Зерно как «комплексная конструкция»

09.05.2015

Прочность комплексной конструкции зависит, как известно, не только от прочности отдельных частей, но и их взаиморасположения, конфигурации и взаимодействия. Другими словами, речь идёт о прочности «сооружения» в целом.
Это конструктивное начало интересно проследить на примере зерна, как «комплексной конструкции», весьма различно выполненной.
На помощь здесь приходит учение о строении растений с точки зрения строительной механики. Ещё Галилей на примере соломинки излагал положение о преимуществе полотрубчатой балки при работе тела на изгиб. Инженер Спенсер также изучал принципы строения растений, пользуясь законами механики. Интересно, что Монье, взявший в 1868 г. патент на железобетонную конструкцию, был садовником, сознательно или подсознательно подражавшим в этом вопросе конструкции пальмовых листьев с мягкой массой черешка, распределённой в сетке крепких, упругих тканей.
Позднее (1873/74) выдающийся швейцарский ботаник Швенденер разработал принципы архитектоники на основе законов строительной механики, доказав, что с точки зрения инженера растение является весьма «целесообразным сооружением». «Техническое задание» у растений, как говорит Швенденер, разработано весьма удачно: работа отдельных органов протекает как работа балок и колонн с явлениями упругости, жёсткости и устойчивости. Основной частью этих конструкций является арматура («стеором», по терминологии Швенденера), заполненная тканями прочности. Кожица же (в нашем случае оболочка зерна), будучи покровной тканью, играет значительную роль в укреплении органов и в силу своего периферийного положения утолщает клетки, как «обметка» конструкции.
Русский учёный Раздорский подверг критическому анализу теорию Швенденера и дал в наше время более углубленную концепцию, выдвинув положение, согласно которому растение следует рассматривать как «комплексное сооружение», представленное в современной технике, например, железобетонной конструкцией. В своих работах, особенно последнего времени. Раздорский, основываясь на теории дарвинизма, рядом исследований доказал «приспосабливаемость» растений к тем усилиям, которым оно подвергается, как, например, сооружение под действием дождя, ветра.
Основные черты архитектоники растений могут быть объяснены, согласно учению о комплексном сооружении, которое, будучи составленным из различных материалов, работает монолитно по аналогии с железобетоном, что обеспечивается сцеплением между каркасом и наполнительной массой.
По. толкованию Швенденера, достаточно изучить механические свойства элементов тканей, чтобы судить о механических свойствах растений в целом, с чем, конечно, согласиться нельзя. По трактовке же Раздорского, вопрос должен рассматриваться комплексно, так как прочность отдельных элементов ещё не разрешает вопроса. Эта точка зрения полностью подтверждается и при изучении сопротивления зерна в целом, а тем более зерновой массы.
При этом характерно, что ряд показателей, определяющих механические свойства отдельных частей растений, близко подходит к аналогичным показателям наиболее распространённых строительных материалов. Предел упругости так же, как и временное сопротивление склеренхимы, например, у некоторых растений близко подходят к соответствующим данным для строительной стали: временное сопротивление у строительной стали составляет около 3600 кГ/см2, а у первичной склеренхимы из стеблей подсолнечника 2740 кГ/см2.
Предел пропорциональности при растяжении вдоль волокон у некоторых растений равен 1200—2500 кГ/см2, т. е. в некоторых случаях больше, чем у стали (1800—2200 кГ/см3). При напряжении, не превосходящем предела пропорциональности, некоторые растительные волокна дают удлинение в 10—15 раз болошее, чем сталь.
При сопоставлении данных по растениям, полученных исследователями Габерляндом, Каллиниковым, Раздорским и Крагельским, с соответственными данными по металлам установлено, что разница между временным сопротивлением и усилием, при котором не превышен предел пропорциональности, для волокон растений очень незначительна, благодаря чему переход за пределы упругости сейчас же влечёт за собой разрушение. Таким образом, ткань растений даёт весьма малые неупругие, или остающиеся, удлинения, в то время как упругие удлинения имеют у них значительную величину, доходящую до 2,5%. Для металла, наоборот, особенно сильно выражены остающиеся удлинения, характеризующие их пластические свойства, упругие же удлинения сравнительно малы. По упругим удлинениям некоторые растения превосходят металлические изделия, подвергающиеся при обработке предварительному растяжению (тянутая проволока).
Эти свойства растений характеризуют их способность пере носить почти предельную нагрузку без изменения формы и размера, что в полной мере относится к зерну, в конструкции которого мы также имеем дело с значительными показателями прочности. Мы уже видели, что временное сопротивление оболочки отдельных сортов пшеницы не уступает некоторым сортам дерева, например липы, идущей на изготовление рамок рассева, подвергающихся сильному износу вследствие систематических, почти непрерывных ударов и динамического воздействия движущихся щёток.
Ударные действия, необходимые для разрушения зерна, также относительно велики, что вызывает необходимость применять значительные усилия в рабочей зоне вальцевого станка, требующие в свою очередь больших скоростей движения рабочих органов и значительной прочности отдельных узлов при конструировании станков.
Особенно характерно при этом высокое сопротивление на разрыв алейронового слоя, толстостенные клетки которого требуют значительных усилий для разрыва, которых на обычной машине (вальцевом станке) достигнуть вообще не удаётся.
Нам неизвестны специальные исследования прочности алейронового слоя, которые дали бы числовое выражение этим разрушающим усилиям, но косвенные указания имеются.
В алейроновом слое, как известно, содержится некоторое количество ценных в питательном отношении веществ — значительное количество белков, хотя и отличающихся по своим свойствам от белков, образующих клейковину, но всё же достаточно ценных, и большое количество жира. Всё это привлекало внимание технологов, пытавшихся использовать эту часть зерна для питания путём включения её в состав муки. Однако на пути к этому вполне естественному стремлению до сих пор стоят неосиленные трудности, связанные с механическим размельчением стенок алейронового слоя, обладающей к тому же и высокой химической сопротивляемостью.
Опыты Финклера показали, что стенки алейроновых клеток не поддаются разрушению даже под действием желудочного сока человека и животного (в выделениях которого они остаются в нетронутом виде).
В 1911 г. Финклер пытался использовать содержимое алейроновых клеток путём приготовления так называемой «конечной муки» («Final mehl»), с выходом в 75—91,5%. Для этой цели он прибег к специальной сложной конструкции вальцевого станка, валы которого имеют не только вращательное, но одновременно и возвратно-колебательное движение по оси. Этим комбинированным механическим воздействием Финклер надеялся создать такой сложный комплекс разнородных, одновременно действующих усилий, который привел бы к разрушению стенок алейроновых клеток. Однако такого технологического эффекта Финклер не достиг, несмотря на то что пытался при этом воздействовать также и химическим путем, применяя мокрый размол в соляном растворе. Сопротивляемость разрыву этих клеток была настолько велика, что указанные выше yсловия разрушения оказались недостаточными. Микрофотографическая проверка показала, что разрыв клеток после такого сложного комбинированного воздействия всё же оказался лишь частичным.
Всё это говорит о высокой механической стойкости того составного элемента зерна, с которым, как увидим, приходится считаться и при применении рассматриваемых нами приёмов для уменьшения сопротивляемости зерна при дроблении.
Насколько велики напряжения, которые нужно преодолеть, чтобы «взорвать» целое зерно изнутри, можно судить по технологическому процессу при изготовлении так называемых «вспученных» зёрен (puffed grains). Зерновая масса различных культур, например риса, ячменя, кукурузы, подвергается при этом в особой камере воздействию давления 12—18 ат нагретого воздуха, под влиянием чего в зерне возникают соответственно весьма высокие напряжения. При сообщении же полости этой камеры с наружным воздухом благодаря сильному перепаду давления происходит резкое воздействие на структуру зерна, получается «выстрел», и обработанное таким путём зерно выбрасывается наружу, имея совершенно другое строение.
«Вспученные» зёрна получают при этом линейное расширение в 2—2,5 раза, с увеличением объёма в 8—10 раз, причём некоторые культуры, например рис, сохраняют свою форму, а у кукурузы эндосперм выворачивается наружу. Таким образом, для преодоления внутреннего сцепления зерна необходимы усилия, связанные с давлением 12—18 ат.
Высказанные соображения позволяют присоединиться к концепции Раздорского и рассматривать зерно как монолитную конструкцию, как «комплексное сооружение», в котором стенки клеток являются каркасом, а крахмальная масса вместе с белковой тканью — наполнителем. Этот наполнитель по аналогии с железобетонной конструкцией работает главным образом на сжатие, а стенки клеток и в эндосперме, и главным образом в «обмоточном конструктивном узле» — оболочках — подвержены более сложным и ответственным усилиям изгиба и среза. Всё зерно действует, таким образом, как монолитная конструкция, обладающая определённой связанностью отдельных частей, комплексное действие которых и создаёт сравнительно высокую сопротивляемость при размоле зерновой массы.
Различие механических свойств оболочек и эндосперма при резком различии их питательной ценности и предопределяет развитие мельничной техники, вся история которой связана, с одной стороны, с использованием, а с другой, — с углублением этих различий. «Если бы этого не было, — утверждает известный американский исследователь Эдгар Миллер (Edgar Miller), — не было бы мукомолья в том виде, как его знает современная техника».
Задача технолога и заключается в том, чтобы найти пути ослабления жёсткости системы в целом, имея в виду не только отдельные зёрна, по и зерновую массу. Преследуя эту цель, применяют искусственное увлажнение, ослабляющее, как увидим ниже, жёсткость «каркаса» и сопротивляемость на сжатие «наполнителя», т. е. уменьшая удельную сопротивляемость измельчению зерна в целом.
К этому нужно добавить, что в процессе переработки мы имеем дело не с отдельными зёрнами, а с зерновой массой, в которой явления анизотропии ещё более усиливаются, так как различные зёрна в пределах одного и того же сорта, а тем более при наличии в смеси различных сортов имеют различную твёрдость, различную форму и различное взаиморасположение. Все это, понятно, сильно влияет на процесс дробления.
Кроме того, поведение зерновой массы осложняется привходящим фактором — трением зёрен между собой. Этот фактор в зерновой массе имеет то отрицательное, то положительное значение, в зависимости от технологической цели процесса переработки. В процессе измельчения трение является фактором отрицательным, усугубляющим сопротивление зерна дроблению, заставляя рабочие органы машины преодолевать не только прочность отдельных зёрен, но и силу трения их между собой, зависящую как от состояния поверхности зёрен, так и от влажности, до известного предела играющей роль смазки.
Положительное же значение этого фактора проявляется тогда, когда речь идёт о шлифовке зерна, что имеет место, например, при шлифовке проса в «полировальных горшках», при полировке гороха, риса и т. д. Явление трения зёрен между собой отражается также на шелушильном эффекте при сравнительной оценке «жёстких» и «мягких» обоечных машин.
Любопытен в этом отношении опыт с горохом, полученный и 1938/39 г. при испытании сепаратора на Ленинградском портовом элеваторе. Оказалось, что после пропуска через сепаратор, по ситам которого масса гороха движется в рассыпном виде вплоть до отдельных зёрен, процент дроблёных, расколотых горошин увеличивается в 1,5—2 раза по сравнению с процентом таких же зёрен в массе гороха, хранившегося в мешках, хотя последний подвергался сотрясению — ударам — при укладке и транспортировке. Объяснить это можно тем, что отдельные зёрна гороха легко раскалываются под действием незначительных усилий, но в массе они оказываются более стойкими благодаря тормозящему действию трения зерен между собой, а также распределению усилий по всей поверхности, а не только в отдельных местах. На этом и основаны новые принципы конструирования машин для шелушения крупяных культур.
Работа рифлен, их форма и условия работы отдельного резца, тщательно изученные в технологии металлов, всё ещё теоретически не исследованы в мукомольном производстве, где до сих пор пользуются эмпирическими формулами при установлении угла резания и взаиморасположения рифлей. Как показали исследования Куприц и Шаройко (1939/40), неправильный подбор профиля рифлей в связи с неизученным влиянием трения в зерновой массе приводит к повышению удельного расхода энергии на 15—20%.
Все это говорит о том, что основной вопрос теории измельчения зерна — изучение функциональной зависимости между затратой энергии и технологической характеристикой исходного и конечного продуктов — представляет большие трудности и нуждается в предварительном изучении отдельных узлов, отдельных этапов производства, прежде чем сделать попытки установить общую связную картину, дать кинетику и динамику размола зерна.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: