Механические свойства различных частей зерна

09.05.2015

Физико-механические свойства всякого сельскохозяйственного сырья предопределяют, с одной стороны, характер технологического процесса при его переработке, а с другой стороны, влияют на выбор конструкции рабочего органа машины. Таким образом, и технологический расчёт процесса переработки, и механический расчет прочности машины тесно увязаны с указанными свойствами зерна. Для машиностроителя не вызывает никакого сомнения необходимость изучения не только тех материалов, которые идут на изготовление машины, но и тех, которые должны перерабатываться данной машиной. Не в меньшей мере это изучение материалов обязательно и для технолога.
При переработке зерна на мельницах основным процессом является дробление его на нарезных валках вальцевых станков с последующим тонким измельчением получаемых промежуточных продуктов на гладких системах, что сопряжено с рядом вспомогательных операций в виде предварительной подготовки, просеивания, провеивания и т. д. Условия измельчения зерна на всех стадиях тесно переплетаются с физико-механическими свойствами перерабатываемого продукта. Наличие цветочной плёнки, например у ячменя и особенно у овса, резко меняет технологический процесс их переработки, требуя введения дополнительных приёмов по освобождению от плёнки.
Опыт работы мельниц по переработке овса, например, весной 1943 г. показал, что для достижения определённого технологического эффекта необходимо в отличие от пшеницы усилить предварительное шелушение, доводя число обоечных проходов до трёх.
Менее резко выражены структурные различия зёрен пшеницы и ржи, но всё же и они влияют на характер технологического процесса, который у ржи отличается большей простотой, например отсутствием веечных машин. Меняются также условия эксплуатации машин — в первую очередь окружная скорость и профиль режущего органа.
Процесс измельчения зерна на вальцевых станках является наиболее энергоёмкой операцией в технологическом процессе современных мельниц. При этом используется, в зависимости от вида помола и технологической характеристики зерна, 50—75%. общего расхода энергии, идущей на переработку зерна и составляющей 20—25% всех издержек производства.
С другой стороны, и в технологическом отношении ступенчатый процесс дробления зерна с последующим тонким измельчением эндосперма при постепенном переходе от драного процесса к шлифоночному, размольному и, наконец, вымольному, является в мукомольном производстве наиболее важным звеном в качественном отношении. При одинаковых прочих условиях этот ступенчатый метод размола представляет основу, на базе которой формируется весь процесс переработки зерна, предопределяющий количественную и качественную характеристику конечной продукции.
Наконец, и в эксплуатационном отношении вопросы дробления на вальцевых станках представляют центральное место во всём размольном процессе, требующем и определённого режима, и максимума внимания.
Однако несмотря на это, процесс измельчения зерна в теоретическом отношении мало изучен, а ряд участков в этой области совсем не освещён. В производственном отношении (конструктивном и эксплуатационном) достигнуты значительные успехи, разработаны более или менее удовлетворительные конструкции, установлены параметры работы машин, увязанные с технологической характеристикой исходного материала — зерна и конечного — муки. Но теория измельчения — механика разрушения отдельных зёрен, физическая и технологическая основы дробления зерновой массы, связь физических предпосылок с технологией измельчения — вся эта область ещё очень мало изучена.
Нужно, впрочем, сказать, что эти явления имеют место и в других отраслях промышленности. Даже в такой развитой, как горнорудная, где, по свидетельству Левенсона, в области дробления всё ещё в значительной мере господствует грубый эмпиризм, «теория разрушения», если можно так выразиться, до сих пор не разработана, что в значительной мере отражается на неполноценности технологических расчётов при конструировании, изготовлении и эксплуатации машин.
Причину следует искать в первую очередь в крайней сложности подлежащих изучению явлений. С одной стороны, в процессе дробления и измельчения зерна участвуют усилия различного характера, вызывающие удар, сжатие, кончая наиболее распространенным при размоле зерна скалыванием, в частности срезыванием. При этом усилия, связанные с малоизученными силами трения в зерновой массе, действуют одновременно, создавая весьма сложную обстановку работы, приводящую к сложным деформациям.
С другой стороны, теория упругости, с которой исследования процесса измельчения тесно связаны, даёт простые закономерности лишь для идеального изотропного тела. Зерно же представляет резко выраженное анизотропное тело: отдельные части зерна (оболочка, эндосперм, зародыш), имея различную структуру, различную физическую и химическую характеристику, обладают различными механическими свойствами.
Строение различных по структуре оболочек с клетками то продольными, то поперечными, обилие капилляров, преобладание в химическом составе оболочек клетчатки, подверженной одревеснению, приводят к тому, что сопротивление разрывным усилиям у оболочки очень велико.
По опытам Гиршсона, у твёрдой пшеницы Дурум разрушающие усилия для оболочки при влажности 18% достигают удельной величины 316 кГ/см2, приближаясь, таким образом, близко к аналогичным величинам для некоторых сортов дерева, где разрывное усилие, например у липы, составляет около 300 кГ/см2.
Благодаря различному, не совпадающему в геометрическом отношении строению отдельных оболочек и их взаиморасположению разрывное усилие оболочки у пшеницы меняется более чем в 1,5 раза при изменении направления усилия — по длине или по ширине зерна, что имеет значение для производственных условий работы. У ржи (Новозыбковской) при той же влажности 18% разрывное. усилие для оболочки также значительно, но меньше, чем у пшеницы (не превышая 225 кГ/см2) при большей, однако, вязкости эндосперма.
В зависимости от культуры зерна, его сорта, влажности и направления разрывающих усилий (по направлению большой или малой оси) цифры колеблются в очень широких пределах — у различных сортов от 94 до 315 кГ/см3.
Другая же часть зерна (эндосперм) имеет мелкозернистое строение и состоит из зёрнышек крахмала, вкрапленных в массу белковой ткани, заполняющей крупные клетки каркаса, клетчатка тонких стенок которого содержит очень мало инкрустирующих веществ.

Механические свойства различных частей зерна

Разрушающее усилие для эндосперма в тех же сортах пшеницы значительно меньше и при сжатии колеблется в пределах лишь 17—33 кГ/см2, а при скалывании у мучнистых пшениц падает даже до 3 кГ/см2 (табл. 4).
По данным Гиршсона, не противоречащим аналогичным исследованиям других автором, наибольшее сопротивление оказывает эндосперм усилиям сжатия, затем скалыванию и, наконец, резанию.
Таким образом, мы имеем резкий перепад в прочности двух рядом расположенных частей зерна, причём наименее стойкими оказываются, естественно, сорта мягкой мучнистой пшеницы.
Совершенно иначе ведёт себя в смысле прочности зародыш, своеобразное строение которого при наличии значительного процента жира, доходящего до 12—14% по отношению к весу этой части зерна, делает преобладающим механическим свойством пластичность, ухудшающую условия разрушения. Это даёт себя чувствовать на размольных системах с незначительной относительной скоростью и сравнительно небольшими скалывающими усилиями при преобладании значительных усилий сжатия. Получаются пластинчатые частицы («лепёшки»), для размельчения которых устанавливаются деташеры.