Механические свойства зерна

29.10.2014

Прочность зерна в зависимости от его консистенции. Изучение элементов рабочего процесса в вальцевом станке показало, что виды деформации и разрушения во многом зависят не только от культуры зерна, но и от типа, сорта и района его произрастания. Это объясняется свойствами, присущими зерну данного типа, сорта и района произрастания.
При измельчении наблюдаются два вида разрушения зерновок — хрупкое и вязкое.
На рис. 28 изображены фаза первичного разрушения зерновки пшеницы Мелянопус 69 Саратовской области со стекловидностью 100% и зерновки пшеницы Мильтурум Омской области со стекловидностью 36%. Зерно пшеницы обоих сортов измельчалось при одинаковых кинематических и геометрических параметрах; влажность его составляла 15% и продолжительность отволаживания — 24 часа. Вследствие различных структурных свойств пшеницы деформирование и разрушение зерновок протекали по-разному.

Механические свойства зерна

В первом случае зерновка раскалывалась на несколько частей, имевших форму многогранных тел с гладкими плоскими гранями, ограниченными острыми ребрами. Судя по внешнему виду продуктов измельчения, зерно пшеницы Мелянопус характеризовалось как хрупкое.
Совершенно иначе протекало первичное разрушение зерновки во втором случае. Здесь частицы зерна не имели гладких и плоских граней. Излом был неровный, поверхность частиц матовая, и они легко слипались. Разрушение происходило после относительно больших пластических деформаций.
Судя по внешнему виду продуктов измельчения, эта зерновка характеризовалась как вязкая.
Характеристики «хрупкий» или «пластичный», присваиваемые тому или иному состоянию материала, как показали работы акад. Н. Н. Давиденкова, существенно зависят от условий испытаний и часто даже определяются ими.
В специально созданных условиях даже хрупкий мрамор может вести себя подобно пластичному материалу.
Однако, как указывалось ранее, опыты с зерном проводились в одинаковых условиях; следовательно, такое различие между обоими видами разрушения объясняется другими причинами. Это различие можно объяснить главным образом структурой указанных сортов пшеницы.
Известно, что строение зерна, особенно клеток эндосперма и крахмальных зерен, теснейшим образом связано с его консистенцией. В эндосперме мучнистых зерен преобладают мелкие крахмальные зерна, а в эндосперме стекловидных — крупные, по размерам уступающие крупным крахмальным зернам- пшеницы мучнистой консистенции.
По утверждению акад. П. А. Ребиндера, от размера зерен зависят механические свойства кристаллических агрегатов.
Работы действительного члена Академии наук СССР Н. Н. Давиденкова и Ф, Ф. Витмана, проф. Я. Б. Фридмана и др. показали, что на сопротивление стали хрупкому разрушению большое влияние оказывает размер зерен, входящих в их состав.
Особый интерес представляют опыты Е. М. Шевандина, который изучал влияние величины зерна на хладоломкость стали. Образцы испытывали на ударный изгиб при температурах от +150 до -150°С. Установлено, что при размере зерна d = 0,06 мм критическая температура хрупкости равна -30°С, при d = 0,028 мм равна — 60°Г. и при d = 0,016 мм — 85°С. Чем крупнее зерна, тем больше проявляется «склонность» материала к хрупкому разрушению.
Таким образом можно полагать, что одним из мощных факторов, определяющих способность твердой и высокостекловидной пшеницы к хрупкому разрушению, является крупность со-держащихся в ней крахмальных зерен. Несомненно, что не только крупность этих зерен влияет на механические свойства зерна пшеницы. Огромную роль играет заполнитель между отдельными крахмальными зернами. Крепость связей на границе между отдельными крахмальными зернами и клетками влияет на прочность зерновки и ее поведение при деформировании и разрушении.
Исследования Александровых показали, что у зерновок пшеницы с мучнистой консистенцией прослойки белка, заполняющие промежутки между крахмальными зернами, настолько тонки, что еле различимы; в тоже время у стекловидной пшеницы эти прослойки хорошо выражены.
Как указывалось, у твердой пшеницы и у стекловидных зерен мягкой пшеницы крахмальные зерна погружены в белковое вещество, которое сковывает их в плотную массу, в связи с чем силы сцепления между отдельными крахмальными зернами резко увеличиваются.
Результаты микроскопических исследований продуктов измельчения мучнистой и стекловидной пшениц свидетельствуют, что при измельчении крупок пшеницы с мучнистой консистенцией независимо от характеристики рабочих поверхностей валков и интенсивности процесса их разрушения очень редко встречаются разрушенные крахмальные зерна. Разрушение эндосперма происходит в основном по связывающему веществу.
Совсем иную картину мы наблюдаем при измельчении крупок твердой и мягкой пшеницы со стекловидной консистенцией. В таких случаях даже при минимальном деформировании частиц эндосперм разрушается почти в одинаковой степени по крахмальным зернам и связывающему веществу. Об этом свидетельствует также величина диастатической активности муки, получаемой при измельчении высоко стекловидной и твердой пшениц; вследствие разрушения крахмальных зерен величина сахарообразования в данном случае, как правило, всегда выше, чем при измельчении пшеницы с мучнистой консистенцией.
Сказанное подтверждает, что крепость связей на границе между отдельными крахмальными зернами твердой и стекловидной пшениц значительно выше, чем у пшеницы с мучнистой консистенцией. Следовательно, прочность эндосперма у высокостекловидных и твердых зерновок должна быть выше, чем у зерновок мучнистой консистенции.
Немалое влияние на механические свойства оказывает плотность «упаковки» зерновки.
В. П. Кретович на основе исследований пришел к выводу, что в стекловидных зернах клетки очень плотно заполнены, тогда как в мучнистых содержимое клеток имеет более пористую структуру Благодаря этому зерна обладают разной твердостью, различными оптическими свойствами и разной гигроскопичностью.
Для установления влияния консистенции на механические свойства зерна в течение ряда лет проводили исследования различных сортов пшеницы и других культур.
В табл. 11 приводятся основные результаты исследований.
Механические свойства зерна
Механические свойства зерна

На основе рассмотрения данных, приведенных в табл. 11, можно придти к следующим заключениям:
1. Прочность зерна при измельчении зависит от его консистенции. При одинаковой влажности наиболее высокой прочностью отличаются твердые сорта пшеницы (235—276 кГм/м2), а наиболее низкой — пшеницы мягкие с мучнистой консистенцией: Мильтурум 553 Омской области со стекловидностью 36% (112 кГм/м2) и Лютесценс 62 Курской области со стекловидностью 14,7% (120 кГм/м2).
2. Прочность пшеницы одинаковых сортов в близлежащих районах произрастания также зависит от консистенции зерна. Так, сорт Одесская 3 Харьковской области со стекловидностью 91 % имеет более высокую прочность (209 кГм/м2), чем Одесская 3 Запорожской области со стекловидностью 52% (163 кГм/м2). Тоже установлено при сравнении показателя прочности пшеницы Гостианум,237 Молдавии и Николаевской области Украины, а также Мильтурум 553 Алтайского края и Омской области и т. п.
3. Прочность зерна зависит и от района произрастания. Так, при одинаковой влажности пшеницы Лютесценс 62 различных районов произрастания — Красноярского края со стекловидностью 75%, Саратовской области со стекловидностью 59% и Курской области со стекловидностью 14,7% — имеют примерно одинаковую прочность (131, 122 и 120 кГм/м2).
Прочность зерна в зависимости от его влажности. Величина влажности измельчаемого продукта — важнейший фактор технологии мукомольного производства. От выбора этой величины зависят основные показатели работы мельниц. Механические свойства зерна в значительной мере определяются его влажностью.
Исследованием влияния влажности на механические свойства различных материалов занимались многие отечественные ученые.
Акад. А. Ф. Иоффе доказал, что сухие кристаллы каменной соли при комнатной температуре разрушаются как хрупкие тела вследствие поверхностных трещин. При погружении соли в воду прочность ее возрастает с 0,5 до 160 кГм/м2, т. е. до величины, близкой к теоретической прочности. А. Ф. Иоффе объяснил этот результат растворением в воде поверхностного слоя кристаллов и ликвидацией дефектов указанного слоя.
Н. Н. Давиденков к М. В. Классен-Неклюдова установили, что трещины действительно уменьшают прочность кристаллов и что вода влияет на их поверхность, а не на объем.
Авторы сравнивали прочность на разрыв каменной соли в сухом состоянии, в воде при всестороннем растворении и в воде при частичном предохранении поверхности от растворения; на образец при помощи вазелина или трансформаторного масла с двух противоположных сторон наклеивали две тонкие полоски покровного стекла.
В результате исследования было выявлено, что прочность каменной соли в воде при растворении увеличилась в 8—9 раз, а при частичном предохранении поверхности оказалась равной прочности сухой соли.
П. А. Ребиндер еще в 1928 г. открыл весьма интересное явление понижения сопротивления твердых тел упругим и пластическим деформациям, а также механическому разрушению под влиянием адсорбции поверхностно-активных веществ из окружающей среды. Для объяснения этого явления член-корреспондент Академии наук России Б. В. Дерягин выдвинул гипотезу о расклинивающем действии указанных веществ и подтвердил ее экспериментально. В его лаборатории были разработаны также методы измерения расклинивающего действия.
Работами П. А. Ребиндера и его сотрудников установлено, что понизители твердости (адсорбирующиеся вещества) способствуют внешним силам, значительно уменьшая усилия, необходимые для разрушения твердого тела. Под влиянием адсорбции эффективность диспергирования повышается, так как число микрощелей, раскрывающихся в единице объема диспергируемого твердого тела, значительно возрастает. Это приводит к образованию высокодисперсного продукта, что имеет большое значение, Особенно при тонком измельчении.
Таким образом можно сформулировать две точки зрения:
— А. Ф. Иоффе, Н. Н. Давиденкова и Классен-Неклюдова, установивших, что при проникновении влаги в поверхностные слои твердого тела (каменная соль), в результате растворения в воде поверхностного слоя кристаллов и ликвидации дефектов этого слоя прочность тела увеличивается;
— П. А. Ребиндера и его сотрудников, доказавших, что поверхностно-активные вещества, способные сильно адсорбироваться, расширяют зародышевые трещины, проникают в глубь тела и резко уменьшают его прочность.
Перейдем к рассмотрению результатов проведенных нами исследований прочности зерна при измельчении его в зависимости от влажности (табл. 12).
Анализируя экспериментальные данные, мы устанавливаем, что с увеличением влажности независимо от структуры, сорта и района произрастания зерна величина прочности его при измельчении возрастает, однако степень возрастания обусловливается сортом и районом выращивания. Так, при одинаковых начальной и конечно влажностях прочность при измельчении пшеницы Гордеиформе 27 Краснодарского края и Лютесценс 1729 Красноярского края повысилась в 1,7—1,75 раза, а прочность пшеницы Гостианум 237 Молдавии и Лютесценс 62 Курской области — в 1,45—1,5 раза.
Для получения более полного представления о влиянии влажности зерна на механические свойства рассмотрим также результаты исследования основных частей зерна (оболочек и эндосперма) микромеханическими методами.
Механические свойства зерна

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: