小麦稻谷及玉米内摩擦角的测定与比较研究精.docx

1、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

2、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Factors Affecting Measurement of Angle of Internal Friction of Wheat, Paddy and CornCHENG Xu-duo1, AN Rong-rong1, CAO Yang2, LI Guang-tao2, CHENG Long2(1. College of Food Science and Engineering, Nanjing Un

3、iversity of Finance and Economics, Nanjing 210003, China;2. Academy of State Administration of Grain, Beijing 100080,ChinaAbstract :The effects of shear velocity, normal stress and moisture content on the measurement of angle of internal frictionof wheat, paddy and corn were investigated by single-f

4、actor method. A shear velocity of 5.20 mm/min was found to be the bestfor the measurement of angle of internal friction. The angles of internal friction of wheat, paddy and corn all declined with theincrease in normal stress and shear velocity. An upward trend of angle of internal friction was found

5、 in both wheat and corn asthe moisture content went up, which, however, appeared to have little influence on the angle of internal friction of paddy. Fourmathematical models describing the relationships of angle of internal friction with normal stress, shear velocity and moisturecontent were develop

6、ed for each of the grains.Key words:angle of internal friction; normal stress; 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

7、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 0.3650.375。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

8、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

9、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%;

10、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 ,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,

11、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、 100

12、kP 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,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

13、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小麦内摩擦角组内 82.765总计 11组间33.8027.5710.0104.066稻谷内摩擦角组内 80.502总计 11组间314.06115.2040.0014.066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Table 2 Analysis of variance for the effects of shear velocity oninternal friction angles of

14、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、 22.2128.93。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

15、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; 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

16、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 1.3323.060.9232.710.4328.220.822.6722.051.2932.020.2327.270.594.3321.122.2130.940.7225.121.115.219.191.9130.181.1223.41.2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 underdifferen

17、t shear velocities2009, 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、 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

18、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 (102kPa , 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

19、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:

20、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 25100kPa 时,它们的内摩擦角 的范围分别为 17.4923.86、 28.9533.19、 22.2128.93。 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;

21、 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 = 2.6277x 2-6.6215x +34.284035302520b内 摩 擦 角 (法向压应力 (102kPa0.511.5y = 2.9933x 2-12.864x +40.077403020100c内 摩 擦 角 (法向压应力 (102kPa0.511.5y = 6

22、.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内 摩 擦 角 (水分 (%101520y = 0.1933x 2-4.4326x +47.39133.53332.53231.531b内 摩 擦 角 (水分 (%10121416183530252015c内 摩 擦 角 (水分 (%101520y = 0.0082x 2-0.7688x +16.73289基础研究 食品科

23、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 32.8832.20、 36.9930.27、 34.7028.10。 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 21.7730.83、 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内摩擦角。测定粮食摩擦角的设

24、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 Proceedings of the

25、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 model binsJ.Tran

26、sactions 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. Transactions 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.