ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Номер

30-011-06

Наименование проекта

Прибор для исследования структурно-мехинических свойств пищевых материалов

Назначение

Для более точного исследования адгезионных свойств; релаксационных процессов. Для определения предельного напряжения сдвига; прочностных и деформационных характеристик при сжатии образца; прочностных свойств образцов при резании и при изги

Рекомендуемая область применения

В пищевой промышленности для исследования сыров, творога, тровожно-сырковых масс, маргаринов, сливочного масла.

Описание

Описание к ИЛ № 30-011-06

Результат научно-исследовательской  разработки.

В приборе для исследования структурно-механических свойств продуктов, содержащем корпус, стойку, плиту для размещения сосуда с исследуемым образцом, механизм перемещения, индентодержатель со сменными инденторами, силоизмеритель, датчик линейных перемещений индентора и регистрирующую аппаратуру, силоизмеритель выполнен в виде консольно закрепленной на стойке балочки прямоугольного поперечного сечения с наклеенными на ней сверху и снизу датчиками омического сопротивления (далее - тензодатчиками) в области, прилегающей к стойке, а сбоку напротив тензодатчиков и строго по продольной оси балочки просверлен ряд отверстий. На свободном ее конце снизу и перпендикулярно продольной оси установлены два индентодержателя с фиксирующими винтами. При этом стойка, имеющая в центральной части продольный паз, установлена во втулке, закрепленной перпендикулярно к плите и снабженной шпонкой, контактирующей с пазом стойки, на нижнем конце стойки выполнена резьба, входящая в гайку, зафиксированную в упорных подшипниках от вертикального перемещения и приводимую во вращение от электропривода. Датчик линейных перемещений индентора выполнен в виде диска, закрепленного соосно на гайке и имеющего расположенные с равным шагом по окружности радиальные щелевые прорези, напротив которых с одной стороны диска установлен осветитель, а с другой стороны диска напротив осветителя расположен фотоэлемент (счетчик импульсов).

Прибор позволяет выполнять исследования при заданных скоростях перемещения индентора.

На фиг. 1 изображена схема прибора; на фиг.2 - вид силоизмерителя по стрелке А; на фиг.3 - разрез стойки в сечении Б-Б; на фиг.4 - индентор-диск; на фиг.5 - струнный нож; на фиг.6 - приспособление для испытания образцов на изгиб.

Прибор имеет корпус 1, установленный на одной неподвижной 2 и двух регулируемых опорах 3 и 4 и снабженный уровнем 5. На плите 6 зафиксирована втулка 7, в которой перемещается стойка 8, продольный паз 9 которой контактирует с регулируемой шпонкой 10, жестко прикрепленной к плите 6 винтами 11, причем продольный паз и шпонка выполнены треугольной формы, что позволяет исключить при поступательном перемещении стойки ее угловые смещения (фиг.3).

На верхнем конце стойки 8 на втулке 12, фиксируемой винтом 13, консольно закреплена балочка силоизмерителя 14 прямоугольного поперечного сечения, на которую в зоне ее закрепления сверху и снизу наклеены одинаковые тензодатчики 15, причем в зоне их расположения в балочке 14 просверлены сбоку и строго по продольной ее оси несколько одинакового диаметра отверстий 16.

Показания с тензодатчиков 15 поступают в регистрирующий блок (на схеме условно не показан), снабженный микропроцессором, где они суммируются по абсолютной величине, что дополнительно повышает чувствительность и точность силоизмерения, усиливаются и выдаются на цифровой индикатор. Кроме того, на регистрирующем блоке установлены задатчики силы f, перемещений индентора Н, времени выстойки системы под нагрузкой "Пауза", тумблер перемещения стойки 8 "вверх" или "вниз", а также тумблер установки диапазона силоизмерения "10f" или "f". Кроме того, предусмотрены разъемы для подключения самописца и ЭВМ.

На свободном конце балочки 14 снизу и перпендикулярно ее продольной оси закреплены два индентодержателя 17 и 18, снабженных винтами 19 для фиксации штоков 20 сменных инденторов 21.

В нижней части стойки 8 выполнена резьба 22, входящая в гайку 23, зафиксированную от вертикального перемещения в подшипниковой опоре 24 и приводимую во вращение через шестерню 25 коробки передач 26 реверсивным электродвигателем 27.

Датчик измерителя линейных перемещений индентора соосно закреплен на гайке 23 и выполнен в виде диска 28 с равномерно расположенными по окружности радиальными щелевыми прорезями 29, напротив которых установлен снизу источник постоянного света 30, а сверху фотоприемник (счетчик импульсов) 31, сигналы с которого поступают в регистрирующий блок, где они после обработки высвечиваются на цифровом индикаторе в абсолютных единицах перемещения индентора 21 или передаются на самописец (или в ЭВМ).

Движение стойки вниз ограничивается конечным выключателем 32, а вверх - конечным выключателем 33, контактирующими с ее выступом 34. Сигналы со счетчика импульсов 31, конечных выключателей 32 и 33 поступают также в регистрирующий блок.

Испытуемый образец 35, помещенный в термостатируемую емкость 36, имеющую внизу кольцевой выступ 37, фиксируется на плите 6 за этот выступ двумя парами диаметрально расположенных фиксаторов 38, снабженных винтами 39, соосно индентодержателю 17 или 18.

При этом расстояния x₁ и Х₂ (фиг.1), определяющие положение индентодержателей 17 и 18 по отношению к тензодатчикам 15, рассчитаны такими, чтобы измеряемые усилия относились, например, 10:1. Это позволит при исследовании высокопрочных продуктов с использованием индентодержателя 17 получать значения силы умножением результата измерений на множитель 10, т.е. "переносом запятой", производимой в регистрирующем блоке простым переключением тумблера, что не потребует перенастройки (тарировки) электронной схемы силоизмерения.

Наличие в балочке 14 силоизмерителя отверстий 16 в зоне наклейки тензодатчиков 15 уменьшает жесткость балочки на изгиб, по сравнению с остальной ее длиной, что вызовет местное увеличение деформации ее поверхностных слоев, а следовательно, и тензодатчиков 15. Кроме того, выполнение балочки 14 значительно большей высоты (толщины), по сравнению с толщиной полосы динамометрического кольца силоизмерителя прототипа [2] вызовет возникновение значительно больших напряжений растяжения и сжатия в поверхностных слоях балочки в зоне наклейки тензодатчиков 15, а следовательно, на основании закона Гука - в пределах упругости материала напряжения s вызывают прямо пропорциональные им деформации (?l):

s = e·e = e·?l/l,

где Е - модуль упругости материала балочки 14;

? l - абсолютная линейная деформация поверхностных слоев балочки (т.е. тензодатчиков 15);

l - первоначальная длина участка, на которой измеряется ?l (т.е. база тензодатчиков 15).

Все это позволит повысить точность силоизмерения. А использование двух индентодержателей 17 и 18 позволит в требуемых пределах изменять диапазон силоизмерения.

Прибор работает следующим образом. Перед проведением измерений плиту 6 прибора при помощи регулировочных опор 3, 4 выставляют по уровню 5 в горизонтальной плоскости. Устанавливают в коробке передач 26 максимальную скорость и включают тумблер "вверх". При этом стойка 8 ускоренно движется вверх, упором 34 нажимает на конечник 33 и останавливается (раздается короткий звуковой сигнал).

Измерение предельного напряжения сдвига производят в следующей последовательности. На плите 6 прижимами 38 и винтами 39 закрепляют сосуд 36 с исследуемым продуктом 35 строго по оси индентодержателя 17, если продукт обладает большой прочностью (или по оси индентодержателя 18, если продукт малопрочен) и термостатируют. Опускают силоизмеритель 14 вниз, не доводя конус 21 до контакта с поверхностью образца 35, и фиксируют его винтом 13.

На регистрирующем блоке задают в зависимости от прочности структуры исследуемого продукта начальное значение силы f₀, глубину погружения h конуса 21 в образец 35. На коробке передач 26 устанавливают требуемую скорость внедрения конуса. Включают тумблер "вниз". При этом значение f₀ обнуляется, а конус 21 начинает внедряться в образец. После достижения усилия f₀, его значение вновь обнуляется и одновременно начинается отсчет силы нагружения f и глубины погружения h, т.е. подается напряжение на осветитель 30, а фотоприемник 31 начинает передавать импульсы в регистрирующий блок, где они преобразуются в сигнал, пропорциональный перемещению Н. По достижении заданного Н электропривод 27 останавливается и на цифровом индикаторе появляются значения достигнутой нагрузки f и заданной глубины погружения Н.

Предельное напряжение сдвига получают, используя формулу П.А.Ребиндера

t = ka·f/h²,

где ka - коэффициент, зависящий от угла при вершине конуса 21.

После этого включают на коробке передач 26 максимальную скорость, переводят тумблер "вверх" и стойка возвращается в верхнее исходное положение. Измерение окончено.

Измерение прочностных характеристик продуктов на сжатие выполняют следующим образом. Пастообразные материалы помещают в сосуд 36, а из твердообразных вырезают образцы кубической или цилиндрической формы и устанавливают на плите 6 соосно требуемому индентодержателю 17 (18), в котором закрепляют шток с диском 40 (фиг.4). Опускают силоизмеритель 14, не доводя диск 40 до касания с поверхностью образца. Задают f₀ и включают тумблер "вниз". При этом значение f₀ обнуляется, диск 40 движется вниз с заданной скоростью. При достижении нагрузки на образец f₀ ее значение вновь обнуляется и начинается отсчет силы f и деформаций образца Н с записью самописцем диаграммы f=f(Н). При достижении максимальной нагрузки и ее снижении (при разрушении образца) привод 27 отключается и на индикаторе отображаются достигнутые f и Н.

По достигнутой нагрузке f рассчитывают предел текучести для пластичных продуктов или предел прочности - для хрупких.

Для определения упругих и пластических деформаций задают значения f₀, f, скорость нагружения. Устанавливают соответствующего диаметра диск 40 в индентодержателе 17 (18), а напротив - испытуемый образец 35. Включают тумблер "вниз". При этом диск 40 начинает с заданной скоростью двигаться вниз, значения f₀ и Н обнуляются. При контакте диска 40 с образцом 35 начинается отсчет f и Н. По достижении заданного значения f на индикаторе фиксируется значение перемещения h₁, а двигатель 27 реверсируется и диск 40 начинает движение вверх. По достижении значения f₀ на индикаторе высвечивается значение перемещения h₂. По полученным h₁ и h₂ судят об упругих и пластических свойствах материала.

Для исследования адгезии используют диски 40 подходящего диаметра, задают скорость перемещения диска, начальное усилие f₀, усилие f, до которого будет дополнительно нагружаться образец; и устанавливают переключателем "Пауза" время выдержки образца Т при заданной силе f, включают тумблер "вниз" и опускают диск до соприкосновения с образцом.

По достижении f₀, оно обнуляется и начинается отсчет f и Н, которые выводятся на индикатор и на самописец. По достижении f диск останавливается и выдерживается пауза t, в течение которой двигателем 27 управляющая схема поддерживает заданное f. После окончания паузы Т диск 40 начинает движение "вверх" и в момент его отрыва от закрепленного на плите 6 образца 35 на индикаторе фиксируется соответствующее ему значение f_max и h, а на самописце - диаграмма f=f(h).

Для исследования процесса резания в индентодержатель вставляют шток 20, на котором приварена жесткая скоба 41 с натянутой струной 42 (фиг.5), а на плите 6 укладывают образец продукта в виде параллелепипеда. Задают f₀, глубину Н и скорость резания, диапазон силоизмерения. Тумблер переводят в положение "вниз". При этом струна 42 внедряется в образец. При достижении f₀ результат обнуляется и начнется отсчет силы резания f и глубины резания Н с записью диаграммы на самописец. По достижении заданной Н на индикатор будут выведены значения f и Н. Зная длину l струны 42, вошедшей в продукт, рассчитывают удельное усилие резания f_y=f/l (н/м).

Для исследования образцов на изгиб применяют подставку, состоящую из основания 43 с продольным пазом 44, вдоль которого с возможностью перемещения установлены две опоры 45, закрепленные винтами 46, на которые укладывают плоский образец 47. При этом нагружение образца производится пластиной 48, приваренной к штоку 20 (фиг.6), зафиксированному в индентодержателе 17 (или 18).

Подставку с образцом устанавливают на плите 6 так, чтобы пластина 48 делила расстояние между опорами 45 точно пополам. После этого задают f₀, выбирают диапазон силоизмерения и скорость нагружения. После нажатия тумблера "вниз" пластина начнет изгибать образец 47, нагрузка достигнет значения f₀, обнулится и затем начнется отсчет силы f и деформации образца на изгиб Н. При разрушении образца на индикаторе будут выведены значения f и Н, электропривод 27 отключится.

Исследование релаксации проводят при заданном усилии f. Вначале задают значения f₀ и f, выбирают скорость нагружения и устанавливают образец 35 с сосудом 36 на плите 6. В индентодержатель 17 (или 18) закрепляют конус 21 (для исследования релаксации касательных напряжений) или диск 40 (для исследования релаксации нормальных напряжений). После этого включают тумблер "вниз". При этом значения f₀ и Н обнуляются. Конус (или диск) контактирует с образцом и при достижении f₀ начинается отсчет перемещений Н. Текущие значения f и Н записываются на самописец.

По достижении заданного значения f нагружение приостанавливается и начинается отсчет времени релаксации таймером, встроенным в регистрирующий блок, до тех пор, пока не установится постоянное значение f. На индикаторе высвечивается значение перемещения Н, при котором усилие равно заданному f, а также время релаксации (в секундах).

При подключении ЭВМ и наличии соответствующего программного обеспечения результаты всех видов испытаний могут быть обработаны и выведены на дисплей или на печать, а также могут быть использованы, как команды для управления технологическим оборудованием.

Преимущества перед известными аналогами

Расширение диапазона измерений. При подключении ЭВМ и наличии соответствующей программы результаты исследования могут, использованы, как команды для управления технологическим оборудованием.

Стадия освоения

Опробовано в условиях опытной эксплуатации

Результаты испытаний

Технология обеспечивает получение стабильных результатов

Технико-экономический эффект

Повышение точности исследований на 20%.

Возможность передачи за рубеж

Возможна передача за рубеж

Дата поступления материала

04.05.2006