Определение коэффициентов трения массы о металлические поверхности при получении сока

Дыня - ценный продукт питания не только в свежем виде, но и в переработанном. Получение новых продуктов из дыни, сохраняющих её питательные и лечебные свойства и имеющих при этом требуемые органолептические и текстурные показатели является перспективным направлением на современном этапе. Так как плоды дыни характеризуются низкой лежкостью, возникает необходимость разработки новых принципов её переработки для увеличения сроков хранения [1].

Дыня имеет прочную оболочку (кожицу), в которую заключены структурные элементы: семена, сосуды, разлучные группы сокоосодержащих клеток. Разрушение ягоды путем ее сжатия позволяет уяснить характерные черты всего метода получения сока. При равномерном сближении плоско-параллельных плит, помещенная между ними ягода испытывает деформацию. Мякоть, клетки которой заполнены жидкостью, оказывает давление на наружную оболочку, которая испытывает сложные напряжения.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования является стенд для определения коэффициентов трения дынной массы о металлические поверхности. Создание нового типа технологического оборудования для получения сока из дыни связано с условиями деформации прессуемой массы. От скорости деформации зависит важный фактор - удельная мощность (и связанное с этим показателем количество взвесей), т.е. один из критериев оценки качество продукции. Пресс можно рассматривать как объект, в состав которого входит прессующий рабочий орган шнек и мезга, совместно ведущие себя как упруговязко-пластическое тело. Такой подход позволяет создать математическую модель работы пресса, установить зависимость между усилиями, скоростью и геометрическими параметрами рабочего органа, т.е. получить исходные данные для создания рациональной конструкции пресса.

Методом исследования является экпериментальный и экспериментальноаналитический способ с использованием методических указаний, которые выполнялись научно-поставленными опытами, соответствующими ГОСТ, под наблюдением исследуемых и точно учитываемых факторов, позволяющих наблюдать изменения характеристик и их данных в процессе испытания образцов. Физические свойства системы могут быть получены по результатам опытов по деформированию с заданными режимами нагружения. Как показывают результаты анализа обзорных исследований, при прессовании мезги существуют этапы разделения в зависимости от механического воздействия со стороны рабочих органов. Выход отжатой жидкости зависит от многих факторов, среди которых не последнее место занимает продолжительность процесса. Неодинаковые результаты достигаются при медленном прессовании дыни с постепенным доведением давления до 1,4 МПа и при быстром воздействии этого же давления. Вместе с тем прессование еще более сложный процесс, на который оказывает влияние множество неизученных факторов. В связи с этим, для совершенствования конструкции устройств прессования с целью улучшения качества отжатой жидкости необходимо учесть поведение массы при различных условиях деформации. Кроме того, различные реологические модели игнорируют проявление объемной вязкости в процессе сжатия материала из-за недостатка сведений о степени ее влияния на процессы сдвигового течения материалов [2]. Указанные причины обусловили необходимость исследования процессов релаксации напряжений и ползучести мякоти дыни.

При нагнетании различных типов сырье соприкасается с поверхностями рабочих ор- ганов, а частицы деформируемого сырья скользят по поверхности рабочих органов, и в результате возникают силы контактного трения, затрудняющие это скольжение. Силы контактного трения оказывают существенное влияние на протекание процесса прессования.

В шнековых прессах благодаря этим силам возникает давление в рабочих каналах. В каждой точке поверхности контакта возбуждаются элементарные силы трения, что вызывает появление касательных напряжений на контактных поверхностях деформируемого тела, направленных противоположно направлению скольжения сырья относительно поверхности рабочего органа в каждой точке. Действие трения от контактных поверхностей распространяется в глубину деформируемого тела.

Результаты и их обсуждение

Нами был разработан прибор для определения коэффициентов трения массы о металли- ческие поверхности. Установка для определения внешнего трения показана на рисунке 1. Порядок проведения экспериментов следующий: дынной массой заполняли до измеренного уровня емкость 2, по середине помещали металлические пластины 1, а затем прикладывали нагрузку, причем минимальная продолжительность сжатия под нагрузкой составляла 10 мин. После усреднения результатов экспериментов коэффициент внешнего трения определяли по следующему уравнению:

^Т — А + <Г_П^{- р} тр.                     (1)

где: т- касательное напряжение при сдвиге, МПа;

А- удельная (на 1м2) сила адгезии между материалом и металлической пластиной, МПа;

O n - нормальное напряжение, МПа;

Ртр - коэффициент внешнего трения материала.

Рисунок 1 - Установка для определения коэффицента внешнего трения

Обозначения: 1- пластина; 2-мезга; 3-пружина; 4-шкала; 5-редуктор; 6-нить; 7-электродвигатель; 8-манометр; 9-гидроцилиндр; 10-перфорированная пластина.

Контактное трение увеличивает активную силу и работу деформации. На величину возникающих на поверхности контактов элементарных сил трения при пластическом деформировании влияют состояние поверхности рабочего органа и характер прило- жения нагрузки перемещаемого материала. До настоящего времени нет единого мнения о величинах коэффициентов трения мезги о металлические поверхности [3]. Существенное расхождение значений величин коэффициентов трения можно объяснить различной методикой их определения. Зависимость коэффициента трения от давления на массы показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента трения от давления на массы

Так как сдвиг происходит мгновенно, т.е. время приложения усилия приблизительно равно нулю, то величина адгезии тоже равна нулю, отсюда получаем что:

^T    (T n F mp                        (2)

Зависимость коэффициента внешнего трения массы от давления представлена на рисунке 3. Как видно из рисунка с увеличением степени деформации давление массы увеличивается. При этом коэффициент внешнего трения возрастает [4]. Таким образом, степень деформации оказывает определяющее влияние на коэффициент внешнего трения массы при выдавливании.

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента внешнего трения массы от давления.

Выводы 1. Установлено, что с увеличением величины давления при сжатии кусков дыни выход сусла возрастает, зависимость имеет степенной характер, это объясняется тем, что при объемной деформации давление воздействует равномерно во всем объеме массы, и в результате эффективность отделения сока возрастает.

• 2.    Определен характер изменения напряжений в массе в зависимости от времени при постоянной деформации. Это объясняется тем, что при постоянной деформации масса переходит в однородную структуру.

• 3.    При циклической деформации кусков дыни выход сока с увеличением степени сжатия возрастает, кроме того, часть подведенной к системе энергии расходуется на остаточное деформирование, при котором происходит выделение сока, а при последующих сжатиях разрушению подвергаются другие группы клеток, а это повышает эффективность сокоотделения.

• 4.    Получены зависимости изменения коэффициента трения массы давления, который возрастает с увеличением степени деформации при увеличивающемся давлении массы.