CC BY
53
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.171:635.61
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОДОВ
БАХЧЕВЫХ КУЛЬТУР М.Н. Шапров, доктор технических наук, профессор Д.В. Сёмин, кандидат технических наук, доцент М.А. Садовников, аспирант А.В. Кузнецов, аспирант ФГБОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
Представлены основные положения методики, использованной при определении прочностных характеристик коры и мякоти плодов бахчевых культур. Приведены результаты исследования и их анализ.
Ключевые слова: методика, прочностные характеристики.
Изучение технологического процесса и разработка машины, работа которой связана с воздействием на сельскохозяйственные материалы, обязательно должно основываться на экспериментальном исследовании физико-механических свойств этих материалов.
Справочных данных, описывающих физико-механические свойства бахчевых культур, мало, да и имеющиеся являются разрозненными и притом очень условными данными, которых недостаточно для разработки технологической схемы переработки и обоснования основных параметров машин для удаления коры и резания очищенной мякоти [3].
Программа экспериментальных исследований была разработана на основании проведенных теоретических исследований. В намеченную нами программу экспериментальных исследований было включено определение следующих параметров: определение усилия прокола и расчет твердости коры; определение усилия резания коры и подкоровой мякоти; определение усилия и напряжений разрушения при сжатии коры и подкоровой мякоти.
Основными сортами плодов бахчевых культур, используемых для проведения исследования, являлись тыква Волжская серая 92, арбуз Дисхим и дыня Быковская 735.
Плоды, использованные в исследовании, соответствовали общим требованиям к качеству плодов бахчевых культур при переработке на пищевые цели.
При изучении физико-механических свойств плодов бахчевых, наряду с общей методикой, использовалась частная методика изучения физико-механических свойств сельскохозяйственных растений ВИСХОМа [1].
Для регистрации требуемых параметров применялся измерительный комплекс, состоящий из компьютера, аналого-цифрового преобразователя Е-440 и соединительной платы 4, тензозвена 1, аккумулятора 3 и домкрата 2 для нагружения (рисунок 1).
Модуль Е-440 предназначен для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму для персональной ЭВМ типа IBM PC/AT.
Прочность периферийных тканей, в том числе и коры у плодов характеризуют величиной сопротивления плода вдавливанию в него плунжера-шарика. В данном исследовании применялся плунжер диаметром 4 мм, который устанавливали на платформу домкрата. Предварительно из плода вырезались куски коры с мякотью. Куски имели форму квадрата или прямоугольника со стороной 40...50 мм. Затем эти вырезанные куски поочерёдно удерживались на поверхности концентратора усилия экспериментальной установки мякотью внутрь, корой наружу. Направление выреза кусков - радиальное, место выреза -середина плода; на каждом плоде делали 4 выреза, располагая их на одинаковом расстоянии, друг от друга по линии «экватора». Усилие прокола регистрировалось в виде графика, а изменялось при подачеплатформы домкрата за счет вращения его винта. Необходимая глубина прокола контролировалась по метке, нанесённой на поверхности плунжера, которая соответствовала толщине коры.
Рисунок 1 - Измерительный комплекс: 1 - тензозвено, 2 - домкрат, 3 - аккумулятор, 4 - модуль Е-440 с соединительной платой
Согласно программы исследований, изучались реологические свойства коры и подкоровой мякоти плодов тыквы. Исследуемый образец квадратной формы, размером 10x101»/ и высотой, равной толщине коры и подкоровой мякоти, вырезали в соответствующих точках при помощи ножа и укладывали на платформу домкрата. Толщина коры определена более ранними исследованиями и составляет 8 мм. Изучаемый образец вращением винта сначала слегка зажимали между поверхностью концентратора усилия и платформой домкрата, а затем подвергали нагружению с деформацией до разрушения, при этом фиксировали показания. Параллельно проводили регистрацию деформации тензозвена. На основании полученных данных была построена диаграмма сжатия.
Для определения усилия резания мы использовали два вида ножей: плоский нож длиной 40 мм и толщиной 1 мм с односторонней заточкой с углом 20°, нож-решетка - квадратная ячейка со стороной
10 мм (толщина ножа 1 мм, заточка односторонняя наружная, угол заточки 20°). Из плода с помощью ножа вырезали исследуемый образец шириной 30 мм и длиной 20...40 мм, который затем удерживали на поверхности концентратора усилий. На платформе домкрата устанавливался необходимый нож. При вращении винта домкрата нож разрезал исследуемый образец, а данные записывались.
В ходе экспериментов изучались свойства коры и подкоровой мякоти различных частей плода: в зоне плодоножки, цветоложа и экваториальной части плода. Резание исследуемых образцов осуществлялось вдоль и поперек волокон.
Статистическая обработка опытных данных позволила выявить, что исследуемые параметры коры и мякоти плодов бахчевых изменяются по нормальному закону распределения и описываются непрерывной кривой Гаусса, на что указывает величина эксцесса и асимметрии, которые определялись для каждого вида плодов, по каждой из исследуемых характеристик. Значения этих показателей в большинстве случаев незначительно отличаются от нуля. Проверки по критерию Пирсона также указывают на нормальный закон распределения (рисунки 2, 3, 4, 5, 6, 7).
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 13'
Арбуз ▲ Дыня • Тыква
— Арбузтеор -----Дынятеор — Тыква теор
Рисунок 2 - Распределение усилий прокола коры
Усилие резания, Н/сгл
Арбуз А Дыня • Тыква
—Арбузтеор -Дынятеор -Тыкбэ теор
Рисунок 3 - Распределение усилий резания коры плоским ножом
Частота встречи
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Усилие резания, Н/см
■ Арбуз Л Дыня • Тыква
Арбуз теор Дынятеор —Тыкватеор
Рисунок 4 - Распределение усилий резания мякоти плоским ножом
Усилие резания, Н
■ Арбуз ф Тыква А Дыня
--Арбузтеор---Дынятеор --Тыкватеор
Рисунок 5 - Распределение усилий резания мякоти ножом-решеткой
Усилие разрушения, Н
а Дыня ♦ Тыква ■ Арбуз
---Абрузтеор ----Дынятеор ---Тыкватеор
Рисунок 6 - Распределение усилий разрушения мякоти
Усилие разрушения, Н
Дыня -Абрузтеор •
Тыква ■ Арбуз
-Дынятеор ------Тыкеатеор
Рисунок 7 - Распределение усилий разрушения коры
Результаты исследования плодов бахчевых показали, что свойства плодов в зависимости от типа имеют большой разброс значений. Однако для каждого типа можно указать интервал значений, который можно использовать для всех необходимых расчетов (табл. 1 и 2).
Таблица 1 - Результаты измерения некоторых прочностных характеристик коры плодов бахчевых культур
Вид плода бахчевых Область измерения Усилие разрушения коры, Н Усилие прокола коры, Н Твердость коры, кг/мм2 Усилие резания плоским ножом коры, Н/см
вдоль поперек
1 2 3 4 5 6 7
Тыква Волжская серая 92 плодон ожка 172,44... 178,18 90,34... 93,30 0,73... 0,79 17,60... 18,18 20,35... 20,99
экватор 166,03... 171,81 95,71... 98,55 11,98... 12,36 16,46... 16,84
цветоло же 126,83... 130,95 91,95... 95,19 16,45... 16,91 16,31... 16,85
Арбуз Дисхим плодон ожка 471,40... 473,74 129,42... 133,10 0,85... 1,08 28,27... 29,05 36,61... 37,67
экватор 429,61... 443,99 109,18... 112,60 35,87... 36,85 36,16... 37,34
цветоло же 435,35... 448,43 105,57... 108,91 25,84... 26,64 38,63... 39,77
Окончание таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7
Дыня Быковская 735 плодон ожка 243,39... 250,51 85,61... 88,35 0,58... 0,72 28,79... 29,69 31,34... 32,36
экватор 172,14... 177,22 80,19... 82,61 31,29... 32,27 32,51... 33,55
цветоло же 152,32... 157,40 71,90... 74,04 32,64... 33,58 35,35... 36,43
Таблица 2 - Результаты измерения некоторых прочностных характеристик мякоти плодов бахчевых культур
Вид плода бахчевы X Область измерения Усилие разрушения мякоти, Н Усилие резания плоским ножом мякоти, Н/см Усилие резания ножом-решеткой мякоти, Н
вдоль поперек
Тыква Волжская серая-92 плодоножка 58,23... 59,81 5,74... 5,90 7,63... 7,87 49,95... 51,63
экватор 41,87... 43,25 6,96... 7,18 6,90... 7,10 55,06... 56,84
цветоложе 46,86... 48,38 8,85... 9,15 8,57... 8,89 59,70... 61,74
Арбуз Дисхим плодоножка 176,64... 182,50 12,74... 13,18 10,43... 10,79 82,67... 85,37
экватор 101,90... 104,36 12,26... 12,62 11,90... 12,22 48,93... 50,41
цветоложе 166,27... 171,49 9,08... 9,38 8,54... 8,90 70,65... 72,81
Дыня Быковск ая 735 плодоножка 27,13... 27,65 2,46... 2,52 2,49... 2,57 18,15... 18,73
экватор 12,49... 12,89 2,06... 2,12 2,20... 2,26 10,91... 11,19
цветоложе 15,41... 15,83 1,74... 1,78 1,86... 1,92 12,10... 12,46
Кора у всех исследуемых видов бахчевых наиболее твердая в области плодоножки, при этом у арбуза и дыни отмечено снижение прочностных показателей коры при движении от плодоножки к цветоложу. Следует заметить, что, в отличие от арбуза и тыквы, дыня имеет другое строение коры, чем и обуславливаются ее повышенные прочностные характеристики. Данные о твердости коры тыквы Волжская серая 92 подтверждаются экспериментальными данными других исследователей [2].
Прочностные показатели мякоти у тыквы и арбуза наиболее низкие в области экватора. Усилие резания мякоти поперек у арбуза итыквы несколько выше, чем при резании вдоль, что объясняетсяналичием волокнистой структуры. Мякоть дыни снижает свои прочностные свойства от плодоножки к цветоложу, при этом она практически однородная, что подтверждается незначительным отличием показателей при резании вдоль и поперек.
Полученные данные позволили нам сконструировать экспериментальные машины для удаления коры и резания очищенной мякоти.
Библиографический список
1. Ковган, А.П. Физико-механические свойства почвы и растений [Текст] / А.П. Ковган//Сборник трудов ВИСХОМ. - М. : «Москва», 1963. - 148 с.
2. Определение некоторых механико-технологических свойств плодов тыквы [Текст]/ А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров, Д.В. Сёмин, А.В. Седов // II Российская научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе». - Ставрополь, 2003. - С. 549-551.
3. Сёмин, Д.В. Состояние и уровень механизации при переработке плодов бахчевых культур [Текст] / Д.В. Сёмин // Материалы IX региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области / ВГСХА. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2005. - 122 с.
E-mail: [email protected]
