Для определения физико-механических свойств плодов разработаны многочисленные приборы и приспособления. Рассмотрим некоторые из них.
Размеры плодов (диаметр и высоту) определяют как на простых, так и на сложных приборах.
Высокую точность при замере семечковых плодов, в первую очередь яблок, получают на приборе конструкции кишиневского ГСКБ по машинам для садов и виноградников (рис. 1,а).
Прибор состоит из неподвижной монтажной плиты 1, двух измерительных подвижных лап 3, установленных на подвижных рейках 4, закрепленных шарнирно в планках 5, линейки 7 и стойки 8 с фиксирующим упором 2. Фиксацию замеров по линейке 7 производят визиром 6. При замере плода его устанавливают у фиксирующего упора так, чтобы плоскость замера была параллельна монтажной плите. Затем перемещают подвижные лапы 3 до их соприкосновения с плодом. При этом на шкалах линейки 7 против рисок подвижных реек отсчитывают значения максимального и минимального диаметров D и d. На стойку 8 надета пружина, поджимающая упор 2 с помощью винта. На месте пружины может быть установлен угольник для замера высоты плода.
Рис. 1. Схема многошкального прибора для замера:
а — семечковых плодов; б — косточковых плодов
Косточковые плоды замеряют на специальном приборе конструкции кишиневского ГСКБ (рис. 1, б).
Прибор состоит из корпуса 9, накладки 10, неподвижного упора 11, измерительных угольников 12 и 13. Рейками 20 и 21 через шестерни измерительные угольники связаны со шкалами 22 и 26. Для измерения высоты плода прибор оснащен щупом 14 на рейке 15. Это устройство, в свою очередь, рейкой 25 связано со шкалой 24.
Измеренные плоды автоматически с помощью поворотного клапана 19 сбрасываются в приемный лоток. Для плавного возврата поворотного клапана в исходное положение в приборе имеется пневматический демпфер 17. Подвижные измерительные угольники отводятся рукояткой 27, установленной на оси 28 толкателя реек. Пружины 23 с регулировочными винтами 16 обеспечивают фиксированную установку шкал на нуль и необходимое давление угольников и щупа на измеряемый плод. Горизонтальное положение прибора обеспечивается регулируемыми ножками 18.
Процесс измерения наибольшего и наименьшего поперечного диаметра плода и его высоты производится следующим образом: рукояткой 27 отводят измерительные угольники и щуп. Плод устанавливают между угольниками так, чтобы плоскость наибольшего поперечного диаметра касалась стенок неподвижного упора. Затем плавным движением отводят рукоятку в исходное положение. Измеренные значения величин читают на шкалах 22, 24 и 26. Отсчет ведется относительно риски на стекле шкалы.
Замер очередного плода начинается с подачи рукоятки 27 вперед. При этом поворотный клапан открывается и предыдущий плод выпадает в приемный лоток и далее через окно в корпусе прибора удаляется из него. Затем поворотный клапан закрывается, и прибор вновь готов для приема очередного плода для замеров. На приборе возможно измерить плоды размерами и высотой 10 – 50 мм с точностью всех трех параметров до ± 0,1 мм. Масса прибора около 7 кг, габаритные размеры в мм: длина 330, ширина 170, высота 190.
Испытания приборов показали их хорошую работу при замерах самых различных плодов. Для получения достоверных результатов по размерам плодов необходимо проводить измерения не менее 100 плодов каждого сорта в трехкратной повторности.
Прочность плодов (степень повреждения) в нашей стране принято оценивать диаметром или площадью ушиба (пятна), образовавшегося в результате удара плода о какую-либо поверхность или о другой плод.
Для сбрасывания плодов применяют самые разнообразные приспособления. Широкое применение находят штативы с градуированной стойкой для сбрасывания плодов с небольшой высоты и специальные приспособления для сбрасывания плодов с высоты до 5 м. Поверхность соударения при исследовании повреждаемости плодов выбирают в зависимости от задач исследований. Сброшенные плоды немедленно осматривают и выявляют видимые повреждения. Места повреждений отмечают мягким карандашом. Затем плоды закладывают на хранение для выявления повреждений в процессе хранения. Регламент повторных осмотров устанавливают в зависимости от сорта плодов и задач исследований.
Площадь поврежденного пятна, как правило, замеряют обычным измерительным инструментом, что приводит порой к значительным ошибкам. Кишиневское ГСКБ предложило специальный прибор для измерения повреждений на плодах и угла между повреждениями (рис. 2).
Рис. 2. Схема прибора для измерения повреждений на плодах и угла между повреждениями
Прибор состоит из двурогого кронштейна 1, с одной стороны которого на держателе 8 установлен упор 9, и стержня 2. Двурогий кронштейн и стержень имеют внутри пазы и скреплены между собой осью 5 с двумя шайбами 6. Между кронштейном и стержнем на той же оси 5 установлена пластинка со стрелкой 4 и шкала 3, градуированная на 180° и имеющая специальный Г-образный упор 7. Упоры 9 выполнены из прозрачного материала, на внешней части их нанесена шкала из концентрических окружностей (см. вид А), имеющая следующую цену делений: цифра 1 соответствует площади 0,25 см2, цифра 2 – 0,5 см2, цифра 3 – 1,0 см2.
Для определения площади повреждения упоры 9 устанавливают на поврежденные места касательно к поверхности плода. При этом, принимая пятна условно в виде круга, определяют площадь, сравнивая размер пятен с концентрическими окружностями на прозрачных упорах. Одновременно по шкале 3 находят угол между повреждениями.
По принятой в нашей стране методике прочность периферийных тканей у плода, в том числе кожицы, характеризуют сопротивлением плода вдавливанию в него плунжера-шарика. Удельную величину этого сопротивления условно называют твердостью тпл и определяют по формуле
где Рпр — усилие прокола, кгс; dш — диаметр плунжера-шарика, мм.
Для определения этих показателей применяют экстензометры, специально приспособленный динамограф малых усилий Д-10 или динамографы-работомеры. Кроме динамографов известно много других специальных приборов для определения прочности кожицы и твердости плодов. Предпочтение следует отдавать электронным приборам, записывающим непрерывную кривую от начала давления на кожицу до ее разрыва.
Для установления влияния механических воздействий на лежкость плодов их нагружают статическим деформирующим усилием на приборах.
Прибор (рис. 3) имеет основание 11, на котором закреплены стойки 1, 4 и 6. На стойке 1 закреплен кронштейн 2, к которому шарнирно присоединен рычаг 3. По рычагу перемещается груз 5 (один или два массой до 10 кг). На конце рычага смонтирован световой сигнализатор (на схеме не показан), с помощью которого определяют начало воздействия нагрузки, при этом устанавливают механический индикатор 7 на нулевую отметку. В качестве деформатора на этом приборе используется пластина 8. При необходимости к пластине можно с помощью винтов прикрепить деформатор любой формы (двугранный, круглый и др.). Эксцентриковый механизм 10 обеспечивает плавное опускание рычага с грузом при нагружении плода. Параллельность рычага во время опытов при нагружении плодов различных размеров достигается за счет перемещения кронштейна 2 по стойке 1.
Рис. 3. Схема прибора для нагружения плодов статическим деформирующим усилием
Прибор действует следующим образом: плод устанавливают на опорную площадку 9 и опускают на него рычаг с грузом, фиксируют начало нагружения, устанавливая при этом индикатор на нулевую отметку. Затем нагружают плод в течение 5 с определенным грузом и фиксируют показания индикатора. Повторность опытов и регламент последующих осмотров плодов зависят от задач исследований. Однако следует указать, что достоверные результаты могут быть получены при нагружении не менее чем 30 плодов (10 плодов в трехкратной повторности).
Для выявления повреждений плодов стенками ящиков или контейнеров при транспортировке, а также друг другом определяют их прочность при статическом сжатии на динамографе-работомере ДР-100.
В процессе уборки и товарной обработки плодов последние воспринимают ударные (динамические) нагрузки. Механические свойства мякоти плодов как фактор, определяющий их повреждаемость при вибрационной уборке, могут быть исследованы на цилиндрических образцах, сжимаемых между двумя плоскими поверхностями, к которым с помощью вибратора прикладывают усилия по синусоидальному закону с частотой 50 – 350 Гц. Деформация мякоти при этом может быть определена с помощью осциллоскопа. Мякоть яблок можно рассматривать как упруговязкий материал, ползучесть которого при сложном напряженном состоянии наступает при давлении около 200 кгс/см2.
При ударе происходит деформация мякоти плода, на что расходуется некоторая энергия. В связи с этим ударная прочность плодов может быть оценена коэффициентом удельной затраты энергии μ на разрушение 1 мм3 мякоти плода:
где Туд —кинетическая энергия удара; Vпл — разрушенный объем мякоти плода.
Ударную прочность плодов определяют на приборах копрового и маятникового типов, а также на специальных приборах.
На рис. 4, а показана схема копровой установки. Установка предназначена для нагружения плодов динамическим деформирующим усилием при скорости больше 0,6 м/с. На основании 2 установки смонтированы стойка 1, площадка 3 для образца, винтовой механизм 4 и электросветовой сигнализатор, уровня нуля 8. В установку входит также основание 5 рычага, на котором установлена рамка 7 с фиксатором 6 и. на шарнире закреплен рычаг 10 с деформатором 9.
Рис. 4. Схема установки для определения ударной прочности плодов; а —копровой; б — маятниковой
Установка действует следующим образом: пробный плод устанавливают на площадку, рычаг с деформатором поднимают на необходимую высоту h и зажимают фиксатором на рамке. Затем рычаг освобождают от фиксатора и он при свободном падении ударяет деформатором по плоду, а затем по стойке, которая ограничивает дальнейшее перемещение рычага с деформатором вниз.
Максимально допустимые нагрузки на плоды можно определять на маятниковом копре (рис. 4,б). Прибор имеет рычаг 11 с откидным пружинным падающим механизмом 12. Через рычаг перекинута нить 14 с пробным плодом на конце. В качестве ударной поверхности 13 может быть использован любой материал. Отклонение рычага фиксируют на шкале 15.
Специальной иглой яблоко пронизывают насквозь. Протягивают через это отверстие нить (той же иглой) и на конце нити завязывают узел. Затем яблоко придвигают к рычагу и зажимают специальным откидным пружинным механизмом.
Рычаг вместе с яблоком и нитью отводят на необходимый угол, открывают откидной пружинный механизм, и яблоко начинает свободно падать по дуге, определяемой длиной нити. При длине маятника 0,9 м можно обеспечить падение яблока с высоты, практически равной длине нити. Шкала на приборе имеет деления, ориентированные вдоль линии маятника.
Высоту отскакивания яблока при небольшой высоте падения можно определять визуально при помощи обычных измерительных инструментов. Во избежание дополнительных ударов яблока о контактируемую поверхность его после первого удара захватывают рукой. Для уменьшения влияния вибраций и других потерь на отскакивание яблока контактируемая поверхность должна быть массивной. Регистрация площади контакта яблока с плитой может быть осуществлена за счет крепления на плиту белой бумаги и окраски яблока краской.
После ударов плоды закладывают на хранение на 5 суток, затем обычным измерительным инструментом или с помощью специального прибора, описанного выше, замеряют диаметр пятна. Если удар слабый и пятна не видно, то срезают кожицу плода и замеряют диаметр пятна. Далее плод режут по месту удара, определяют глубину потемнения и рассчитывают объем деформированной ткани.
Прочность связи плодоножки с ветвью и плодом определяют с помощью как простых приборов, так и сложных устройств. Наиболее простым, обладающим достаточной точностью является прибор конструкции ВИСХОМ (рис. 5).
Рис. 5. Схема прибора для определения усилий отрыва плодов
Прибор имеет вильчатый захват 1, соединенный со штоком 10, на конце которого расположена рукоятка 5, стопорящаяся специальной втулкой 6. На штоке смонтирован корпус 9 с барабаном 8, на котором размещают бумажную ленту с подведенным к ней пишущим механизмом 4. Внутри барабана на штоке расположена пружина 7.
Плодоножку заводят в вилку захвата до упора, к рукоятке прикладывают усилие, величина которого записывается на ленте барабана. Оторванный плод поступает в мешочек 3, прикрепленный шарнирно специальным ободом 2 к основанию вильчатого захвата. Для записи усилий отрыва очередного плода барабан вручную поворачивают на одно деление, и прибор вновь готов к работе.
Для определения усилий отрыва листьев или плодоножки от ветви (если их прочность связи выше, чем у плодоножки с плодом) используют этот же прибор, к которому предусматривают сменные захватные приспособления.
Достоверные результаты могут быть получены при отрыве не менее 30 плодов, плодоножек или листьев.
Угол качения плодов необходимо знать прежде всего для обоснования угла наклона улавливающей поверхности и выгрузных транспортеров, стенок затаривающих и упаковочных устройств.
Угол качения для плодов всех видов характеризуется двумя положениями равновесия: устойчивым и неустойчивым.
Устойчивое положение в зависимости от формы плода получают установкой его основанием (плодоножкой) вниз (для яблок), соцветием вниз (для груш) и т. д., т. е. таким образом, чтобы плод прочно стоял на горизонтальной плоскости.
Неустойчивое положение для плодов всех видов получают установкой их на горизонтальную плоскость боком.
Для определения угла качения плода может быть рекомендована следующая методика: выбирают деревянную гладкую поверхность достаточной толщины (такой, чтобы не было прогиба поверхности при подъеме за один конец), шириной 0,5 м и длиной 2,0 м. На один из концов деревянной поверхности устанавливают плод, и этот конец поднимают. При некотором угле наклона деревянной поверхности плод начинает перекатываться. Этот угол и будет углом качения плода. Угол качения фиксируется специальным устройством, сблокированным с деревянной поверхностью. Для получения достоверных результатов необходимо проводить опыт не менее чем для 10 плодов в трехкратной повторности.
Угол качения плодов по эластичным поверхностям определяют так же. Однако в этом случае деревянную поверхность покрывают соответствующим материалом. Непременным условием достоверности опытных данных в этом случае будет плотное прижатие испытуемой поверхности к деревянной.
Опытные данные по углу качения плодов, полученные различными исследователями в разных почвенно-климатических условиях, почти полностью согласуются. Так, угол качения яблок различных сортов из устойчивого положения находится в пределах 14 – 23°, из неустойчивого положения — в пределах 5 – 10°. Минимальная повторность опытов трехкратная (по 10 плодов в каждой пробе).
Исследование плодоуборочных машин с целью определения мест повреждаемости плодов — сложная задача, связанная с большими затратами времени и средств. Решение этой задачи позволит значительно улучшить качество плодов, убираемых машиной.
Согласно методике исследования определенное количество свежих плодов (желательно совершенно здоровых или предварительно осмотренных, на которых отмечены повреждения) пропускают по испытуемой машине. После этого плоды осторожно складывают в ящики, выдерживают некоторое время (обычно 3 – 4 суток), затем осматривают их. При проверке отдельных узлов машины плоды должны быть пропущены только через проверяемый узел. Для получения достоверных результатов такие опыты проводят не менее чем в трехкратной повторности.
С целью ускорения подобной работы некоторые исследователи предложили другие методы проверки машин. А. Я. Иванченко и др. предложили применять для этих целей шаровидные тензометрические датчики давления, что позволило усовершенствовать метод исследования плодоуборочной техники, сократить время на проведение исследования и получить объективный материал для оценки узлов машины с точки зрения повреждаемости, плодов.
Тензочувствительный шаровой датчик давления (рис. 6) имеет оболочку 3, в которой с помощью специальных растяжек 4 смонтирован тензочувствительный элемент 1. В качестве передающей среды 2 в оболочке может быть применен газ или жидкость. Тензочувствительный элемент имеет вывод 5, идущий к осциллографу.
Рис. 6. Шаровой датчик давления
Шаровые датчики помещают в массу плодов, которые поступают на исследуемую машину. При движении плодов по машине датчики реагируют на усилия, действующие на них, что фиксируется на осциллографической бумаге или на экране осциллографа. После обработки результатов измерений можно сразу определить наиболее опасные места в машине, где плоды подвергаются ударам, т. е. места в машине, которые нуждаются в конструктивной доработке.
В. А. Колесниченко и др. описывают шаровую модель плода, которую использовали для исследования механических свойств плодов с учетом механизации их уборки.
Модель плода (рис. 7) представляет собой полый шар 1, внутри которого установлена пружина 2. В центре шара внутри пружины 2 закреплен груз 6, где находится поджатый пружиной 5 свинцовый стержень 4, конец которого соприкасается с бумагой 3. Жесткость главной пружины 2 определяют при помощи груза 8, подвешиваемого на нити 7 через отверстие в оболочке шара к грузу 6.
Рис. 7. Модель плода
Применение модели плода при исследовании плодоуборочной техники позволяет определить энергию, воспринимаемую плодом.
Обладая определенными достоинствами, шаровые датчики с тензочувствительный элементом нуждаются в токопроводящем элементе, что сдерживает их применение на различных машинах.
Специалисты ВИСХОМа Е. А. Беляев и В. Д. Васин предложили шаровой радиотелеметрический датчик давления — радиоклубень, с помощью которого можно определять в машинах опасные места, повреждающие плоды. Радиоклубень может быть пропущен практически через любой узел машины,так как не имеет проводов, поэтому границы его применения резко расширяются.
Коэффициент трения покоя плодов определяют на приборе статического трения ПСТ:
где Тст — сила, необходимая на преодоление статического, трения; N — сила нормального давления.
Исследованиями автора установлено, что коэффициент трения покоя fп для плодов может быть найден простым способом. Для его определения может быть рекомендована следующая методика. На твердую поверхность 1 (рис. 8) укладывают исследуемый материал 2, на котором размещают плод 3. К плодоножке 4 плода прикрепляют гибкую нить 5, перекинутую через блок 6.
Рис. 8. Схема установки для определения коэффициента трения покоя плодов
В случае необходимости определения коэффициента трения fп в другой плоскости плода последний пронизывают иглой и протаскивают гибкую нить через него. На другом конце гибкой нити закрепляют груз 7, состоящий из нескольких разновесов разных размеров.
Зная массу плода, нормальная реакция которого равна N, и вес груза G, при котором плод начнет скольжение по испытуемой поверхности, определяют коэффициент трения покоя
где Fтр — сила трения; ηбл — коэффициент, учитывающий трение в блоке; N — нормальная реакция плода, которая в данном случае равна G.
Угол φ, на который равнодействующая сила R отклоняется от нормальной реакции N, называется углом трения покоя:
По данным ВИСХОМа им. В. П. Горячкина, коэффициент трения покоя fп яблок Джонатан по губчатой резине равен 0,57, по поропласту 0,55, по брезенту 0,35.
Коэффициент трения движения плодов определяют на дисковом приборе трения ДПТ.
Принцип работы прибора ДПТ состоит в измерении и записи силы трения FTp, возникающей между образцом и движущейся поверхностью. Формула по определению коэффициента трения движения имеет такой же вид, как и при определении коэффициента трения покоя на приборе ПСТ:
где Nдв — сила нормального давления.
Прибор ДПТ (рис. 9) состоит из рамы 1, диска 2, верхней панели 3 с укрепленным на ней динамографом и тахометра 7, предназначенного для контроля скорости и равномерности вращения диска. Динамограф состоит из вращающейся головки 4, рычага 10 каретки, рычага 5 пружины, двух силоизмерительных пружин 6 и пишущего столика 9. Механизм 11 обеспечивает включение пишущего столика и опускание каретки; механизм 8 — переключение частоты вращения диска (изменение передаточного числа).
Рис. 9. Схема дискового прибора трения движения ДПТ
Перед проведением опыта прибор устанавливают в горизонтальное положение, закрепляют диск с определенной поверхностью трения, заправляют пишущий механизм, ставят рычаг переключения скоростей в нужное положение и закрепляют испытуемый образец на каретке динамографа. Затем, вращая рукоятку с необходимой частотой, плавно опускают каретку до соприкосновения плода с поверхностью трения и производят запись в течение 2 – 3 с.
Коэффициент восстановления плодов К, представляющий собой отношение скорости плода после удара о поверхность uп к скорости в начале удара vп, определяют? сбрасывая плоды с определенной высоты и фиксируя при этом высоту их отскакивания от различных поверхностей:
где H1 — высота падения тела; H2 — высота отскакивания тела.
Установлено, что коэффициент восстановления при ударе яблок сорта Джонатан о поропласт толщиной 30 мм равен 0,38 – 0,43, толщиной 50 мм — 0,34 – 0,35, при ударе о губчатую резину толщиной 20 мм он находится в пределах 0,63 – 0,68.
Насыпную массу плодов определяют в жесткой таре вместимостью не менее 100 л, высотой не менее 500 мм.
Перед опытом устанавливают размеры и массу тары. Тару в горизонтальном положении загружают плодами вручную — сначала порциями, а затем поштучно, не догружая на 50 – 100 мм до верхнего края. Верхний слой плодов должен быть возможно плотнее размещен в горизонтальной плоскости. Тару с плодами накрывают крышкой. Зная толщину крышки hk и высоту тары Hт, линейкой замеряют расстояние h от крышки до края тары и затем вычисляют высоту H0 слоя плодов:
Зная площадь Sт дна тары и высоту Н0, вычисляют объем насыпанного слоя Vсл. Затем путем взвешивания находят массу Мпл плодов и определяют по формуле насыпную массу
Модуль упругости плодов может быть определен на образцах цилиндрической формы, вырезанных из совершенно здоровых плодов специальной трубкой внутренним диаметром 36 мм, имеющей острую режущую кромку. Высоту образца принимают равной половине диаметра, т. е. 18 мм. Образец готовят непосредственно перед нагружением, Рекомендуется перед опытом подсушить (вытереть) образец фильтровальной бумагой.
При проведении опыта образец нагружают на установке (см. рис. 3) при скорости нагружения v = 0,06 м/с плоским деформатором до деформации h1 = 2; 4 и 6 мм.
В ходе опыта на осциллограмме регистрируются усилие и деформация, путь движения деформатора и время процесса деформирования.
Модуль упругости плода (кгс/см2) находят по формуле
где Р — нагрузка; hoб — первоначальная высота образца; h1 — деформация; Fоб — первоначальная площадь образца.
