Прочность зерна в зависимости от его консистенции. Изучение элементов рабочего процесса в вальцевом станке показало, что виды деформации и разрушения во многом зависят не только от культуры зерна, но и от типа, сорта и района его произрастания. Это объясняется свойствами, присущими зерну данного типа, сорта и района произрастания.
При измельчении наблюдаются два вида разрушения зерновок - хрупкое и вязкое.
На рис. 28 изображены фаза первичного разрушения зерновки пшеницы Мелянопус 69 Саратовской области со стекловидностью 100% и зерновки пшеницы Мильтурум Омской области со стекловидностью 36%. Зерно пшеницы обоих сортов измельчалось при одинаковых кинематических и геометрических параметрах; влажность его составляла 15% и продолжительность отволаживания - 24 часа. Вследствие различных структурных свойств пшеницы деформирование и разрушение зерновок протекали по-разному.
В первом случае зерновка раскалывалась на несколько частей, имевших форму многогранных тел с гладкими плоскими гранями, ограниченными острыми ребрами. Судя по внешнему виду продуктов измельчения, зерно пшеницы Мелянопус характеризовалось как хрупкое.
Совершенно иначе протекало первичное разрушение зерновки во втором случае. Здесь частицы зерна не имели гладких и плоских граней. Излом был неровный, поверхность частиц матовая, и они легко слипались. Разрушение происходило после относительно больших пластических деформаций.
Судя по внешнему виду продуктов измельчения, эта зерновка характеризовалась как вязкая.
Характеристики «хрупкий» или «пластичный», присваиваемые тому или иному состоянию материала, как показали работы акад. Н. Н. Давиденкова, существенно зависят от условий испытаний и часто даже определяются ими.
В специально созданных условиях даже хрупкий мрамор может вести себя подобно пластичному материалу.
Однако, как указывалось ранее, опыты с зерном проводились в одинаковых условиях; следовательно, такое различие между обоими видами разрушения объясняется другими причинами. Это различие можно объяснить главным образом структурой указанных сортов пшеницы.
Известно, что строение зерна, особенно клеток эндосперма и крахмальных зерен, теснейшим образом связано с его консистенцией. В эндосперме мучнистых зерен преобладают мелкие крахмальные зерна, а в эндосперме стекловидных - крупные, по размерам уступающие крупным крахмальным зернам- пшеницы мучнистой консистенции.
По утверждению акад. П. А. Ребиндера, от размера зерен зависят механические свойства кристаллических агрегатов.
Работы действительного члена Академии наук СССР Н. Н. Давиденкова и Ф, Ф. Витмана, проф. Я. Б. Фридмана и др. показали, что на сопротивление стали хрупкому разрушению большое влияние оказывает размер зерен, входящих в их состав.
Особый интерес представляют опыты Е. М. Шевандина, который изучал влияние величины зерна на хладоломкость стали. Образцы испытывали на ударный изгиб при температурах от +150 до -150°С. Установлено, что при размере зерна d = 0,06 мм критическая температура хрупкости равна -30°С, при d = 0,028 мм равна - 60°Г. и при d = 0,016 мм - 85°С. Чем крупнее зерна, тем больше проявляется «склонность» материала к хрупкому разрушению.
Таким образом можно полагать, что одним из мощных факторов, определяющих способность твердой и высокостекловидной пшеницы к хрупкому разрушению, является крупность со-держащихся в ней крахмальных зерен. Несомненно, что не только крупность этих зерен влияет на механические свойства зерна пшеницы. Огромную роль играет заполнитель между отдельными крахмальными зернами. Крепость связей на границе между отдельными крахмальными зернами и клетками влияет на прочность зерновки и ее поведение при деформировании и разрушении.
Исследования Александровых показали, что у зерновок пшеницы с мучнистой консистенцией прослойки белка, заполняющие промежутки между крахмальными зернами, настолько тонки, что еле различимы; в тоже время у стекловидной пшеницы эти прослойки хорошо выражены.
Как указывалось, у твердой пшеницы и у стекловидных зерен мягкой пшеницы крахмальные зерна погружены в белковое вещество, которое сковывает их в плотную массу, в связи с чем силы сцепления между отдельными крахмальными зернами резко увеличиваются.
Результаты микроскопических исследований продуктов измельчения мучнистой и стекловидной пшениц свидетельствуют, что при измельчении крупок пшеницы с мучнистой консистенцией независимо от характеристики рабочих поверхностей валков и интенсивности процесса их разрушения очень редко встречаются разрушенные крахмальные зерна. Разрушение эндосперма происходит в основном по связывающему веществу.
Совсем иную картину мы наблюдаем при измельчении крупок твердой и мягкой пшеницы со стекловидной консистенцией. В таких случаях даже при минимальном деформировании частиц эндосперм разрушается почти в одинаковой степени по крахмальным зернам и связывающему веществу. Об этом свидетельствует также величина диастатической активности муки, получаемой при измельчении высоко стекловидной и твердой пшениц; вследствие разрушения крахмальных зерен величина сахарообразования в данном случае, как правило, всегда выше, чем при измельчении пшеницы с мучнистой консистенцией.
Сказанное подтверждает, что крепость связей на границе между отдельными крахмальными зернами твердой и стекловидной пшениц значительно выше, чем у пшеницы с мучнистой консистенцией. Следовательно, прочность эндосперма у высокостекловидных и твердых зерновок должна быть выше, чем у зерновок мучнистой консистенции.
Немалое влияние на механические свойства оказывает плотность «упаковки» зерновки.
В. П. Кретович на основе исследований пришел к выводу, что в стекловидных зернах клетки очень плотно заполнены, тогда как в мучнистых содержимое клеток имеет более пористую структуру Благодаря этому зерна обладают разной твердостью, различными оптическими свойствами и разной гигроскопичностью.
Для установления влияния консистенции на механические свойства зерна в течение ряда лет проводили исследования различных сортов пшеницы и других культур.
В табл. 11 приводятся основные результаты исследований.
На основе рассмотрения данных, приведенных в табл. 11, можно придти к следующим заключениям:
1. Прочность зерна при измельчении зависит от его консистенции. При одинаковой влажности наиболее высокой прочностью отличаются твердые сорта пшеницы (235-276 кГм/м2), а наиболее низкой - пшеницы мягкие с мучнистой консистенцией: Мильтурум 553 Омской области со стекловидностью 36% (112 кГм/м2) и Лютесценс 62 Курской области со стекловидностью 14,7% (120 кГм/м2).
2. Прочность пшеницы одинаковых сортов в близлежащих районах произрастания также зависит от консистенции зерна. Так, сорт Одесская 3 Харьковской области со стекловидностью 91 % имеет более высокую прочность (209 кГм/м2), чем Одесская 3 Запорожской области со стекловидностью 52% (163 кГм/м2). Тоже установлено при сравнении показателя прочности пшеницы Гостианум,237 Молдавии и Николаевской области Украины, а также Мильтурум 553 Алтайского края и Омской области и т. п.
3. Прочность зерна зависит и от района произрастания. Так, при одинаковой влажности пшеницы Лютесценс 62 различных районов произрастания - Красноярского края со стекловидностью 75%, Саратовской области со стекловидностью 59% и Курской области со стекловидностью 14,7% - имеют примерно одинаковую прочность (131, 122 и 120 кГм/м2).
Прочность зерна в зависимости от его влажности. Величина влажности измельчаемого продукта - важнейший фактор технологии мукомольного производства. От выбора этой величины зависят основные показатели работы мельниц. Механические свойства зерна в значительной мере определяются его влажностью.
Исследованием влияния влажности на механические свойства различных материалов занимались многие отечественные ученые.
Акад. А. Ф. Иоффе доказал, что сухие кристаллы каменной соли при комнатной температуре разрушаются как хрупкие тела вследствие поверхностных трещин. При погружении соли в воду прочность ее возрастает с 0,5 до 160 кГм/м2, т. е. до величины, близкой к теоретической прочности. А. Ф. Иоффе объяснил этот результат растворением в воде поверхностного слоя кристаллов и ликвидацией дефектов указанного слоя.
Н. Н. Давиденков к М. В. Классен-Неклюдова установили, что трещины действительно уменьшают прочность кристаллов и что вода влияет на их поверхность, а не на объем.
Авторы сравнивали прочность на разрыв каменной соли в сухом состоянии, в воде при всестороннем растворении и в воде при частичном предохранении поверхности от растворения; на образец при помощи вазелина или трансформаторного масла с двух противоположных сторон наклеивали две тонкие полоски покровного стекла.
В результате исследования было выявлено, что прочность каменной соли в воде при растворении увеличилась в 8-9 раз, а при частичном предохранении поверхности оказалась равной прочности сухой соли.
П. А. Ребиндер еще в 1928 г. открыл весьма интересное явление понижения сопротивления твердых тел упругим и пластическим деформациям, а также механическому разрушению под влиянием адсорбции поверхностно-активных веществ из окружающей среды. Для объяснения этого явления член-корреспондент Академии наук России Б. В. Дерягин выдвинул гипотезу о расклинивающем действии указанных веществ и подтвердил ее экспериментально. В его лаборатории были разработаны также методы измерения расклинивающего действия.
Работами П. А. Ребиндера и его сотрудников установлено, что понизители твердости (адсорбирующиеся вещества) способствуют внешним силам, значительно уменьшая усилия, необходимые для разрушения твердого тела. Под влиянием адсорбции эффективность диспергирования повышается, так как число микрощелей, раскрывающихся в единице объема диспергируемого твердого тела, значительно возрастает. Это приводит к образованию высокодисперсного продукта, что имеет большое значение, Особенно при тонком измельчении.
Таким образом можно сформулировать две точки зрения:
- А. Ф. Иоффе, Н. Н. Давиденкова и Классен-Неклюдова, установивших, что при проникновении влаги в поверхностные слои твердого тела (каменная соль), в результате растворения в воде поверхностного слоя кристаллов и ликвидации дефектов этого слоя прочность тела увеличивается;
- П. А. Ребиндера и его сотрудников, доказавших, что поверхностно-активные вещества, способные сильно адсорбироваться, расширяют зародышевые трещины, проникают в глубь тела и резко уменьшают его прочность.
Перейдем к рассмотрению результатов проведенных нами исследований прочности зерна при измельчении его в зависимости от влажности (табл. 12).
Анализируя экспериментальные данные, мы устанавливаем, что с увеличением влажности независимо от структуры, сорта и района произрастания зерна величина прочности его при измельчении возрастает, однако степень возрастания обусловливается сортом и районом выращивания. Так, при одинаковых начальной и конечно влажностях прочность при измельчении пшеницы Гордеиформе 27 Краснодарского края и Лютесценс 1729 Красноярского края повысилась в 1,7-1,75 раза, а прочность пшеницы Гостианум 237 Молдавии и Лютесценс 62 Курской области - в 1,45-1,5 раза.
Для получения более полного представления о влиянии влажности зерна на механические свойства рассмотрим также результаты исследования основных частей зерна (оболочек и эндосперма) микромеханическими методами.
Бахитов Т. А. 1 , Федотов В. А. 2
1 Кандидат технических наук, Оренбургский государственный университет, 2 ORCID: 0000-0002-3692-9722, Кандидат технических наук, Оренбургский государственный университет
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ НА ЕЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Аннотация
В статье рассматриваются вопросы целевого назначения муки из зерна пшеницы в зависимости от степени дисперсности. Описаны различия в формировании помольных партий зерна в соответствии с его структурно-механическими свойствами. Выявлены значимые связи показателя твердозерности зерна и реологическими свойствами теста. Определен характер связей, разработаны уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать технологические свойства зерна по его твердозерности. Показана важность оценки структурно-механических характеристик при переработке зерна пшеницы на производстве.
Ключевые слова : хлеб, твердозерность зерна, количество и качество клейковины, экспресс-анализ.
Bahitov T. A. 1 , Fedotov V. A. 2
1 PhD in Engineering, Orenburg State University, 2 ORCID: 0000-0002-3692-9722, PhD in Engineering, Orenburg State University
INFLUENCE OF WHEAT GRAIN STRUCTURAL-MECHANICAL PROPERTIES ON ITS TECHNOLOGICAL QUALITY
Abstract
The article examines the questions of the purpose for wheat grain flour depending on the dispersion degree. There are the differences in the formation of grinding grain batches in accordance with its structural and mechanical properties in article. It is revealed significant relationships indicator of grain hardness and rheological properties of the dough. It is determined the nature of the relationship developed by the regression equation used to predict the technological properties of grain hardness. We show the importance of assessing the structural and mechanical characteristics in the processing of wheat grain production.
Keyword : bread, grain hardness, gluten quantity and quality, rapid analysis.
Технологи хлебопекарного и кондитерского производств предъявляют различные требования к муке, используемой для разных видов изделий. Количественные и качественные характеристики углеводно-амилазного и белково-протеиназного комплекса зерна, а отсюда и соотношения компонентов муки подвержены значительным колебаниям, что существенно влияет на ее технологические свойства.
Размеры частиц должны соответствовать целевому назначению муки. Известно, что для высококачественных макаронных изделий предпочтительна мука из твердой пшеницы с преобладанием частиц размером более 250 мкм. В хлебопекарной муке второго сорта количество частиц величиной более 250 мкм не должно превышать 2 %, в высшем и первом сортах ограничивают содержание частиц размером более 140 и более 190 мкм соответственно. Для кексов и некоторых других видов мучных кондитерских изделий желательна мука из мягкозерной низкостекловидной пшеницы с частицами величиной до 30 мкм. Считается, что мука с III драной системы максимально отвечает требованиям, предъявляемым к муке для бараночных изделий (36 – 38 % сырой клейковины со средней упругостью и растяжимостью в пределах 16 – 22 см). Для выпечки хлебобулочный изделий высшего качества (типа саратовского калача, городской булки) требуется мука с упругой клейковиной I группы в количестве 35 – 40 %. Установлено, что мука, содержащая 17 – 26 % сырой клейковины, дает печенье (сахарное и затяжное) лучшего качества, чем мука с 31 – 34 % клейковины, которая была принята за эталон .
В таблице 1 приведена оптимальная характеристика муки для хлебобулочных изделий, печенья, пирожных, кексов, крекеров, бисквитов.
Ряд исследователей считает, что при нормальных условиях произрастания пшеницы ее сила определяется сортом и содержанием белка. Так, зерновые стандарты США подразделяют типы пшеницы (за исключением белозерной) на товарные классы, которые отражают наследственные различия свойств сортов и возможности потенциального использования.
Таблица 1 – Оптимальная характеристика муки для нужд хлебопекарного и кондитерского производств
| Целевое назначение зерна | Размеры частиц, мкм | Зольность, % | Содержание белка, % | Качество клейковины |
| Хлеб | 50 | 0,50 | 11,5 | Сильная |
| Печенье | 30 – 50 | 0,44 | 9,5 | Слабая |
| Пирожные | 30 – 50 | 0,44 | 8,5 | Слабая |
| Крекеры | 35 – 50 | 0,44 | 9,5 | Сильная |
| Бисквиты | 30 – 45 | 0,40 | 10,0 | Сильная |
Независимо от содержания белка сорта твердозерной красной пшеницы дают крупитчатую муку, которую пользуют в основном для хлебопечения. При большом количестве белка мука из высококачественных сортов этих типов пшеницы характеризуется высокими значениями показателей седиментации по Зелени, вязкости, водопоглотительной способности, смесительной ценности и объемного выхода хлеба и других дрожжевых изделий.
Сила муки заметно возрастает с увеличением количества белка. Муку из мягкозерной пшеницы средней силы используют в чистом виде или в смеси с более сильной или более слабой мукой из мягкозерной и твердозерной пшеницы для изготовления печенья, крекеров, пирогов и других целей (таблица 2) .
Сорта мягкозерной пшеницы с небольшим количеством протеина (до 9,5 %) обеспечивают отличное качество муки для изготовления кексов, бисквитов, печенья. Высокие значения содержания белка и степени повреждения крахмала при помоле твердозерных сортов мягкой пшеницы обусловливают целесообразность ее использования для выработки хлебопекарной муки.
Таблица 2 – Целевое назначение зерна в зависимости от физических свойств теста
Известно, что твердозерные сорта отличаются хорошими мукомольными и хлебопекарными свойствами, некоторые из них можно использовать для производства макаронных изделий. При переработке мягкой твердозерной пшеницы получается около 45 % крупки и 10 % полукрупки с зольностью 0,54; 0,80 % и 0,43; 0,60 % соответственно.
Дифференцированный помол целесообразно проводить на мукомольных заводах с несколькими секциями, использующих в качестве улучшителей сорта сильной и наиболее ценной твердозерной пшеницы .
Мука, полученная при хлебопекарном помоле сортов твердозерной пшеницы, отличается большими размерами частиц (крупитчатостью) по сравнению с готовым продуктом из мягкозерной пшеницы. Это обусловливает ухудшение показателя белизны и увеличение времени образования теста. В то же время водопоглотительная способность по фаринографу и водопоглощение при выпечке хлеба, а также щелочеводоудерживающая способность у муки из твердозерной пшеницы, как правило, выше, чем у муки из мягкозерной, что обусловлено повышенными содержанием белка и степенью повреждения крахмала.
Однако в муке, выработанной из сортов сильной и ценной пшеницы со стекловидной консистенцией эндосперма, содержание белка (клейковины) в большинстве случаев превышает оптимальный уровень количества белка в муке, предназначенной для хлебопечения. Как правило, клейковина такой муки слишком упруга и недостаточно растяжима, что также затрудняет выработку высококачественных хлебобулочных изделий. Поэтому для обеспечения требуемых свойств хлебопекарной муки на мукомольных заводах смешивают твердозерную и мягкозерную пшеницу (обычно два – три компонента, на отдельных заводах до десяти). При этом необходимо раздельно подготавливать компоненты помольной партии в соответствии с их структурно-механическими свойствами .
Выявлены значимые связи твердозерности и показателей водопоглотительной способности муки, времени образования теста, устойчивости теста (таблица 3).
Представляет интерес разработка экспресс-анализов степени твердозерности зерна, позволяющие оперативно изменять параметры помола и соотношение зерна в помольных партиях .
Для этого использовались методы оптической микроскопии с целью получения изображения частиц размола зерна, техническое зрение – для поиска и классификации частиц по форме и размеру. Собранные статистические данные позволили разработать способ определения твердозерности зерна пшеницы (патент на изобретение № 2442132).
Особенности технологических свойств сортов твердозерной и мягкозерной пшеницы нужно учитывать при формировании помольных партий зерна. Мукомольные заводы, зная структурно-механические характеристики пшеницы, могут активно влиять на результаты ее переработки в процессе подготовки к помолу и измельчения.
Таблица 3 – Результаты регрессионного анализа зависимости реологических свойств теста от показателя твердозерности Х, кг/мм²
Список литературы / References
- Федотов В.А. Факторы формирования потребительских свойств зерномучных товаров / В. А. Федотов // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2011. – № 4. – С. 186-190.
- Калачев М.В. Малые предприятия для производства хлебобулочных и макаронных изделий / М. В. Калачев. – М. : ДеЛи принт, 2008. – 288 с.
- Медведев П.В. Влияние твердозерности зерна на его макаронные свойства / П. В. Медведев, В. А. Федотов, И. А. Бочкарева // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 11 (42). – С. 68 – 74.
- Медведев П.В. Комплексная оценка потребительских свойств зерна и продуктов его переработки / П. В. Медведев, В. А. Федотов, И. А. Бочкарева // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 7-1 (38). – С. 77-80.
Список литературы на английском языке / References in English
- Fedotov V.A. Faktory formirovanija potrebitel’skih svojstv zernomuchnyh tovarov / V. A. Fedotov // Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta . – 2011. – № 4. – P. 186-190.
- Kalachev M.V. Malye predprijatija dlja proizvodstva hlebobulochnyh i makaronnyh izdelij / M. V. Kalachev. – M. : DeLi print, 2008. – 288 p.
- Medvedev P.V. Vliianie tverdozernosti zerna na ego makaronny`e svoi`stva / P. V. Medvedev, V. A. Fedotov, I. A. Bochkareva // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel’skij zhurnal . – 2015. – № 11 (42). – P. 68 – 74.
- Medvedev P.V. Kompleksnaja ocenka potrebitel’skih svojstv zerna i produktov ego pererabotki / P. V. Medvedev, V. A. Fedotov, I. A. Bochkareva // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel’skij zhurnal . – 2015. – № 7-1 (38). – S. 77-80.
Ключевые слова
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ / СЕМЕНА / СЕЯЛКА / СВОЙСТВА / ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ / СОШНИК / СЕМЯПРОВОД / WORKING ORGANS / SEEDS / SEED / DRILL / PROPERTIES / GRAIN CROPS / OPENER / SEED STEMАннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы - Евченко А.В.
Разработка рабочих органов селекционных машин возможна лишь при достаточном изу-чении физико-механических свойств семян конкретных сортов. Форма и размеры семян изменчивы и зависят как от почвенных, так и от погодных условий в период вегетации. Изу-чение размеров семян, их геометрической формы и структуры их поверхности позволит определить характер взаимодействия едино-го зерна с поверхностями семенного ящика, семяпровода , отражателя семян и ограничи-вающими поверхностями сошника и уточнить параметры конструкции селекционной зерно-вой сеялки . Цель исследования: изучить физи-ко-механические свойства семян районирован-ных и перспективных сортов зерновых куль-тур Тарского района Омской области. Задачи исследования: определить корреляционную за-висимость между признаками (линейными раз-мерами) семян, углы естественного откоса, коэффициенты статистического трения се-мян по различным материалам (сталь, поли-этилен, органическое стекло, техническая ре-зина). Исследованы следующие сорта зерно-вых культур: пшеницы Росинка и Светланка; ячменя Тарский-3; овса Тарский-2. Линей-ные размеры семян определены при помощи микрометра с точностью до 0,01 мм. Влаж-ность определена по ГОСТ Р 50189-92 «Зер-но». Установлены корреляционная зависи-мость между признаками (линейными разме-рами) семян; углы естественного откоса се-мян зерновых культур , находящиеся в преде-лах от 29025/ до 39012/; коэффициенты внут-реннего трения и коэффициенты статиче-ского трения, равные соответственно 0,564-0,815 и 0,234-0,410.
Похожие темы научных работ по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы - Евченко А.В.
-
Физико-механические свойства плодов бахчевых культур
2017 / Цепляев А.Н., Китов А.Ю. -
Свойства лесных семян с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников
2015 / Синельников Александр Викторович -
Основные физико-механические свойства семян тыквы сорта «Зимняя сладкая»
2011 / Деревенко В. В., Коробченко А. С., Аленкина И. Н. -
Основные физико-механические свойства семян тыквы, выращенной в Таджикистане
2012 / Деревенко В. В., Мирзоев Г. Х., Лобанов А. А., Дикова О. В., Климова А. Д. -
Исследование физико-механических свойств кедрового ореха
2010 / Куриленко Н. И. -
Флагман сибирской селекции
2013 / Рутц Р. И. -
Отбор элитных растений ячменя в первичном звене семеноводства
2017 / Кошеляев В.В., Карпова Л.В., Кошеляева И.П. -
Оценка влияния шнековых рабочих органов транспортирующих устройств на показатели качества семенных материалов
2015 / Московский М.Н., Адамян Г.А., Тихонов К.М. -
Зависимость развития грибной инфекции зерновых культур от сезонной динамики климатических факторов
2017 / Шешегова Т.К., Щеклеина Л.М., Щенникова И.Н., Мартьянова А.Н. -
Повышение эффективности аппаратов точного высева мелкосеменных культур
2015 / Шварц А.А., Шварц С.А.
The development of working bodies of selection machines is possible only under adequate study of physical and mechanical properties of seeds of specific varieties. The shape and size of seeds are variable and depend on the soil and the weather conditions during the growing season. The study of the size of seeds , their geometrical shape and their surface structure allows us to determine the nature of the interaction of single grain surfaces of the seed box, seed stem , the seed coulter reflector and the bounding surfaces and refine design parame-ters of selection grain drill . The objective of the work was to study physical and mechanical proper-ties of seeds zoned and promising varieties of crops of Tarsky district of Omsk region. The pur-pose was to determine the correlation between signs (linear dimensions) of seeds ; to determine the angles of repose; to find out the coefficients of fric-tion of statistical seeds for various materials (steel, polyethylene, organic glass, and technical rubber). The following varieties of crops were investigated: wheat “Rosinka” and “Svetlana”; barley “Tarsky-3”; oats “Tarsky-2”. The linear dimensions of seeds determined using a micrometer with an accuracy of 0.01 mm. Humidity was determined according to the State standard 50189-92 “Grain”. Correlation dependence between variables (linear dimensions) seeds , installed angle of repose of cereal seeds were in the range of 29025//39012/; the coefficients of internal friction and static friction coefficients re-spectively were equal to 0.564-0.815 and 0,234-0.410.
Текст научной работы на тему «Анализ физико-механических свойств семян зерновых культур»
АНАЛИЗ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
ANALYSIS OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF GRAIN CROPS SEEDS
Евченко А.В. - канд. техн. наук, доц. каф. агрономии и агроинженерии Тарского филиала Омского государственного аграрного университета, г. Тара. E-mail: [email protected]
Разработка рабочих органов селекционных машин возможна лишь при достаточном изучении физико-механических свойств семян конкретных сортов. Форма и размеры семян изменчивы и зависят как от почвенных, так и от погодных условий в период вегетации. Изучение размеров семян, их геометрической формы и структуры их поверхности позволит определить характер взаимодействия единого зерна с поверхностями семенного ящика, семяпровода, отражателя семян и ограничивающими поверхностями сошника и уточнить параметры конструкции селекционной зерновой сеялки. Цель исследования: изучить физико-механические свойства семян районированных и перспективных сортов зерновых культур Тарского района Омской области. Задачи исследования: определить корреляционную зависимость между признаками (линейными размерами) семян, углы естественного откоса, коэффициенты статистического трения семян по различным материалам (сталь, полиэтилен, органическое стекло, техническая резина). Исследованы следующие сорта зерновых культур: пшеницы - Росинка и Светланка; ячменя - Тарский-3; овса - Тарский-2. Линейные размеры семян определены при помощи микрометра с точностью до 0,01 мм. Влажность определена по ГОСТ Р 50189-92 «Зерно». Установлены корреляционная зависимость между признаками (линейными размерами) семян; углы естественного откоса семян зерновых культур, находящиеся в пределах от 29025 до 39012/; коэффициенты внутреннего трения и коэффициенты статического трения, равные соответственно 0,5640,815 и 0,234-0,410.
Ключевые слова: рабочие органы, семена,
Evchenko A.V. - Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Chair of Agronomy and Agroengineering, Tarsky Branch, Omsk State Agrarian University. Tara. E-mail: [email protected]
сеялка, свойства, зерновые культуры, сошник, семяпровод.
The development of working bodies of selection machines is possible only under adequate study of physical and mechanical properties of seeds of specific varieties. The shape and size of seeds are variable and depend on the soil and the weather conditions during the growing season. The study of the size of seeds, their geometrical shape and their surface structure allows us to determine the nature of the interaction of single grain surfaces of the seed box, seed stem, the seed coulter reflector and the bounding surfaces and refine design parameters of selection grain drill. The objective of the work was to study physical and mechanical properties of seeds zoned and promising varieties of crops of Tarsky district of Omsk region. The purpose was to determine the correlation between signs (linear dimensions) of seeds; to determine the angles of repose; to find out the coefficients of friction of statistical seeds for various materials (steel, polyethylene, organic glass, and technical rubber). The following varieties of crops were investigated: wheat "Rosinka" and "Svetlana"; barley "Tarsky-3"; oats "Tarsky-2". The linear dimensions of seeds determined using a micrometer with an accuracy of 0.01 mm. Humidity was determined according to the State standard 50189-92 "Grain". Correlation dependence between variables (linear dimensions) seeds, installed angle of repose of cereal seeds were in the range of 29025//39012/; the coefficients of internal friction and static friction coefficients respectively were equal to 0.564-0.815 and 0,2340.410.
Keywords: working organs, seeds, seed, drill, properties, grain crops, opener, seed stem.
Введение. Разработка рабочих органов селекционных машин возможна лишь при доста-
точном изучении физико-механических свойств семян конкретных сортов. Формы и размеры семян изменчивы и зависят как от почвенных, так и от погодных условий в период вегетации. При изучении физико-механических свойств семян важны не только средние размеры, но и все показатели изменчивости отдельных свойств семян зерновых культур .
Изучение размеров семян, их геометрической формы и структуры их поверхности позволит определить характер взаимодействия единого зерна с поверхностями семенного ящика, семяпровода, отражателя семян, ограничивающими поверхностями сошника и уточнить параметры конструкции селекционной зерновой сеялки .
Цель исследований. Изучить физико-механические свойства семян районированных и перспективных сортов зерновых культур Тар-ского района Омской области.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) определить корреляционную зависимость между признаками (линейными размерами) семян;
2) углы естественного откоса;
3) коэффициенты статистического трения семян по различным материалам.
Материал и методы исследований. Исследованы следующие сорта зерновых культур: пшеницы - Росинка и Светланка; ячменя - Тар-ский-3; овса - Тарский-2. Образцы семян были взяты из урожая селекционных делянок ФГБНУ «СибНИИСХ» в 2012-2014 гг.
Методика отбора навески аналогична для всех образцов семян. Из трехкилограммового среднего образца методом крестообразного деления выделена навеска, содержащая 200300 шт. семян, которые затем были измерены и взвешены.
Линейные размеры семян определены при помощи микрометра с точностью до 0,01 мм. Влажность определена по ГОСТ Р 50189-92 «Зерно». Соотношение и связь между линей-
ными размерами семян представлены через корреляционно-регрессионный анализ. Между признаками (размерами) проведено п независимых парных наблюдений, по полученным значениям определены выборочные эмпирические коэффициенты корреляции (К), регрессии (Вух), стандартная ошибка коэффициента корреляции (Эг), критерий существенности коэффициента корреляции (Тг) и ошибка коэффициента регрессии (Эв).
Углы естественного откоса определены при помощи прибора, изготовленного в учебной мастерской филиала. Прибор представляет собой прямоугольный ящик, одна из боковых стенок которого выполнена из органического стекла, с размерами: длина - 365 мм; ширина - 200; высота - 230 мм. В днище ящика имеется прорезь (125 ^ 200 мм), перекрываемая задвижкой. Ящик устанавливается горизонтально и заполняется семенами, затем выдвигается задвижка, и материал высыпается через прорезь на горизонтальную поверхность, образуя конус с углом естественного откоса. Величина углов естественного откоса установлена угломером с точностью ±0,50. Повторность опытов принята восьмикратной, среднее значение углов естественного откоса определено как среднее арифметическое .
Коэффициент внутреннего трения между поверхностями отдельных зерен в их совокупности определен как тангенс угла естественного откоса.
Коэффициенты статического трения определены на наклонной плоскости (рис.1) по четырем материалам: стали, полиэтилену, органическому стеклу и технической резине.
Результаты исследований. В результате проведенных исследований физико-механических свойств семян установлено, что геометрические размеры исследуемых сортов зерновых культур варьируют в широких пределах. Средние и экстремальные размеры их приведены в таблице 1.
Рис. 1. Схема сил, действующих на исследуемый материал: а - угол между наклонной (ось Х) и горизонтальной плоскостями; в - вес груза, установленного на исследуемый материал; N - нормальное давление на исследуемый материал со стороны груза; в¡, вп - проекции веса груза на оси координат Х и У; Т - сила трения семени по стали, полиэтилену, органическому стеклу; технической резине
Таблица 1
Линейные размеры семян зерновых культур урожая 2014 года, мм
Культура и сорт Длина L (максимальный) Ширина В (средний) Толщина А (минимальный)
Пшеница - Росинка 6,75 3,22 2,92
Пшеница - Светланка 6,58 3,46 3,09
Ячмень - Тарский-3 10,05 4,05 2,96
Овес - Тарский-2 11,8 3,32 2,61
Анализ таблицы 1 показывает, что длина семян овса Тарский-2 превышает длину семян пшеницы Светланка более чем на 5 мм. По одноименным размерам - ширине и толщине -семена находятся в узком диапазоне, не пре-
вышающем 1 мм.
Корреляционно-регрессионная связь основных размерных характеристик семян при значении критерия Т05 = 2,07; То,1 = 2,81; Т001 = 3,77 представлена в таблицах 2-5.
Таблица 2
Корреляционно-регрессионная связь пшеницы Росинка
X У R Sr Tr Byx Sв Связь
Толщина Ширина 0,547 0,174 3,14 0,755 0,241 **
Толщина Длина 0,43 0,188 2,28 0,845 0,367 *
Ширина Длина 0,503 0,180 2,79 0,71 0,712 **
Корреляционно-регрессионная связь пшеницы Светланка
X У R Sr Tr Byx Sв Связь
Толщина Ширина 0,657 0,157 4,18 0,650 0,155 ***
Толщина Длина 0,613 0,164 3,73 1,157 0,309 **
Ширина Длина 0,344 0,134 2,56 0,651 0,253 *
Таблица 4
Корреляционно-регрессионная связь ячменя Тарский-3
X У R Sr Byx Sв Связь
Толщина Ширина 0,674 0,140 4,79 0,85 0,177 ***
Толщина Длина 0,262 0,201 1,303 1,069 0,819
Ширина Длина 0,466 0,152 3,06 1,553 1,685 **
Таблица 5
Корреляционно-регрессионная связь овса Тарский-2
X У R Sr Byx Sв Связь
Толщина Ширина 0,694 0,150 4,62 0,697 0,150 ***
Толщина Длина 0,274 0,201 1,363 1,512 1,106
Ширина Длина 0,11 0,207 0,531 0,606 1,138
Анализ таблиц 2, 3 показывает, что семена пшеницы имеют среднюю корреляционную зависимость. У пшеницы сорта Росинка около 24 % изменчивости зависимой переменной (результативного признака) связано с изменчивостью независимой переменной (факториального признака), у пшеницы сорта Светланка - 29 %.
Анализ таблиц 4, 5 показывает различную корреляционную зависимость между признаками (размерами). Так, у ячменя Тарский-3 по признаку «толщина - ширина» и «ширина -длина» средняя корреляционная зависимость, а по признаку «толщина - длина» - слабая. У ов-
са Тарский-2 по признаку «толщина - ширина» средняя корреляционная зависимость, а по остальным признакам - слабая.
На рисунках 2-4 представлены вариационные кривые распределения по длине, ширине и толщине 100 штук семян пшеницы, овса, ячменя. Анализ вариационных кривых распределения семян убеждает, что характер распределения имеет закономерность нормального распределения: случайные величины группируются вокруг центра распределения, при удалении которого вправо или влево частоты их постепенно убывают.
Рис. 2. Вариационные кривые распределения длины семян
Рис. 3. Вариационные кривые распределения ширины семян
Рис. 4. Вариационные кривые распределения толщины семян
Коэффициент внутреннего трения между поверхностями отдельных зерен в их совокупности с некоторыми допущениями определен как тангенс угла естественного откоса.
Теоретическими исследованиями доказано, что при свободном пересыпании шаров одинакового диаметра угол естественного откоса может находиться от 25057/ до 70037/. Отсюда следует, что величина угла естественного откоса не зависит от диаметра шаров. Но, как отмечают исследователи, свойства их поверхности влияют на плотность укладки и через нее на величину угла естественного откоса .
Форма исследуемых семян далека от правильной формы шара, однако плотность их
укладки определяется конкретными коэффициентами трения, вследствие этого углы естественного откоса зерновых культур по каждому сорту не имеют значительных различий и варьируют в незначительных пределах. Результаты экспериментов приведены в таблице 6.
Полученные углы естественного откоса семян для всех сортов зерновых культур находятся в пределах от 29025/ до 39012/ и соответственно коэффициенты внутреннего трения равны 0,564-0,815.
В результате обработки экспериментальных данных получены коэффициенты статического трения по фрикционным поверхностям (табл. 7).
Вестник^КрасТЯУ. 2016. № S
Таблица 6
Значение углов естественного откоса Q и коэффициент внутреннего трения семян ^ изучаемых культур
Культура и сорт Абсолютная масса 1000 семян, г Угол естественного откоса, Q Коэффициент внутреннего трения, ^
макс. средний мин. макс. средний мин.
Овес - Тарский-2 43,4 38018/ 35005/ 32010/ 0,789 0,644 0,628
Ячмень - Тарский-3 41,8 39012/ 34018/ 29025/ 0,815 0,682 0,564
Пшеница - Росинка 35,8 36020/ 33015/ 30022/ 0,735 0,655 0,585
Пшеница - Светланка 38,6 37005/ 33050/ 31008/ 0,775 0,670 0,604
Таблица l
Коэффициенты статического трения семян по фрикционным поверхностям
Культура и сорт Влажность, % Коэффициент статического трения
Сталь Полиэтилен Техническая резина Органическое стекло
Пшеница -Росинка 15,4 0,354 0,321 0,410 0,328
Пшеница -Светланка 16,2 0,344 0,302 0,403 0,303
Ячмень -Тарский-3 15,8 0,311 0,271 0,350 0,274
Овес -Тарский-2 16,4 0,325 0,288 0,383 0,234
Анализ таблицы 7 показывает, что различия в величине коэффициентов статического трения по одноименным материалам между культурами незначительное. С изменением фрикционной поверхности коэффициенты статического трения изменяются от 0,234 до 0,410. Наименьший коэффициент статического трения получен при контакте с полиэтиленом и органическим стеклом, максимальный - при контакте с технической резиной.
1. Установлена корреляционная зависимость между признаками (линейными размерами) семян.
2. Установлены углы естественного откоса семян зерновых культур, находящиеся в пределах от 29025/ до 39012/, коэффициенты внутреннего трения равны 0,564-0,815.
3. Установлено, что с изменением фрикционной поверхности коэффициенты статического
трения изменяются от 0,234 до 0,410.
Литература
1. Евченко A.B., Кобяков И.Д. Посевные машины / М-во сельского хоз-ва Российской Федерации, Тарский фил. ФГОУ ВПО «Омский гос. аграрный ун-т». - Омск, 2006.
2. Евченко A.B. Совершенствование рабочих органов пневматических селекционных сеялок: дис. ... канд. техн. наук. - Омск, 2006.
1. Evchenko A.V., Kobjakov I.D. Posevnye mashiny / M-vo sel"skogo hoz-va Rossijskoj Federacii, Tarskij fil. FGOU VPO «Omskij gos. agrarnyj un-t». - Omsk, 2006.
2. Evchenko A.V. Sovershenstvovanie rabochih organov pnevmaticheskih selekcionnyh se-jalok: dis. ... kand. tehn. nauk. - Omsk, 2006.
| Засорители | Длина | Ширина | Толщина | Критич. скорость | ||||
| М | σ | М | σ | М | σ | М | σ | |
| Пшеница Украинка | 6,43 | 0,43 | 3,15 | 0,33 | 2,91 | 0,28 | 10,08 | 0,48 |
| Пшеница Кооператорская | 6,52 | 0,43 | 3,11 | 0,25 | 2,87 | 0,29 | 10,02 | 0,39 |
| Пшеница Шмитовка | 6,02 | 0,56 | 2,79 | 0,35 | 2,56 | 0,31 | 9,60 | 0,38 |
| Пшеница Эрутроспермум | 6,14 | 0,54 | 2,75 | 0,30 | 2,59 | 0,29 | 9,67 | 0,41 |
| Пшеница Московская селекционная 2460 | 5,83 | 0,39 | 3,33 | 0,22 | 2,92 | 0,22 | 9,91 | 0,41 |
| Пшеница Селекционная 575 | 6,21 | 0,44 | 2,89 | 0,25 | 2,66 | 0,22 | 9,71 | 0,37 |
| Пшеница Красная остистая | 6,43 | 0,65 | 2,95 | 0,33 | 2,71 | 0,33 | 9,91 | 0,39 |
| Пшеница Полтавка | 5,86 | 0,51 | 2,67 | 0,31 | 2,37 | 0,27 | 9,40 | 0,39 |
| Пшеница Красная безостая | 6,16 | 0,52 | 2,88 | 0,29 | 2,75 | 0,26 | 9,72 | 0,41 |
| Пшеница Саратовская | 6,07 | 0,52 | 2,83 | 0,29 | 2,47 | 0,25 | 9,61 | 0,39 |
| Пшеница Белая безостая | 5,98 | 0,48 | 2,80 | 0,26 | 2,53 | 0,23 | 9,57 | 0,38 |
| Пшеница Арнаутка | 6,93 | 0,58 | 3,09 | 0,27 | 2,88 | 0,38 | 10,24 | 0,42 |
| Пшеница Улька | 6,57 | 0,62 | 3,02 | 0,31 | 2,67 | 0,28 | 9,97 | 0,44 |
| Пшеница Белотурка | 6,07 | 0,50 | 2,73 | 0,27 | 2,52 | 0,26 | 9,58 | 0,40 |
| Пшеница № 69 | 6,47 | 0,60 | 2,99 | 0,27 | 2,80 | 0,27 | 9,93 | 0,45 |
| Пшеница № 841 | 7,01 | 0,62 | 2,91 | 0,33 | 2,69 | 0,32 | 10,13 | 0,42 |
| Пшеница № 2451 | 6,55 | 0,36 | 2,81 | 0,23 | 2,55 | 0,20 | 9,83 | 0,40 |
| Пшеница № 189 | 6,71 | 0,46 | 3,05 | 0,23 | 2,84 | 0,26 | 10,11 | 0,43 |
| Рожь желтозерная | 6,74 | 0,69 | 2,23 | 0,23 | 2,06 | 0,21 | 9,12 | 0,45 |
| Рожь Елисеевская | 6,67 | 0,72 | 2,16 | 0,24 | 1,95 | 0,27 | 9,02 | 0,44 |
| Рожь Белорусская | 6,92 | 0,71 | 2,36 | 0,25 | 2,41 | 0,23 | 9,43 | 0,47 |
Таблица 6
Исходные данные к расчету сушилки
| t 3 , 0 С | W,% | ||||||||||||||
| 20,6 | |||||||||||||||
| 20,3 | |||||||||||||||
| 19,6 | |||||||||||||||
| 19,3 | |||||||||||||||
| 18,6 | |||||||||||||||
| 18,3 | |||||||||||||||
| 17,6 | |||||||||||||||
| 17,3 | |||||||||||||||
| 16,7 | |||||||||||||||
| 16,4 | |||||||||||||||
| 15,8 | |||||||||||||||
| 15,5 | |||||||||||||||
| t 1 , 0 C | |||||||||||||||
| φ 1 , % |
Таблица 7
Физико-механические свойства зернового материала в форме «М и σ»
| Культура и засорители | Содержание, % | Длина | Ширина | Толщина | Критич. скорость | ||||
| М | σ | М | σ | М | σ | М | σ | ||
| 1. Ячмень | 91,5 | 8,61 | 0,55 | 3,48 | 0,30 | 2,83 | 0,30 | 9,66 | 0,40 |
| 2. Спорынья | 0,5 | 6,28 | 1,14 | 2,52 | 0,39 | 2,23 | 0,34 | 8,26 | 1,25 |
| 3. Горох | 3,0 | 7,81 | 0,72 | 7,75 | 0,72 | 7,52 | 0,80 | 14,00 | 1,00 |
| 4. Пшеница | 3,0 | 5,88 | 0,50 | 2,60 | 0,36 | 2,39 | 0,25 | 9,30 | 0,40 |
| 5. Гречиха татарская | 2,0 | 4,54 | 0,26 | 2,88 | 0,29 | 2,86 | 0,26 | 8,56 | 0,63 |
Таблица 8
Физико-механические свойства зернового материала в форме «от и до»
| Культура и засорители | Содержание, % | Длина | Ширина | Толщина | Критич. скорость | ||||
| от | до | от | до | от | до | от | до | ||
| 1. Ячмень | 91,5 | 6,96 | 10,26 | 2,58 | 4,38 | 1,93 | 3,73 | 8,46 | 10,86 |
| 2. Спорынья | 0,5 | 2,86 | 9,70 | 1,35 | 3,69 | 1,21 | 2,25 | 4,51 | 12,01 |
| 3. Горох | 3,0 | 5,65 | 9,97 | 5,59 | 9,91 | 5,12 | 9,92 | 11,00 | 17,00 |
| 4. Пшеница | 3,0 | 4,38 | 7,38 | 1,52 | 3,68 | 1,64 | 3,14 | 8,10 | 10,50 |
| 5. Гречиха татарская | 2,0 | 3,76 | 5,32 | 2,01 | 3,75 | 2,08 | 3,64 | 6,67 | 10,45 |
Таблица 10
Расчет чистоты при отделении легких примесей (l = 8,6 м/с)
| № п/п | Культура и засорители | Содержание, % | М | σ | Х | ε | % к начальному содержанию | % к нагрузке | % к остатку |
| 1. | Ячмень | 91,5 | 9,66 | 0,40 | -2,65 | -49,58 | 99,58 | 91,12 | 92,730 |
| 2. | Спорынья | 0,5 | 8,26 | 1,25 | 0,27 | 10,66 | 39,34 | 0,20 | 0,203 |
| 3. | Горох | 3,0 | 14,00 | 1,00 | -5,40 | -50,00 | 100,00 | 3,00 | 3,104 |
| 4. | Пшеница | 3,0 | 9,30 | 0,40 | -1,75 | -46,04 | 96,04 | 2,88 | 2,980 |
| 5. | Гречиха татарская | 2,0 | 8,56 | 0,63 | 0,06 | 2,40 | 47,60 | 0,95 | 0,983 |
| 98,15 | 100,00 |
Таблица 11
Расчет чистоты при отделении толстых примесей (l = 3,9 м/с)
| № п/п | Культура и засорители | Содержание, % | М | σ | Х | ε | % к начальному содержанию | % к нагрузке | % к остатку |
| 1. | Ячмень | 92,730 | 2,83 | 0,30 | 3,57 | 50,00 | 100,00 | 92,730 | 95,702 |
| 2. | Спорынья | 0,203 | 2,23 | 0,34 | 4,91 | 50,00 | 100,00 | 0,203 | 0,209 |
| 3. | Горох | 3,104 | 7,52 | 0,80 | -4,52 | -50,00 | 0,0 | 0,000 | 0,000 |
| 4. | Пшеница | 2,980 | 2,39 | 0,25 | 6,04 | 50,00 | 100,00 | 2,980 | 3,075 |
| 5. | Гречиха татарская | 0,983 | 2,86 | 0,26 | 4,00 | 50,00 | 100,00 | 0,983 | 1,014 |
| 96,896 | 100,00 |
