих комплекс формирующих их значение величин [5-7]. Такие решения возникают по ряду причин, основные из которых обусловлены тем, что механические свойства картофеля остаются до конца не выясненными, в отличие, например, от конструкционных материалов (ГОСТ 25.503-97, ГОСТ 4651-82). Однако свойства кар-
Достижения науки и техники АПК. 2016. Т 30. № 11 _
тофеля переменны и зависят от сорта, агрохимических и почвенно-климатических условий выращивания, способа и длительности хранения перед переработкой. В этой связи исследования физико-механических характеристик клубней остаются актуальными.
Цель наших исследований заключалась в выявлении характера релаксационных эффектов при сжатии образцов, вырезаемых из картофельных клубней, который служит одной из важных характеристик, учитываемых при разработке конструкций измельчителей.
Условия, материалы и методы. Основанием для назначения размеров образцов послужил ГОСТ 25.50397. Исследования свойств проводили вплоть до разрушения образца с начальной длиной 10 и площадью круглого поперечного сечения А0. При этом фиксировали изменение его длины I в виде укорочения (абсолютная деформация) Д! = I - 10 (мм) в зависимости от усилия сжатия Г (Н). Усилие сжатия постепенно увеличивали с периодическими 30-секундными перерывами на время основной релаксации напряжений в образце.
Лабораторная установка позволяла определять усилие сжатия Г образца по величине прогиба свободного конца консольно закрепленной упругой пластины. Изменение нагрузки обеспечивали через винтовую передачу механическим поворотом маховика. Величину усилия сжатия Г образца определяли по тарировочному графику без учёта той части общего усилия, которое требовалось на прогиб пластины. Величину прогиба упругого элемента фиксировали с помощью индикатора часового типа. Деформацию образца измеряли по изменению расстояния между сжимающими его подвижными основаниями. Полученные экспериментальные величины пересчитывали в напряжение сжатия образца в виде осевой силы, отнесённой к его начальной площади о = Р/А0 (МПа), и соответствующую ему относительную деформацию £ (в дальнейшем - деформация) - в виде отношения величины абсолютной деформации к начальной длине образца £ = Д/10 (б/р).
Испытанию подвергали цилиндрические образцы диаметром б0 = 14 мм. Высоту образца 10 подбирали экспериментально по условиям создания возможно большей её величины при обеспечении линейного нагружения без перекосов и изгиба (потери устойчивости). Она составила 25 мм.
Результаты и обсуждение. Общая диаграмма сжатия образца из клубня картофеля была близка к параболической кривой с вершиной в начале координат (см. рисунок) и принципиально отличалась от классических диаграмм сжатия металлов, которые имеют выпуклость, направленную вверх (ГОСТ 25.503-97), тогда как в диаграмме сжимаемого образца картофеля - она направлена вниз. В наиболее близкой к методикам (ГОСТ 25.503-97 и ГОСТ 4651-82) работе [7] эта особенность была выражена слабо. Мы установили, что образец картофеля проявлял высокую податливость от нулевой до некоторой величины деформации, после чего его жесткость довольно резко возрастала. Далее деформационное поведение материала образца можно считать линейным.
Значительного нарушения линейности не выявлено вплоть до разрушения, которое происходило при напряжениях около 0,5 МПа по типу хрупкого материала с образованием плоской поверхности разрушения, направ-
- 121
а = a + Ее,
где а - напряжение сжатия в материале образца, Па; е - относительная деформация, б/р; a - постоянный свободный член, Па; Е = tga - аналог модуля упругости материала образца, Па; а - угол между аппроксимирующей прямой и осью абсцисс (деформаций е).
Благодаря последовательным принудительным остановкам в нагружении в ходе экспериментов было установлено, что основная релаксационная разгрузка происходит в течение 30 с, которые были выбраны для всего диапазона изменения усилия нагружения. На основании полученных результатов можно считать, что величина снижения напряжений в образце при релаксационной разгрузке линейно возрастала с ростом нагружения и оставалась в среднем в пределах 10-12 %. Такая линейность свидетельствует об отсутствии качественных изменений структуры материала образца. При этом нельзя утверждать, что в образце отсутствовали пластические деформации.
Выводы. Установлено, что диаграмма сжатия образца, вырезанного из картофельного клубня, представляет собой кривую, близкую к параболической, с кривизной, направленной своей выпуклостью к оси абсцисс (оси относительной деформации). Основная часть кривой может быть с необходимой точностью охарактеризована приближенной функцией в виде прямой а = a+EE. Этими особенностями диаграмма сжатия образцов, вырезанных из картофельных клубней, отличалась от диаграмм сжатия металлов и полимерных материалов.
Образец, вырезанный из картофельного клубня, разрушался при напряжениях около 0,5 МПа по типу хрупкого материала раскалыванием по плоскости, наклоненной под углом 45° к оси в направлении действия максимальных касательных напряжений. Линейность роста релаксационных разгрузок в пределах 10-12 % свидетельствует о том, что в образце отсутствовали качественные отличия в изменениях структуры материала.
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. 703 с.
2. Андреев Н.Р., Лукин Д.Н. Производство крахмала и крахмалопродуктов для импортозамещения // Пищевая промышленность. 2014. №12. С. 34-36.
3. ШамборантГ.Г. Технологическое оборудование предприятий крахмалопаточной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1974.
4. Костенко В.Г., Овчинников А.Е., Горбатов В.М. Производство крахмала: учебник для техн. училищ. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. 198 с.
5. Антонов Н.М., Лебедь Н.И. Определение некоторых энергетических параметров статического резания плодов яблок// Известия Нижневолж. агроуниверсит. комплекса. Технология продовольственных продуктов. 2014. №2 (34). С. 89-95.
6. Андреев Н.Р. Основы производства нативных крахмалов. М.: Пищепромиздат, 2001. С. 87-95.
7. Саврасова Н.Р. Результаты экспериментального определения модуля упругости и предела прочности мякоти клубня картофеля// Вестник ЧГАА. 2012. Т. 60. С. 80-82.
RELAXATION EFFECT AT TESTING POTATO SAMPLES BY COMPRESSION
V.G. Zhukov1, N.R. Andreev2, D.V. Bezrukov1
1Moscow 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 Summary. Under production conditions, potato grinders have powerful electric drives with large energy consumptions. Calculation of cutting energy and other values of grinding is based on the results of direct tests, therefore physical and mechanical indices of potato tubers material are used in design formulas as the parameters non-obviously uniting and taking into account the complex of values forming their meaning. At the same time, mechanical characteristics of potato remain not revealed. The work is aimed at determining the nature of deformation and strength mechanical characteristics at compression of potato tubers samples. GOST 25.503-97 "Calculations and strength tests. Methods of mechanical tests of metals. A testing method of compression strength" was the basis for establishing sample sizes. The graph of a potato sample deformation is close to a parabolic curve with the top in the origin of coordinates; its bulge is directed to the abscissa axis (the axis of deformations), and from some value of pressure load it becomes almost linear on the most part up to destruction. By these two features, it differs in principle from classical test graphs of metals. The main part of the curve can be described by the equation а = a +Ee. The sample cut out from a potato tuber collapses at the effort about 0.5 MPa according to the type of fragile material by splitting on the plane inclined at an angle of 45 degrees to an axis in the direction of action of the maximal tangential stresses. The relaxation by way of a decrease in the load on the sample by the time of its destruction was 10-12 %. Keywords: potato tuber, starch, samples, compression tests, graph of destruction by compression, breaking point, relaxation. Author Details: V.G. Zhukov, D. Sc. (Techn.), prof. (е-mail: z-v-gr@ mail.ru); N.R. Andreyev, D. Sc. (Techn.), corresponding member of the RAS, scientific supervisor (е-mail: vniik@arrisp.ru); D.V. Bezrukov, post graduate student
For citation: Zhukov V.G., Andreyev N.R., Bezrukov D.V. Relaxation Effect at Testing Potato Samples by Compression. 2016. V.30. No. 11. Pp. 121-122 (in Russ.).
а, МПа
0,4
0,3
0,2
0,1
0
ь О г' 1
/А А1 7 [
.г--.' \
0,05 0,10 0,15 0,20 e, б/р
Рисунок. Характерная диаграмма сжатия образца, вырезанного из картофельного клубня: чёрные точки - значения параметров в первый момент достижения заданного напряжения; точки в виде окружностей - значения параметров после 30-секундного (время релаксации) прекращения догружения; обозначено:
— —--диаграмма ступенчатого нагружения; — —---
общий вид диаграммы;--график линейного приближения к результатам экспериментальных значений, обозначенных чёрными точками на основной (правой) части диаграммы.
ленной под углом 45° к оси образца, то есть в направлении действия максимальных касательных напряжений. Этим полученная диаграмма отличалась от диаграмм для пластичных материалов.
Как и в работе [7], основную часть диаграммы вплоть до хрупкого разрушения можно охарактеризовать простой линейной функцией:
122
Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 11
