Актуальность паботы т/ Л.
Механические свойства пищевой продукции имеют решающее значение, как при хранении и транспортировке, так и при оценки её потребительского качества. От этих свойств зависят: возможность складирования продукции в таре той или иной величины и формы, способность продукции переносить вибрацию и тряску при транспортировке, а также и её органолептические свойства. Широкое распространение производств, выпускающих студнеобразную и аналогичную ей продукцию, приводит к необходимости измерения характеристик механических свойств в сопоставимых единицах, желательно в системе СИ. В настоящее время в большинстве случаев измеряются комплексные характеристики указанных свойств, физический смысл которых часто трудно объяснить, причем единицы некоторых характеристик совершенно не соответствуют названию этих характеристик (так, например, в ряде приборов, прочность измеряется в единицах массы), а иногда используются «единицы прибора», не имеющие корректного определения.
Измерение различных характеристик механических свойств в несопоставимых условиях или единицах затрудняет, а в некоторых случаях делает невозможным учет этих характеристик при сертификации продукции.
Кроме того, используемые методы измерений рассматриваемых характеристик, как правило, являются косвенными и не имеют ничего общего со стандартными методами измерения тех же характеристик у других материалов. Совершенно очевидно, что разрабатываемые методы и средства измерения и контроля должны носить черты преемственности по отношению к стандартизованным методам, причем, эта преемственность должна быть максимально выражена, хотя индивидуальные особенности исследуемых материалов требует разработки ряда специфических приемов измерения и конструктивных решений.
Таким образом, задача по разработке методов и средств измерения и контроля механических свойств веществ, содержащих студнеобразователи, является вполне актуальной.
Целыо работы является создание методов и средств измерения и контроля унифицированных характеристик механических свойств студней и других подобных им сред с малым модулем упругости, у которых, с одной стороны, прослеживалась бы преемственность со стандартными методами и средствами измерения, применяемыми для определения аналогичных характеристик металлов и полимеров, а, с другой, — исключались бы влияние поверхностного слоя образцов и необходимость их жесткого крепления при измерениях. В качестве унифицированных характеристик механических свойств студней, подлежащих контролю выбраны: модуль упругости, условное сопротивление срезу, предел текучести и динамическая вязкость.
Основные задачи исследования.
1 Анализ существующих методов и средств измерения и контроля характеристик механических свойств студней и других подобных им материалов с целыо конкретизации направления проводимого исследования;
2 Выявление условий, соблюдение которых необходимо для измерения указанных характеристик;
3 Разработка методов и реализующих их средств измерения и контроля характеристик механических свойств веществ, содержащих студнеобра-зователь;
4 Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанных методов и средств измерения и контроля с оценкой точности полученных результатов методами математического моделирования и теории погрешностей.
Этапы выполнения работы.
— Теоретическое обоснование целесообразности измерения унифицированных характеристик механических свойств материалов, содержащих студ-необразователъ, аналогичных измеряемым у других групп материалов.
— Анализ существующих методов и средств измерения и контроля характеристик механических свойств студней и других подобных им материалов с целью конкретизации направления проводимого исследования.
— Обоснование условий, которые должны соблюдаться при измерении и контроле модуля упругости, условного сопротивления срезу, предела текучести и динамической вязкости студней.
— Разработка экспериментальной установки с приспособлениями, позволяющими обеспечить измерения указанных характеристик.
— Анализ результатов измерений с целью определения погрешностей разработанной установки и источников их возникновения.
Методы и средства исследования.
В работе использовались методы, применяемые в настоящее время при исследовании механических свойств различных типов материалов, а также методы, специально разработанные для студнеобразных материалов. При выполнении работы применялись аналитические и численные методы, методы физического и математического моделирования, а также методы корреляционного и регрессионного анализов, элементы математической статистики и теория точности.
Экспериментальные исследования проведены на разработанных установках с использованием современных средств измерений. Обработка данных выполнена на ЭВМ по оригинальным алгоритмам и программам, а также с использованием систем автоматизации математических расчетов MathCAD, табличного процессора Excel, Table Curve и Axum .
Научная новизна работы.
— Классификация средств измерения и контроля механических свойств студнеобразных и подобных им веществ.
— Обоснование необходимости измерения унифицированных характеристик механических свойств студнеобразных материалов в единицах системы СИ.
— Теоретическое обоснование разработанных методов измерения и контроля характеристик механических свойств материалов, имеющих студнеобразную структуру: метода определения динамической вязкости и усилия, соответствующего пределу текучестиметода определения модуля упругости первого рода (модуля Юнга) и предела прочности на растяжениеметода определения условного сопротивления срезу;
— Математическая модель, описывающая движение твердого тела в студне под действием приложенной из вне силы.
— Обоснование выбора цилиндрического тела для определения динамической вязкости по методу Стокса и определение значения соответствующего коэффициента формы.
— Анализ источников погрешностей разработанных методов и средств контроля на основе теории точности.
Практическая ценность работы.
— Разработаны методы определения модуля упругости первого рода (модуля Юнга), предела текучести, предела прочности на растяясение, условного сопротивления срезу и динамической вязкости студнеобразных материалов.
— Разработаны средства измерения и контроля, позволяющие определять вышеуказанные характеристики механических свойств студнеобразных материалов при различных видах нагружения, обеспечивающие постоянство воздействующей нагрузки, а также возможность её регулирования и возможность варьирования размеров режущего инструмента при различных значениях нагрузки.
Реализация и внедрение результатов исследования.
Разработанные средства для исследования характеристик механических свойств студнеобразных веществ используются при проведении научных исследований в ВНИИСПК и ОрёлГТУ, а также в лабораторном практикуме, по специальностям 19.01 «Приборостроение «и 27.08 «Технология консервирования» .
Апробация работы.
Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 8 конференциях, в том числе:
— Пятое международное совещание-семинар «Инженернофизические проблемы новой техники», МГТУ: Москва, 1998;
— Третья международная научно-техническая конференция «Чкалов-ские чтения. Инженернофизические проблемы авиационной и космической техники», ЕАТК ГА: Егорьевск, 1999;
— Международная научно-техническая конференция «Качество жизни населения — основа и цель экономической стабилизации и роста», Орел, 1999;
— Международная научно-техническая конференция «Сертификация и управление качеством продукции», БГТУ: Брянск, 1999;
— Вторая всероссийская научно-техническая конференция «Методы и средства измерений физических величин», НГТУ: Нижний Новгород, 1997;
— Всероссийская научно-техническая конференция «Диагностика веществ, изделий и устройств», ОрелГТУ: Орел, 1999.
— Воронежская школа «Современные проблемы механики и прикладной математики», Воронеж, 1998;
— Декада науки-97 «Духовные ценности современной российской молодежи». Орел, 1997;
Доклад «Методы исследования механических характеристик материалов с малым значением модуля упругости» удостоен диплома Ш-ей международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения». — ИПАКТ — III. (Егорьевск, июнь 1999 г.).
Публикации По содержанию и результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, получен патент РФ.
На защиту выносятся.
— Классификация средств измерения и контроля механических свойств студнеобразных и подобных им веществ.
— Разработанные методы измерения и контроля характеристик механических свойств студнеобразных веществ, коррелированные с методами и средствами измерений, применяемыми для металлов и полимеров, и позволяющие оценить механические свойства материалов в единицах СИ, отличающиеся от известных отсутствием зажимов для крепления образцов, использованием для определения вязкости цилиндрического тела, погружаемого в среду, и формированием образца исследуемого материала непосредственно перед его контролем.
— Математическая модель, описывающая, движение твердого тела в студне под действием приложенной из вне силы, и экспериментальное подтверждение возможности рассмотрения студнеобразных веществ как ньютоновских жидкостей при малых скоростях погружения в них цилиндрического тела.
— Средства измерения характеристик механических свойств исследуемых материалов: модуля упругости первого рода (модуля Юнга), предела текучести, предела прочности на растяжение, условного сопротивления срезу и динамической вязкости, реализующие разработанные методы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность работы, определена её цель, кратко изложены основные научные результаты, а также раскрыто научное и практическое значение работы.
В первой главе проанализированы методы и средства определения характеристик механических свойств металлов и полимеров, утвержденные ГОСТ 1497–84, ГОСТ 9550–81 и ГОСТ 408–78. На примере определения модуля упругости показана их преемственность. Показано, что студнеобразные вещества при одних условия можно рассматривать как «твердые», а при других — как «жидкие». Кроме того, в некоторых случаях они одновременно проявляют свойства и твердых и жидких сред. Проведенный анализ существующих средств измерения и контроля характеристик механических свойств студней показал, что их можно подразделить на два класса: измеряющие механические свойства поверхностных слоев материала и измеряющие механические свойства самого материала (исключающие влияние поверхностного слоя), и что наиболее перспективной является разработка средств измерений, относящихся ко второму классу, так как у исследуемых материалов с течением времени состояние поверхностного слоя может быстро изменяться. Анализ также позволил установить, что многие из существующих методов и средств, предназначены для измерения комплексных параметров физический смысл которых не всегда можно корректно объяснить, а также не всегда возможно установить их связь с простыми параметрами, так, например, известно более шести различных способов определения прочности материалов, в результате применения которых получаются значения различных величин, несопоставимых друг с другом. Кроме того, многие средства измерения определяют измеряемый параметр в единицах, не приводимых к системе СИ, а в некоторых случаях в так называемых «единицах прибора» .
Во второй главе проведен анализ существующих методов и средств определения механических характеристик различных материалов при их растяжении. На основе проведенного анализа сформулированы необходимые требования к методу измерения характеристик механических свойств материалов с малым модулем упругости при растяжении. Разработан метод, отличающийся от существующих отсутствием захватов, используемых обычно при растяжении образцаон предусматривает растяжение исследуемого образца под действием его собственной весовой нагрузки.
Существенной особенностью предлагаемого метода является также то, что он позволяет исключить влияние состояния поверхностного слоя исследуемого материала за счет изготовления исследуемого образца из заготовки непосредственно перед проведением измерений.
Предложен метод контроля характеристик реологических свойств студней на основе движения в них твердого тела. Показано, что при малых скоростях движения этого тела студни можно, с одной стороны, считать ньютоновской жидкостью, для которой усилие, вызывающее это движение, пропорционально скорости, а, с другой стороны, твердым телом, на пластическую деформацию которого затрачивается усилие, определяемое пределом текучести. Предложена математическая модель, описывающая рассматриваемое движение.
Математическая модель позволяет определить по результатам измерений как динамическую вязкость, гак и предел текучести. Проведенный анализ возможных форм тела, перемещающегося в исследуемом материале при определении динамической вязкости по методу Стокса, показал, что наиболее приемлемой формой движущегося тела в условиях разработанного метода является цилиндр. Для определения динамической вязкости при использовании цилиндра в качестве движущего в среде тела найдены значения коэффициента сопротивления по Стоксу и коэффициента формы для цилиндра.
Теоретически обоснован метод измерения условного сопротивления срезу, определены условия, при которых возможна реализация предложенного метода, проанализированы величины зазоров между режущими ножами и выбран размер ножа, имеющего ширину, равную диаметру образца.
Преимуществом разработанных методов является их коррелированность с существующими методами определения характеристик механических свойств материалов, обладающих большими значениями модуля Юнга. Все разработанные методы носят черты преемственности. Результаты измерений, получаемые при использовании разработанных методов, выражаются в единицах СИ.
В третьей главе описана разработанная экспериментальная установка с двумя приспособлениями. Она позволяет измерять модуль упругости первого рода (модуль Юнга), предел текучести, предел прочности на растяжение, условное сопротивление срезу и динамическую вязкость исследуемого материала. Теоретически обоснованы конструкции элементов этой установки и последовательность операций при проведении измерений. Проведен анализ условий работы рассматриваемой установки, а также показано функциональное взаимодействие отдельных узлов, как на этапе подготовки, так и во время проведения измерений. С целью ускорения проведения измерений и во избежании предварительных деформаций, изменяющих механические свойства контролируемого вещества предложено изго тавливать заготовки непосредственно в кассетах, используемых при измерениях. Также проанализированы принципы проектирования как самой экспериментальной установки с приспособлениями, так и применяемых при измерениях кассет.
Четвертая глава работы посвящена экспериментальному исследованию характеристик механических свойств желатиновых студней. Целью этих исследований являлось: определение степени однородности получаемых образцов студней, доказательство возможности рассмотрения студней с массовой долей желатина 5 -г 12,5%, как ньютоновских жидкостей при движении в них цилиндрических тел со скоростями до 15−10″ 3 м/с, определение значений случайных погрешностей, соответствующих предложенным методом измерений.
Систематические погрешности при исследовании не определялись из-за отсутствия эталонов и образцовых мер студней.
Проведенные экспериментальные исследования показали:
— неоднородность студня в кассете не проявляется при измерении вязкости при нагрузках более 100 Н/м2 — при меньших нагрузках движение цилиндрического тела в среде становится неравномерным, что приводит к увеличению погрешности измерений;
— неоднородность образцов студней, изготовленных одновременно по одной технологии из одних и тех же исходных материалов, то есть полученных из одного и того же раствора желатина, столь существенна, что значения динамической вязкости, полученные для них, могут различаться до 15 — 25%- случайные погрешности при определении динамической вязкости анализируемых студней не превосходят 10% от измеряемой величины, причем они обусловлены погрешностью определения перемещения и времени перемещения;
— модуль упругости у студней с 10% массовой долей желатина составляет 0,36−0,48 кПа. Поскольку каждый образец студня может быть подвержен измерению только один раз, то определить область рассеяния, обусловленную только погрешностью измерений без влияния неоднородностей образцов, оказалось невозможным;
— условное сопротивление сдвигу для образцов с той же массовой долей желатина составляет 0,09−0,120 кПа.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТА ТЫ РАБОТЫ.
1 На основе проведенного анализа существующих методов и средств измерения характеристик механических свойств студней показано, что они не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, так как получаемые в результате их применения величины не всегда могут быть физически истолкованы и, кроме того, ряд рассмотренных приборов создают недопустимо большие предельные деформации образцов и измерительные усилия, изменяющие свойства исследуемых студней.
2 Анализ условий проведения измерений и контроля характеристик механических свойств студней показал, что следует различать методы и средства измерения и контроля характеристик поверхностного слоя и основной массы образцов. В производственных условиях в большинстве случаев необходимо измерять и контролировать характеристики основной массы материалов, а не поверхностных слоев.
3 Разработанные методы измерения и реализующее их средство не приводят к возникновению предварительных деформаций образца и, в частности, не содержат механических захватов.
4 Студни с массовой долей желатина до 12,5% можно при разработанном методе измерения динамической вязкости и движении в них цилиндрического тела диаметром до 1,65 мм рассматривать как ньютоновскую жидкость.
5 Систематические погрешности разработанных средств измерения не могут быть определены из-за отсутствия эталонов студней.
6 Случайные погрешности определения вязкости и предела текучести не превосходят 10% в исследуемом диапазоне массовых долей желатина 5,0 -12,5%.
7 Эти случайные погрешности значительно меньше диапазона рассеяния значения характеристик образцов студней с одинаковой массовой долей желатина, изготовленных одновременно по одной и той же технологии.
8 Разработанные методы и средства измерения внедрены в опытную эксплуатацию и лабораторный практикум университета.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.
1 Корндорф С. Ф., Шведов П. А. Методы определения реологических параметров изделий гелеобразной (студнеобразной) структуры.// Декада науки-97. Духовные ценности современной российской молодежи. Материалы межвузовской научной конференции. —Орел, 1997, с.31−33.
2 Корндорф С. Ф., Шведов П. А. Реологические параметры изделий гелеобразной (студнеобразной) структуры. // Тезисы докладов 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» , — НТТУ: Н. Новгород, 1997, с. 40.
3 Шведов П. А. Студень — твердое тело или жидкость? // Тезисы докладов школы «Современные проблемы механики и прикладной математики». -Воронеж, 21−29 апреля 1998 г, с. 289.
4 Шведов П. А. Студень — твердое тело. // Тезисы докладов 5-ого Международного совещания-семинара «Инженерно-физические проблемы новой техники». — Москва, МГТУ им. И. Э. Баумана, 19−22 мая 1998 г, с.56−57.
5 Шведов П. А. Методы исследования механических характеристик материалов с малым значением модуля упругости. // Тезисы докладов 3-ей международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения». -ИПАКТ — III. — Егорьевск, 1999 г, с. 220.
6 Шведов П. А. Испытания на упругое растяжение полимерных материалов с малым модулем упругости. // Сборник научных трудов «Вопросы технологии, безопасности и качества в приборостроении». Под ред. Курбана В. Д. -г. Орел, ЗАО «ОРЛЭКС», 1999 г, с.96−100.
7 Шведов П. А. Методика экспериментального определения коэффициента Пуассона и модуля упругости материалов с малыми значениями последнего. // Сборник научных трудов ученых орловской области, Вестник науки. Выпуск 5. В 2-томах. Т.1.— Орел: ОрелГТУ, 1999 г, с.96−98.
8 Шведов П. А., Грядунова Е. Н. Влияние изменения поперечного сечения образца на параметры материалов, определяемые по результатам его испытаний на растяжение. // Сборник научных трудов ученых орловской области, Вестник науки. Выпуск 5. В 2-томах. Т.1.— Орел: ОрелГТУ, 1999 г, с. 155−159.
9 Шведов П. А. О измерении механических характеристик пищевых продуктов в единицах системы СИ. // Материалы международной научно-техническая конференции «Сертификация и управление качеством продукции», БГТУ: Брянск, 1999 г, с.177−178.
10 Шведов П. А. «Установка для определения упругих и реологических параметров материалов имеющих студнеобразную структуру». // Информ. лист, № 176−99, Орел: ЦНТИ.-Орел, 1999.
11 Шведов П. А. «Установка для определения динамической вязкости материалов имеющих студнеобразную структуру». // Информ. лист, № 177−99, Орел: ЦНТИ.- Орел, 1999.
12 Шведов П. А. Испытания на сдвиг материалов с малым модулем упругости. // Диагностика веществ, изделий и устройств: Материалы всероссийской научнотехнической конференции. — Орел: Изд-во Орл. Гос. Техн. унта, 1999 г, с.169−170.
13 Шведов П. А. Необходимость унификации методов и средств контроля механических характеристик пищевых продуктов. // Качества жизни населения — основа и цель экономической стабильности и роста. Часть 2. — Секции 1, 2, 4, 5, материалы круглого стола. Труды международной научной конференции. 23−24 сентября 1999 г — Орел: ОрелГТУ, 1999 г, с.257−258.
14 Патент № 2 142 629 МКИ в 01 N 33/02, 11/00. Способ определения упругих и реологических параметров пищевых продуктов / Корндорф С. Ф., Шведов П. А. Опубл. 10.12.99, Бюл. изобрет. № 34.
4.4 Выводы.
1 Студни с массовой долей желатина до 12,5% можно при разработанном методе измерения динамической вязкости и движении в них цилиндрического тела диаметром 1,00 -г 1,65 мм рассматривать как ньютоновскую жидкость.
2 Случайные погрешности определения вязкости и предела текучести не превосходят 10% в исследуемом диапазоне массовых долей желатина 5,0 — 12,5%.
3 Случайные погрешности значительно меньше диапазона рассеяния значения характеристик образцов студней с одинаковой массовой долей желатина, изготовленных одновременно по одной и той же технологии.
4 Показано, что по механическим характеристикам, измеряемым разработанным устройством можно производить выбор соков для использования их в качестве компонентов студней (желе).
5 Использование разработанных методов и средств позволяет оценить влияние исходных компонентов студней на характеристики механических свойств последних.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основными результатами диссертационной работы являются:
1 На основе проведенного анализа существующих методов и средств измерения характеристик механических свойств студней показано, что они не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, так как получаемые в результате их применения величины не всегда могут быть физически истолкованы и, кроме того, ряд рассмотренных приборов создают недопустимо большие предельные деформации образцов и измерительные усилия, изменяющие свойства исследуемых студней.
2 Анализ условий проведения измерений и контроля характеристик механических свойств студней показал, что следует различать методы и спедст ¦? V, А х ¦ • ва измерения и контроля характеристик поверхностного слоя и основной массы.
Ж Д. X X X образцов. В производственных условиях в большинстве случаев необходимо измерять и контролировать характеристики основной массы материалов, а не.
X X X X X X ^ поверхностных слоев.
3 Разработанные методы измерения и реализующее их средство не приводят к возникновению предварительных деформаций образца и, в частности, не содержат механических захватов.
4 Студни с массовой долей желатина до 12,5% можно при разработанном методе измерения динамической вязкости и движении в них цилиндрического тела диаметром до 1,65 мм рассматривать как ньютоновскую жидкость.
5 Систематические погрешности разработанных средств измерения не могут быть определены из-за отсутствия эталонов студней.
6 Случайные погрешности определения вязкости и предела текучести х х х ^ не превосходят 10% в исследуемом диапазоне массовых долей желатина 5,0 -12,5%.
7 Эти случайные погрешности значительно меньше диапазона рассеяния значения характеристик образцов студней с одинаковой массовой долей желатина, изготовленных одновременно по одной и той же технологии.
8 Разработанные методы и средства измерения внедрены в опытную эксплуатацию и лабораторный практикум университета.
