Физико-механические свойства виноградной лозы

В процессе работы машин, в зависимости от технологической линии переработки лозы, она подвергается различным воздействиям рабочих органов и влиянию окружающей среды (влажность, давление, температура воздуха и др.). В результате изменяется её механическая структура, физические и химические свойства. Среди целенаправленных воздействий рабочих органов преобладают механические, при которых изменяются форма, размеры, свойства и физическое состояние перерабатываемой виноградной лозы.

Механические свойства лозы – это способность виноградной лозы сопротивляться различным механическим воздействиям. Таковыми являются: прочность виноградной лозы на изгиб, на смятие, на растяжение, удельное сопротивление резанию.

Физические свойства лозы – это, те, которые обнаруживаются при испытаниях, не приводящие к изменению химического состава. К ним относятся: влажность, тепловые свойства, плотность, содержание веществ в лозе, электропроводность.

Одревесневшая лоза состоит из двух структурных элементов – скелета (каркас, арматура), обладающего упругими и пластическими свойствами, и заполнителя, обладающего вязкими свойствами. При многократном ударном воздействии рабочих органов на материал процесс его разрушения можно представить аналогично случаю разрушения материала вследствие циклического действия усталостных напряжений. Под действием внешних сил элементы скелета деформируются, а заполнитель оказывает вязкое сопротивление перемещению частиц скелета, увеличивая тем самым суммарную прочность и жёсткость скелета.

Виноградная лоза имеет ярко выраженную структурную ортогональность. Стебли представляют собой цилиндрическую трубку (рис. 9), диаметр которой колеблется от 5 до 10 мм, состоящую из структурообразующих сегментов. Длина трубки междоузлия колеблется от 6 до 15 см. Указанная выше структура материала подтверждает обоснованность виноградной лозы как поперечно изотропного материала. Волокна условно параллельны оси симметрии и проявляют эквивалентные упругие свойства. Данные стандартных испытаний, проведенных на кафедре МД и ПК ОГАСА, показывают, что механические свойства виноградной лозы в продольном направлении в 7 раз превосходят по величине механические свойства в поперечном направлении. Такое тело называется трансверсально–изотропным, сокращенно – транстропным. Транстропное тело характеризуется следующими величинами: два коэффициента упругости, два модуля сдвига и три коэффициента Пуассона.

Рис. 9. Строение виноградной лозы: 1 – полости клеток древесины; 2 – пространство, заполненное воздухом (сердцевина).

В процессе роста лозы её химический состав, и особенно, количественное соотношение основных соединений – воды, органических и минеральных элементов, существенно изменяются. Так, в зелёных стеблях лозы содержание воды колеблется от 56 % до 75 %, а в одревесневших стеблях от 30 % до 52 %. В процессе вегетации в стеблях происходит постепенное увеличение количества пластических углеводов, особенно гемицеллюлоз и крахмала [Стоянов 38], которые вместе с целлюлозой и лигнином составляют 65–80 % от всего сухого вещества. Поэтому для более детальной картины изменения физико–механических свойств виноградной лозы необходимо выполнять исследования в течение всего периода её вегетации.

На базе ЮФ (КАТУ) НАУ были проведены исследования по определению величины модуля упругости и статического напряжения разрушения виноградной лозы при изгибе, в зависимости от периода её вегитации.

Величина изгиба – одна из наиболее важных характеристик упруго–жесткостных свойств лозы. Для её эмпирического определения была изготовлена специальная лабораторная установка, состоящая из опор (1), приспособления (3) для нагружения лозы, прибора (4) для определения величины прогиба (рис. 10). Величина прогиба фиксировалась индикаторным глубиномером (ИГ) с погрешностью 0,5 для лозы с разным диаметром.

Рис. 10. Лабораторная установка

На жесткой станине закреплялись упоры. Образцы в виде кусков свежеобрезанной и сухой лозы были разделены на пять фракций с диаметрами 5; 5,5; 6,75; 7,5; 7,8 мм. Каждый из образцов (2) (рис. 10) укладывался на упоры, и к его середине подвешивался груз. Масса груза увеличивалась до начала процесса излома. Величина прогиба измерялась в момент разрыва волокон, фиксировавшегося визуальным осмотром шкалы прибора в момент характерного звукового эффекта (треск).

Модуль упругости определялся по формуле [дис.84,98]:

Где – зазор между упорами (0,08м);

– величина прогиба лозы, м;

I – Момент инерции поперечного сечения лозы, м4.

Статическое напряжение разрушения (излома) лозы определялось из равенства [дис.84,100]:

Где Wл – осевой момент сопротивления поперечного сечения лозы, м3;

МMax – максимальный изгибающий момент лозы, Н×м.

Полученные результаты обрабатывались с помощью Microsoft Office Excel [дис.11,85,101].

В результате при определении величины прогиба лозы экспериментально получены данные, которые приведенные в таблице 3.

На рис. 11 видна характерно выраженная волокнистость структуры древесины L, а внутри (сердцевина) расположены клетки с содержанием сахара и крахмала [ дис.2,72]. Для влажной лозы с ростом диаметра величина прогиба уменьшается. Пограничное значение влажности отмечено для диаметров от 7…8 мм. Далее процент содержания влаги существенного влияния на физико–механические свойства не оказывает, так как он минимален.