Техника и методика экспериментирования зерновых культур

09.05.2015

Переходя от приведённых выше предварительных изысканий и теоретических предпосылок к экспериментальным исследованиям, имеющим целью установить и анализировать факторы сопротивления зерна измельчению под действием кондиционирования, начнём с рассмотрения и изучения одного из основных элементов подготовки зерна, предшествующей непосредственно измельчению,— гидромеханической его обработки.
Предварительные опыты показали, что целесообразно придерживаться следующей последовательности экспериментирования, состоящей из трёх стадий.
В первой стадии подвергаются изучению на специальном лабораторном приборе начальные элементы измельчения, соответствующие I драной системе, предопределяющей развитие драного процесса в целом.
Во второй стадии, выполняющейся также в лабораторных условиях, измельчение производится уже в виде комплексного помола, в котором участвуют все системы аналогично производству, т. е. и драные и размольные. Комплексный помол в лабораторных условиях связывается со смежными факторами, как предшествующими, так и последующими. Известно, что экспериментальная переработка зерна на лабораторной мельнице при соблюдении определённых требований может дать показатели, близко подходящие к условиям производства.
Наконец, в третьей стадии полученные результаты проверяются в производственной обстановке, в основном на экспериментальной мельнице, а затем частично и на других мельницах России, уже в обычных условиях производства.
При проведении опытов особое внимание было уделено правильному отбору и подготовке подопытного материала, учитывая, что это обстоятельство в значительной мере предопределяет научную и производственную ценность добытых результатов. При неправильном отборе и недостаточной подготовке сырья легко обесценить результаты и сообщить им элемент случайности.
Для лабораторных исследований в первой и второй стадиях образцы были получены либо непосредственно из колхозов, либо с Всесоюзной сельскохозяйственной выставки при соблюдении определённых, указанных ниже условий. На экспериментальной мельнице мы следили за тем, чтобы помол производился, по возможности, однородных партий, чего в большинстве случаев удавалось достигнуть, за исключением тех случаев, когда этого нельзя было сделать но производственным соображениям.— переработать, например, исключительно пшеницу Заря, так как при этом получился бы нестандартный продукт.
Центральное место в лабораторных опытах было, естественно, отведено пшенице и ржи, как основному сырью современного мукомолья.
Образцы пшеницы были взяты наиболее распространённых сортов, чаше других встречающиеся в производстве, а также сортов с крайними, более резко выраженными физико-механическими особенностями. Поэтому по группе твёрдой пшеницы мы остановились на сортах — Мелянопус и Гордеиформе, а из мягкой отобрали Лютесценс, Зарю и Московскую, связав обе группы промежуточными, наиболее распространёнными сортами — Украинка, Цезиум и Саррубра. Таким образом, вместе с лучшими, наиболее ценными в технологическом отношений сортами (Саррубра, Украинка, Цезиум), являющимися в отдельных районах улучшителями, обогатителями смесей, изучению подвергались и менее ценные для производства сорта, особенно нуждающиеся в технологической помощи и обогащении.
Что касается ржи, то были взяты наиболее распространённые сорта: Вятка, Лисицынская и Елисеевская, занимающие, по данным Госсорткомиссии,до 70% всех посевов ржи в областях России и имеющие распространение на мельницах.
Одновременно с пшеницей и рожью были подвергнуты исследованию и смежные группы зерновых культур, чтобы получить крайние, пограничные цифры и сделать доступным параллельное сравнение, а также избежать, по возможности, необходимости интерпеллировать получаемые кривые. В первую очередь для этой цели был взят рис, как культура, поддающаяся наиболее тщательному шелушению без особого уменьшения объёма эндосперма. Исследованию подвергся чалтык, причём для параллельного сравнения испытания велись также с шелушёной пшеницей, так называемым «оголённым» зерном.
Исследованию подверглись также и плёнчатые культуры — ячмень и овёс — и, наконец, кукуруза.
Этот набор культур с самыми разнообразными физико-механическими свойствами, широким диапазоном в области структуры и химического состава дал возможность получить стройную картину закономерностей изменений механических свойств в связи с технологическими особенностями зерна.
Для того чтобы результаты получались более резко выраженными, для первой и второй стадий опытов отбирались чистосортные образцы, не отягощённые примесью других сортов, чтобы не завуалировать ожидаемых результатов. В отдельных случаях сорт брался из разных районов как нового урожая, так и прошлых лет.
К каждому образцу предъявлялись следующие требования: 1) чистосортность, удостоверенная на месте соответствующими органами; вопрос этот облегчался тем, что большинство образцов было получено с Всесоюзной сельскохозяйственной выставки; 2) естественная влажность зерна; предварительная подсушка до испытания (если в этом не заключалась цель испытания) не допускалась, чтобы не дезориентировать наблюдения; 3) отсутствие заражённости вредителями, что проверялось особенно тщательно, причём специальное внимание уделялось отбору зёрен, повреждённых клопом-черепашкей, уколы которого, как известно, особенно чувствительно сказываются на механических и биохимических свойствах зерна. Этой проверке подвергались не только образцы пшеницы, но и ржи, так как исследования автора показали, что уколы клопа-черепашки наблюдались и на зёрнах ржи, правда, в незначительных количествах (Курск). При сравнительно небольших навесках была возможность выделить все подозрительные зёрна.
Пересылка и хранение производились в условиях, обеспечивающих сохранность естественных природных качеств зерна — применялись либо деревянные, либо жестяные ящики с вентиляционными отверстиями.
Предварительная очистка образца от посторонних примесей, в том числе и сорняков, равно и обеспыливание производились на лабораторном сепараторе и триере, но не на шелушильной машине из опасения повредить зерно.
Особенно тщательно проводилось в подготовительной стадии искусственное увлажнение образца — основной регулирующий фактор наших опытов, являющийся доминирующим в гидромеханической обработке. При этом имелись в виду: 1) точность конечных результатов, т. е. процент общей влажности, и 2) равномерность процесса увлажнения при поступлении влаги в зерно и её распределение. Для достижения первого пришлось отойти от обычного расчёта:

где Gд — вес добавляемой воды, Gз — вес зерна, Вн — начальная, а Вк — конечная влажность. В этой формуле не учитываются потери как механические при перемешивании увлажняемого образца, так и влияние относительной влажности воздуха, иногда весьма чувствительное. Поэтому приходилось вводить поправочные коэффициенты, величина которых устанавливалась опытом при предварительном экспериментировании и колебалась в наших случаях от 1,03 до 1,06.
Увлажнение производилось в небольшой стеклянной камере с постоянной относительной влажностью воздуха. Увлажнение приходилась проводить иногда несколько раз, чтобы при повторной проверке отклонения не превышали максимум 0,1%.
Чтобы выполнить второе требование — достигнуть равномерного увлажнения зерна водой, находящейся в мелкокапельном состоянии, применялся специальный прибор — распылитель, употребляющийся для окуривания при дезинсекции, но оказавшийся вполне подходящим для данного случая. Вода распыляется в виде водяной ныли, а равномерность увлажнения достигается постоянным перемешиванием зерновой массы. От времени до времени состояние воды на зерне контролировалось под микроскопом.
При проведении экспериментов замачивалось достаточное количество сырья, для того чтобы иметь запас на случай необходимости ещё раз осуществить тот или иной опыт, а также для того, чтобы избежать отрицательного влияния слишком мелких партий.

Для производства опытов в первой стадии нами был приспособлен ротационный электродинамометр в соединении с размалывающим приспособлением и самопишущим прибором, дающим диаграмму работы измельчения в зависимости от времени (рис. 13).
Как видно из рис. 13, размалывающее приспособление аппарата состоит из двух элементов.
В первой, приемной, части аппарата а продукт проходит предварительную стадию весьма грубого дробления, имеющего целью слегка выровнять измельчаемую массу по крупноте, после чего продукт поступает в основной дробильный орган в, замер работы которого и является целью эксперимента.

Первая часть аппарата приводится в движение самостоятельным мотором с, вторая же соединена с мотором — динамометром d, работающим на том же принципе, что и аналогичная конструкция и фаринографе, детальное описание которого приводится в специальной литературе. Динамометр этот, как и аналогичные конструкции, регистрирует величину крутящего момента.
Действие этого динамометра основано на том, что подвешенный в двух подшипниках статор мотора, приводящего в движение дробильное приспособление, стремится повернуться в сторону, обратную движению ротора, причём этот реактивный момент (по величине равный крутящему моменту на валу дробильного приспособления) соответствует определённому разрушающему усилию, необходимому для преодоления сопротивления при дроблении.
Статор мотора, как видно из того же рис. 13, системой рычагов соединяется со стрелкой весов f, положение которой регистрирует величину крутящего момента в каждый отрезок времени. Вся система хорошо выбалансирована при помощи противовеса и снабжена масляным амортизатором е. Соединённое со стрелочным указателем пишущее перо вычерчивает диаграмму работы на бумаге,движущейся со скоростью 10 мм в минуту, при помощи часового механизма g.
Мотор, приводящий в движение дробильное приспособление, является синхронным и сохраняет стабильное число оборотов независимо от нагрузки. Градуировка шкалы рассчитана на максимальную величину крутящего момента в соответствии с мощностью мотора. Величины R и n являются в данном случае постоянными в известном выражении:

где М — крутящий момент в кГм; Р — сила в кГ, приложенная на расстоянии R от оси вращения; n — число оборотов рабочего органа аппарата в минуту, а N — потребляемая мощность в киловаттах.
Поэтому ординаты диаграммы отражают силовой показатель в процессе измельчения, а абсциссы — время. Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют разрушающему крутящему моменту, приведённому к наиболее удалённой точке рабочего органа, и отражают силовое определение твёрдости.
Средняя величина этого крутящего момента М, показывающая в то же время благодаря постоянству величины R переднее разрушающее усилие, определяемое планометрированием площади диаграммы и делением её на интервал по оси абсцисс, и даёт в силовом определении относительное значение твёрдости испытуемого образца зерна Hv.
Полная же протяжённость диаграммы по оси абсцисс определяет время т, затрачиваемое на дробление данной навески зерна.
Так как мотор вращается с постоянным числом оборотов n, то работа разрушения А в известном выражении

получает значение, пропорциональное величине площади диаграммы.
Таким образом, площадь диаграммы Р определяет расход энергии W0, которому путём пересчёта мы даем удельное выражение в джоулях (ватт-секундах), отнесённое к весовой или объёмной единице.
Рабочий орган размалывающего приспособления в виде стальной конусной поверхности снабжён рифлями, профиль, число и угол наклона которых подобраны так, чтобы добиться нужного эффекта в смысле крупноты, унифицируя, таким образом, первичные требования, предъявляемые нами для создания однородных условий опыта.
Режим проведения опыта стабилизирован устойчивостью зазора между вращающимся конусным органом и декой, а также постоянной окружной скоростью рабочего органа.
Зерно бралось в объёме 100 см3, чтобы заполнить весь объём рабочего пространства аппарата, после чего результаты приводились к единице веса.
В процессе переработки зерна получались характерные диаграммы (рис. 14) с хорошей повторяемостью при различных испытаниях данной серии.

На рис. 14 приведены три различные диаграммы, полученные для трёх различных культур: 1) твёрдой кремнистой кукурузы, 2) мягкой пшеницы и 3) плёнчатого овса. Как видно из диаграммы, величина М подчиняется неравенству:

что вполне понятно, так как величина М отражает твердость зерна. Удельный же расход энергии на переработку W0 с увеличением плёнчатости зерна растёт и для W0 получается обратное соотношение:

так как сказывается роль оболочек, как энергоповышающего фактора.
Естественно, что для отрезка времени т, потребного для размола, получается соотношение:

благодаря чему и производительность L как величина обратная (при одинаковых прочих условиях) т подчиняется неравенству:

Таким образом, диаграммы эти могут быть использованы не только для определения удельного сопротивления измельчению при одинаковых прочих условиях, но и для определения сопряжённых величин — твёрдости Нv и производительности b.
На многих диаграммах получались пики-максимум, соответствующие начальному моменту испытания. Этот пик-максимум как ордината регистрирует то максимальное усилие, которое потребно для первоначального дробления зерна, преодолевая его сопротивление размолу при пуске аппарата. Однако эти пики получались не на всех диаграммах, а лишь там, где предварительное дробление производилось, повидимому, недостаточно тщательно и где по той или иной причине удалось проскочить целым зёрнам, хотя бы и более мелким, или же половинкам крупных зёрен.
В таких случаях в начальный момент испытания нужно иметь, естественно, некоторое избыточнее усилие. Усилие это невелико, и для его регистрации требуется лишь минимальная сопротивляемость масляного амортизатора. Если температура масла в амортизаторе ещё недостаточно высока, то на диаграмме этот пик не регистрируется. Ошибки амортизатора, как показали специальные исследования Грюндера, в начале и конце испытания взаимно компенсируются, так что общий расход энергии для измельчения стандартного по объёму образца получается с достаточной точностью.
Так как в самом аппарате не учтены вредные сопротивления самого прибора, отражающиеся на его к. п. д. в механическом отношении, то нужно иметь в виду условное значение получаемых величин и при выводах исходить из сравнительной оценки результатов. Под этим углом зрения и получены на данном приборе приводимые ниже интересные результаты, раскрывающие сущность многих явлений, имеющих место при измельчении зерна.
Из опытов Пзнса и других исследователей видно, что нужно взять минимум 300 зёрен, чтобы получить средние величины показателей с достаточной степенью точности. Данный аппарат построен для пятикратного объёма 300 зёрен, что соответствует 100 см3. При этом образец полностью заполняет весь объём рабочего органа аппарата (нижнего конуса).
Тщательно отобранный, взвешенный и прошедший специальные подготовительные операции образец подвергался измельчению на аппарате с четырёх-пятикратной повторностью, чтобы обеспечить нужную достоверность получаемой диаграммы. При планиметрировании площади диаграммы с точностью до 0,1 см2 получались вполне удовлетворительные результаты для сравнительной оценки.
При расшифровке диаграммы определяется таким образом: 1) М — мера твёрдости зерна в силовом выражении, 2) W0 — энергетический фактор и 3) L — показатель производительности.

Приведенные выше величины М, W0 и L дополнялись при экспериментировании технологическими показателями режима помола устанавливаемыми ситовым анализом и определением зольности конечного и промежуточных продуктов. Для производства ситового анализа был применён лабораторный рассевок — анализатор со стабильными эксцентриситетом и числом оборотов. Длительность просеивания была установлена в 10 минут, что дало возможность делать сравнительные наблюдения.
Нумерация сит была взята типичная для высокосортных помолов (18, 20, 26, 34, 48, 9), причём кроме верхнего схода определялся процент крупных (26/34) и средних (34/48) крупок, жёсткого дунста (48/9) и муки (проход через сито № 9). Процент извлечения И определялся по сумме выходов всех крупок и дунстов. При этих условиях имелась возможность дать сравнительную оценку всем получаемым величинам.
Эти показатели дополняют приведённые выше данные удельной сопротивляемости измельчению и дают комплексную лабораторную характеристику мукомольной оценки данного вида сырья на первичной ступени процесса дробления — I драной системе.
Чтобы провести испытания указанным выше порядком с соблюдением всех требований, пришлось выполнить значительное количество опытов, что при отборе свыше 20 сортов зерна различных культур потребовало, учитывая различные варианты опыта, тысячи замеров.
Окончательные результаты представлены в виде кривых, для отдельных из них приведены уравнения.