Влияние влажности и твёрдости зерна на его прочность
Первые работы по изучению прочности зерна появились в восьмидесятых годах прошлого столетия. Русский учёный, профессор Петербургского технологического института Афанасьев, написавший ещё в 1876 г. впервые на русском языке научно обоснованный курс мукомольных мельниц, произвёл исследование прочности зерна, опубликованное в 1883 г.
Раздавливая между стальными пластинами мощного пресса рассортированное зерно нормальной влажности и приблизительно одного размера партиями в 200 шт., Афанасьев проанализировал общий характер явлений, имеющих место при раздавливании зерна, установив соотношение между нагрузкой и деформацией зерна. Своими опытами Афанасьев доказал, что относительное сжатие зерна пропорционально силе раздавливания, причём предел пропорциональности изменяется в зависимости от влажности. Полученные данные Афанасьев положил в основу выведенной им формулы теоретического определения полезной работы, расходуемой при раздавливании зерна на вальцевых станках.
Попытка Афанасьева дать теоретическую формулу полезной работы вальцевого станка является не только первой, но, пожалуй, единственной до сих пор. Однако выводы Афанасьева имеют лишь методологическое значение, так как получены при условии равных скоростей обоих валков, что имеет место лишь при переработке ржи на давильных или плющильных станках. Наличие же так называемого дифференциала у нарезных и у гладких валков (2,5—1,2) вызывает, кроме сжатия, также и другие усилия — срезывание, скалывание — требует внесения поправок в формулу Афанасьева. Такая поправка сделана Зворыкиным и позднее Козьминым, проверившими аналогичные опыты Кика, исследовавшего сопротивление резанию отдельных зёрен.
Сложный комплекс усилий, действующих в рабочей зоне вальцевого станка в момент разрушения зерна, исследовал также американский исследователь Дедрик, установивший наличие усилий троякого вида — сжатия, вызываемого действием рабочей поверхности валков, срезывания, связанною с работой кромок рифлей, и кручения, отражающего уклон рифлей. Удельные усилия первого вида (сжатия) для зёрен средней твёрдости и нормальной влажности (14%) Дедрик определил в 8,2 кГ, второй группы — 3,2 кГ и третьей группы — 5 кГ.
Несмотря на несовершенство приборов, которыми пользовался Дедрик, полученные им результаты имели но тому времени определённый интерес, так как впервые в литературе была дана попытка осветить условия работы рифлей в связи с усилиями резания и кручения, не связывая, однако, этих усилий в данном случае с основным фактором прочности — твёрдостью.
Вопрос о твёрдости зерна, понимая этот термин в механическом смысле слова, а не так, как его трактуют ботаники, т. е. связывая твёрдость с величиной усилий для разрушения и, в конечном итоге, с удельным расходом энергии на измельчение, впервые поднял Робертс. На специально сконструированном приборе Робертс определил величину усилий на сжатие до момента разрушении для зёрен разных сортов, высушенных при 100°. Полученные цифры колебались в пределах от 100 до 175% в зависимости от сорта (6,8 кГ для мягких пшениц, 11,8 кГ для твёрдых)и, по мнению автора, обусловливались содержанием протеина, размером зерна, местом произрастания и временем уборки. Однако увязки этих цифр между собой Робертс не приводит. Вопроса же о влиянии влажности Робертс совершенно не касался, имея в виду дать сравнительную оценку твёрдости определённого сорта пшеницы для её классификации по этому весьма важному для технолога признаку.
Работы Робертса были продолжены много лет спустя Пэйсом в том же Канзасе. Пэнс взял три сорта пшеницы — одни мягкий (Fulcaster) и два твёрдых с одной и той же начальной влажностью 11 %. Отдельные образцы пшеницы состояли из 300 специально подобранных зёрен, увлажнённых до 13, 14, 15 и 16%. Отдельные зёрна раздавливались на том же приборе, что и у Робертса. Колебания величины усилий для разрушения зерна, выраженные в килограммах, оказались, как видно из табл. 5, весьма различными.
При одинаковой начальной влажности у зёрен всех сортов в 11%. среднее усилие для разрушения отдельных зёрен увеличивается более чем на 40% при переходе от мягкой пшеницы к твёрдой (7,8—11,09 кГ). В пределах сорта с повышением влажности до 16% разрушающее усилие падало у мягкой пшеницы на 12%, у твёрдой на 17%, но разница при одной и той же влажности становилась меньше. При В, например, равной 16% эта разница составляла 34, а не 42%, как было при В=11%.
Пэнс изобразил полученную зависимость графическим путём, в виде кривых, характеризующих количество раздавленных зёрен в зависимости от приложенной нагрузки для трёх исследуемых сортов пшеницы.
На рис. 1 и 2 приведены графики усилий для раздавливания пшеницы при крайних показателях влажности — 11 и 16 %.
Изучение кривых показывает, что количество зёрен, оказавших меньшее сопротивление, является максимальным у сортов мягкой пшеницы и что при большей влажности замечается сдвиг кривых к оси ординат, т. е. пшеница легче поддаётся измельчению.
В этом отношении увлажнение как бы стремится уравнять величину усилий, затрачиваемых на раздавливание зёрен разных сортов, что, понятно, имеет большое технологическое значение.
Как на минус работы Пэнса нужно указать на неправильный выбор одного и того же числа часов отлёжки (24 часа) для всех подопытных сортов и на отсутствие автоматизированной записи результатов, что не может не отразиться на точности полученных величин.
В 1935 г. аналогичные опыты проделал Тарутин (Москва) на прессах Амслера и Гагарина. Выработав определённую методику испытания (подбор зёрен по количеству, величине, стекловидности и их расположению под прессом), Тарутин провёл исследование пшеницы Цезиум 0111 урожая 1934 г., установив при помощи автоматически действующей графической записи величину усилия для разрушения зёрен при разной влажности (от 11,56 до 18%) и предварительном кондиционировании пшеницы облучением ультракороткими волнами в течение различных промежутков времени (20—80 секунд) и при различной температуре зерна после облучения (55—115°). Благодаря графической записи Тарутин получил возможность установить не только величины разрушающих усилии на сжатие при разных условиях (главным образом при различной влажности), но в пределах одной и той же влажности изучить при разрушении зерна развитие деформаций, их динамику.
Характерно, что в известной степени исследуемое явление напоминали деформации, имеющие место при разрушении металла: сначала зерно уплотнялось и сопротивление резко поднималось, затем наступала стадия разрушения, начиная с раскалывания зерна вдоль бороздки, кончая его сплющиванием. При этом сопротивление падает до момента, когда зерно уплотнено до определённого предела, после чего кривая проходит через определенный минимум и затем снова резко подымается. У различных но влажности зёрен, очевидно, не совпадающих по своей физической структуре, процесс проходит несколько иначе: у некоторых зёрен по достижении максимума нагрузки кривая не падает и усилие держится некоторое время на одном уровне, давая кривую, близкую к горизонтали.
У некоторых же зёрен момент максимума давления совпадает с моментом перегиба кривой, т. е. моменты разрушения и уплотнения совпадают по времени.
Па том же прессе Амслера-Лафон, применяемого при изучения сопротивления материалов, Чисто» исследовал механические свойства отдельных сортов пшеницы на трёх образцах селекционных сортов яровой пшеницы Омского сорт испытательного участка — Цезиум 0111, Лютесценс 062 и Гордеиформе 010. Автор исследовал явления сжатия, среза и изгиба, установив величину разрушающего усилия при различной величине зёрен, их положении при раздавливании и различной влажности, колебавшейся в пределах от 14,6 до 19,8%. Опыты Чистова также установили, что усилие разрушения при сжатии в 2—3 раза больше, чем при срезе, причём имеющее место уменьшении разрушающего усилия с увеличением влажности относится преимущественно к более распространённым крупной и средней фракциям зерна, у мелких же зёрен такой резкой разницы не наблюдается.
Интерес к изучению явлении прочности зерна при его разрушении возникал не только у технологов, для которых вопрос этот связан ведением технологического процесса — режимом помола, сражающемся в первую очередь на удельном расходе энергии, но и у машиностроителей. Для последних вопрос статики и динамики измельчения имеет большое значение, так как связан с подбором профиля рабочих органов, выбором материала для них, обусловливая не только прочность, по и изнашиваемость, окружную скорость рабочих органов и режим работы.
Из таких работ, выполненных по линии машиностроения, нужно указать на работу Махова, исследовавшего в 1936 г. статику дробления зерна на специально сконструированном в лаборатории прессе — динамографе, регистрирующем в виде кривых зависимость деформаций зерна от усилий сжатия. Основная цель работы автора, заключалась, в том, чтобы проверить возможность применения в данном случае закона Кика, согласно которому работа разрушения зерна пропорциональна объёму пли весу тела.
Для своих опытов Махов взял зёрна трёх культур (ячмень, рожь и пшеницу) разного веса, но одинаковой влажности 7,5%. По Махону, происходящее при этом разрушение зёрен слагается из двух циклов, из которых первый ограничен появлением первых трещин в зерне, замыкающих соответственно предел упругости, а при втором происходит уже разрушение зёрен с явлениями уплотнения.
На основании своих опытов, проведённых над зёрнами различного веса в пределах 20—50 мг, Махов доказал, что закон Кика применим лишь для первого цикла дробления зерна — от начала сжатия до появления трещин, т. е, в пределах упругих деформаций. Этот вывод нужно принять с некоторой оговоркой, так как понятно, что проведённых опытов недостаточно, чтобы подвести теоретическую базу под вопросы разрушения зёрен и пользоваться этими положениями при конструировании дробильных машин.
Аналогичные работы выполнены в ВИСХОМ, где Крагельский исследовал характеристику разрушения зерен сорта Гордеиформе разной влажности (9—17—33%) на эксцензометре в статических условиях работы и на специальном приборе в динамических условиях. Автор также подтвердил, что па величину разрушающего усилия наиболее сильно влияет влажность и в значительной степени размер зёрен, причём крупные зёрна имеют относительно меньшую прочность, чем мелкие. По мнению Крагельского, влажное зерно целесообразнее разрушать давлением (статически), сухое же ударом (динамически), с чём однако полностью согласиться нельзя, как это можно судить по опыту работы молотковых дробилок, работа которых протекает в более благоприятных условиях именно при влажном зерне.