После расчета напряжений сдвига необходимо построить кривую течения материала в координатах τ – . Данный график поможет определить к какому типу материалов относится исследуемая масса и спрогнозировать ее поведение при тех или иных нагрузках (см. раздел 1.3).

Пример: цель – исследование структурно-механических свойств сливочного масла в зависимости от вида облепиховой добавки; определение реологической модели.

Для исследования было взято сливочное масло «Крестьянское» с различными видами облепиховой добавки: 2% облепихового масла, полученного экстракцией н-гексаном, и 1,5% водно-спиртового экстракта (в обоих случаях – с полным удалением экстрагента).

Исследования выполнены на ротационном вискозиметре «Реотест-2» при температуре исследуемых образцов (20 ± 0,5) ⁰С. Эта температура выбрана вследствие того, что до 25 ⁰С сливочное масло ведет себя как вязкопластичная жидкость. При этом диапазон температур ниже 25 ⁰С оптимален также с точки зрения потребления продукта. Исследовали образцы сливочного масла без добавки (контроль), с добавлением облепихового масла и водно-спиртового экстракта. Были получены, кривые течения в координатах: τ –. При этом скорости сдвига изменяли в диапазоне (0,1666 ≤ ≤ 145,8) с^–1. Все опыты проведены в трёх повторностях.

Полученные кривые течения, представленные на рис. 8.1, показали, что все образцы типичны для вязкопластичных жидкостей и могут быть описаны уравнением Шведова – Бингама:

τ = θ₀ + η_ПЛ·, (8.2)

где: θ₀ – динамическое предельное напряжение сдвига, (рис. 8.1);

η_ПЛ – пластическая (бингамовская) вязкость:

η_ПЛ = (τ_d – θ₀) _d . (8.3)

Для более полной характеристики структурно-механических свойств исследованных образцов, по кривым течения также определяли: динамическое предельное напряжение сдвига θ₀; вязкость пластического течения (бингамовскую вязкость) η_ПЛ; наибольшую ньютоновскую вязкость η₀; минимальную эффективную вязкость разрушенной структуры η_m; коэффициент глубины разрушения структуры К; пластичность П по Воларовичу. Рассчитанные характеристики приведены в таблице 8.3.

Таблица 8.3. Результаты исследований

Характерис-тики сливочного масла	Контроль	Вид биодобавки
		облепиховое масло, (2 %)	концентрат водно-спиртового экстракта (1,5 %)
θ0, Па	320 ± 12	230 ± 9	394 ± 14
ηПЛ, Па·с	1,61 ± 0,06	1,51 ± 0,05	1,68 ± 0,06
η0, Па·с	1277 ± 35	773 ± 20	1920 ± 49
ηm, Па·с	3,81 ± 0,15	3,10 ± 0,12	4,92 ± 0,16
К	335 ± 13	249 ± 8	390 ± 14
П, с–1	199 ± 8	152 ± 6	234 ± 10

Анализ результатов исследований показывает, что образцы с облепиховым маслом имеют более низкие значения структурно-механических характеристик, чем контрольные образцы, а с концентратом водно-спиртового экстракта – более высокие. Первый экстракт содержит преимущественно малополярные, водонерастворимые компоненты, второй, наоборот – преимущественно полярные. Очевидно, что последние способствуют упрочнению структуры масла. Так, в сравнении с контрольным образцом, у масла с водно-спиртовым экстрактом, видим увеличение значений: динамического предельного напряжения θ₀ в 1,23 раза, коэффициента глубины разрушения структуры К в 1,16 раза, показателя пластичности П в 1,17 раза. Внесение же биодобавки в виде облепихового масла наоборот приводит к снижению этих параметров: динамического предельного напряжения θ₀ в 1,39 раза, коэффициента глубины разрушения структуры К в 1,34 раза, показателя пластичности П в 1,31 раза.

Вывод: таким образом, можно утверждать, что внесение в сливочное масло добавки в виде 1,5% концентрата водно-спиртового экстракта приводит к упрочнению первичной структуры продукта, а внесение 2% облепихового масла, полученного экстракцией н-гексаном, в некоторой степени разупрочняет его структуру, снижает показатели прочности и пластичности более чем на 30%.

Рис. 8.1. Кривые течения сливочного масла с добавками:

1 – контроль; 2 – облепиховое масло;

3 – водно-спиртовый экстракт
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Какова цель работы.
   
2. 
   Как устроен ротационный вискозиметр.
   
3. 
   Перечислите приборы для исследования сдвиговых характеристик жидкообразных материалов.
   
4. 
   Каковы преимущества ротационного вискозиметра по сравнению с капиллярным?
   
5. 
   В чем заключается принцип измерений на ротационных вискозиметрах.
   
6. 
   Опишите методы создания сдвигового течения в ротационных вискозиметрах.
   
7. 
   Какие эффекты снижают точность измерений при ротационной вискозиметрии?
   
8. 
   Изобразите характерные для пищевых систем кривые течения.
   
9. 
   Напишите уравнение Гершеля-Балкли. В каких случаях оно применяется.
   
10. 
    К какому типу жидкости можно отнести исследуемый в работе материал?
    

8.2 Определение прочностных свойств твёрдообразных

пищевых масс на коническом пластометре
Цель работы: ознакомиться с теорией конических пластометров, существующими конструкциями, принципом работы; методиками измерения и расчёта; провести исследование прочностных свойств твёрдообразных пищевых масс.

Порядок выполнения лабораторной работы: 1. Ознакомиться с теоретической частью работы (прослушав преподавателя и самостоятельно). 2. Подготовить лабораторную установку к проведению исследований. 3. Провести измерения в трёх повторностях. Данные занести в таблицу 8.4. 4. Построить зависимость предельного напряжения сдвига θ₀ от изменяемых параметров. 5. Сделать выводы по лабораторной работе.

Описание экспериментальной установки. Работа выполняется на коническом пластометре конструкции КемТИППа (рис. 8.2). Описание и принцип работы аналогичного прибора – пластометра М.П. Воларовича, приведен в разделе 2.3.4.

Прибор состоит из основания 6, имеющего две регулируемые опоры 5 и одну нерегулируемую 4, на стойки 3, крепятся основные узлы прибора при помощи кронштейнов 1 и 2. Кронштейн 2 удерживает столик 8, на котором устанавливается емкость 9 с исследуемым материалом 10. Винт 7 позволяет достигнуть более точного касания конусного индентора 11 с материалом. Кронштейн 1 служит для фиксации индентора 11, промежуточного штока 13 и измерителя перемещений 14. Нагружение конусного индентора 11 производится при помощью грузов F, подвешиваемых к самоцентрирующейся рамке 12.

Рис. 8.2. Схема экспериментальной установки:

1, 2 – кронштейны; 3 – стойка; 4 – опора нерегулируемая;

5 – опора регулируемая; 6 – основание; 7 – винт; 8 – столик;

9 – емкость; 10 – исследуемый материал; 11 – индентор;

12 – рамка с грузом F; 13 – шток; 14 – индикатор ИЧ-10
Методика проведения эксперимента.

1. Устанавливают прибор при помощи регулируемой опоры 5 строго по вертикали.

2. Исследуемую массу загружают без пустот в емкость 10, ножом срезают излишки материала по обрез верхнего края емкости и устанавливают последнюю на столик 8. Емкость имеет термостатирующую рубашку, предназначенную для поддерживания заданной температуры в течение опыта. Для исключения влияния стенок емкости на результат опыта необходимо, чтобы ее диаметр был в 4 – 5 раз больше максимального диаметра оттиска индентора на поверхности образца. Винтом 7 поднимают столик 8 с емкостью 9 до момента контакта плоскости материала 10 с острием конусного индентора 11.

3. Освобождают винтом промежуточный шток 13, который опускаясь упрется в конец оси индентора 11. одновременно в верхний торец штока 13 упрется ножка индикатора перемещений 14, который имеет поворотную шкалу для выставления на ноль значений перемещений. Промежуточный шток 13 вновь фиксируют винтом.

4. Измерение: освобождают ось индентора 11 и последний под воздействием рамки 12 с грузом внедряют в материал в течение 3 минут, после чего ось 11 снова фиксируется.

5. Освобождают промежуточный шток 13, который опустится вниз до касания оси индентора 11, и фиксируют его. При этом ножка индикатора перемещений 14 также опустится, по шкале отсчитывают глубину погружения конусного индентора h. Масса грузов должна быть такой, чтобы индентор 11 во время опыта погрузился в материал на (15 – 20)·10^–3 м.

6. Величину нагрузки на индентор и значение глубины его погружения заносят в таблицу 8.4. Эксперимент выполняют в трех повторностях и с использованием трех инденторов с разными углами 2α при их вершине (30^о, 60^о и 90^о).
Таблица 8.4. Результаты исследований

Угол конуса α, град.		Нагрузка, F, H	Глубина погружения, h, мм	Средняя глубина погружения, hСР, мм	Напряжение сдвига θ0, Па
					Kα1	Kα2	Kα3	Kα4	Kα5
30о	1
	2
	3
60о	1
	2
	3
90о	1
	2
	3

Обработка результатов эксперимента. 1. Вычисляют среднее арифметическое глубины погружения h_СР для каждого индентора и рассчитывают значения предельного напряжения сдвига θ₀ пользуясь формулой П.А. Ребиндера (см. формулу 2.18) при различных значениях коэффициентов пропорциональности K_α, используя данные таблицы 8.5.
Таблица 8.5. Значения коэффициентов пропорциональности К_α

в зависимости от полного угла при вершине конуса

Номер коэффициента	Значения Кα при углах α:
	30°	45°	60°	90°
Kα1; Kα2; Kα3; Kα4; Kα5.	1,11 0,959 0,456 0,663 0,976	0,658 0,416 0,286 0,348 0,410	0,415 0,214 0,164 0,213 0,210	0,159 0,073 0,0657 0,0866 0,0700

Примечание: К_α1 – Ребиндер; К_α2 – Н. Н. Агранат, М. Ф. Широков; К_α3 – В. А. Арет, А. Н. Пирогов; К_α4 – Горбатов А. В., Косой В. Д.; К_α5 – В. Д. Карпычев, В. Д. Косой.
2. В координатах предельное напряжение сдвига – угол при вершине индентора (θ₀ – α) строят графики по вычисленным в п. 1 θ₀ при различных К_α для каждого конуса.

3. По полученным графикам проводят анализ результатов опытов и делают вывод – какой из коэффициентов К_α при прочих равных условиях дает инвариантные, т.е. независимые от угла α при вершине индентора значения θ₀.

Пример: исследование влияния температуры на предельное напряжение сдвига сыров.

Проведены исследования по изучению влияния температуры на предельное напряжение сдвига θ₀, различных сыров. Результаты экспериментов представлены в таблице 8.6 и на рис. 8.3.

Таблица 8.6.	Предельное напряжение сдвига θ0, Па, различных сыров
Виды сыров		Температура t, оС
		5	10	13,5	21,5
Сибиряк		77	75	70	65
Радонежский		44	36	26	13
Орбита		38	33	25	15
Колбасный		22	20	17	12

В ходе исследований использовали четыре наименования сыров: «Сибиряк», «Радонежский», «Орбита» и «Колбасный».

Из всех исследуемых сыров наибольшее значение предельного напряжения θ₀ имел сыр «Сибиряк», а наименьшее – сыр «Колбасный».

Рис. 8.3. Зависимость предельного напряжения сдвига

сыров от температуры
При исследовании «мягких» сыров («Радонежский», «Орбита», «Колбасный»), при температурах в диапазоне 18  25 ^оС получены практически одинаковые значения предельных напряжений сдвига (θ₀ = 16  20 Па). При дальнейшем увеличении температуры значения θ₀ уменьшается. При этом сыр «Колбасный» имел большее значение θ₀ в сравнении с сырами «Радонежский» и «Орбита», хотя при температурах до 18^оС этот сыр имел значения предельного напряжения сдвига меньшее, чем у выше названных сыров.

Компьютерной аппроксимацией экспериментальных данных получены следующие уравнения, описывающие влияние температуры на предельное напряжение сдвига для исследуемых сыров:

сыр «Сибиряк»: ; (8.3)

сыр «Радонежский»: ; (8.4)

сыр «Орбита»: ; (8.5)

сыр «Колбасный»: . (8.6)

Получение данных уравнений реологического поведения позволяет прогнозировать потребительские свойства сыров при различных температурах. Кроме того, из рис. 8.3 видно, как ведут себя продукты с разной твёрдостью или консистенцией при температурного режима хранения.

Вопросы для самоконтроля

1. 
   В чем состоит цель работы?
   
2. 
   Какие пищевые системы называются твердообразными?
   
3. 
   Что такое предельное напряжение сдвига?
   
4. 
   Где в инженерных расчетах используется величина предельного напряжения сдвига.
   
5. 
   Напишите формулу П.А. Ребиндера для определения предельного напряжения сдвига. Для расчета критической высоты формосохраняемости.
   
6. 
   На каких приборах определяется предельное напряжение сдвига?
   
7. 
   Расскажите устройство лабораторного прибора.
   
8. 
   Какие факторы влияют на величину предельного напряжения сдвига?
   
9. 
   Как понимать термин «инвариантность»?
   

8.3 Исследование адгезионных свойств
Цель работы: ознакомится с поверхностными характеристиками пищевых материалов, способами и приборами для их измерения; провести исследование адгезионных свойств различных пищевых материалов.

Порядок выполнения лабораторной работы: 1. Ознакомиться с теоретической частью работы (прослушав преподавателя и самостоятельно). 2. Подготовить лабораторную установку к проведению исследований. 3. Провести измерения в трёх повторностях, данные занести в таблицу 8.7. 4. Сделать выводы по лабораторной работе.

Описание экспериментальной установки. Экспериментальной установкой является «Структурометр-СТ 1», схема которого приведена на рис. 8.4. Структурометр представляет собой устройство, включающее блок управления, сменные измерительные головки и набор сменных инструментов и приспособлений.

Блок управления 1 представляет собой настольный блок, в верхней части которого находится столик 4 и вертикальная штанга 3. При помощи шагового двигателя столик может перемещаться в вертикальном направлении с заданной скоростью. Над столиком размещается измерительная головка 2, которая перемещается вдоль штанги и фиксируется в любом месте с помощью винта 6. Винт 7 служит для закрепления в измерительной головке сменного инструмента 5. На лицевой панели блока размещаются элементы управления и индикации. Матричный индикатор представляет собой строку на 16 знакомест и позволяет выводить буквенно-цифровую информацию. Клавиатура содержит 10 цифровых и 10 функциональных кнопок. Устройство имеет 8 режимов работы:

– режим 1: определение упругих и пластических деформаций;

– режим 2: определение прочностных свойств при изгибе и резании;

– режим 3: определение адгезионных свойств;

– режим 4: исследование релаксационных процессов;

– режим 5: исследование кинетики деформаций;

– режим 6: определение нормальных напряжений;

– режим 7: определение времени релаксации при заданном усилии;

– режим 8: определение времени релаксации при заданном перемещении столика.

В измерительной головке (рис.8.5) размещается «Датчик высокоизмерительный тензорезисторный ЛУ.04П.11.000.00 и схема усиления аналогового сигнала. В передней части датчика находится гнездо 4 для установки инструмента. Сменный инструмент устанавливается в гнездо и фиксируется винтом 2. При измерении усилий более 10 Н переключатель 3 должен находиться в положении 1 : 1. В этом случае значения, отображаемые на индикаторе прибора будут соответствовать реальному усилию. При измерении усилий менее 10 Н переключатель 3 должен находиться в положении 10 : 1. В этом случае для получения реального значения усилия необходимо значения, отображаемые на индикаторе приборе, разделить на 10. Компенсировать температурный дрейф измерительной головки, или компенсировать вес инструмента можно с помощью резистора 5 «Уст. 0». Данную операцию можно выполнять после выбора любого из режима и задания параметров (до нажатия кнопки «СТАРТ»). В этом состоянии на индикатор прибора выводится значение перемещения и значение усилия. Вращая ось резистора по или часовой стрелки можно добиться нулевых значений усилия. Компенсацию драйва «0» или компенсацию веса инструмента выполнять необязательно: на результат измерений это влияния не оказывает, так как в начале любого режима (после нажатия кнопки «СТАРТ») происходит автоматическое обнуление значений перемещения и усилия.




Методика проведения эксперимента. 1. Перед началом проведения опыта необходимо подготовить прибор, для чего требуемый инструмент устанавливают в гнездо 4 измерительной головки и закрепляют его с помощью винтов 2 (рис. 8.4). Подготовленный исследуемый образец устанавливают на столик строго по оси инструмента. Если необходимо приблизить инструмент к образцу, то это можно сделать следующим образом:

1. 
   либо опустить измерительную головку вниз вдоль штанги;
   
2. 
   либо поднять столик.
   

Для перемещения столика вверх необходимо нажать кнопку «↑». При кратковременном нажатии столик перемещается на 1 шаг. При нажатии и удержании кнопки столик перемещается с максимальной скоростью, пока кнопка не будет отпущена.

2. После выбора режима задают значения начального усилия F0, скорости перемещения столика V, усилия F, до которого будет нагружаться образец. После ввода значения F на индикатор выводится значение паузы:

Т = 100 СЕК.

3. Если данные значения устраивают, на нажимают кнопку «ВК».нажатием кнопки «СТАРТ» запускается обработка режима. Значения F и Н обнуляются. Столик движется вверх с заданной скоростью. При достижении F0 начинается отсчет перемещения. текущие значения F и Н выводятся на индикатор и самописец. При достижении заданного значения F столик останавливается. Дается короткий звуковой сигнал. На индикаторе чередуются сообщение «ПАУЗА» и текущее значение усилия и перемещения. Идет отсчет заданного времени паузы. Во время паузы за счет перемещения столика поддерживается постоянное усилие. По окончанию паузы дается короткий звуковой сигнал. Столик движется вниз с заданной скоростью V до исходного положения. Фиксируется и выводится на индикатор усилие отрыва инструмента от образца и соответствующее ему значение перемещения. Опыт завершен, данные занести в таблицу 8.7. Опыт необходимо провести в трех повторностях для трех различных материалов, все данные занести в таблицу 8.7.

Таблица 8.7. Экспериментальные данные

Материал	Величина адгезионной прочности, р0, Па
	р1	р2	р3	рср
№ 1
№ 2
№ 3

4. Проводят анализ полученных результатов и делают выводы о адгезионных свойствах образцов исследованных материалов.

Контрольные вопросы.
1. Какова цель работы?

2. Охарактеризуйте поверхностные характеристики различных материалов.

3. Что называется адгезией?

4. Перечислите виды отрыва материала.

5. Назовите методы испытания адгезии.

6. Назовите факторы, влияющие на величину адгезионной связи.

7. Изложите теории, объясняющие адгезионные явления.

8. Напишите формулы для расчета адгезии.

9. Какова связь адгезии и внешнего трения?

<предыдущая страница | следующая страница>