小麦稻谷及玉米内摩擦角的测定与比较研究精.docx

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小麦稻谷及玉米内摩擦角的测定与比较研究精

2009,Vol.30,No.15

食品科学※基础研究

86小麦、稻谷及玉米内摩擦角的测定与比较研究

程绪铎1,安蓉蓉1,曹阳2,李光涛2,程龙2

（1.南京财经大学食品科学与工程学院,江苏南京210003;2.国家粮食局科学研究院,北京100080摘要:

主要对小麦、稻谷及玉米的内摩擦角进行了实验测定与比较。

测定了三个粮种的内摩擦角,并探讨了影响内摩擦角的因素。

结果表明:

小麦内摩擦角测定的最佳剪切速度为5.20mm/min,小麦、稻谷及玉米的内摩擦角均随着剪切速度的增加而减小,随着法向压应力的增加而减小,小麦和玉米的内摩擦角随着水分的增加而增加,稻谷的内摩擦角随水分的变化不规律。

根据实验结果,分别拟合出内摩擦角与法向压应力、剪切速度以及水分的关系方程。

关键词:

内摩擦角;法向压应力;水分;剪切速度

FactorsAffectingMeasurementofAngleofInternalFrictionofWheat,PaddyandCorn

CHENGXu-duo1,ANRong-rong1,CAOYang2,LIGuang-tao2,CHENGLong2

（1.CollegeofFoodScienceandEngineering,NanjingUniversityofFinanceandEconomics,Nanjing210003,China;

2.AcademyofStateAdministrationofGrain,Beijing100080,ChinaAbstract:

Theeffectsofshearvelocity,normalstressandmoisturecontentonthemeasurementofangleofinternalfrictionofwheat,paddyandcornwereinvestigatedbysingle-factormethod.Ashearvelocityof5.20mm/minwasfoundtobethebestforthemeasurementofangleofinternalfriction.Theanglesofinternalfrictionofwheat,paddyandcornalldeclinedwiththeincreaseinnormalstressandshearvelocity.Anupwardtrendofangleofinternalfrictionwasfoundinbothwheatandcornasthemoisturecontentwentup,which,however,appearedtohavelittleinfluenceontheangleofinternalfrictionofpaddy.Fourmathematicalmodelsdescribingtherelationshipsofangleofinternalfrictionwithnormalstress,shearvelocityandmoisturecontentweredevelopedforeachofthegrains.

Keywords:

angleofinternalfriction;normalstress;moisturecontent;shearvelocity

中图分类号:

TS210.4文献标识码:

A文章编号:

1002-6630（200915-0086-04

收稿日期:

2009-05-16

基金项目:

国家粮食局科学研究院基本科研业务费专项项目（ZX0708-7

作者简介:

程绪铎（1957-,男,教授,硕士,研究方向为粮食储藏工程。

E-mail:

chengxuduo@

小麦、稻谷以及玉米是我国主要的粮食作物,它们的摩擦特性对粮食加工、粮堆流动、粮仓结构设计和粮食运输装卸设备设计都起着非常重要的作用。

粮食的摩擦性既可以分为内摩擦和外摩擦两大类,也可以分为动摩擦和静摩擦两大类。

外摩擦的大小是通过摩擦系数来表示,内摩擦的大小则是用静止角和内摩擦角来衡量。

粮食的摩擦特性研究从十九世纪末就已经开始。

Airy[1]通过斜面仪测定得到小麦与钢板表面的摩擦系数平均为0.414。

Jamieson[2]测得小麦与钢板的摩擦系数为0.365~0.375。

赖姆伯特等[3]通过扭转剪切仪研究得出稷在不同的正应力下（0.110~0.861kg/cm2的内摩擦角变化范围为20°10′~33°05′。

Versavel等[4]测得水分含量为12%的小麦与光滑的钢板的摩擦系数平均为0.298。

Zhang等[5]通过直剪仪测得谷粒与钢板的摩擦系数,他们总结出小

麦与波纹钢板间的摩擦系数主要是取决于粮粒间的摩擦。

Molenda等[6]测得小麦、大豆和玉米的内摩擦角分别为26.4°、36.2°、35.7°。

张桂花[7]采用直剪仪研究了包衣稻谷的内摩擦角,发现包衣稻谷的内摩擦角比普通稻谷小。

国内外虽对粮食的内摩擦角等参数有所研究,但是没有明确地给出测定条件。

我国现在所使用的参数也只是沿用了以前的数据和结合苏联、美国等的实验数据而整理得到的,并且对于影响内摩擦角的因素（如剪切速度、法向压应力、水分等没有进行具体的研究。

随着粮食品种的不断更新,粮食的物理特性也会发生改变,故本实验对小麦、稻谷和玉米的内摩擦角进行了实验测定,并就剪切速度、法向压应力、水分对内摩擦角的影响进行了研究与比较。

87

※基础研究

食品科学

2009,Vol.30,No.151材料与方法1.1

材料与仪器

本实验采用的是TZY-1型土工合成材料综合测定仪由南京土壤仪器厂有限公司生产,该测定仪作业时能够实现计算机自动控制和数据自动采集。

具体示意图见图1。

粮种:

小麦（水分为10.96%、13.17%、15.90%、18.14%;稻谷（水分为11.25%、13.77%、16.72%、17.57%;玉米（水分为11.05%、12.34%、14.93%、17.75%,产地为南京。

1.2

实验原理

直剪仪是以Coulomb理论为理论基础的一种测定内摩擦角的实验方法。

试验时将试样置于上下盒之间,在试样上施加一定的垂直压应力σ,然后施加水平推应力

τ,使试样在上下盒之间水平面上发生剪切直至破坏。

通过测得若干个不同垂直压力下的抗剪强度值,绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线,其倾角为试样的内摩擦角

φ。

根据莫尔理论有,σ为正应力,τ为剪切应力,c

为散粒体黏聚力,φ即为内摩擦角。

假定粮食不具有黏聚力,即c=0,则tgφ=τ/σ[8]。

1.3方法

1.3.1

剪切盒尺寸的选择

相关研究表明,应以粮食最大粒径和剪切盒最小尺寸的比例关系来确定试料最大粒径与剪切盒尺寸的合理关系。

粮食的最大颗粒粒径一般为2~9mm,根据以往研究结果,剪切盒净空尺寸/粮食最大颗粒粒径>10,所以选择剪切盒净空尺寸为100mm×100mm×100mm。

1.3.2

荷载大小的选择

根据直剪仪的统计资料,结合粮食自身的特性,以12m深度处小麦（重力密度为8.0kN/m3

所受的荷载为依

据,该深度处稻谷受到力的大小为8.0kN/m3

×12m

=96kN/m2

=96kPa,则设定试样的最大垂直应力为

100kPa,因此本实验施加的垂直压应力等级为25、50、75、100kPa。

1.3.3

剪切速率的选择

粮食属于非黏性体范畴,其剪切速率可以参照非黏性土的快剪试验速度,考虑到粮食本身特性以及结合其

他相近散体物料的剪切速率,确定粮食的水平剪切速率为1.33、2.67、4.33、5.20mm/min[8]。

2结果与分析

2.1

剪切速度对内摩擦角的影响

对小麦（水分为10.96%、稻谷（水分为13.77%、玉米（水分为11.05%分别进行剪切实验,剪切速度分别为1.33、2.67、4.33、5.20mm/min,施加的法向压应力为25、50、75、100kPa。

实验所得结果如表1所示,并

对所得实验结果进行方差分析,可得出剪切速度对粮食的内摩擦角的影响是否显著,结果见表2。

因变量差异源自由度均方和FP值F临界值组间38.1342.942

0.099

4.066

小麦内摩擦角

组内82.765

总计11组间

33.8027.571

0.010

4.066

稻谷内摩擦角

组内80.502

总计11组间

314.06115.204

0.001

4.066

玉米内摩擦角

组内80.925

总计

11

表2剪切速度对内摩擦角影响的方差分析结果

Table2Analysisofvariancefortheeffectsofshearvelocityon

internalfrictionanglesofwheat,paddyandcorn由表1所知,小麦、稻谷和玉米的内摩擦角均随着剪切速度的增大而减小,它们的变化范围分别为17.49°~23.86°、28.95°~33.19°、22.21°~28.93°。

由表2可见,小麦内摩擦角的F值为2.942,比临界值4.066小,并且P值为0.099,大于显著水平0.05,说明剪切速度对小麦内摩擦角的影响不显著,故可以选定5.20mm/min为小麦内摩擦角的剪切速度,因为速度快可以节省大量的时间。

而稻谷与玉米剪切速度对它们内摩擦角的影响极显著（P≤0.01,所以稻谷和玉米的剪切速度不能确定,须在不同条件下实验。

所得实验结果均可拟合出方程,分别为y=-0.1944x2+0.355x+22.811;y=-0.0617x2-0.2475x+33.144;y=-0.2216x2+0.2111x+28.318,其中x为剪切速度（mm/min,x∈[1.33,5.20],y分别为小麦、稻谷和玉米的内摩擦角（°。

图1土工合成材料综合测定仪示意图

Fig.1Schematicillustrationofgeosyntheticsintegrateddetector

usedinthisstudy

加载装置测力仪加载杆

压实载荷

顶盖剪切环

底座

底平面

剪切平面剪切速度小麦内摩擦角（°稻谷内摩擦角（°玉米内摩擦角（°（mm/min均值标准差均值标准差均值标准差1.3323.060.9232.710.4328.220.822.6722.051.2932.020.2327.270.594.3321.122.2130.940.7225.121.115.2

19.19

1.91

30.18

1.12

23.4

1.2

表1不同剪切速度下小麦、稻谷及玉米的内摩擦角

Table1Internalfrictionanglesofwheat,paddyandcornunder

differentshearvelocities

2009,Vol.30,No.15

食品科学

※基础研究

882.2

法向压应力对内摩擦角的影响

对小麦（水分为18.14%、稻谷（水分为17.57%、玉

米（水分为14.93%分别进行剪切实验,剪切速度分别为1.33、2.67、4.33、5.20mm/min,施加的法向压应力为25、50、75、100kPa。

实验结果见图2。

由图2可知,在法向压应力为25~100kPa时,小麦、稻谷和玉米的内摩擦角均随着法向压应力的增大而减小,其变化范围分别为:

32.88°~32.20°、36.99°~30.27°、34.70°~28.10°。

实验结果均可拟合出线性方程,分别为:

y=2.6277x2-6.6215x+34.28;y=2.9933x2-12.864x+40.077;y=6.7065x2-17.054x+38.499,其中x为法向压应力（102

kPa,x∈[0.25,1],y分别为小麦、

稻谷和玉米内摩擦角（°。

2.3

水分对内摩擦角的影响

对水分为10.96%、13.17%、15.90%、18.14%的小麦,水分为11.25%、13.77%、16.72%、17.57%的稻谷和水分为11.05%、12.34%、14.93%、17.75%的玉米分别进行剪切实验,法向压应力为25、50、75、100kPa。

实验结果见图3。

由图3可知,小麦的水分为10.96%~18.14%时,玉米的水分为11.05%~17.75%时,它们的内摩擦角均随着水分的增加而增加,并可分别拟合得到方程y=0.1933x2-4.4326x+47.391;y=0.0082x2+0.7688x+16.732,其中x为水分（%,y分别为小麦和玉米内摩擦角（°。

而稻谷在水分为11.25%~17.57%时,内摩擦角的变化不是很规律,随着水分的增加,内摩擦角有可能减小也有可能增大,其原因可能是:

在实验过程中,由于实验条件的限制,曲线一直无法出现剪切应力的峰值,所以破坏点确定不能完全准确;稻谷颗粒有外壳包裹,压缩性较大,水分对其影响不明显。

3讨论

3.1

小麦（水分为10.96%、稻谷（水分为13.77%及玉米

（水分为11.05%的内摩擦角均随着剪切速度的增大而减小,在法向压应力为25~100kPa时,它们的内摩擦角的范围分别为17.49°~23.86°、28.95°~33.19°、22.21°~28.93°。

3.2

随着法向压应力的增大（25~100kPa,小麦（水分为18.14%、稻谷（水分为17.57%及玉米（水分为14.93%

a.小麦;b.稻谷;c.玉米。

图3同。

图2法向压应力对内摩擦角的影响

Fig.2Effectsofnormalstressoninternalfrictionanglesofwheat,

paddyandcorn

3432302826242220

a

内摩擦角（°

法向压应力（102kPa

00.511.5

y=2.6277x2-6.6215x+34.28

4035

302520b

内摩擦角（°

法向压应力（102kPa

0.511.5

y=2.9933x2-12.864x+40.077403020100c

内摩擦角（°

法向压应力（102kPa

0.511.5

y=6.7065x2

-17.054x+38.499

图3水分对内摩擦角的影响

Fig.3Effectsofmoisturecontentoninternalfrictionanglesof

wheat,paddyandcorn

35302520151050a

内摩擦角（°

水分（%

10

1520

y=0.1933x2-4.4326x+47.391

33.5

3332.53231.531b

内摩擦角（°

水分（%

10

12141618

3530252015c

内摩擦角（°

水分（%

10

1520

y=0.0082x2-0.7688x+16.732

89※基础研究食品科学2009,Vol.30,No.15

的内摩擦角均随之减小,内摩擦角的变化范围分别为32.88°~32.20°、36.99°~30.27°、34.70°~28.10°。

3.3小麦（水分为10.96%~18.14%和玉米（水分为11.05%~17.75%的内摩擦角均随着水分的增加而增加,内摩擦角的变化范围分别为21.77°~30.83°、26.40°~32.89°,但对于稻谷（11.25%~17.57%,水分对其内摩擦角的影响规律不明显。

3.4对于剪切速度、法向压应力以及水分对小麦、稻谷和玉米内摩擦角的影响,均可以拟合出方程,而方程可供粮食工程设计者快速计算内摩擦角。

测定粮食摩擦角的设备有很多种,本实验采用直剪仪对内摩擦角与法向压应力的关系以及内摩擦角与剪切速度的关系进行了研究,研究结论与国内外相关文献一致。

在水分与内摩擦角关系方面,Kachru等[9]研究表明内摩擦角是随着水分的增加而增加的,但增加很小。

本实验得出的结论是小麦和玉米的内摩擦角随着水分的增加而增加,但水分对稻谷的影响不是很规律,其原因可能是实验条件、实验方法、稻谷品种存在着差异。

对于稻谷的内摩擦角与水分关系的问题还有待进一步的研究。

参考文献:

[1]AIRYW.Thepressureofgrain[J].MinutesoftheProceedingsoftheInstituteofCivilEngineers,1897,131:

347-358.

[2]JAMIESONJA.Grainpressuresindeepbins[J].EngineeringNews,1904,51（10:

236-243.

[3]赖姆伯特ML,赖姆伯特AM.筒仓理论与实践[M].顾华孝,译.北京:

中国建筑工业出版社,1981.

[4]VERSAVELPA,BRITTONMG.Interactionofbulkwheatwithbinwallconfigurationinmodelbins[J].TransactionsoftheASAE,1986,29（2:

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[5]ZHANGQ,BRITTONMG,KIEPERRJ.Interactionsbetweenwheatandacorrugatedsteelsurface[J].TransactionsoftheASAE,1994,37（3:

951-956.

[6]MOLENDAM,MONTROSSMD,HORABIKJ,etal.Mechanicalpropertiesofcornandsoybeanmeal[J].TransactionsoftheASAE,2002,45（6:

1929-1936.

[7]张桂花,汤楚宙,熊远福,等.包衣稻种物理特性的测定及其应用[J].湖南农业大学学报:

自然科学版,2004,30（1:

68-70.

[8]许启铿,王录民.测定粮食内摩擦角的直剪仪研制[J].山西建筑,2007,33（14:

81-82.

[9]KACHRURP,GUPTARK,ALAMA.Physico-chemicalconstituentsandengineeringpropertiesoffoodcrops[M].India:

ScientificPublishers,1994.