小麦稻谷及玉米内摩擦角的测定与比较研究精文档格式.docx

1、 moisture content; shear velocity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

2、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 0.3650.375。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 （0.1100.861kg/cm2 的内摩擦角变化范 围为 2010 3305 。 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

3、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

4、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

5、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 ,然后施加水平推应力,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。根据莫尔理论有 , 为正应力, 为剪切应力, c为散粒体黏聚力 , 即为内摩擦角。假定粮食不具有黏 聚力,即 c =0,则 t g =/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 29mm ,根据以往 研究结果,剪切盒净空

6、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. 0k N /m 312m=96k N /m 2=96k P a ,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、 100kP a 。 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

7、,确定粮食的水平剪切速率 为 1.33、 2.67、 4.33、 5.20mm/min8。 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 F P 值 F 临界值 组间 38.1342.9420.0994.066

8、小麦内摩擦角组内 82.765总计 11组间33.8027.5710.010稻谷内摩擦角组内 80.502314.06115.2040.001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Table 2 Analysis of variance for the effects of shear velocity oninternal friction angles of wheat, paddy and corn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 17.4923.86、 28.9533.19、 22.2

9、128.93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 =-0.1944x 2+ 0.355x +22.811; y =-0.0617x 2-0.2475x + 33.144;

10、 y = -0.2216x 2 + 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.1 Schematic illustration of geosynthetics integrated detectorused in this study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 1.3323.060.9

11、232.710.4328.220.822.6722.051.2932.020.2327.270.594.3321.122.2130.940.7225.121.115.219.191.9130.181.1223.41.2表 1 不同剪切速度下小麦、稻谷及玉米的内摩擦角Table 1 Internal friction angles of wheat, paddy and corn underdifferent shear velocities882.2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

12、为 1.33、 2.67、 4.33、 5.20mm/min,施加的法向压应力为 25、 50、 75、 100k P a 。实验结果见图 2。由图 2可知,在法向压应力为 25100kPa 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:32.8832.20、 36.9930.27、 34.7028.10实验结果均可拟合出线性方 程,分别为:y = 2.6277x 2-6.6215x + 34.28; y =2.9933x 2-12.864x + 40.077; y = 6.7065x 2-17.054x + 38.499,其中 x 为法向压应力 （102k

13、Pa , 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、 100k Pa 。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

14、拟合得到方程 y =0.1933x 2-4.4326x + 47.391; y = 0.0082x 2 + 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

15、擦角均随着剪切速度的增大而减 小,在法向压应力为 25100kPa 时,它们的内摩擦角 的范围分别为 17.49 3.2随着法向压应力的增大 （25100kPa ,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.2 Effects of normal stress on internal friction angles of wheat,paddy and corn3432302826242220a内 摩 擦 角 （法向压应力 （102kPa00.511.5y

16、 = 2.6277x 2-6.6215x +34.284035302520b0.511.5y = 2.9933x 2-12.864x +40.077403020100cy = 6.7065x 2-17.054x +38.499图 3 水分对内摩擦角的影响Fig.3 Effects of moisture content on internal friction angles ofwheat, paddy and corn35302520151050a水分 （%101520y = 0.1933x 2-4.4326x +47.39133.53332.53231.531b12141618353025

17、2015cy = 0.0082x 2-0.7688x +16.73289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 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 21.7730.83、 26.4032.89,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

18、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 :1AIRY W. The pressure of grainJ. Minutes of the Proce

19、edings of the Institute of Civil Engineers, 1897, 131: 347-358.2JAMIESON J A. Grain pressures in deep binsJ. Engineering News, 1904, 51（10: 236-243.3赖姆伯特 M L, 赖姆伯特 A M. 筒仓理论与实践 M. 顾华孝 , 译 . 北 京 : 中国建筑工业出版社 , 1981.4VERSAVEL P A, BRITTON M G. Interaction of bulk wheat with bin wall configuration in mo

20、del binsJ.Transactions of the ASAE, 1986, 29 （2: 533-536.5ZHANG Q, BRITTON M G, KIEPER R J. Interactions between wheat and a corrugated steel surfaceJ. Transactions of the ASAE, 1994, 37（3: 951-956.6MOLEND A M, MONTROSS M D, HORABIK J, et al. Mechanical properties of corn and soybean mealJ. Transact

21、ions of the ASAE, 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（14:81-82.9KACHRU R P, GUPTA R K, ALAM A. Physico-chemical constituents and engineering properties of food cropsM. India: Scientific Publishers, 1994.