zabika.ru 1 2 ... 5 6

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. Семей

Документ СМК 3 уровня

УМКД


УМКД 042-18-5.1.05/03-2013

УМКД

Учебно-методические материалы по дисциплине «Импульсное резание пищевого сырья»


Редакция №__

«__»______2013 г.





УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ


«ИМПУЛЬСНОЕ РЕЗАНИЕ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ»


для специальности 6M072400 –

«Технологические машины и оборудование»


УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ













Семей

2013




Содержание


1 Глоссарий

2 Лекции

3 Практические занятия

4 Самостоятельная работа магистранта



1 ГЛОССАРИЙ
В настоящем УММ использованы следующие термины с соответствующими определениями:

Аппроксимация (приближение) — научный метод, состоящий в замене одних объектов другими, в том или ином смысле близкими к исходным, но более простыми.

Биотрансформация – (греч. bio(s) — жизнь и лат. transformatio — превращение) — химическое преобразование веществ живыми организмами или препаратами ферментов, в результате которого может происходить или инактивация этого вещества, или образование активного метаболита из неактивного исходного соединения.


Диафиз – (от греч. diaphýomai, расти между) — центральный отдел (тело) трубчатой кости, расположенный между эпифизами. Диафиз образован преимущественно компактным костным веществом, обычно имеет цилиндрическую или трёхгранную форму.

Импульсвекторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела.

Технологический процесс – операции, связанные с обработкой, переработкой, хранением и так далее, которые являются основной составной частью в производстве продукции. В результате осуществления технологических процессов происходит качественное изменение обрабатываемого объекта, в данном случае сырья, и продукт, как правило, становится готовым к употреблению в пищу.

Продовольственное сырье — объекты растительного, животного, микробиологического, а также минерального происхождения, вода, используемые для производства пищевых продуктов.


Метод – способ практического осуществления чего-либо.

Технологическая инструкция – описываются характеристика используемого сырья и употребляемых материалов, технологические процессы (приемы), методы контроля технологических процессов и качества готовой продукции.

Технологическая схема – указываются последовательность операций и их параметры, которые необходимо строго соблюдать. Семипалатинского государственного университета имени Шакарима;

Медико-биологические требования к качеству пищевых продуктов — комплекс критериев, определяющих пищевую ценность и безопасность продовольственного сырья и пищевых продуктов.

Пищевая ценность — понятие, отражающее всю полноту полезных свойств пищевого продукта, включая степень обеспечения физиологических потребностей человека в основных пищевых веществах энергию и органолептические достоинства. Характеризуется химическим составом пищевого продукта с учетом его потребления в общепринятых количествах.

Биологическая ценность — показатель качества пищевого белка, отражающий степень соответствия его аминокислотного состава потребностям организма в аминокислотах для синтеза белка.

Энергетическая ценность — количество энергии в килокалориях высвобождаемой из пищевого продукта в организме человека для обеспечения его физиологических функций.

Биологическая эффективность — показатель качества жировых компонентов продукта, отражающий содержание в них полиненасыщенных (незаменимых) жирных кислот.

продукты сохраняют качество, установленное стандартом или другим нормативным документом.
2 ЛЕКЦИИ

Лекция 1. Механические свойства компактной костной ткани.


1. Кость, как объект механической переработки.

2. Строение, состав и структура некоторых видов костного сырья.

3. Структурные уровни костной ткани.
Значительную часть костей после разделки туш и обвалки мяса на колбасных и консервных заводах используют в дальнейшем для получения пищевых и технических продуктов. Одним из основных видов сырья, используемого для выработки пищевых и технических жиров, бульонов, клея, костной кормовой муки, изделий ширпотреба являются трубчатые кости крупного рогатого скота.

На мясоперерабатывающих предприятиях первичной операцией переработки трубчатых костей является отделение эпифизов, которое производится согласно технологии по сечениям А-А и С-С (рис. 1.1). В дальнейшем из полученной трубчатой части извлекается жир.

c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image1.jpeg

Рис. 1.1. Трубчатая кость крупного рогатого скота:

1-диафиз; 2-эпифиз; 3-костно-мозговая полость; 4-надкостница;

5-компактная костная ткань; 6-губчатое костное вещество.

Рассмотрим строение трубчатой кости крупного рогатого скота. В трубчатой кости (рис. 1.1) различают два слоя: поверхностный (компактный), образованный плотной костной тканью, покрытый снаружи надкостницей, и глубокий (губчатый), состоящий из рыхлой костной ткани, содержащей костный мозг и жир. Количество компактного и губчатого вещества, а также костного мозга и жира в костях неодинаковое. Так, в средней части трубчатых костей (диафиз) имеется только компактное вещество, а трубка заполнена желтым костным мозгом. Компактная костная ткань богата коллагеном. На проксимальном и дистальном суставных концах эпифизов (кулаков) толщина компактного слоя составляет 1-2 мм, а губчатый слой, заполненный красным костным мозгом, занимает всю остальную часть. Компактная костная ткань является основным составным веществом диафиза трубчатых костей, воспринимающим и передающим на опорную поверхность тела самые различные нагрузки. В настоящей работе подробно рассматривается и исследуется компактная костная ткань, как наиболее прочная и, следовательно, оказывающая основное сопротивление процессу резания.

Кость есть в высшей степени специализированная форма соединительной ткани, состоящая из ветвящихся клеток в межклеточном веществе и образующая скелет или остов тела большинства позвоночных. От других форм соединительных тканей кость отличается многими свойствами различного рода; наиболее удивительным свойством кости является присущая ей твердость. Твердость кости есть результат наполнения легкой органической матрицы сложным неорганическим веществом, состоящим в основном из кальция, фосфата, карбоната и цитрата. Кость построена из клеток, общих для всех соединительных тканей.

Вещество наполнителя обызвествлено и имеет волокнистую структуру, подобную структуре соединительных тканей. Волокна представляют собой коллаген, одну из наиболее распространенных форм протеина.


Вещество основы кости, как соединительной ткани, характеризуется содержанием в нем мукополисахаридов. Третий главный компонент кости - неорганический, состоящий из сложных кристаллов, по всей видимости, апатита. О веществе основы можно сказать, что оно играет роль цементирующей связки.

Элементарной ячейкой структуры кости является остеон или гаверсова система,- нерегулярное цилиндрическое или ветвящееся образование с толстыми стенками и узкими просветами, называемыми гаверсовыми каналами. Каждый канал содержит один или более кровеносных сосудов, главным образом капилляров и мелких вен. Цилиндрические остеоны обычно ориентированы в направлении оси ткани. Стенки имеют явно выраженную слоистую структуру, фибриллы каждого слоя располагаются по спирали к оси канала. Направление фибрилл изменяется от слоя к слою. Гаверсова система, в структуре которой имеется центральный канал, содержит кроме того, большое число полостей, в которых располагаются остеоциты; полости связываются между собой с гаверсовым каналом с помощью разветвленной системы канальцев. Кровеносные сосуды, идущие в радиальном направлении, располагаются в так называемых фолькмановых каналах.

На рис. 1.2. показана микрофотография компактной костной ткани крупного рогатого скота. Здесь легко различимы гаверсовы системы (остеоны) и полости лакуны. Трехмерная структура остеона схематически изображена на рис. 1.3. В центре остеона канал, содержащий кровеносные сосуды. Намного более тонкими каналами он связан с полостями, в которых находятся остеоциты. Концентрические слои состоят главным образом из гидроксиапатита, заключенного в системы различным образом ориентированных коллагеновых волокон (прямые параллельные линии).

Приблизительно 50% площади сечения корковой части (надкостницы) зрелой кости состоит из гаверсовых систем, остальное - негаверсова кость и остатки остеонов, которые частично были заменены новыми.


В свое время считали, что кристаллы аппатита покрывают коллагеновое вещество, образуя корку. Однако недавние исследования, выполненные с помощью электронного микроскопа, дают основание полагать, что эти кристаллы в действительности располагаются внутри волокон. Размеры поперечного сечения кристалла равны 5050 , а длина варьирует от 50 до 1000 .

c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image2.jpeg

c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image3.jpeg

Рис. 1.2. Микрофотография компактной костной ткани крупного рогатого скота

Рис. 1.3. Структура остеона


Приблизительно на 70% по весу сухая кость состоит из неорганических кристаллов. Оставшиеся 30% приходятся на долю органических компонентов; 90-96% этого количества - коллаген, остальные 4-10% - другие протеины, конечные продукты биохимических реакций, а также вещество основы. Указанный состав приводится в работе Робинсона.

На основании ряда экспериментальных исследований было установлено, что одним из факторов, определяющих высокую несущую способность компактной костной ткани, является ее специфическое композитное строение. При этом полагалось, что ее композит содержит два основных компонента - коллагеновые волокна, выполняющие роль матрицы, и минеральные кристаллы, выполняющие роль армирующих элементов. Однако комплексные эксперименты, проведенные разрушающими и неразрушающими методами позволили выявить, что компактную костную ткань следует рассматривать как среду, в которой выделяются пять структурных уровней, рис. 1.4.


c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image4.jpeg

Рис. 1.4. Структурные уровни (1-5) компактной костной ткани

Первый, низший структурный уровень (1) составляют биополимерные макромолекулы тропоколлагена и неорганические кристаллы.

Второй структурный уровень (2) составляют коллагеновые микрофибриллы и неорганические кристаллы. Микрофибриллы образуются из пяти спирально расположенных тропоколлагеновых молекул, причем в продольном направлении они располагаются ступенеобразно с длиной смещения 650 . Их диаметр - 35 .

Третий структурный уровень (3) составляют волокна, образуемые множеством коллагеновых микрофибрилл и тесно с ними связанных посредством стереохимических связей минеральных кристаллов. Последние расположены как снаружи, так и внутри микрофибрилл и ориентированы преимущественно вдоль их продольной оси. При этом между отдельными кристаллами как в продольном, так и в поперечном направлениях образуются связи. Именно эту совокупность органических и неорганических веществ необходимо рассматривать как армирующий компонент костной ткани. Можно назвать ее коллагеново-минеральными волокнами. Они уложены в нелинейное межфибрильное вещество, состоящее в основном из мукополисахаридов и гликопротеинов, которые выполняют связующую роль.


Четвертый структурный уровень (4) составляют ламеллы - наименьший самостоятельный конструкционный элемент, образующий компактную костную ткань. Ламеллы могут иметь вид тонкостенных пластинок, изогнутых панелей или цилиндрических оболочек толщиной от 4 до 12 мкм. Они состоят из коллагеново-минеральных волокон, соединенных между собой связующим веществом.

Пятый структурный уровень (5) составляет остеон - конструкционный элемент, образующийся вокруг кровеносных сосудов, которые включаются в кость при ее развитии. Он состоит из концентрически расположенных костных ламелл толщиной 4-7 мкм. Их количество в остеоне может меняться от 5 до 20. Коллагеново-минеральные волокна в соседних ламеллах образуют между собой угол от 45° до 90°. Ламеллы в отдельном остеоне, как и сами остеоны, соединяются между собой при помощи связующего вещества. Средний диаметр остеонов меняется от 0,25 до 0,29 мм. По объему средней части толщины компактного слоя кости они образуют пространственно переплетенную систему с некоторой спиральной ориентацией.

Первый и второй структурные уровни являются слишком низкими - они рассматривают структурные компоненты на молекулярном уровне. Поэтому замена фактически неоднородной среды условно однородной анизотропной на этих уровнях связана с существенными погрешностями. Четвертый и пятый структурные уровни, в свою очередь, соответствуют уже некоторым самостоятельным конструкционным элементам кости. Поэтому при рассмотрении компактной костной ткани как сплошной среды в качестве основного можно принять третий структурный уровень. Концепция сплошности будет выполняться, если механические свойства материала будут определены при испытании образцов, толщина или диаметр которых на два-три порядка выше характерного размера структурного уровня (в данном случае равного 2000 ). Следовательно, толщина или диаметр образцов не должен быть меньше 0,2 мм. Это условие строго соблюдалось при разработке методики испытаний образцов из компактной костной ткани.


Анализ приведенных в литературных источниках исследований показывает, что кость отличается своеобразным строением. По структуре и составу костная ткань является самой сложной из всех видов соединительной ткани. Основным составным веществом трубчатых костей является компактная костная ткань, воспринимающая физические нагрузки.

Основное сопротивление процессу резания трубчатых костей оказывает именно компактная костная ткань, как наиболее прочная и основная часть диафиза кости. Процесс резания кости характеризуется возникающим в ней напряженно-деформированным состоянием, которое зависит не только от параметров рабочих органов, но и от механических свойств компактной костной ткани, знание которых дает основу для расчета рабочих органов резательных машин, позволяет совершенствовать технологию производства продукции, а также является основой для более глубокого изучения физики процесса.
Лекция 2. Методы экспериментального исследования механических свойств компактной костной ткани.

1. Ориентация сторон кости и их названия.

2. Проблемные вопросы теории и практики импульсного резания.
Рассмотрим форму поперечного сечения большой берцовой кости крупного рогатого скота. По общепринятым представлениям в анатомии, каждая сторона поперечного сечения имеет определенное название. На рис. 1.5 представлено поперечное сечение диафизарной части большой берцовой кости.

c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image5.jpeg


Рис. 1.5. Поперечное сечение кости и линии угловой ориентации сторон.

Верхняя передняя грань называется дорсальной поверхностью. Далее название сторон кости производится от средины передней грани (дорсальной поверхности) кости по часовой стрелке для правой конечности и против часовой стрелки для левой. При этом названия сторон кости следующие: латеральная-1, каудальная-2, медиальная-3.

Исследование механических свойств такой сложной, неоднородной, анизотропной структуры, как костная ткань проводится в определенным образом выбранной системе координат. За линию отсчета принимается прямая, проведенная через центр тяжести поперечного сечения диафиза и переднюю грань кости. Из центра тяжести кости проводятся оси, нормально идущие к сторонам сечения. Таким образом, между осями имеет место угловая ориентация, показанная на рис. 1.5.

Следует отметить, что механические свойства компактной костной ткани изучаются на образцах, которые изготовлены из тех или иных участков сечения и, кроме того, могут быть по разному ориентированы вдоль главных осей анизотропии кости, рис. 1.6.

Ориентация осей принятой координатной системы выбирается на основе анализа симметрий в структуре костной ткани. Ось Х1 совмещалась с превалирующим направлением остеонов в компактной костной ткани, т.е. с продольной осью кости. Так как в компактной костной ткани, особенно в ее наружном слое, наблюдается цилиндрическая структура ламеллярной безостеонной костной ткани, то направление Х2 выбирается вдоль касательной к окружности сечения, а направление оси Х3 принималось ортогональным к осям Х1 и Х2. Эти направления были называются тангенциальным и радиальным.


c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image6.jpeg

Рис. 1.6. Ориентация образцов в диафизе большой берцовой кости.

Установлено, что наибольшей чувствительностью к релаксации напряжений обладают образцы, ориентированные в направлении оси Х3, наименьшей - в направлении оси Х1.

Анализ результатов исследований механических свойств компактной костной ткани человека и крупного рогатого скота позволил выявить целый ряд нерешенных, но важных для теории и практики вопросов. Отметим главные из них: отсутствует комплексный подход к изучению механических свойств, как анизотропной среды с точки зрения механики деформируемого твердого тела; нет единой методики механических испытаний компактной костной ткани, что приводит к существенным различиям между данными, полученными разными исследователями; определены лишь некоторые характеристики упругих и прочностных свойств компактной костной ткани крупного рогатого скота, что не позволяет создать достоверную математическую модель для описания механического поведения в широком интервале скоростей нагружения и деформирования.

Наука об изучении механического поведения биологических объектов - биомеханика, успешно развивающаяся в последнее время применительно к нуждам медицины, должна столь же успешно развиваться и для нужд пищевой промышленности, особенно связанной с механической переработкой костного сырья в мясной промышленности.

Лекция 3. Динамические характеристики костной ткани и методы ее определения.

1. Влияние скорости деформирования на поглощение энергии в процессе разрушения и предельное напряжение при сжатии компактной костной ткани.

2. Влияние скорости деформирования на модуль упругости компактной костной ткани.

3. Влияние скорости деформирования на коэффициент Пуассона.

Рассмотрим влияние скорости деформирования на механические свойства компактной костной ткани. В качестве объекта исследования служили образцы берцовой кости человека (бальзамированные); размеры образцов были 4,54,56,5 мм. В ходе исследования определялись предельное напряжение при сжатии, поглощение энергии в процессе разрушения, модуль упругости, деформацию при разрушении и, в некоторых случаях, коэффициент Пуассона - при скоростях деформации от 10-3 до 1,5  10-3 сек-1, рис. 1.7.


c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image7.jpeg

Рис.1.7. Кривые деформации образцов из берцовой кости человека при различных скоростях деформирования. Числа у кривых - скорость деформирования, в с-1.

Как видно из зависимостей, приведенных на рис. 1.7, с увеличением скорости деформирования такие механические характеристики, как предельное напряжение при сжатии и модуль упругости, увеличиваются. На основании этих исследований авторы высказывают предположение о существовании «критической» скорости деформирования кости, при которой материал резко изменяет свойства при малом изменении скорости деформации. В опытах авторов резкое изменение поглощаемой энергии и деформации при разрушении имеют место при скоростях 0,1 и 1,0 с-1. «Критическая» скорость деформирования (для бедренной кости человека она равна 1 с-1) соответствует максимуму затраченной удельной энергии. Если скорость нагружения выше или ниже критической, то для разрушения требуется уже меньше удельной энергии деформации.

В описанных опытах нагрузка прикладывалась в направлении оси Х1. Авторы предполагают, что тип разрушения, характерный для низких скоростей деформаций, определяется нарушениями слоистой микроструктуры, которые заканчиваются разделением материала и разрушением по наиболее слабым плоскостям. В то же время разрушение, типичное для высоких скоростей, происходит по поверхностям, склеивающим отдельные гаверсовые системы, представляющие собой цельные цилиндры, простирающиеся на большие расстояния вдоль оси кости.


Беккер с соавторами исследовал внедрение ударника в кость, при котором определялась динамическая кривая сжатия и разрушающее напряжение. Все опыты проводились на цилиндрических образцах компактного вещества коровьей берцовой кости, вырезанных в направлении оси кости и нагружаемых в том же направлении. Результаты опытов обрабатывались с помощью соотношения:


c:\users\007\appdata\local\temp\finereader10\media\image8.jpeg




где  - напряжение;

v - скорость нагружения;

E - модуль упругости;

- плотность компактного вещества.

Величины модуля и разрушающего напряжения, полученные на 26 образцах, свидетельствуют о тенденции к росту указанных величин с увеличением скорости нагружения. Максимальное значение секущего модуля, полученное при наивысшей скорости нагружения 104 МПа/с, оказалось равным 18000 МПа, при этом разрушающее напряжение было 275 МПа. Плотность, определенная взвешиванием и измерением линейных размеров образцов, испытанных на удар, была равна 2060 кг/м3.


Ударные испытания на образцах из свежей берцовой кости коровы проводились при скоростях ударника от 27 до 117 м/с. Одним из наиболее интересных результатов этих авторов является существенно более высокое сопротивление удару целой кости по сравнению с характеристиками малых образцов. Растрескивание, наблюдаемое при ударе со скоростью около 60 м/с по малому образцу, соответствует структуре, получающейся на целой кости при ударе по ней со скоростью 240 м/с.

К сожалению, авторы не описывают детально методику ударных испытаний. При таких высоких скоростях удара следует считаться с волновым характером распространения деформации по образцу, поэтому полученный результат может быть следствием методики.

Зависимость прочности костной ткани от скорости нагружения изучались Б.В. Кулишевым. Автором использовалась специальная лабораторная установка, оснащенная соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что увеличение скорости нагружения приводит к повышению уровня разрушающих напряжений. Так при максимальной скорости нагружения 8 м/с получены следующие результаты разрушающих напряжений: для трубчатой кости -= 127,5106 Па; для реберной кости -  = 53,3106 Па; для позвонковой кости -= 7,3106 Па.


Кроме приведенных исследований, в которых механические свойства определялись разрушающими методами испытаний, предпринимались попытки их нахождения и неразрушающими методами. Так, динамический модуль упругости Е компактной костной ткани вдоль оси Х1 был определен посредством прозвучивания ультразвуком с частотой fп= 100 кГц и оказался равным 248901330 МПа.

Применение вибрационного метода позволило выявить характер изменения динамического модуля упругости Е, в зависимости от более низких частот, таблица 1.1.
Таблица 1.1 Значения динамического модуля упругости





Частота, Гц

35,4

353,6

500-3500


Динамический модуль упругости, МПа

6480 - 10200

12340 - 15200

17030


Однако впоследствии было показано, что при циклическом растяжении-сжатии при воздействии еще более низких частот (от 0,66 до 7,5 Гц), т.е. в пределах физиологических норм, динамический модуль упругости Е1 оказался выше (16100400 МПа), чем найденный ранее.

В рассмотренных работах образцы для испытаний обычно брались из диафизарного отдела кости, но более точное их местоположение не указывалось. Тем самым авторы работ как бы предполагали, что кость имеет однородное строение и свойства костной ткани не зависят от ее локализации в объеме кости. Сомнительность такого предположения показана в ряде работ, в которых, однако, приводятся лишь данные об изменении механических свойств вдоль оси Х1.

Характер изменения динамических модулей упругости относительно осей Х1, Х2 и Х3 для костной ткани человека определены в работах. Величины модулей установлены при прозвучивании коротких образцов при частоте fп = 1670 кГц и равны: Е1 = 31960 МПа; Е2 = 20420 МПа; Е3 = 18590 МПа. Степень анизотропии динамических модулей упругости в зависимости от ориентации исследуемых образцов - Е1: Е2 : Е3 = 1: 0,64 : 0,58


Обзор экспериментальных работ, посвященных изучению влияния скоростей деформирования на механические свойства костной ткани, позволяет сделать следующие выводы:

1. для компактной костной ткани влияние скорости нагружения или деформации весьма заметно сказывается на механические свойства;

2. с повышением скорости деформации модуль упругости и напряжение разрушения возрастают;

3. практически отсутствуют данные о динамических механических характеристиках компактной костной ткани крупного рогатого скота.

Из вышеизложенного следует, что с увеличением скорости деформирования меняется вид диаграммы , как главной механической характеристики материала и, следовательно, расчеты высокоскоростных процессов переработки сырья и оборудования по статическим диаграммам деформирования могут привести к большим ошибкам, а иногда и к принципиально неверным результатам.

Резание костного сырья на машинах импульсного принципа действия производится при скоростях порядка 20 м/с и более. Следовательно, расчет рабочих органов машин импульсного резания должен производиться с учетом динамических механических свойств сырья, величины которых существенно отличаются от их статических значений.

Приведенные в литературных источниках данные о динамических механических свойствах крайне ограничены и практически отсутствуют для костной ткани крупного рогатого скота. Поэтому результаты, описанные в данном разделе, не могут быть использованы для количественных оценок динамических механических свойств из-за противоречивости, недостаточности и в ряде случаев несовершенства применявшихся методик и оборудования.


Существующие испытательные машины не позволяют проводить испытания при высоких скоростях деформации, поэтому определение динамических механических характеристик и, в частности, динамической диаграммы деформирования, как главной механической характеристики материала, требует создание нового испытательного оборудования и методов по определению данных характеристик.



следующая страница >>