Обзор методов и способов измерения физико-механических параметров рыбы

Обзор методов и способов измерения физико-механических параметров рыбы

Знание фрикционных, реологических и прочностных свойств сырья позволяет решать не только конструкторские, но и технологические задачи, направленные на повышение производи тельности труда и улучшение качества продукции.

Линейные и морфометрические характеристики рыб, а также координаты центра тяжести и плотность рыб являются необхо димыми данными для конструирования рыбообрабатывающего оборудования и могут быть использованы для оптимизации технологических процессов.

Определением линейных и морфометрических характеристик рыб занимались практически все бассейновые научно-исследо вательские институты и некоторые конструкторские бюро, од нако нет единой методики обработки экспериментальных дан ных. УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ Исходя из общепринятых требований, конструкция экспери ментальной установки для исследования коэффициентов тре ния рыб должна быть как можно проще и вместе с тем гаран тировать достаточную надежность полученных результатов.

Существует несколько различных схем экспериментальных установок для исследования коэффициентов трения покоя и кинетических коэффициентов трения рыб по твердым поверх ностям.

Довольно широкое распространение в рыбной промышленности получил способ определения коэффициентов трения посредством движения рыбы по наклонной плоскости.

Однако результаты, полученные этим способом, нельзя считать досто верными, поскольку трудно учесть продолжительность непод вижного контакта рыбы с плоскостью, при этом деформация тела рыбы происходит под действием нормальной составляю щей силы тяжести и, следовательно, отличается от деформации тела рыбы, находящейся на горизонтальной плоскости.

Деформация тела рыбы связана непосредственно с площадью фрик ционного контакта, от которой зависит сила трения.

Следова тельно, данные, полученные на установке с наклонной и гори зонтальной плоскостями, будут различными. Для исследования коэффициентов трения покоя чаще всего применяются установки двух видов: установки, в которых пере мещается рыба, и установки, в которых перемещается иссле дуемая поверхность. Для исследования кинетических коэффи циентов трения необходимо, чтобы скорость относительного пе ремещения рыбы изменялась в широком диапазоне.

Фиксирующая часть установки должна обеспечивать запись всего процесса трения на пленку или ленту. Такая запись поз воляет проанализировать процесс трения, а также установить характер и сущность взаимодействий между рыбой и исследуемым материалом.

Запись процесса трения можно осуществить, если в качест ве измерительного устройства использовать упругий элемент с небольшой жесткостью и фиксировать непосредственно переме щение упругого элемента или же выбрать упругий элемент зна чительной жесткости и его деформацию записывать посред ством тензодатчиков, усилителя и шлейфового осциллографа.

Запись процесса трения посредством тензодатчиков является наиболее приемлемой, поскольку можно изменять чувствитель ность тензодатчиков в широком диапазоне посредством тензоусилителя.

Установки для исследования коэффициентов трения покоя. Схема установки для определения коэффициентов трения покоя представлена на рис. 1. На столе 1 установлены направляю щие 2, по которым перемещается тележка 3. Перемещение те лежки осуществляется приводной станцией посредством гибкой нити.

Приводная станция состоит из двигателя постоянного то ка 4 и редуктора 5. На выходной вал редуктора насажен шкив 6. Один конец нити закреплен к тележке, а другой к шкиву.

Гибкая нить наматывается на шкив и перемещает тележку. На тележку укладывают исследуемый материал, с которым кон тактирует рыба. Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования коэффициентов тре ния покоя.

Гибкая нить 7 одним концом закрепляется к рыбе, огибает блок 8, а другим концом крепится к пружинной балке 9 с на клеенными с двух сторон тензодатчиками. При включении двигателя тележка перемещается, а рыба остается неподвижной. Под действием силы, необходимой для сдвига рыбы с места, пружинная балка деформируется, и сиг нал от тензодатчиков через тензоусилитель 8АНЧ-7М 10 запи сывается осциллографом К-24 11. Размеры пружинных балок выбирают в зависимости от предполагаемой величины измеряемой силы. Нами применя лись четыре сменные пружинные балки со следующими разме рами ( —толщина балки, мм; b — ширина балки, мм; l — вы лет балки, мм):

= 2 мм; b = 51 мм; l = 63 мм;
=1,2 мм; b = 17 мм; l = 90 мм;
= 1 мм; b = 11 мм; l = 62 мм;
= 0,5 мм; b = 11 мм; l = 50 мм.
Установки для исследования кинетических коэффициентов трения рыб. Под кинетическим коэффициентом трения рыб по нимается коэффициент трения скольжения рыб по соответст вующему материалу. В рыбообрабатывающих и транспортирующих машинах ры ба перемещается относительно рабочих органов и поэтому при проектировании новых, а также при исследовании существую щих машин для определения оптимальных параметров необхо димо располагать данными о силах трения скольжения.

Конструкция экспериментальной установки должна обеспе чивать возможность определения коэффициента трения сколь жения между рыбой и соответствующей поверхностью. В связи с тем, что сила трения зависит от скорости, коэффициент тре ния скольжения будем называть кинетическим коэффициентом Трения. Под кинетическим коэффициентом трения понимают отношений силы трения скольжения при установившейся скоро сти движения к силе нормального давления рыбы на плоскость.

Кинетические коэффициенты трения рыб можно исследо вать на специальных установках, описанных ниже.

Первые две аналогичны установкам, применяемым для исследования трения покоя. На этих установках можно исследовать кинетические коэффициенты трения при малых скоростях скольжения. При скоростях скольжения свыше 0,1 м/с выполнить соответствующие исследования невозможно, поскольку длина плоскости скольжения практически не превышает 1 м и за столь корот кий период времени не успевает сформироваться фрикционный контакт, а, следовательно, сила трения скольжения будет ве личиной переменной. При скоростях скольжения свыше 0,1 м/с исследования си лы трения скольжения проводились на установке с вращаю щимся диском и установке «Экспресс». Установка с вращающимся диском. Схема уста новки представлена на рис. 2. Установка состоит из электро двигателя постоянного тока 1, который через приводную стан цию 2 вращает диск 3. Приводная станция состоит из червяч ного цилиндрического редуктора и ременной передачи со смен ными шкивами. На кронштейне 4 консольно закреплена пру жинная балка 5 с двумя наклонными тензодатчиками 6. Гиб кая нить 7 крепится к пружинной балке 5, огибает направляю щий блок 8 и другим концом крепится к рыбе.

Диаметр смен ных дисков 3 равен 1 м. Они могут изготовляться из различных материалов (нержавеющая сталь, оргстекло, винипласт, про резиненная лента и т. д.). Рис. 2. Установка с вращающимся диском для исследования кинетических коэффициентов трения. В процессе проведения эксперимента сила трения между рыбой, находящейся в неподвижном состоянии, и материалом вращающегося диска передается через гибкую нить на пружин ную балку с тензодатчиками, далее сигнал поступает на тен зостанцию и записывается шлейфовым осциллографом.

Скорость вращения диска регулируется путем изменения напряже ния в обмотке возбуждения двигателя и сменных шкивов рем енной передачи. На установках такого типа можно исследо вать силы трения при скоростях скольжения от 0,1 до 2 м/с.

Преимущество установки этого типа заключается в том, что при сравнительно небольших габаритах они позволяют иссле довать силу трения между рыбой и соответствующим материа лом в широком диапазоне скоростей скольжения.

Однако уста новка, имеет и недостатки. Рыба, уложенная в процессе эксперимента на вращающийся диск, находится в неподвижном со стоянии, поэтому не подвержена воздействию центробежных сил.

Однако траектория относительного перемещения отдельных точек тела рыбы состоит из окружностей разного диамет ра, и, по-видимому, элементарные силы трения будут в различных точках иметь разные направления. В связи с этим необхо димо исследовать погрешности, допускаемые при замере суммарной величины силы трения.

Установка «Экспресс». Разработана С. И. Брилем и состоит из движущейся наклонной плоскости, к которой кре пится соответствующий материал 1 (рис. 3). Исследуемый образец (или рыба) является звеном параллелограммного четы рехзвенного механизма ABCD . Звенья механизма 3 и 4 явля ются гибкими нитями.

Плоскость движения механизма парал лельна плоскости 1. При исследовании трущейся пары плос кость 1 перемещается в направлении х—х с постоянной ско ростью . Между плоскостью 1 и исследуемым образцом 2 воз никает сила трения, увлекающая за собой образец 2. Рис. 3. Схема установки «Экспресс» При этом гибкие звенья четырехзвенного параллелограмма отклоняются от плоскости АтК на угол . Сила тяжести образ ца G стремится вернуть образец 2 в исходное положение. В не котором положении нитей наступает равновесие механизма. Угол отклонения нитей в этом положении пропорционален коэффициенту трения.

Плоскость АтК перпендикулярна пло скости KmX и параллельна силе тяжести G . Силы, действующие в установке, изображены на рис. 4. Рис. 4. Силы, действующие в установке «Экспресс»: а – фронтальная плоскость; б – нормальная плоскость КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ РЫБ Коэффициенты трения покоя рыб. Опыты по определению коэффициентов трения покоя различных видов рыб по поверх ностям из различных материалов проводят на специальных эксперимен тальных установках . Сила трения между рыбой и различными поверхностями де формировала балку с тензодатчиками и через тензоусилитель записывается шлейфовым осциллографом на фотобумагу. По осциллограмме процесса трения определяют силу трения покоя, т. е. минимальную силу, необходимую для сдвига рыбы с места. Чем больше продолжительность неподвижного контак та, тем больше сила трения.

Коэффициент трения покоя опре деляют как частное от деления силы трения на силу нормаль ного давления (силу тяжести при горизонтальной плоскости): (1) Так как коэффициент трения покоя зависит от нормального давления, т. е. от силы тяжести рыбы, поэтому при проведении экспериментов подбирают рыб, незначительно различающихся по массе.

Однако даже при одинаковой массе рыб коэффициенты трения покоя различаются. Для достоверно сти результатов определяют необходимое число экспериментов по формуле (2) где t ( p ) — доверительный интервал; — доверительная оценка погрешности; — среднее квадратичное отклонение.

Таблица 1
Коэффициент трения f i Среднее значение коэффициента трения f ср f = f ср - f i f i 2
0.22 +0.05 0.0025
0.23 +0.04 0.0016
0.34 –0.07 0.049
0.26 0.27 +0.01 0.0001
0.31 –0.05 0.0025
Необходимое число экс периментов можно определить следующим образом.

Сначала провести пятьшесть экспериментов и рас считать доверительный ин тервал, а затем уточнить необходимое количество из мерений, исходя из того, что уменьшение доверитель ного интервала в раз обес печивает увеличение количества измерений в 2 раз. В табл. 1 приведены результаты опытов по определению коэффициен тов трения покоя атлантической сельди по нержавеющей стали при продолжительности неподвижного контакта, равной 10 с. Все эксперименты по определению коэффициентов трения покоя проводились в зависимости от продолжительности непод вижного контакта. Время неподвижного контакта принималось равным 0, 10, 20, 30, 40, 60, 120, 180, 240-и 300 с. Как было установлено, изменение силы трения практически проис ходит в интервале от 0 до 300 с.

Коэффициенты трения покоя зави сят от массы рыбы и температуры ее тела. При проведении экс периментов брали рыб массой, наиболее характерной для дан ного вида.

Поскольку коэффициент трения покоя изменяется обратно пропорционально корню кубическому из массы рыбы, то при изменении массы рыбы в 1,5 раза коэффициент трения изменяется в 1,13 раза. Все эксперименты проводили при тем пературе 10—12° С. Кинетические коэффициенты трения рыб.

Кинетические ко эффициенты вычисляются как частное от деления силы трения на силу нормального давления. Силы трения определяются в за висимости от скорости скольжения на экспериментальных установках, описанных в разделе «Установки для исследования ко эффициентов трения». Силы трения опре деляются по осциллограмме для того момента, когда фрикцион ный контакт полностью сформирован.

Анализируя осциллограмму процесса трения, можно еще раз убедиться в том, что сила трения зависит от площади фрикци онного контакта. В начальный момент сила трения меньше, чем в конце; по мере формирования площади фрикционного кон такта она увеличивается.

Площадь фрикционного контакта при движении формируется значительно быстрее, чем при покое. Ее формирование практически заканчивается за 5—6 с. В интервале исследованных скоростей будет иметь место полужид костное трение. В процессе взаимного перемещения между рыбой и соответ ствующим материалом устанавливаются фрикционные связи, которые непрерывно возникают и разрушаются.

Количество установившихся связей зависит от относительной скорости сколь жения, формы тела рыбы (т. е. площади фрикционного кон такта) и свойств исследуемого материала. Как правило, с увеличением скорости сила трения, а, сле довательно, коэффициент трения уменьшаются. Это объясняет ся тем, что с увеличением скорости относительного перемеще ния уменьшается количество связей между рыбой и исследуе мым материалом, а, следовательно, и коэффициентом трения. По-видимому, при скорости более 2 м/с имеет место жидкостный режим трения, при котором с увеличением скорости воз растает сила трения. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О КОЭФФИЦИЕНТАХ ТРЕНИЯ РЫБ Коэффициенты трения единичных экземпляров рыб. Были проведены многочисленные исследования по определению коэффициентов трения единичных экземпляров некоторых ви дов рыб по материалам, наиболее часто используемым для из готовления рабочих органов рыбообрабатывающих машин.

Экспериментальные исследования по определению коэффи циентов трения и кинематических коэффициентов трения про водили на установках, описанных в разделе «Установки для исследования коэффициентов трения». Опыты проводили только с размороженной рыбой. Для достоверности результатов опыты по определению коэффициентов трения при одних и тех же продолжительности неподвижного контакта и скорости повторяли 15—20 раз, а затем определяли средние значения и средние квадратичные отклонения. По сред ним значениям строили графические зависимости коэффициен тов трения покоя от продолжительности неподвижного кон такта, На рис. 5 представлены графические зависимости ко эффициентов трения покоя сельди по нержавеющей стали, орг стеклу и прорезиненной лейте от про должительности неподвижного контакта. Как видно из приве денных данных, наименьший коэффициент трения покоя получен при контакте сельди с оргстеклом, несколь ко больший — при контакте с прорезиненной лентой . Оргстекло имеет чистоту поверхности, соответствующую седьмому, а нержавеющая сталь — пятому классу шероховатости. При контакте рыбы с нержавеющей сталью и оргстеклом сила трения, по-видимому, в основном обусловливается адгезионной составляющей, поэтому коэффициенты трения сравнительно невелики. Рис. 5. Зависимость коэффициентов трения покоя сельди от продолжи тельности неподвижного контакта: 1 — сельдь — прорезиненная лента; 2 — сельдь — нержавеющая сталь; 3 — сельдь — орг стекло: а — при ориентации рыбы головой по направлению движения; б — то же, хвостом по направлению движения.

Прорезиненная лента является легко деформируемым материалом, при контакте с которым сила трения обусловливается деформационной и адгезионной составляющими, а поэтому и коэффициент трения для этого материалов значительно больше, чем для других. При ориентации сельди хвостом по направлению движения коэффициент тре ния будет несколько больше, чем при ее ориентации головой по направлению движения. Это объясняется строением чешуй чатого покрова. При ориентации рыбы хвостом по направлению движения увеличивается деформационная составляющая силы трения.

Коэффициенты трения рыб, замороженных в брикеты. Для транспортировки рыбы, замороженной в брикеты, по наклон ным плоскостям и посредством конвейеров необходимо знать углы наклона, при которых возможна такая транспортировка. Углы наклона можно определить, если известны коэффициен ты трения tg = tg = f (3) где - угол трения; - угол наклона плоскости; f - коэффициент трения.

Коэффициенты трения рыбы, замороженной в брикеты, определяли на тех же экспериментальных установках, что и коэффициенты трения покоя отдельных экземпляров рыб. Ис следованные поверхности водой не смачивались. На рис. 6 и 7 представлены экспериментальные данные исследований коэффициентов трения рыб, замороженных в брикеты, по нержа веющей стали и прорезиненной ленте в зависимости от продолж ительности неподвижного контакта.

Анализ опытных данных позволяет предполагать, что между льдом и исследуемой поверхностью устанавливаются так называемые мостики сварки, которые и обусловливают величину силы трения. Рис. 6. Коэффициенты трения покоя различных видов рыб, замороженных в брикеты, в зависимости от продолжительности контакта с нержавеющей сталью: 1 — сельдь; 2 —треска; 3 —сайра; 4 — ставрида; 5 — скумбрия; 6 — сардинелла. Рис.7. Коэффициенты трения покоя различных видов рыб, замороженных в брикеты, в зависимости от продолжительности неподвижного контакта с резиной: 1—сельдь; 2—треска; 3—сайра; 4—ставрида; 5—скумбрия; 6 — сардинелла . Чем больше продолжительность неподвижного контакта, тем больше уста навливается мостиков сварки и, следовательно, тем больше си ла трения.

Поскольку для разных видов рыб, замороженных в блоки, коэффициенты трения различны, то, по-видимому, от дельные экземпляры рыб по-разному касаются исследуемой поверхности. Чем больше поверхность касания, тем больше сила трения. Сила трения между брикетом и исследуемой поверх ностью будет зависеть от толщины слоя глазуровки.

Данный фактор, на наш взгляд, является решающим. В связи с этим приведенные экспериментальные данные являются сугубо ори ентировочными. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ ТЕЛ Реологические свойства реальных тел могут характеризо ваться упругостью, вязкостью и пластичностью. При описании реологических свойств тела рыбы будут использованы и другие термины, такие, как напряжение, деформация, релаксация и т. д.. Под упругостью обычно понимают свойство тела мгновенно изменять спою форму под действием приложенной силы, а после снятия напряжения во сстанавливать первоначальную форму.

Вязкость — мера сопротивления, течению жидкости, равная отношению напряжения сдвига к скорости сдвига.

Различают ньютоновские и неньюто новские жидкости.

Ньютоновская жидкость характеризуется тем, что напряжение в ней пропорционально скорости деформации, т. е. коэффициент динамической вязкости является величиной постоянной. У неньютоновской жидкости при заданных температуре и давлении коэффициент динамической вязкости зависит от скорости деформации.

Пластические свойства тела характеризуются пределом текучести, т. е. уровнем напряжения, ниже которого пластическая деформация отсутствует или незначительна.

Пластическое тело, так же как и вязкое, является дис сипативной системой. В случае вязкого течения механическая энергия, ко торая диссипировалась при возникновении данной деформации, зависит от скорости деформации, тогда как в случае пластического течения диссипированная энергия не зависит от скорости деформации.

Деформация представляет собой смещение частиц материального тела, при котором не нарушается непрерывность самого тела.

Способность де формироваться под действием внешних сил — основное свойство материалов всех реальных тел. Под деформацией обычно понимают не только процесс относительного перемещения точек тела, протекающий во времени, по и мгновенное перемещение точек тела в любой фиксированный момент времени в течение: это го процесса.

Деформация может быть другой, т. е. исчезающей после снятия нагрузки, и остаточной, необратимой. Если деформация тела под действием ко нечных сил растет непрерывно и неограниченно, значит, материал течет. Пла стическое течение возникает только тогда, когда силы превышают некоторый предел, называемый пределом текучести.

Вязкое течение может происходить под действием любых сил.

Скорость деформации в этом случае пропорцио нальна величине действующей силы и при исчезновении ее обращается в нуль.

Следовательно, материал, которому присуще вязкое течение, является жидкостью, так как сколь угодно малому напряжению отвечает неогра ниченное возрастание деформации со временем; после снятия напряжения деформация не восстанавливается.

Обратимость деформации есть проявле ние свойства упругости, и соответственно вся обратимая деформация являет ся упругой. При снятии нагрузки упругая деформация полностью исчезает. Под действием внешних сил происходит изменение формы и размеров тела, т. е. все реальные тела деформируются.

Величина и характер дефор мации зависят от свойств материала, его формы и способа приложения внешних сил.

Деформация тела сопровождается возникновением внутренних сил взаимодействия между частицами, т. с. напряжением. Под напряжением понимается мера интенсивности внутренних сил.

Различают мгновенную и запаздывающую упругую деформации. По скольку в реальных телах, как деформация, так и напряжение распростра няются с конечной скоростью, то мгновенная деформация является абстракцией. Если скорость распространения деформации весьма велика, то время процесса деформации с небольшой погрешностью можно принять равным нулю. Такую деформацию принято называть мгновенной.

Упругую деформацию, протекающую во времени, принято называть зап аздывающей упругой деформацией. Под ползучестью понимается возрастание деформации при постоянном напряжении, а соответствующая деформация называется деформацией пол зучести.

Релаксация напряжений — это уменьшение напряжений в теле при по стоянной деформации. При этом предполагается, что деформация создается с большой скоростью, в противном случае релаксация напряжений может частично пли полностью пройти за время создания деформации. МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ С ВОЙСТВА РЕАЛЬНОГО ТЕЛА Процесс деформации реального тела весьма сложен, поэто му построить математическую модель такого тела трудно даже при наличии эмпирических коэффициентов. В действительности модель должна описывать такие свойства, как упругая дефор мация, пластическое и вязкое течение, ползучесть и релакса ция и т. д. Если бы даже удалось создать такую модель, то она была бы слишком громоздкой для того, чтобы служить основой для решения задач, связанных с определением напря жений и деформаций в твердых телах. В связи с этим обычно пользуются более простыми моделями, описывающими лишь те механические свойства, которые наиболее существенны для рассматриваемой задачи.

Наиболее известными моделями такого типа являются упру гое тело Гука и ньютоновская вязкая жидкость, представляю щие собой математические абстракции, лишенные физической реальности и тем не менее являющиеся полезными средствами для изучения реальных физических свойств.

Упругое тело является консервативной системой, т. е. меха ническая энергия, используемая для совершения деформации, накапливается в теле и может быть получена обратно при раз грузке.

Вязкое тело, т. е. такое тело, в котором напряжение зависит от скорости деформации, является диссипативной системой, поскольку механическая энергия, затраченная на прео доление внутреннего трения, препятствующего деформирова нию, обращается в теплоту. При математическом описании конечных деформаций упру гого тела возникают определенные трудности, обойти которые можно, ограничившись рассмотрением бесконечно малых дефор маций.

Рассмотрение конечных деформаций для вязких жидкостей не приводит к особым математическим затруднениям.

Различия в математическом описании конечных деформаций для упругих тел и вязких жидкостей состоят в том, что механиче ское поведение упругого тела определяется напряжениями и деформациями, а механическое поведение вязких жидкостей -напряжениями и скоростями деформаций. При определении де формаций мы сопоставляем деформированное состояние с не которым исходным состоянием, обычно с состоянием, свобод ным от напряжений. При конечном отклонении от этого со стояния математические формулы, определяющие деформации, становятся весьма сложными. Кроме того, при определении скоростей деформаций сопоставляют состояния рыбы в момент времени, разница между которыми равна dt . Отклонения меж ду этими состояниями бесконечно малы, поэтому не возникает математических усложнений. В упругих телах напряжение связано с мгновенным состоя нием деформации, а в вязкой жидкости и пластических те лах — с мгновенным состоянием течения; вязкое и пластическое течения связаны с диссипацией энергии и приводят к остаточ ным деформациям. В случае вязкого течения механическая энергия, которая диссипировалась при возникновении данной деформации, зависит от скорости деформации; в случае пластического течения диссипированная энергия не зависит от скорости деформации.

Математическую зависимость между напряжением деформа ций и временем в виде линейного дифференциального уравне ния с постоянными коэффициентами можно установить и без моделей, однако модели в значительной степени облегчают уяснение физической сущности механического поведения того или иного тела, а также дают возможность определить, обла дает ли тело мгновенной упругой деформацией, запаздывающей упругой деформацией, релаксацией напряжений.

Поскольку за висимости между напряжением, деформацией и временем опре деляются обычно линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами, то в общем виде уравнение может быть записано следующим образом: (4) где А, А 1 , A n , В, b 1 , В т — постоянные коэффициенты, которые определяют механические свойства изучаемого тела; — напряжение; — относительная деформация.

Решение дифференциального уравнения содержит, произ вольные постоянные, число которых равно порядку дифференциального уравнения.

Произвольные постоянные определяют, исходя из начальных условий, т. е. при t = 0 или при t = . Число условий должно равняться числу произвольных постоянных.

Поскольку механическое поведение реального тела опи сывается уравнением (4) только приближенно, то задача заключается в том, чтобы выбрать частный вид уравнения, доста точно хорошо описывающий экспериментальную зависимость - напряжение — деформация — время. Для математического описания деформаций и напряжений исследуемого тела можно сначала в соответствии с эксперимен тальными данными подобрать подходящую модель, состоящую из упругих, вязких и пластических элементов или их комбина ций, а затем описать ее математически. Или же сразу подо брать тип уравнения, начиная с простейших видов, которое ка чественно описывает экспериментальную зависимость. Каче ственное совпадение находят по наличию или отсутствию мгно венной упругой деформации, запаздывающей деформации, остаточной деформации и релаксации напряжений.

Постоянные коэффициенты находят, исходя из эксперимен тальных данных, и определяют количественное расхождение между выбранным уравнением и опытными данными. СТРУКТУРНО МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЫБЫ Структурно-механические свойства рыбы проявляются под влиянием нормальных или касательных напряжений. Этими свойствами определяется поведение тела рыбы в напряженном состоянии. Под действием приложенной силы тело рыбы де формируется.

Зависимость между деформацией тела рыбы и напряжением в нем характеризует механическое поведение тела рыбы. Ве личина деформации тела рыбы под действием приложенной силы обусловливается прежде всего его структурно-механически ми свойствами.

Мышечная ткань рыбы по структурно-механическим свойст вам занимает промежуточное положение между жидкими и твердыми телами и представляет собой, по-видимому, дисперс ную систему со сплошной структурой.

Рассматривая мышечную ткань рыбы как сплошную структуру, не следует считать ее однородной.

Мышечное волокно как основа мышечной ткани рыбы само по себе неоднородно и состоит из упругих, пластических и вяз ких элементов.

Имеется несколько методов оценки структурно-механических свойств дисперсных систем. По методу академика П. А. Ре биндера прочность структуры оценивается степенью проникновения металлического наконечника в глубь дисперсной системы под, действием постоянной силы.

Существует метод, основанный на использовании универ сального консистометра, при помощи которого определяют эла стичность, твердость и вязкость исследуемого объекта. И. А. Воскресенским были предложены три показате ля для характеристики структурно-механических свойств мышечной ткани рыбы: эластичность, эластическая и пластическая прочность. Под эластичностью понимается способность мышеч ной ткани рыбы восстанавливать свои первоначальные геометрические размеры после снятия деформирующей силы. Элас тическая прочность характеризуется способностью мышечной ткани рыбы противодействовать движению тупого тела, сжимающего ткань под действием деформирующей силы.

Пластическая прочность характеризует способность мышеч ной ткани противодействовать движению острого тела, сжимаю щего и разрезающего ткань под действием деформирующей силы. Все предложенные показатели определяются экспери ментально и практически не могут быть выражены количест венно.

Название каждого показателя также не отражает суще ства вопроса.

Эластическая прочность — это упругая прочность, а рыба не является упругим телом, поэтому такой показатель не может характеризовать структурно-механические свойства рыбы.

Пластическая прочность не может характеризовать мы шечную ткань рыбы, поскольку она не является пластическим телом.

Причем последние два показателя не имеют размерностей, характеризующих прочностные показатели. Для изучения структурно-механических свойств тела рыбы необходимо установить прежде всего его реологические характеристики, а затем критерии оценки этих свойств. Зная, какими свойствами обладает тело, можно подобрать соответствующую модель и описать их аналитически. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ТЕЛА ПО РЕОЛОГИЧЕСКИМ Х АРАКТЕРИСТИКАМ Для выбора модели, описывающей механическое поведение того или иного реального тела, необходимо знать, какими рео логическими свойствами оно обладает.

Реологические свойства тела определяют обычно с помощью приборов, исходя из характеристик упругости, вязкости и пластичности.

Однако наиболее простой метод определения реоло гических характеристик реального тела заключается в построе нии кривых кинетики деформаций и кривых релаксации напря жений. По этим кривым можно найти модуль мгновенной и запаздывающей упругости, коэффициент динамической вязкости, предел текучести, упругости и прочности, т. е. все данные, ха рактеризующие упругие, вязкие и пластические свойства тел.

Перечисленные константы позволяют объединить деформаци онное поведение материала и достаточно полно характеризо вать его структурно-механические свойства. Под кривыми ки нетики деформаций понимается изменение деформации тела с течением времени при постоянном напряжении, а под кривы ми релаксации напряжения – измене ние напряжения в теле с течением времени при постоянной деформа ции. При снятии кривых кинетики де формаций необходимо правильно вы брать величину напряжения, посколь ку при большом напряжении в вяз ком теле возникает большая скорость деформации, которую можно ошибоч но принять за мгновенную упругую деформацию.

Кинетика деформации тела рыбы.

Рис. 8 . Прибор для определения кинетики деформации тела рыбы.
Экспериментальные исследования для построения кривых кинетики дефор маций и диаграммы развития восстановительных деформаций в теле рыбы после снятия напряжения были проведены на приборе, показанном на рис. 8. К головке 1 посредством ползуна 3 присоединяют платформу 5, на которой устанавливают груз, а к нижнему его концу крепят наконечник 6. На винты 7, сое диненные с головкой 1, устанавливают плоскость 2. Опыты по определению изменений деформаций в теле рыбы при постоянном напряжении проводили в следующей последо вательности. Рыбу укладывали на плоскость 2. Ползун 3 с ин дикатором перемещали таким образом, чтобы шток индикато ра касался тела рыбы, а стрелка индикатора совмещалась с нулевой отметкой 4. На платформу 5 укладывали груз и шток погружали в тело рыбы. Время погружения штока на соответ ствующую глубину фиксировалось секундомером через 0, 5, 10, 20, 30, 40, 60/120 и 180 с.

Наконечник 6 имел плоскую цилиндрическую поверхность. Груз, укладываемый на платформу 5, выбирали таким образом, чтобы напряжение между наконечником и рыбой было 65•10 2 Н/м 2 . Поскольку внутри индикатора имеется пружина, препятству ющая перемещению штока, была снята характеристика пружи ны, и усилие, необходимое для сжатия пружины, было учтено при определении напряжения между наконечником и штоком.

Колебание напряжения не превышало 6%. По истечении 180 с груз снимали и фиксировали восстано вительную деформацию в теле рыбы. В связи с тем что визу ально зафиксировать величину восстановительной деформации трудно, применяли следующий метод. Рыбу укладывали на платформу весов и уравновешивали гирями. Затем платформу фиксировали от перемещения и рыбу нагружали через инди катор постоянной силой по методике, описанной выше. После снятия нагружения платформа весов освобождается от фик сации и весы оказываются уравновешенными, т. е. качания ве сов не происходит.

Теперь представляется возможным фиксировать восстановительную деформацию, поскольку касание рыбы к наконечнику индикатора фиксируется чувствительными весами.

Восстановительную деформацию определяли через те же промежутки времени, что и при нагружении. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ТЕЛА РЫБ Для того чтобы воспользоваться всеми теоретически выве денными уравнениями, необходимо знать величину мгновенного модуля упругости Е 0 , запаздывающего модуля упругости E 1 и коэффициента динамической вязкости . Величину мгновен ного модуля упругости E 0 можно определить исходя из экспе риментальных данных. На рис. 9 представлены кривые кинетики деформации тела скумбрии, когда напряжение между наконечником и телом рыбы равно =0,13 • 10 5 Н/м 2 . Рис. 9. График кинетики деформации тела скумбрии.

Мгновенный модуль упругости определяется следующим об разом. По графику определяют величину мгновенной деформа ции.

Мгновенный модуль упругости скумбрии, график кинетики деформаций которой изображен на рис. 9, равен: Н/м 2 (5) Мгновенный модуль упругости для скумбрии, ставриды, сар динеллы, сельди, берикса колебался в пределах от 1,5 • 10 5 до 6•10 5 Н/м 2 . Численное значение коэффициента динамической вязкости определяли, основываясь на следующем. Из рис. 9 видно, что вначале деформация тела рыбы происходит только за счет мгновенного модуля упругости Е 0 (участок AB ), а затем за счет совместного действия запаздывающего модуля упругости и вязкости (участок ВС). Постепенно криволинейная зависи мость практически переходит в прямолинейную (участок CD ). Если полагать, что на участке CD деформация происходит только за счет вязкости, то можно из графика определить ко эффициент динамической вязкости: (6) Определив на участке CD тангенс угла наклона, можно найти коэффициент динамической вязкости. ЖЕСТКОСТЬ РЫБЫ Надежность работы рыбообрабатывающих машин в значи тельной степени зависит от структурно-механических свойств рыбы. Тело рыбы после засыпания проходит три стадии изме нении: до посмертного окоченения, посмертное окоченение и автолиз.

Каждой стадии посмертных изменений соответствуют свои показатели структурно-механических свойств мышечной ткани рыбы. Эти изменения характерны как для свежей рыбы, так и для замороженной, а затем размороженной. С измене нием структурно-механических свойств рыбы изменяются силы взаимодействия между рыбой и рабочими органами машин, поскольку изменяется площадь контакта, обусловливающая силы трения. До настоящего времени структурно-механические характеристики в основном оцениваются органолептическим методом. Рыбу сдавливают пальцами и оценивают ее консистенцию. Не достатком такого метода оценки структурно-механических ха рактеристик мышечной ткани является его субъективность. К. тому же нет количественных показателей, оценивающих консистенцию тела рыбы. Был предложен критерий оценки структурно-механических свойств тела рыбы, названный жесткостью. При органолепти ческом исследовании консистенции мышечной ткани человек сжимает тело рыбы, совершая работу, по величине которой и судят о консистенции тела рыбы. Для получения количествен ного критерия совершаемой работы необходимо, чтобы сжатие рыбы совершала машина и при этом весь процесс сжатия рыбы можно было записать на ленту.

Исследование жесткости тела рыбы проводилось на тех же приборах и с теми же при способлениями, что и в случае определения допустимого удель ного давления.

Тензометрическая головка автоматического пресса IS -5000 позволяла фиксировать усилия от 0,01 до 50000 Н. Скорость перемещения траверсы пресса принималась равной 10 мм/мин, а скорость перемещения ленты — 20 мм/мин. Как было указа но выше, рыба является упруговязким телом.

Известно, что при большой скорости деформации упруговязкие тела ведут се бя как упругие. Для проявления как упругих, так и вязких свойств рыбы была выбрана скорость деформации тела рыбы, равная. 10 мм/мин.

Исследования по определению жесткости тела рыбы прово дили в следующей методической последовательности. Рыбу укладывали в приспособление для сжатия с заранее выбран ной площадью пластин.

Выбирая площадь пластин, исходили из формы тела рыбы, при этом необходимо было обеспечить максимальный первоначальный контакт между пластинами и мышечной тканью тела рыбы. Чаще всего применяли пластины размерами 20х30 мм, 20х50 мм и 30х80 мм.

Запись самописца автоматического пресса в координатах усилие — деформация для трех различных видов рыб представ лена на рис. 10. По оси ординат указано усилие, действующее на тело рыбы, в ньютонах, а по : оси абсцисс – деформация тела рыбы в миллиметрах. На участке БВ кривой сжатия ры бы, по-видимому, не обеспечивается полный контакт между пластинами и телом рыбы, поэтому целесообразно работу, за траченную на сжатие тела рыбы, определять, начиная с точ ки В. Работу сжатия для всех исследованных видов рыб опре деляли при 5-миллим-етровой деформации (участок BE ). За штрихованная на рис. 10 площадь и представляет собой рабо ту, затраченную на сжатие рыбы. Рис. 10. Запись самописца при сжатии тела рыбы: 1 — ставрида; 2 — скумбрия; 3 — сардинелла. Если определять работу сжатия для различных рыб при разной деформации, то вели чины работы будут не соизмеримы. Под жесткостью тела рыбы понимается отношение работы по сжатию тела рыбы при 5-миллиметровой деформации к пло щади сжимающих пластин: (7) где С — жесткость тела рыбы, Н/м; А — работа по сжатию тела рыбы, Н • м; F — площадь сжимающих пластин, м 2 . Этот критерий оценки структурно-механических свойств ры бы назван жесткостью в связи с тем, что его размерность сов падает с размерностью жесткости, общепринятой в технике.

Рис. 11. Работа сжатия рыбы при 5-миллиметровой деформации, равной 5 мм, и деформации, меньшей 5-миллиметровой ( S и S 1 – площади фигур, соответствующие деформации 1 и )
Из рис. 10 видно, что чем меньше сопротивляемость сжа тию тела рыбы, тем меньше угол наклона кривой к оси абс цисс, а следовательно, меньше и работа сжатия. Так как из трех видов рыб (ставриды, скумбрии, сардинеллы) наиболь шая работа затрачивается на деформацию тела ставриды, то, следовательно, и жесткость тела ставриды будет наибольшей. Для некоторых видов рыб, например кильки, определить экс периментально работу сжатия при 5-миллиметровой деформа ции практически невозможно, по тому что вся толщина тела рыбы не превышает 5 мм. В этом случае для получения соизмеримых значений жесткости можно пересчитать работу при 5-милиметровой, на работу при 5-миллиметровой деформации. На рис. 11 показана работа при деформации 1 и . Если предположить, что площадь фигуры ABC можно заменить треугольником, то : (8) Треугольники ABC и AB 1 C 1 подобны и, следовательно: (9) (10) тогда (11) Поскольку работа сжатия рыбы описывается площадью фигур S 1 и S , то ( 12 ) где A –работа сжатия рыбы при 5-миллиметровой деформации; – 5-миллиметровая деформация; А 1 – работа при деформации, меньшей 5-миллиметровой; 1 –деформация, при которой определяется работа A 1 Таким образом, представляется возможным сделать пересчет работы сжатия при любой деформации тела рыбы, мень шей 5-миллиметровой, на 5-миллиметровую деформацию.
Таблица 2
Рыба Жесткость тела рыбы, Н/м 2 Среднее квадратичн. отклонение, Н/м 2 Коэффициент вариации, %
Килька Мойва Салака Сардина Сардинелла Скумбрия Ставрида 224 172 52 79 72 78 96 35 39,8 8,3 12,8 12 10 19 16 23 16 16,3 16 13 20
Эксперименты по определе нию жесткости тела рыбы проводили на рядовой рыбе, выловленной и замороженной на промысле, а затем разморо женной перед проведением опытов.

Температура тела ры бы была 8—15°С. В табл. 2 приведены данные о средней величине жесткости некоторых видов рыб (для каждого вида рыб было проведено 20—30 экспериментов). Зная средние значения жест кости тела рыбы и среднее квадратичное отклонение, можно определить зону доверитель ных интервалов: C = C ср ± t(P) (13) Из приведенных данных о жесткости тела различных видов рыб, для которых работу определяли при 5-миллиметровой де формации без пересчета, наибольшей жесткостью обладает те ло ставриды.

Большая жесткость тела кильки и мойвы, обус ловлена деформированием не только мышечной ткани, но и хребтовой кости, а следовательно, возрастанием сопротивле ния сжатии) и работы сжатия.

Предложенный критерий жесткости является объективным показателем структурно-механических свойств рыбы.

Известно, что невозможно создать рыборазделочную машину, кото рая работала бы на сырье любого качества. В настоящее вре мя всякое отклонение от нормы в работе рыбообрабатывающе го оборудования объясняется, как правило, несовершенством конструкции машины.

Контроль качества поступающего на обработку сырья не ведется и не может вестись, поскольку нет количественного критерия для оценки структурно-механических свойств рыбы. Для установления такого контроля за сырь ем необходимо разработать экспресс-приборы, при помощи ко торых можно осуществлять такой контроль, и установить их непосредственно в цехах и на судах.

Установление границ пригодности сырья для переработки посредством критерия жесткости повысит ответственность до бытчиков рыбы за своевременную ее переработку.

Сортность рыбы также можно установить с помощью критерия жест кости. По-видимому, конструкторы рыбообрабатывающего обору дования также смогут гарантировать надежную его работу на сырье, качество которого находится в определенных пределах, установленных при помощи критерия жесткости. После замораживания, хранения и размораживания жесткость и модуль упругости рыбы уменьшались примерно на 10%. Если пола гать, что рыбы подобны не только биологически, но и по струк турно-механическим свойствам, то на основании эксперимен тальных данных, полученных при исследовании леща и суда ка, можно утверждать, что в результате замораживания и по следующего размораживания жесткость рыбы и модуль упру гости уменьшаются на 10%. ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИЙ ОТРЫВА ВНУТРЕННОСТЕЙ РЫБ В процессе разделки рыбы с помощью машин, как прави ло, отрезается голова и удаляются внутренности.

Удаление внутренностей происходит механически или гидровымывом. При проектировании рабочих органов машин для удаления внут ренностей необходимо располагать данными об усилиях их от рыва, деформации и месте обрыва.

Исследования по определению усилий отрыва внутренностей и их деформации проводили на автоматическом прессе IS -5000 японской фирмы «Шимардзу». Для захвата рыбы за голову и туловище было спроектировано приспособ ление, показанное на рис. 12. Захват для головы (рис. 12, а) состоит из двух планок 1, 2, соединенных между собой шар ниром 3. К планкам приварены щеки 4 и 5, имеющие криво линейные поверхности с насечками. Зажим головы рыбы осу ществляется посредством сближения щек за счет винта 6 и гайки 7. Захват для туловища (рис. 12, б) состоит из двух планок 8, 9, облицованных резиной 10. Планки соединяются шарнирно 11 и сближаются посредством винта 12. В планках 8, 9 имеются отверстия, через которые пропускается игла, про калывающая рыбу для более надежной ее фиксации.

Хвостовые захваты имеют цилиндрическую форму.

Хвостовые захва ты для туловища рыбы крепятся к траверсе, хвостовые захваты для головы — к штанге, присоединенной к тензометрической головке. Рис. 12. Приспособление для исследования усилий отрыва внутренностей рыб: а — захват для головы; б — захват для туловища. Рас. 13. Запись самописца при отрыве внутренностей ставриды в координ атах усилие — деформация.

Экспериментальные исследования по определению усилий отрыва внутренностей рыбы и их деформации проводили в сле дующей последовательности.

Мороженую рыбу разморажи вали до температуры 10—15° С, взвешивали и замеряли ее мак симальные линейные параметры. Ножом отрезали голову от тушки таким образом, чтобы внутренности, присоединенные к голове, не повреждались. Рыбу фиксировали посредством за хватов за голову и туловище.

Включали пресс.

Усилия отрыва внутренностей и их деформация записывались самописцем на ленту. На рис. 13 представлены записи самописца при отрыве внутренностей ставриды в координатах усилие — деформация.

Аналогичные записи получены для других видов рыб.

Анализи руя записи самописца, можно прийти к заключению, что отрыв внутренностей происходит постепенно.

Сначала отмечаются их удлинение и вытягивание, а затем отрыв, происходящий почти всегда в районе анального отверстия. Не замечено корреляционной связи между усилием отрыва внутренностей и их деформацией, а также, между усилием от рыва и массой или длиной рыбы. ЛИНЕЙНЫЕ И ВЕСОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЫБ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЫБ При проектировании рыбообрабатывающего оборудования необходимо располагать данными о морфометрических харак теристиках тела рыбы.

Существует несколько различных схем замера линейных размеров рыб и способов обработки полу ченных опытных данных.

Принципиальным, на наш взгляд, является вопрос о выборе основного размера рыбы.

Размер рыбы от рыла до конца хвостового плавника не может быть принят за основной размер, поскольку нет строгой пропорционально сти между длиной рыбы и длиной хвоста, затруднительно вы полнять обмерные работы с учетом длины хвостового плавни ка; хвостовой плавник, не представляющий пищевой ценности, как правило, удаляется. Не представляется возможным уста новить зависимость между длиной рыбы с учетом хвостового плавника и ее массой. За основной — базовый – размер рыбы следует принимать размер от конца рыла до конца чешуйчатого покрова. Этот размер также принят как базовый в методике замера линей ных размеров, разработанной лабораторией механизации Гип рорыбфлота. По-видимому, даже при одинаковой базовой длине рыб (в дальнейшем этот размер будем называть промысловой длиной рыбы) размеры отдельных аналогичных элементов тела рыбы будут несколько различаться.

Разбивка всего улова на раз мерные фракции и приведение для каждой размерной фракции максимального, минимального и среднего размеров не являют ся правомерными, поскольку они характеризуют только данный улов и не. являются достоверными.

Задача каждого исследования заключается прежде всего в том, чтобы найти обобщающие зависимости и перейти от частных случаев к общему. Выбор обобщающих зависимостей основывался на внутривидовом подобии рыб, т. е. на том, что при изменении промысловой длины рыбы пропорционально из меняются все остальные ее размеры, а следовательно, соотно шение между каждым размером и про мысловой длиной для различных рыб одного вида будет оста ваться практически величиной постоянной. (14) где l i , Н i ;, B i — соответствующие размеры по длине, высоте, и толщине.

Поскольку размеры отдельных элементов тела рыбы явля ются случайными величинами, то для достоверности результатов необходимо установить закон распределения случайных ошибок и зону доверительных интервалов. По результатам экс периментов на основании критерия Пирсона 2 было установ лено, что случайные ошибки безразмерных коэффициентов под чиняются нормальному закону распределения.

Весьма важным является выбор количества экспериментов, которое определялось по замеру характеристик рыб в соответ ствии с законами математической статистики: (15) где n – число замеров; t ( P ) – доверительный интервал; – доверительная оценка точности; – среднее квадратичное отклонение.

Разделив и умножив правую часть уравнения на среднее значение коэффициента выражающего отношение дли ны l i к промысловой длине L , получим: (16) где При надежности P = 0,95 и t ( P )=2 отношение / = 0,05. Принимая максимальную величину коэффициента вариации m = 0.15, определяем необходимое количество замеров, которое равно 36. Значения коэффициентов для разных экземпляров рыб несколько различаются, поэтому важно знать не только сред нее значение соответствующего коэффициента, но и зону дове рительных интервалов, т. е. как разбросаны значения во круг среднего . Зная, что случайные ошибки подчиняют ся нормальному закону распределения, можно определить зо ну доверительных интервалов соответствующего размера по следующим зависимостям: (17) Литература: 1) Попов В. В. Исследования физико-механических свойств эпипелагических видов рыб.

Калининград 1983 2) Попов В. В. Исследование морфометрических и теплофизических характеристик мелких видов рыб.

Калининград 1984 3) Попов В. В. Определение физико-механических характеристик рыб открытого океана.

оценка стоимости гостиницы в Белгороде
оценка ущерба от залива квартиры в Москве
оценка автомобиля в Калуге