小麥摩擦特性的試驗(yàn)研究

程緒鐸 陸琳琳 石翠霞

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)

小麥摩擦特性的試驗(yàn)研究

程緒鐸 陸琳琳 石翠霞

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)

主要利用直剪儀對(duì)小麥(濕基含水量為13.55%、15.28%、16.60%、17.90%)的內(nèi)摩擦角、小麥與不銹鋼板的摩擦系數(shù)、小麥與混凝土板的摩擦系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定與比較。結(jié)果表明:小麥的內(nèi)摩擦角變化范圍是21.21～37.94°，小麥與不銹鋼板的摩擦系數(shù)變化范圍是0.25～0.63，小麥與混凝土板的摩擦系數(shù)變化范圍是0.46～0.95，且均隨法向壓應(yīng)力的增加而減小，隨含水量的增加而增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別擬合出內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)與法向壓應(yīng)力、含水量的關(guān)系方程。

內(nèi)摩擦角 摩擦系數(shù) 法向壓應(yīng)力 含水量

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物之一，它的摩擦特性對(duì)糧食加工、糧堆流動(dòng)、糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和糧食運(yùn)輸裝卸設(shè)備設(shè)計(jì)如在漏斗中的流動(dòng)、混合壓縮以及打包都起著非常重要的作用。糧食的摩擦分為外摩擦和內(nèi)摩擦兩大類(lèi)。外摩擦指的是糧食與固體材料的摩擦，內(nèi)摩擦指的是糧食內(nèi)部的摩擦，外摩擦特性是通過(guò)摩擦系數(shù)來(lái)表示，內(nèi)摩擦特性則是用靜止角和內(nèi)摩擦角來(lái)衡量。摩擦系數(shù)的高低決定了其流動(dòng)性程度，而內(nèi)摩擦角則是應(yīng)用楊森公式計(jì)算筒倉(cāng)貯料壓力的重要參數(shù)。

糧食摩擦特性的研究始于19世紀(jì)末。Airy［1］通過(guò)斜面儀測(cè)定得到小麥與鋼板表面的摩擦系數(shù)平均為0.414。Dutta等［2］研究發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)與接觸的物體表面有關(guān)，在幾種測(cè)試的材料中，膠合板的摩擦系數(shù)最大，鍍鋅鋼板的摩擦系數(shù)最小。Zhang等［3］通過(guò)直剪儀測(cè)得谷粒與鋼板的摩擦系數(shù)，他們總結(jié)出小麥與波紋鋼板間的摩擦系數(shù)主要是取決于糧粒間的摩擦。Visvanathan等［4］研究測(cè)定了印楝果與各種不同材料表面的靜摩擦系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)其大小均隨水分的增加而增加。Edward［5］研究了班巴拉花生的摩擦系數(shù)，在5% ～35%的水分條件下，與膠合板的摩擦系數(shù)為 0.39 ～0.66，與鍍鋅鐵的為0.29 ～0.58，與鋁的為 0.25 ～ 0.49。Tabatabaeefar［6］研究了小麥的摩擦系數(shù)，在0～22%的水分條件下，與膠合板的摩擦系數(shù)為 0.367 ～0.450，與塑料的為 0.3 ～0.433，與鍍鋅鐵的為0.335 ～0.415，與玻璃的為0.279 ～0.401，與不銹鋼鋼片的為 0.317 ～0.398。袁月明等［7］用 JENIKE剪切法測(cè)定了水稻芽種的內(nèi)摩擦角為39.8～48.4°，并隨含水率的增大而增大。張桂花等［8］采用斜面儀法測(cè)定了包衣稻種與涂漆鐵板、鐵板、塑膠板、木板的靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)，并用直接剪切法測(cè)定了內(nèi)摩擦角。

國(guó)內(nèi)外雖對(duì)糧食的內(nèi)摩擦角及與固體材料的摩擦系數(shù)有所研究，但是沒(méi)有明確地給出測(cè)定條件，特別是沒(méi)有給出內(nèi)摩擦角隨壓應(yīng)力變化的規(guī)律。深倉(cāng)中，糧食的壓力隨深度的增加而增加，內(nèi)摩擦角隨壓應(yīng)力的增加而減小，而內(nèi)摩擦角的變化對(duì)于糧倉(cāng)內(nèi)糧食的水平與豎直應(yīng)力的分布是至關(guān)重要的［9］。此外，對(duì)于摩擦系數(shù)的研究大都是采用斜面法，并且只研究了摩擦系數(shù)與水分的關(guān)系［1，8］，沒(méi)有給出摩擦系數(shù)隨壓應(yīng)力變化的規(guī)律。因此，本試驗(yàn)對(duì)小麥的內(nèi)摩擦角，小麥與不銹鋼板、混凝土板的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，并主要研究了法向壓應(yīng)力和水分對(duì)其的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

小麥為河南產(chǎn)白硬麥(2010年)，硬度為57.9，原始水分為13.55%，容重799 g/L，尺寸見(jiàn)表1。

表1 樣品尺寸

1.2 試驗(yàn)儀器

TZY－1型土工合成材料綜合測(cè)定儀:南京土壤儀器廠有限公司，示意圖見(jiàn)圖1;5.2－C微型靜音空氣壓縮機(jī):上海日豹壓縮機(jī)制造有限公司;PQX型多段可編程人工氣候箱:寧波東南儀器有限公司;HG202～2(2A/2AD)電熱干燥箱:南京盈鑫實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;JSFD～粉碎機(jī):上海嘉定糧油儀器有限公司。

圖1 土工合成材料綜合測(cè)定儀示意圖

1.3 試驗(yàn)原理

直剪儀是以Coulomb理論為基礎(chǔ)的一種測(cè)定內(nèi)摩擦角與摩擦系數(shù)的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)將試樣置于上下試樣盒之間，在試樣上施加一定的垂直壓應(yīng)力σ，然后施加水平推應(yīng)力τ，使試樣在上下盒之間水平面上發(fā)生剪切直至破壞。根據(jù)莫爾理論有τ=c+σtgφ，σ為正應(yīng)力，τ為剪切應(yīng)力，c為散粒體黏聚力，φ即為內(nèi)摩擦角。假定糧食不具有黏聚力，即c=0，則 tgφ = τ/σ［10］。

而糧食籽粒與不同接觸面的摩擦系數(shù)的測(cè)定方法與內(nèi)摩擦角的測(cè)定方法基本類(lèi)似，不同之處在于下半個(gè)試樣盒中不填充糧食，而是分別填充不銹鋼板和混凝土板，使得糧食在不同的接觸面上發(fā)生剪切直至破壞。摩擦系數(shù)μ就是水平推應(yīng)力與垂直壓應(yīng)力的比值，即μ=τ/σ。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 樣品的準(zhǔn)備

首先將原始樣品進(jìn)行篩選去除雜質(zhì)，然后通過(guò)105℃烘干法(GB/T 5497—1985)測(cè)定其水分為13.55%。試驗(yàn)所需4個(gè)水分的小麥調(diào)節(jié)方法具體如下:根據(jù)公式(1)計(jì)算出調(diào)節(jié)到目標(biāo)水分所需要增加的蒸餾水的質(zhì)量，然后將加過(guò)水的小麥放進(jìn)密封袋中置于15℃的人工氣調(diào)箱里一個(gè)星期使水分均勻。試驗(yàn)前需將樣品拿出放在室溫條件下2 h方可進(jìn)行試驗(yàn)［11］。

其中:Q為所需增加蒸餾水的質(zhì)量/kg;wi為小麥的質(zhì)量/kg;mi為小麥含水量/%;mf為調(diào)節(jié)后小麥含水量/%。

1.4.2 剪切盒尺寸的選擇

為減少剛性剪切盒對(duì)試料顆粒在剪切破壞時(shí)移動(dòng)的約束，剪切盒尺寸必須與試料粒徑間滿(mǎn)足一定的比例關(guān)系。相關(guān)研究表明，剪切盒的徑向和高度方向的尺寸對(duì)顆粒滑動(dòng)、滾動(dòng)的影響是同樣重要的，即應(yīng)以試料最大粒徑和剪切盒最小尺寸的比例關(guān)系來(lái)確定試料最大粒徑與剪切盒尺寸的合理關(guān)系才是合適的［12］。糧食的最大顆粒粒徑一般為2～9 mm，根據(jù)以往研究結(jié)果，剪切盒凈空尺寸/糧食最大顆粒粒徑＞10，所以選擇剪切盒凈空尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

1.4.3 荷載大小的選擇

根據(jù)直剪儀的統(tǒng)計(jì)資料，結(jié)合糧食物料自身的特性，以筒倉(cāng)中30 m深度處小麥(重力密度為8.0 kN/m3)所受的荷載為依據(jù)，該深度處小麥?zhǔn)艿搅Φ拇笮〖s為8.0 kN/m3×30 m=240 kN/m2=240 kPa，則設(shè)定試樣的最大垂直應(yīng)力為250 kPa，荷載等級(jí)為:25、50、100、150、200、250 kPa。水平剪切應(yīng)力的最大值也為250 kPa。因此，最大的垂直和水平荷載為:250 kPa×100 cm2(試樣面積)=2.5 kN。

1.4.4 剪切速率的選擇

糧食屬于非黏性體范疇，其剪切速率可以參照非黏性土的快剪試驗(yàn)速率，考慮到糧食本身特性以及結(jié)合其他相近散體物料的剪切速率，確定糧食的水平剪切速率為 1.33、2.67、4.33、5.20 mm/min。但由參考文獻(xiàn)［13］可知，剪切速度對(duì)小麥內(nèi)摩擦角的影響不顯著，故可以選定1.33 mm/min為剪切速率，因?yàn)樽钚』瑒?dòng)摩擦系數(shù)接近于最大靜摩擦系數(shù)，速率越小越精確。

2 結(jié)果與分析

2.1 法向壓應(yīng)力對(duì)小麥的內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)的影響

對(duì)含水量為13.55%的小麥進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切速度為1.33 mm/min，施加的法向壓應(yīng)力為 25、50、100、150、200、250 kPa。試驗(yàn)所得結(jié)果見(jiàn)表 2、圖 2 ～圖4。

由表2和圖2～圖4可知，在法向壓力為25～250 kPa時(shí)，小麥的內(nèi)摩擦角隨著法向壓力的增大而減小，其變化范圍是37.67～21.21°。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以擬合出方程式如下0.992 6，式中:x 為法向壓應(yīng)力/kPa，x∈［25，250］;y為內(nèi)摩擦角/°。小麥與不銹鋼板(0.6μm)、混凝土

表2 不同法向壓應(yīng)力下小麥的內(nèi)摩擦角，小麥與混凝土板、不銹鋼板的摩擦系數(shù)

板(0.8 mm)的摩擦系數(shù)均隨著法向壓應(yīng)力的增大而減小，其變化范圍分別是0.63 ～0.25、0.95 ～0.46。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以分別擬合出方程式如下:y=1.993 1x－0.3826，R2=0.927 5;y=2.291 6x－0.3037，R2=0.922 0，式中:x 為法向壓力/kPa，x∈［25，250］;y為摩擦系數(shù)。

2.2 含水量對(duì)小麥的內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)的影響

對(duì)含水量分別為 13.55%、15.28%、16.60%、17.90%的小麥進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切速度為1.33 mm/min，施加的法向壓應(yīng)力為50 kPa。試驗(yàn)所得結(jié)果見(jiàn)表3、圖5～7。

由表3和圖5～圖7可知，在含水量分別為13.55%、15.28%、16.60%、17.90% 時(shí)，小麥的內(nèi)摩擦角隨著含水量的增大而增大，其變化范圍是31.24～37.94°。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以擬合出方程式如下:y=0.431 9x2－12.104x+116.06，R2=0.983 9式中:x為含水量/%，x∈［13.55，17.90］;y為內(nèi)摩擦角/°。小麥與不銹鋼板、混凝土板的摩擦系數(shù)均隨著含水量的增大而增大，其變化范圍分別是0.43～0.54、0.61 ～0.71。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以分別擬合出方程式為:y=0.004 5x2－0.118 2x+1.201 5，R2=0.981 9;y=0.009 6x2－ 0.284 9x+2.727，R2=0.906 6，式中:x為含水量/%，x∈［25，250］;y 為摩擦系數(shù)。由結(jié)果可知，小麥與不銹鋼板得摩擦系數(shù)平均值為0.48，與 Airy［1］通過(guò)斜面儀測(cè)定得到小麥與鋼板表面的摩擦系數(shù)平均為0.414基本接近。

表3 不同含水量下小麥的內(nèi)摩擦角，小麥與混凝土板、不銹鋼板的摩擦系數(shù)

圖7 含水量與小麥和混凝土板的摩擦系數(shù)的關(guān)系

3 討論

本試驗(yàn)測(cè)定小麥與倉(cāng)壁材料的摩擦系數(shù)時(shí)，小麥水分梯度是低濕樣品通過(guò)吸濕達(dá)到的，也可采樣高濕小麥通過(guò)降水達(dá)到所需水分梯度。小麥的吸濕和降水對(duì)其物理特性的影響是不一樣的，因而通過(guò)吸濕和降水達(dá)到同一含水量的小麥與倉(cāng)壁材料的摩擦系數(shù)也會(huì)不一樣。本文僅測(cè)定了通過(guò)吸濕得到不同含水量的小麥與倉(cāng)壁的摩擦系數(shù)，以后，進(jìn)一步測(cè)定通過(guò)降水得到不同含水量的小麥與倉(cāng)壁的摩擦系數(shù)，并比較兩者的結(jié)果是很有意義的。

本試驗(yàn)所采用的不銹鋼板的表面粗糙度為0.6 μm，混凝土板的表面粗糙度為0.8 mm，本試驗(yàn)僅測(cè)定了小麥與這兩種材料的摩擦系數(shù)，而實(shí)際糧倉(cāng)中倉(cāng)壁材料有鋼板、混凝土、木板，各材料的表面粗糙度不相同，同一種材料的表面粗糙度也不相同，小麥與倉(cāng)壁材料的摩擦系數(shù)與倉(cāng)壁材料表面粗糙度有關(guān)。以后，進(jìn)一步測(cè)定實(shí)際糧倉(cāng)倉(cāng)壁材料的不同表面粗糙度的摩擦系數(shù)，尤其測(cè)定同一種材料的表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響是很有意義的。

4 結(jié)論

4.1 在相同水分條件下，小麥的內(nèi)摩擦角、小麥與不銹鋼板的摩擦系數(shù)、小麥與混凝土板的摩擦系數(shù)均隨著法向壓力的增大而減小，其變化范圍是37.67～21.21 °、0.63 ～0.25、0.95 ～0.46。

4.2 在相同法向壓力條件下，小麥的內(nèi)摩擦角、小麥與不銹鋼板的摩擦系數(shù)、小麥與混凝土板的摩擦系數(shù)均隨著含水量的增大而增大，其變化范圍是31.24 ～37.94 °、0.43 ～0.54、0.61 ～0.71。

4.3 在相同條件下，小麥與混凝土板的摩擦系數(shù)均比小麥與不銹鋼板的摩擦系數(shù)大。

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The Experimental Research on Friction Properties of Wheat

Cheng Xuduo Lu Linlin Shi Cuixia
(College of Food Science and Engineering Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210003)

In this paper，the angle of internal friction of wheat(the moisture contents are 13.55%，15.28%，16.60%and 17.90%)and the coefficient of friction of wheat against surface of stainless steel and concrete were measured and compared.The experimental results show that the angle of internal friction of wheat range from 21.21°to 37.94°and the coefficient of friction of wheat range from 0.25 to 0.63 and 0.46 ～0.95 for stainless steel and concrete respectively.They all decreased with the increase of normal stress and increased with the increase of moisture content.It could get that fitted equations about the relationships of normal stress and the angle of internal friction and the coefficient of friction respectively.We also could get that fitted equations about the relationships of moisture content and the angle of internal friction and the coefficient of friction respectively.

angle of internal friction，coefficient of friction，normal stress，moisture content

TS210.4

A

1003－0174(2012)04－0015－05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2009BADA0B04－5)，南京財(cái)經(jīng)大學(xué)科研基金(A2010025)

2011－03－17

程緒鐸，男，1957年出生，教授，糧食儲(chǔ)藏工程