Обследование и методика исследования свойств зерна

29.10.2014

Зерно является твердым коллоидным капиллярно-пористым телом, имеющим белковый каркас, крахмальный наполнитель и целлюлозную оболочку.
По своей структуре зерно — неоднородное тело. Структура даже различных мест одного и того же зерна пшеницы в деталях не одинакова (различная толщина оболочек; размеры крахмальных зерен; в массиве мучнистого эндосперма могут быть гнезда с отчетливо выраженной стекловидной тканью или, наоборот, в массе стекловидной ткани встречаются участки с мучнистым эндоспермом и т. д.).
Необходимо иметь в виду, что структурные особенности зерновки характеризуют не только силы сцепления между частицами, но в значительной мере и качество муки, и ее хлебопекарные достоинства.
Следовательно, чтобы разработать теоретические основы процесса измельчения, необходимо учитывать структуру ‘измельчаемого материала.
Для изучения структурных свойств зерна должны быть использованы наиболее совершенные методы.
Механические свойства тел обнаруживаются при воздействии на них внешних сил, под влиянием которых образуются деформации различных видов. Обычно весь процесс деформирования делят на три стадии: упругое деформирование, пластическое течение и разрушение. Правильная оценка «поведения» материала во всех трех стадиях позволяет получать отчетливое представление о его общей прочности.
Наименее изучена заключительная стадия деформирования — разрушение (механическое разделение) деформированного тела. При разрушении выявляется наиболее характерное механическое свойство материала — его прочность, нарушение которой происходит в мгновение, когда величина сил, действующих между частицами, обращается в нуль.
При измельчении зерна валками, вращающимися с различными окружными скоростями, проявляется его сопротивляемость разрушению, т. е. та же прочность. Для ее определения Приходится учитывать сложные явления, возникающие в зоне измельчения. Об этих явлениях, как указывалось, не давали представления результаты исследований механических свойств зерна на прессах, копрах и т. п., где оно разрушалось вследствие деформации сжатия. Поэтому необходимо определять прочность зерна в процессе измельчения в лабораторном вальцевом станке, в котором воспроизводятся условия, аналогичные условиям работы на мельницах.
При измельчении образуется огромное количество мелких частиц с большой общей поверхностью, что связано со значительной работой па преодоление межмолекулярных сил при разрушении тела. Поэтому работа А измельчения, отнесенная к единице вновь образованной поверхности ΔS тела, может служить мерой действующих в данном теле молекулярных сил сцепления и выражать прочность измельчаемого тела. Следует отметить, что при прочих равных условиях А зависит от вида деформации зерна.
По П. А. Ребиндеру, удельная работа измельчения для разрушаемых тела и среды — практически постоянная величина:

Обследование и методика исследования свойств зерна

Полная работа измельчения пропорциональна вновь образованной поверхности или обратно пропорциональна диаметру а частиц измельченного продукта:
Обследование и методика исследования свойств зерна

где F — коэффициент формы. Константа Hs, зависящая от природы измельчаемого тела и окружающей среды, а также в некоторой степени и от вида процесса измельчения, практически пропорциональна поверхностной энергии измельчаемого тела.
Руководствуясь этим положением, следует определять прочность измельчаемых материалов, выражая ее в единицах работы или величинах расхода энергии на единицу вновь образованной поверхности.
Практика показывает, что в ряде отраслей производства широко и успешно пользуются понятием «прочность», имея в виду именно работу, требующуюся для образования единицы новой поверхности.
Процесс измельчения зерна в сортовую муку базируется на использовании различных физико-механических свойств эндосперма и оболочек.
Технологический смысл подготовки зерна к помолу в том именно и заключается, чтобы создать более контрастные различия между этими частями зерна, не допустить чрезмерного измельчения его оболочек. Предложенный нами метод определения прочности зерна работой на образование единицы новой поверхности при измельчении позволяет судить лишь об усредненной величине прочности зерна в образце определенного веса. Между тем для решения значительного числа теоретических и практических задач весьма важно иметь представление о механических свойствах оболочек и эндосперма, что в свою очередь требует применения таких методов испытаний, которые позволили бы изучать механические свойства зерновки раздельно по зонам. Эти свойства могут быть выявлены в результате микромеханических испытаний, в частности путем определения числа микротвердости. Однако измерения только одной микротвердости не позволяют одновременно определять пластические свойства зерна и сопротивляемость его разрушению при измельчении. Правда, имеются косвенные, приближенные методы оценки других механических свойств по результатам испытаний на твердость.
Для установления возможности использования таких методов требуются специальные исследования.
Несомненно, что микромеханические методы могут помочь изучению механических свойств различных частей зерновки, а также установлению влияния различных факторов на эти свойства (влажности, температуры и т. п.).
В России разработаны конструкция прибора ПМТ-3 и методы испытания структурных элементов различных материалов, получившие широкое распространение не только в практике проведения исследований в научных учреждениях, но и в производственных лабораториях, с целью изучения многообразных явлений, сопутствующих процессам механической обработки материалов.
Популярность методов испытания на твердость вызвана главным образом исключительной быстротой измерений, возможностью определять механические свойства твердых тел, в том числе хрупких, очень малых микроскопических размеров и т. д. При статическом вдавливании жесткого индентора вначале происходит местное смятие среды а ее упругом состоянии. При дальнейшем вдавливании и достижении предела упругости, в .зависимости от нагрузки и механических свойств материала, наступает хрупкое разрушение, либо вблизи контактной поверхности возникает пластическая зона.
Микротвердость материала, измеренная методом статического вдавливания алмазной пирамиды, зависит в основном от пластичности испытуемого вещества. Упругие свойства при таком методе испытаний в противоположность упругим свойствам при динамическом методе (испытание при помощи копра или аналогичного прибора) играют сравнительно небольшую роль.
Изучением сопротивления среды вдавливанию различных инденторов занимался ряд исследователей — Л. Прандтль, В. В. Соколовский, Е. М. Розенберг и др., которые допускали, что пластические смещения являются небольшими.
Исследование ограничивается решением двухмерной (плоской) задачи. Штамп считается абсолютно твердым, поэтому форма линии его контакта и среды известна. Если допустить, что силы трения между штампом и средой постоянны, то для штампа, ограниченного двумя прямыми (рис. 16), можно пользоваться полученным В. В. Соколовским следующим выражением:
Обследование и методика исследования свойств зерна

где р — равнодействующая давления штампа, взятая на единицу длины вдоль оси z (так называемая «погонная сила»; ее размерность — сила на единицу длины);
τт — касательное напряжение, соответствующее явлениям текучести.
Обследование и методика исследования свойств зерна

Попытки теоретически установить связь между рядом механических свойств твердых тел и твердостью их не дали пока достаточно удовлетворительных результатов. Так, П. П. Лазарев установил связь между твердостью и атомной концентрацией. Эта закономерность представлена следующим образом:
Обследование и методика исследования свойств зерна

fп — коэффициент пропорциональности;
ρ/μ — атомная концентрация (ρ — плотность, μ — молекулярный вес),
т. е. относительное число частиц в единице объема,
Лазарев подчеркивает, что данное уравнение в основном справедливо для аморфных тел. Для тех с кристаллической решеткой можно ожидать отклонения от найденного выражения (2-5).
В. М. Гольдшмидтом для вычисления твердости кристаллов была предложена следующая формула:
Обследование и методика исследования свойств зерна

где Wан, Wкат — валентности аниона и катиона;
r — расстояние между ионами;
m — показатель степени, зависящий от вида решетки. Акад. А. Е. Ферсман предложил сложную функциональную зависимость между твердостью и константами кристаллической решетки.
В. Д. Кузнецов считает, что твердость хрупких тел определяется свободной поверхностной энергией. Однако исследования показали, что даже для тел с подобными свойствами и подобными кристаллическими решетками не всегда наблюдается пропорциональность между значения ми твердости H и свободной поверхностной энергией n. Если бы разрушение тел при измерении твердости происходило только за счет растягивающих натяжений, то твердость однозначно определялась бы величиной а. В действительности же не всякий вид прочности является функцией только величины энергии взаимодействия.
Обследование и методика исследования свойств зерна

В соответствии с поставленными задачами изучения структурно-механических свойств зерна необходимо было вести исследования в трех направлениях. Изучались:
— структурные свойства зерна физическими методами;
— прочность зерна при измельчении в лабораторном вальцевом станке;
— микротвердость основных частей зерновок (оболочек и эндосперма).
Рентгенографические исследования выполнялись по нашей просьбе в Институте кристаллографии Академии наук России кандидатом физико-математических наук Е. Н. Беловой на рентгеновском аппарате УРС-70.
Образцы исследовались в предназначенных для получения рентгенограмм камерах диаметром 57,3 мм. Съемку производили на Кn — излучение железа без фильтроз.
Прочность зерна определяли при его измельчении в лабораторном вальцевом станке (рис. 17) свалками диаметром 250 мм и длиной 60 мм. Испытания вели при одинаковых геометрических и кинематических параметрах валков (профиль рифлей β=20° и γ=70°; число рифлей на 1 см длины окружности валка равно 5; уклон рифлей к образующей цилиндра валка был равен 4%; окружная скорость быстровращающегося валка составляла 6 м/сек, а отношение окружных скоростей валков —2,5; рабочий зазор ак = 0,8—0,85 мм.
Обследование и методика исследования свойств зерна

Для выявления работы измельчения зерна валками (отнесенной к единице вновь образованной поверхности) измеряли активную мощность двигателя методом двух ваттметров. Для этого пользовались проверенными В Московском государственном институте мер и измерительных приборов комплектом малогабаритных приборов типа КМП, класса 1,0 и параллельно самопишущим ваттметром, класса 2,5, изготовленным мастерскими Харьковского электротехнического института. Схема их включения показана на рис. 18.
Обследование и методика исследования свойств зерна

Коэффициент полезного действия двигателя определяли по тарировочному графику (рис. 19). Двигатель тарировали по методу инж. Н. И. Коновалова. Привод питающего механизма осуществлялся отдельным двигателем.
В соответствии с выражением (2-1) для определения константы Hs=A/ΔS необходимо знать вновь образованную поверхность, полученную при измельчении ΔS.
Для установления суммарной поверхности грубодисперсных систем применяют методы — микроскопический, ситовой, седиментометрический, а также пользуются показателем скорости растворения, адсорбции и т. п. В последние годы для определения суммарной поверхности частиц стали широко применять метод воздухопроницаемости.
Обследование и методика исследования свойств зерна

Единственно применимым, несмотря на отдельные недостатки, оказался метод ситового анализа, по результатам которого можно измерить суммарную поверхность измельченных зерен. Этот метод основан на том, что при прочих равных условиях поверхность частиц — величина, обратная их крупности.
Многочисленные исследования, проведенные при помощи метода ситового анализа и в сочетании его с седиментометрическим анализом, показали, что этот метод надежен и им можно пользоваться для практических расчетов и контроля процесса измельчения зерна.
В наших исследованиях при ситовом анализе, как правило, применяли сита с модулем √2. В отдельных случаях в зависимости от задач исследования устанавливали и другие сита, например для исчисления выхода крупок, муки и т. п.
Количество их зависело от крупности продукта, подвергавшегося анализу.
Для определения поверхности частиц при первичном измельчении зерна использовали не менее 12 сиг, причем верхнее сито во всех опытах выбирали с отверстиями таких размеров, чтобы остаток на нем был равен нулю, а нижнее сито — с номинальным размером отверстий в свету, равным 44 микронам. Ситовой анализ был трехкратным. Вес каждого исследовавшегося образца, подвергавшегося измельчению, составлял 2—5 кг.
Микромеханические методы испытания оболочек и эндосперма отдельных зерновок проводились на приборе ПМТ-3 конструкции проф. М. М. Хрущева и кандидата технических наук Е. С. Берковича. Этот прибор (рис. 20), как указывалось, предназначен для испытания различных материалов при вдавливании индентора под нагрузкой or 2 до 200 г. В качестве вдавливаемого инструмента применяли алмазную пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями αу = 136°. Алмазная пирамида автоматически дает подобные отпечатки при указанных выше нагрузках.
Обследование и методика исследования свойств зерна

В результате испытания на микротвердость определяется величина диагонали d1 отпечатка и подсчитывается число твердости Н, представляющее собой частное от деления приложенной нагрузки P1 кГ на боковую поверхность отпечатка Fмм3 в предположении, что углы у отпечатка такие же, как у пирамиды:
Обследование и методика исследования свойств зерна

где Р1 — нaгpyзка на пирамиду в кГ;
αу — угол между противолежащими гранями пирамиды (αу=136°);
dср — среднее арифметическое обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки в мм.
Тарировка прибора. Перед испытанием на микротвердость прибор тарировали на эталонном материале, в качестве которого обычно применяют монокристаллы каменной соли. Исследования показали высокую степень постоянства числа твердости кристаллов каменной соли и независимость их от времени хранения в лабораторных условиях, способов приготовления образца, крупности кристаллов и величины, применяемой при испытании нагрузки. Микротвердость каменной соли находится в пределах 20—22 кПмм2.
Для испытания на микротвердость зерновок и основных частей их (оболочек и эндосперма) было изготовлено приспособление в виде стальной пластинки с прорезями различных размеров (от 1,5 до 4 мм), в которых плотно размещались зерновки или отдельные части их (рис. 21).
Обследование и методика исследования свойств зерна

Во всех случаях измерения микротвердости толщина испытуемых образцов была значительно больше 1,5 d1, а расстояние от центра; отпечатка до края образца, или между центрами отпечатков, значительно превышало 3 d1, т. е. соблюдались все требования, предусмотренные техническими условиями пользования прибором.
Выбор нагрузки во многом зависит от свойств испытуемого материала. При малых нагрузках диагональ отпечатка иногда получалась менее 4 микронов, что приводило к неправильному определению величины Н, в связи с чем твердость давала очень большие отклонения. При больших нагрузках диагональ превышала 240 микронов, т. е. выходила за пределы измерительной шкалы прибора.
Для выбора нагрузки при испытании механических свойств оболочек и эндосперма с различными стекловидностью и влажностью выполняли специальные исследования.
Точность метода определения микротвердости при работе на выверенном приборе с соблюдением установленных правил испытания зависит главным образом от точности измерения d1. На точность измерения d1 могут влиять систематические и случайные погрешности, зависящие от конструкции прибора и от самого экспериментатора.
Так, систематическими можно считать погрешности, связанные с настройкой прибора, с измерением окулярным микрометром, цена деления которого равна около 0,3 микрона.
Во избежание систематических ошибок прибор перед каждой серией испытаний мы проверяли на кристаллах каменной соли при нагрузке 2 и 5 г. Максимальная длина диагонали d1 не превышала соответственно 13—14 и 22—23 микронов. Таким образом, суммарная ошибка составляла 5—7% (по отношению к найденным числам микротвердости).
Так как исследования вели при значительно большей нагрузке (P1=50 г), величина диагонали при самой низкой влажности зерна и высокой стекловидности была значительно больше (d1 > 75μ), чем при испытании каменной соли. Следовательно, точность измерений величины диагонали была значительно выше, чем при испытании эталонного образца.
Отбор зерен для испытания и число отпечатков. Из партий пшеницы каждого сорта, подвергавшейся,испытанию, отбирали образцы для определения влажности, и, кроме того, 10—12 зерен для испытания на микротвердость. Сначала определяли микротвердость оболочек каждой зерновки, а затем часть ее (1/3) срезали и определяли микротвердость эндосперма.
Число отпечатков, согласно техническим условиям, должно быть не менее 3. При испытании эндосперма число отпечатков на каждой зерновке было не менее 5, а при испытании оболочек вследствие сферической поверхности зерновок число отпечатков было не менее 3. Таким образом, твердость эндосперма определяли как среднеарифметическое из 50—50 измерений, а твердость оболочек — на основе 30—35 измерений. При испытании сортов пшеницы со стекловидностью менее 70% измерение проводили на 10 зерновках стекловидных и 10 зерновках с мучнистой консистенцией.
Для установления влияния влажности на микромеханические свойства оболочек и эндосперма параллельно проводили опыты с зерном тех же сортов в целях определения величины его прочности при измельчении в вальцевом станке.
Чтобы установить влияние температуры на механические свойства и показатели процесса измельчения, мы ставили опыты при температурах зерна от +30 до -40°.
Для снижения температуры зерна образцы его помещали в различные холодильные камеры.
Определяли прочность зерна при измельчении, микротвердость отдельных частей его, объемный вес, усадку отдельных зерновок, выход, качество муки и т, п. Цвет муки определяли на цветомере конструкции ВНИИЗ (ЦМ-2).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: