Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

31.10.2014

Крупность частиц и в особенности их распределение в продуктах измельчения многочисленных технологий переработки различных видов сырья являются основной характеристикой структурно-механических, технологических, потребительских и др. свойств как промежуточных продуктов переработки, так и готовой продукции.
В технологии сортового помола зерна пшеницы прогноз распределения частиц по крупности на крупообразующих системах является наиболее актуальной технологической задачей. Ее успешное решение позволит из многочисленных способов измельчения твердых материалов выбрать тот способ, который обеспечит наибольший выход крупок необходимого качества и, как следствие — высокую эффективность технологии производства муки в целом.
Исследованиями Р. А. Родина по изучению гранулометрического состава продуктов измельчения материалов неорганического происхождения установлено, что распределение частиц по крупности определяется способом их разрушения. Следовательно, определение закономерностей распределения частиц по крупности в продуктах измельчения целесообразно начинать с анализа процесса измельчения.
Широкий спектр материалов, подвергаемых измельчению и еще более широкий класс измельчительных машин, разработанных для этих целей, способствовали установлению многочисленных закономерностей процесса измельчения в виде влияния различных конструктивных особенностей измельчителей и структурно-механических свойств измельчаемых материалов на процесс. Они отражают главным образом отдельные вопросы и посвящены решению частных задач, которые не носят обобщающего характера для процесса. Обобщение известных закономерностей, на основе формализации процесса измельчения как сложной физико-механической системы, позволило выделить основные: механизм разрушения твердых тел; кинетика процесса измельчения; закономерности распределения частиц по крупности в измельченном продукте.
Современная интерпретация механизма разрушения твердых тел и особенности измельчения зерновых продуктов.
Исследования механизма разрушения реальных тел природного и искусственного происхождения до настоящего времени не утратили своей актуальности, поскольку служат основой разработки и создания новых способов и технологий измельчения. Наиболее известными и результативными в этом направлении являются работы А. Аргона, С. Арутюнова, Г. Бартенева, А. Гриффитса, И. Дорохова, В. Кафарова, Л. Качанова, В. Кащеева, А. Коттрела, Ф. Макклинтона, Е. Паркера, W. Raed, П. Ребиндера, Н. Rose, Е. Reis, Г. Румпфа, A. Stroh, Ф. Франка, И. Юдина и др.
В этих работах были заложены основы механизма разрушения, которые получили развитие в теориях измельчения и составляют на сегодняшний день современные представления о механизме разрушения твердых материалов. Процесс разрушения начинается с образования микротрещин в период объемной деформации частиц. С ростом деформаций начинается интенсивное развитие трещин и наступает стадия разрушения.
Разрушение с предварительным пластическим течением определено как пластическое, а при его отсутствии — хрупкое. Наличие дислокаций способствует образованию микротрещин, которые являются результатом их слияния. Возникновение трещин также возможно в результате блокировки дислокаций на пересекающихся плоскостях скольжения или на микродефекте. Разрушающие напряжения при ударных нагрузках возникают в результате наложения падающей и отраженной ударных волн.
Разрушение хрупких материалов под нагрузкой происходит в результате развития содержащихся в них микротрещин. Такой механизм разрушения подтвержден многочисленными экспериментальными данными и составляет основу теории А. А. Гриффитса. В работе предлагается следующий механизм разрушения. Объем частицы разделен плоскостями спаянности. В каждой плоскости есть некоторое количество микротрещин Гриффитса. При достижении в плоскости напряжения соответствующей величины самая слабая трещина будет увеличиваться до магистрально-разрушающей. В. В. Кафаров и др. считают, что такой механизм разрушения приемлем для материалов, структурно представляющих собой дискретные частицы, сцементированные друг с другом связующим веществом. При этом поверхность излома должна пройти по связующему.
Перерабатываемые современной пищевой промышленностью зерновые и зернобобовые культуры в естественном состоянии представляют собой гетерогенные грубодисперсные системы. Основной целью технологий и переработки является разделение фаз и получение грубо- или тонкодисперсных, более гомогенных систем. Успешному достижению этой цели способствует наличие развитой сети микро- и макротрещин, как меж-фазных, так и внутрифазных. Изначально их появление в зерне происходит в процессе произрастания, уборки, транспортирования, перегрузки и очистки от примесей. Дальнейшее разупрочнение зерновки как анизотропного, капиллярно-пористого тела, анатомические части которого составлены биополимерами, было успешно выполнено при ее кондиционировании. В зерновке при поглощении холодной воды возникает давление набухания до 20 кг/см2, которое интенсивно увеличивает существующие трещины и способствует развитию новых. Происходит разрыхление эндосперма, ослабление связей между анатомическими частями зерновки. По данным С. Д. Хусида с повышением влажности от 9 до 14 % микротвердость оболочек (5...7 кг/мм2) и эндосперма (10...15 кг/мм2) снижается более чем в 2 раза. Причем при влажности 17...20 % микротвердость оболочек независимо от стекловидности, сорта и климатических условий произрастания изменяется незначительно и составляет 2,3...2,8 кг/мм2. Прочность зерна и расход энергии на образование новой поверхности с увеличением влажности с 9 до 20 % возрастают для высокостекловидных сортов зерна более чем в 2 раза, для низкостекловидного — на 50...60 %. Это объяснятся изменением характера разрушения.
В фундаментальной работе С. Д. Хусида по измельчению зерна сделано заключение о хрупком разрушении зерна пшеницы при влажности эндосперма 13...14 %. Оно широко принято в последующих работах ученых и основывается на снижении степени измельчения и повышении расхода электроэнергии с повышением влажности эндосперма. При этом рассматривался и механизм самого разрушения по данным скоростной киносъемки и микроскопического анализа шероховатости граней измельченных частиц.
Данные киносъемки доказывают, что при равной влажности (15 %) высокостекловидная (100 %) и низкостекловидная (36 %) зерновки в сопоставимых условиях разрушаются по активным трещинам. В отличие от низкостекловидной высокостекловидная зерновка имеет более развитую и многочисленную сеть активных трещин. Появление развитой сети микротрещин до измельчения как в низко-, так и высокостекловидных зернах пшеницы установлено также В. Я. Гиршсоном и Н. С. Беркутовым при исследовании прочностных свойств зерна при кондиционировании.
Кинетика процесса измельчения. Изучению кинетики процесса измельчения в пищевой промышленности практически не уделялось внимания. Последнее объясняется тем, что основной измельчительной машиной на протяжении более 100 лет в ведущих отраслях пищевой промышленности, мукомольной и спиртовой остается вальцовый станок. Измельчаемый продукт в вальцовом станке подвергается однократному нагружению, время действия которого исчисляется сотыми долями секунды, а степень измельчения — несколькими единицами. Создание машин с более высокой степенью измельчения предполагает многократное нагружение продукта в рабочем объеме измельчителя, а следовательно и значительное увеличение времени измельчения. Знание кинетики процесса позволит решить ряд научных и практических задач разработки и создания измельчительной техники и технологии нового поколения.
Ввиду указанных выше причин теоретические основы кинетики измельчения наиболее полно были разработаны для твердых материалов неорганического происхождения учеными горнорудной промышленности. В работах Э. В. Дэвиса, В. Миттага, А. Г. Тунцова, М. К. Широкинского, А. М. Загустила и др. был сформулирован основной постулат кинетики измельчения — закономерный характер убывания содержания крупного класса с увеличением времени измельчения.

Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где R0 и Rt — соответственно содержание крупного класса в продукте перед началом измельчения и в момент времени t, %;
t — время измельчения, с;
к — коэффициент пропорциональности.
Уравнение (2.49) позже было дополнено В. В. Товаровым и В. П. Романдинным:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где m — коэффициент, определяемый опытным путем.
Оно более точно описывает процесс, чем уравнение (2.49), однако при t=0 или t=∞ теряет физический смысл.
С. Ф. Шинкоренко предложил в уравнении (2.50) время измельчения t заменить параметром τ.
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где τ=tζn(t+1) — условный параметр продолжительности измельчения;
t — фактическое время измельчения, с;
kш и mш — коэффициенты пропорциональности.
Приведенные уравнения получены из условий снижения содержания крупного класса во времени пропорционально его содержанию в измельчаемом продукте.
Рассматривая закономерности кинетики измельчения К. А. Разумов предложил зависимость, основанную на предположении о прямолинейном характере измельчаемости материала в диапазоне 1-P.
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где P — параметр, характеризующий изменение измельчаемости в зависимости от времени измельчения и усреднен в пределах 1≥Rt/Ro≥0;
kp и P — определяется экспериментально при t1 и t2 = 2 t1.
Уравнение кинетики (2.49, 2.50, 2.51, 2.52) правомерны для определения содержания только одного класса крупности в процессе измельчения. Этот недостаток устранен в уравнении кинетики В. А. Перова:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где Ror и Rrt — содержание класса крупнее r соответственно до и после измельчения;
r — размер расчетного класса крупности;
а, n и b — коэффициенты пропорциональности. Следует отметить, что уравнение Перова преобразуется в уравнение Товарова-Романдина при аrn =k и Розина-Рам мл ера при tb=1.
Л. П. Шупов, основываясь на уравнениях Товарова-Романдина, Розина-Раммлера и используя принятые в теории и практике квантили распределения, привел уравнение кинетики измельчения к виду:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где а0, n0 и at, nt — параметры распределения гранулометрического состава продуктов соответственно до и после измельчения;
kт и m — коэффициенты пропорциональности.
Для рассмотрения условий подобия гранулометрических составов уравнение (2.54) приведено к виду:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

Уравнение (2.55) позволяет определять и прогнозировать крупность продуктов при любом квантиле распределения для из-мельчительных аппаратов прерывного действия.
Анализ закономерностей распределения частиц по крупности в продуктах измельчения зерна пшеницы. В зерноперерабатывающей промышленности исследования по изучению распределения крупности частиц в продуктах измельчения в основном носили статистический характер и ограничились способами измельчения, реализуемыми в вальцовых станках и молотковых дробилках.
А. В. Панченко, исследуя эффективность работы вальцовых станков, предложил зависимость, характеризующую гранулометрический состав зерна, измельченного на вальцовом станке:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где И — общее извлечение характерных продуктов, %;
в — величина межвальцового зазора, мм;
е — основание натуральных логарифмов;
m, n — опытные коэффициенты для каждой системы.
Анализ гранулометрического состава продуктов измельчения вальцовых станков, по данным многочисленных исследований разных авторов, показывает, что значение И в формуле (2.56) при прочих равных условиях существенно изменяется при изменении удельной нагрузки. Причем с ее увеличением значение И, при постоянном значении межвальцового зазора, уменьшается. К аналогичному выводу исследователи приходят и при изучении абразивного износа рабочей поверхности вальцовых станков, объясняя снижение извлечения неравномерностью износа вальцов по длине. Следовательно, показатель «в» в формуле лабилен и варьирует в зависимости от нагрузочных условий, абразивного износа рабочей поверхности вальцов и, возможно, других конструктивных и кинематических параметров. Тогда выражение (2.56) показывает не распределение частиц по крупности, а лишь характер этого распределения.
И. Е. Мамбиш предложил характеризовать распределение частиц по крупности при сортовых помолах пшеницы зависимостью:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где а — характерный размер отверстий сита, мкм;
n — 1,00-1,55 при сортовых помолах.
Рассмотрим физический смысл коэффициентов m и n. При m=1 или const показатель степени п характеризует содержание крупных и мелких классов в продуктах измельчения. При n≥1 в продукте преобладают крупные классы, n≤1 — мелкие, n=1 — равномерно или прямо пропорционально. Физический смысл m легко установить при а=1 мкм. Это извлечение продукта. При такой тонкости помола показатель n теряет смысл. Для удобства дальнейшего анализа примем значение n=1. Тогда при а≥100 мкм, значение m должно быть меньше единицы, а при а≤100 мкм — ограничиваться условием И<100 %. Следовательно, значение m=f(а) и каждому значению а будет соответствовать (его необходимо определять по результатам экспериментов) свое значение т. Очевидно, параметр m характеризует степень измельчения и зависит от нее.
Анализ уравнения (2.57) показывает, что оно является частным случаем уравнения суммарной характеристики крупности, предложенного Годеном, Андреевым и Шуманом:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где R — суммарный остаток на сите с отверстиями d, %;
dmax — размер максимального сита, на котором остаток равен нулю;
h — коэффициент, определяемый экспериментально.
Кроме этого, уравнение (2.57) не отвечает граничным условиям процесса измельчения, зависит от степени измельчения, справедливо только для узкого диапазона крупности. Поэтому пользоваться им для определения гранулометрического состава продуктов измельчения зерна пшеницы не представляется возможным. Таким образом, проведенный анализ показывает, что в зерноперерабатывающей промышленности корректная закономерность распределения частиц по крупности в продуктах измельчения не установлена.
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы технологической влажности и определение закономерности распределения частиц по крупности в продуктах его измельчения. Результаты исследований В. Я. Гиршсона, Н. С. Беркутовой и С. Д. Хусида по измельчению зерна пшеницы позволяют сделать предположение о том, что в основе разрушения зерна пшеницы лежит модель разрушения твердых тел, разработанная в теории разрушения Гриффитса. Тогда для описания гранулометрического состава продуктов измельчения зерна наиболее целесообразно использовать широко известное и получившее признание уравнение Гильвари:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где ε — количество продукта, прошедшего через сито с отверстием d;
k' — среднее расстояние между активными трещинами;
k'1 — средняя площадь, включающая одну плоскость активной трещины;
k'2 — средний объем, содержащий одну активную трещину.
Правомерность использования уравнения Гильвари обусловлено следующим. Оно получено аналитическим путем с применением закона вероятностного распределения редких событий Пуассона, а структурно-механические свойства зерна, как известно, обладают высокой лабильностью по отношению к его генетике и природно-климатическим условиям произрастания.
Уравнение Гильвари можно преобразовать к виду:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где R — количество продукта оставшегося на сите d.
Сопоставление этого уравнения с уравнениями кинетики измельчения В. В. Товарова и В. П. Романдина, С. Ф. Шинкоренко, В, А. Перова и их совместный анализ показывают, что уравнения кинетики описывают состояние измельчаемого продукта в динамике, а уравнение Гильвари — в статике, т. е. если в любой момент остановить процесс Измельчения, то соотношение классов крупности будет описываться уравнением Гильвари. Значение R0 для уравнения Гильвари всегда равно единице или 100 %, что должно быть справедливо и для уравнений кинетики, так как содержание мелких классов в продукте, поступающем на измельчение, снижает эффективность процесса измельчения и увеличивает энергозатраты. Последнее не требует доказательств и в теории и практике измельчения относится к общеизвестно-признанному положению.
Уравнения кинетики были выведены для материалов с хрупким механизмом разрушения, тогда можно считать, что правомерность использования уравнения Гильвари для зерна пшеницы с влажностью эндосперма 14,5...16,5 % аналитически доказана. Однако для окончательного подтверждения правомерности необходима экспериментальная проверка.
Использование уравнения Гильвари в практических расчетах весьма затруднительно ввиду сложности, трудоемкости, а иногда и невозможности определения ряда его параметров. Для практического применения оно было приведено Розиным и Раммлером к виду:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

Значения m и n являются постоянными для конкретного продукта, измельчителя и условий измельчения. Они определяются экспериментально по реальному гранулометрическому составу, представленному в интегральном виде в билогарифмической шкале крупности. В этой шкале зависимость суммарного выхода классов от их крупности должна выражаться прямой линией, что является экспериментальным подтверждением хрупкого механизма разрушения, научно обоснованного автором в работе.
Проверка данного предложения была проведена по гранулометрическому составу продуктов измельчения I драной системы Одесского, Бельцского, Кулиндоровского и Белоцерковского KXП, а также по результатам измельчения зерна пшеницы на моделях, имитирующих различные способы измельчения (рис. 2.7). Необходимость проведения таких исследований обосновывается тем, что параметры m и n уравнения Розина-Раммлера зависят как от структурно-механических особенностей измельчаемого продукта, так и от условий его измельчения, и их значения могут быть использованы для выбора того или иного способа измельчения и измельчителя в большей степени отвечающего задачам, поставленным технологией процессу измельчения.
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

Значение параметров уравнения Розина-Раммлера для каждого продукта измельчения определится по двум точкам осредняющей прямой по следующим выражением:
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

где d1, R1 и d2, R2 — соответственно координаты точек на осредняющей прямой.
При этом расстояние между точками 1 и 2 по оси ζgd следует выбирать максимальным, что повышает точность аппроксимации и определения n и m.
Результаты определения эмпирических коэффициентов n и m приведены в табл. 2.9.
Погрешность аппроксимации была оценена посредством определения расчетных выходов. Пример этого приведен в табл. 2.10-2.12. Их значения, за некоторым исключением, находятся в пределах точности определения фактических, что свидетельствует о достоверном определении параметров n и m. Совокупность значений (табл. 2.9) показывает, что параметр п имеет хорошую сходимость со способом измельчения и системой и в меньшей мере зависит от консистенции эндосперма.
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

В физическом плане этот параметр может характеризовать однородность по крупности. Чем меньше значение п, тем менее однородно измельчен продукт. Как видно из табл. 2.9, максимальный эффект в этом плане достигается на многороликовом гравитационном измельчителе и однороликовом виброизмельчителе. На вальцовом станке и гравитационном роликовом измельчителе продукты измельчения наиболее однородны.
Корреляционные связи параметра m более сложные. Интерпретация значений этого параметра на данном этапе исследований позволяет предположить, что он автомоделей относительно консистенции эндосперма, порядок его определяется режимом и особенностями условий измельчения в модели и системой. Это в совокупности и обуславливает широкий диапазон изменений значений параметра m. В физическом смысле параметр m в большей степени характеризует степень измельчения.
Исчерпывающее освещение закономерностей изменения параметров n и m в зависимости от консистенции эндосперма, способов измельчения и устройств их реализующих является отдельной самостоятельной научной задачей, которая требует более глубоких исследований и в данной работе носит ограниченный характер, как необходимое доказательство достоверности описания гранулометрического состава зерна пшеницы, измельченного различными способами.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Характеристика крупности продуктов измельчения зерна пшеницы является одним из критериев выбора способа его измельчения при реализации технологии производства муки различных сортов.
2. В основе механизма разрушения зерна пшеницы лежит теория разрушения Гриффитса.
3. Характеристика крупности измельченного различными способами зерна пшеницы технологической влажности описывается уравнением Розина-Раммлера в диапазоне крупности промежуточных продуктов драных систем.
4. Зерно пшеницы технологической влажности разрушается как хрупкое тело при различных способах его измельчения.
5. Количественные характеристики измельченного различными способами зерна пшеницы могут быть положены в основу методологии разработки или выбора способов и аппаратов измельчения зерна, а также определения их рациональных технологических режимов.
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы
Научное обоснование механизма хрупкого разрушения зерна пшеницы

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: