W oparciu o przedstawioną analizę dostępnej literatury można zauważyć, że pro-blem kontaktu owoców i warzyw z elementami maszyn rolniczych w poszczególnych fa-zach produkcji był przedmiotem nielicznych prac badawczych, mimo że zagadnienie naci-sków powierzchniowych, a więc problem działania siły na małą powierzchnię, ma istotne znaczenie niemal we wszystkich dziedzinach produkcji rolniczej. Szczególnie dotyczy to pielęgnacji, zbioru, transportu oraz przechowywania, a nawet przetwórstwa owoców i warzyw. Znaczenie nacisków powierzchniowych wynika głównie z charakterystycznego kształtu płodów rolnych, który najczęściej jest kulisty lub walcowy.
Wielu badaczy prowadzi prace zmierzające do poznania właściwości mechanicznych materiałów roślinnych, nie uwzględniając kształtu i budowy całych produktów rolniczych. Stosowanie znanych z wytrzymałości materiałów teorii dotyczących problemu działania siły na małą powierzchnię, takich jak teoria Hertza, zagadnienie Boussinesqa czy Flamanta w odniesieniu do materiałów pochodzenia biologicznego nie ma uzasadnienia teoretyczne-go ze względu na założenia, przy których zostały wyprowadzone. Ponadto badania obiek-tów rzeczywistych nie zawsze dają zadowalające rezultaty z uwagi na brak wiarygodnych modeli obliczeniowych stosowanych przy opracowywaniu wyników pomiarów.
Jednym ze sposobów poznania istoty oddziaływania części roboczych maszyn na strukturę wewnętrzną warzyw, a także efektów wzajemnego oddziaływania elemen-tów ich budowy wewnętrznej, mogą być badania modelowe obiekelemen-tów rzeczywistych. W większości przypadków budowane są modele matematyczne o różnym stopniu złożo-ności formuł. W tej grupie szczególnie cenne są modele strukturalne oparte na ogólnych prawach fizyki. W przypadku materiałów pochodzenia biologicznego budowa tego typu modeli jest bardzo trudna.
Duże nadzieje wiązane są z zastosowaniem metody elementów skończonych do modelowania obiektów pochodzenia roślinnego. Jednak dynamiczny rozwój tej metody, związany z osiągnięciami w zakresie informatyki, nie jest równoznaczny ze wzrostem prac badawczych obejmujących materiały biologiczne. Jedną z przyczyn tak słabego zainte-resowania metodami MES są bez wątpienia trudności w fazie weryfikacji otrzymanych
ju poprzecznego korzenia marchwi jako funkcji siły obciążającej oraz identyfikację po-szczególnych charakterystycznych faz zgniotu. Pomiary wykonano w Instytucie Inżynierii Rolniczej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu przy użyciu maszyny wytrzyma-łościowej Instron 5566 wyposażonej w głowicę o zakresie do 1 kN. Rejestrację wyników prowadzono w warunkach obciążenia statycznego przy prędkości przesuwu głowicy obcią-żającej 1,67·10-5 m/s.
Przy obciążeniu siłą F’=12,5 N/mm (rys. 3.1b, punkt B na rys. 3.2) widoczna jest wyraźna deformacja kształtu warstwy kory, przy braku wyraźnych oznak zniszczenia tkan-ki i braku deformacji rdzenia. Pojawiają się jednak pierwsze krople wyciśniętego soku, co może świadczyć o lokalnym uszkodzeniu tkanki warstwy kory w miejscu o największym odkształceniu. Po zwiększeniu obciążenia do F’=20 N/mm (rys. 3.1c, punkt C na rys. 3.2) pojawiają się pierwsze oznaki oddzielenia się kory od rdzenia na osi poziomej próbki, wy-raźny zgniot części korowej wzdłuż osi pionowej, niewielka deformacja rdzenia. Dalsze zwiększanie obciążenia prowadzi do zniszczenia próbki. Przy obciążeniu F’=25/mmN (rys. 3.1d, punkt D na rys. 3.2), widoczne jest wyraźne oddzielenie się warstwy kory od rdzenia i rozpoczęcie pękania kory w okolicach osi pionowej. Po przekroczeniu obciążenia F’=29 N/mm (rys. 3.1e, punkt E na rys. 3.2), następuje gwałtowne zniszczenie próbki i spadek obciążenia spowodowany pęknięciem warstwy kory w miejscach maksymalnych naprę-żeń gnących i ściskających (rys. 3.1f). Można więc zauważyć, że podczas promieniowego ściskania korzenia marchwi występują dwa charakterystyczne punkty. Pierwszy z nich to moment, w którym rozpoczyna się niszczenie struktury wewnętrznej, którego widocznym symptomem jest wydobywanie się kropelek soku. Drugi charakterystyczny punkt to znisz-czenie makrostruktury korzenia marchwi.
a) F’ =0N/mm b) F’ =12,5N/mm c) F’=20N/mm
d) F=25N/mm e) F’= 29N/mm f) F’=23N/mm
Rys. 3.1. Przebieg procesu promieniowego ściskania marchwi (fazy zgniotu) Fig. 3.1. Course of the process of compression of a carrot root (phases of compression)
Rys. 3.2. Wykres promieniowego ściskania próbki marchwi z zaznaczonymi punktami kolejnych faz zgniotu Fig. 3.2. Graph of the radial compression of a sample of carrot root with the points of the subsegment phases
of compression marked thereon
Analiza wyników badań jakościowych pozwoliła na wykonanie wstępnych ba-dań ilościowych polegających na pomiarach pola powierzchni styku korzenia marchwi z elementem roboczym głowicy obciążającej oraz przemieszczenia tego punktu. Jak można się było spodziewać, na wielkość pola powierzchni styku elementu obciążającego z korzeniem marchwi istotne znaczenie miało zarówno obciążenie, jak i odpowiadające mu przemieszczenie punktów przyłożenia obciążenia. Przykładowy przebieg zależności pola powierzchni od obciążenia przedstawino na rysunku 3.3. W początkowym okresie obciążania widoczny jest szybki wzrost wielkości pola powierzchni, a następnie ma on charakter w przybliżeniu liniowy. Zależność pola powierzchni styku od przemieszczenia punktu styku ma w całym zakresie obiążenia w przybliżeniu liniowy przebieg (rys. 3.4).
Rys. 3.4. Zależność pola powierzchni styku elementu roboczego głowicy obciążającej z powierzchnią boczną korzenia marchwi od przemieszczenia punktu styku Fig. 3.4. Correlation of the area of the contact point of the loading head with the surface
of carrot root as the function of the displacement of the contact point
Przyjmując definicję średniego nacisku powierzchniowego jako stosunku obcią-żenia do pola powierzchni styku:
A = śr F p (3.1) gdzie:
pśr – średni nacisk powierzchniowy [MPa], F – obciążenie [N],
A – pole powierzchni styku [mm2],
można zbudować wykres przedstawiający zależność średnich nacisków powierzchnio-wych od odkształcenia przekroju poprzecznego próbki (rys. 3.5). Istnieje wyraźna po-średnia zależność pomiędzy odkształceniem przekroju poprzecznego korzenia marchwi, a naciskami powierzchniowymi. Po początkowo liniowej zależności naciski powierzch-niowe asymptotycznie zmierzają do wartości maksymalnych.
Wygodnie jest analizować naciski powierzchniowe w funkcji siły obciążającej przypadającej na jednostkę długości korzenia marchwi (rys. 3.6).
Brak rozwiązań ścisłych w odniesieniu do zagadnień kontaktowych w materiałach pochodzenia biologicznego uzasadnia sformułowanie problemu badawczego w postaci pytania: w jakim stopniu wyjaśnienie zjawisk zachodzących podczas działania siły sku-pionej na powierzchnię materiału roślinnego można rozwiązać metodami przybliżonymi, do których należy metoda elementów skończonych?
Rys. 3.5. Zależność nacisków powierzchniowych od odkształcenia przekroju poprzecznego korzenia marchwi
Fig. 3.5. Correlation of surface pressures from the deformation of the transverse cross-section of carrot root
Rys. 3.6. Zależność nacisków powierzchniowych od obciążenia przypadającego na jednostkę długości korzenia marchwi