許倩 程緒鐸 孫姜

[摘要]摩擦特性對(duì)于糧倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本實(shí)驗(yàn)通過直剪儀測(cè)定了不同條件下油菜籽的內(nèi)摩擦角以及與不同倉壁材料的摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)法向壓應(yīng)力增加時(shí)，油菜籽（水分含量分別為7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.）的內(nèi)摩擦角先呈減小趨勢(shì)，在達(dá)到某一最小值后又繼續(xù)增加，水分含量分別為11.33%w.b.和13.52%w.b.的油菜籽內(nèi)摩擦角一直呈減小趨勢(shì);在剪切速度和法向壓應(yīng)力不變時(shí)，油菜籽內(nèi)摩擦角隨著水分含量的增加而增加。水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）一定時(shí)，油菜籽的摩擦系數(shù)隨法向壓應(yīng)力的增加呈減小趨勢(shì);法向壓應(yīng)力（25kPa～100kPa）一定時(shí)，油菜籽摩擦系數(shù)隨水分含量的增加而增加。比較不同倉壁材料的摩擦系數(shù)，油菜籽與混凝土板的摩擦系數(shù)最大，其次是木板與不銹鋼板。

[關(guān)鍵詞]油菜籽;內(nèi)摩擦角;摩擦系數(shù);水分含量;法向壓應(yīng)力

中圖分類號(hào)：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202003

在全球范圍內(nèi)，每年由于蟲害損失的谷物有1 300萬t，其中由于儲(chǔ)存不當(dāng)而損失的谷物可達(dá)1億t。因此，減少因不當(dāng)儲(chǔ)存而造成的谷物損失可有助于節(jié)省糧食，解決不斷增長的人口需求問題。摩擦特性是糧食力學(xué)特性的一個(gè)重要組成部分，當(dāng)油菜籽儲(chǔ)藏于筒倉中時(shí)，側(cè)向壓力與垂直壓力之比與內(nèi)摩擦角有關(guān)[1]。精確測(cè)定出內(nèi)摩擦角和摩擦系數(shù)對(duì)于計(jì)算筒倉壁上的側(cè)向壓力至關(guān)重要。

19世紀(jì)末，國內(nèi)外學(xué)者相繼開始研究糧食的摩擦特性。Airy W[2]測(cè)定出小麥與鋼板之間的平均摩擦系數(shù)為0.414。Izli N等[3]在評(píng)估三種常見油菜籽的機(jī)械特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，油菜籽與橡膠的靜摩擦系數(shù)最高。張桂花等[4]研究包衣水稻物理特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，稻谷包衣處理后內(nèi)摩擦角與滑動(dòng)摩擦系數(shù)均減小。呂芳等[5]為研究不同玉米、豆粕含量對(duì)粉狀配合飼料摩擦特性的影響，對(duì)不同配比的粉狀配合飼料的內(nèi)摩擦角、滑動(dòng)摩擦角和休止角進(jìn)行了測(cè)定。馬少騰等[6]為研究油葵機(jī)械化裝備的設(shè)計(jì)，測(cè)量了油葵的滑動(dòng)摩擦角。

現(xiàn)有的研究大多數(shù)集中在與水分有關(guān)的摩擦特性上，因此本文通過直剪實(shí)驗(yàn)測(cè)定油菜籽的內(nèi)摩擦角以及與不同倉壁材料的摩擦系數(shù)，同時(shí)研究了法向壓應(yīng)力、水分含量與內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

“南油12”油菜籽（平均直徑2.097 9mm）：江蘇省南通市;直剪儀（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，直剪儀示意圖如圖1所示;電熱干燥箱[HG202-2（2A/2AD）]：南京盈鑫實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;分析天平（AL204型）：上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

直剪法是以Coulomb理論為基礎(chǔ)，測(cè)定散粒體內(nèi)摩擦角與摩擦系數(shù)的方法。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品置于上下剪切盒中，在上剪切盒的蓋板上施加法向壓應(yīng)力σ，下剪切盒的加載桿上施加水平推應(yīng)力τ，使油菜籽在上下剪切盒之間的水平面上進(jìn)行剪切。

內(nèi)摩擦角是指試樣在不同法向壓應(yīng)力作用下，得出的抗剪強(qiáng)度。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，法向壓應(yīng)力為橫坐標(biāo)，繪制關(guān)系曲線，該曲線近似一條直線，此直線的傾角即為內(nèi)摩擦角φ。

根據(jù)莫爾理論，得到公式如下：

式中：σ為正應(yīng)力;τ為剪切應(yīng)力;c為散粒體黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

油菜籽屬于非黏性散粒體，假定不具有黏聚力，此時(shí)最大剪切力將全部用于克服散粒體的內(nèi)摩擦力，即c=0，tanφ=τ/σ[7]。測(cè)定油菜籽摩擦系數(shù)的方法類似，區(qū)別在于下剪切盒中填充了不同的倉壁材料板。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

樣品去除雜質(zhì)后，測(cè)定原始水分含量為8.42%w.b.，并將試驗(yàn)樣品的水分含量分別調(diào)為7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.和13.52%w.b.。

1.3.2 剪切盒的選擇

直剪實(shí)驗(yàn)可以使用方形和圓形兩種類型的剪切盒，但是這兩種類型的剪切盒之間沒有顯著差異[8]。本實(shí)驗(yàn)選擇邊長為100mm的方形剪切盒。

1.3.3 確定開縫尺寸

實(shí)驗(yàn)中，由于靠近剪切盒接口處的顆粒受到約束，因此需要一定尺寸的縫隙來減小影響。根據(jù)油菜籽的大小，確定開縫尺寸大小約為2mm。將4枚硬幣置于上下剪切盒之間，保證開縫尺寸。

1.3.4 法向壓應(yīng)力的選擇

以筒倉中15m深度處油菜籽（重力密度約為6.7kN/m3）所受的荷載為依據(jù)，結(jié)合油菜籽自身特性，實(shí)驗(yàn)時(shí)將法向壓應(yīng)力設(shè)定為25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。

1.3.5 倉壁材料的選擇

糧食的儲(chǔ)藏多采用平房倉或者筒倉的形式，根據(jù)不同倉型的倉壁，本文測(cè)量油菜籽與不銹鋼板、木板以及混凝土板的摩擦系數(shù)。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切速度的選擇

在法向壓應(yīng)力25kPa下，對(duì)水分含量為8.42%w.b.的油菜籽進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，剪切速度分別為0.53mm/min、1.33mm/min、2.67mm/min、4.33mm/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，油菜籽的內(nèi)摩擦角隨剪切速度的增加而增加。非黏性散粒體因剪切速率過大，會(huì)產(chǎn)生籽粒間的沖擊與碰撞。油菜籽屬于非黏性散粒體，為了模擬油菜籽在糧倉中的真實(shí)狀態(tài)，剪切速度選擇為1.33mm/min[9]。

2.2 油菜籽內(nèi)摩擦角的測(cè)定與分析

2.2.1 法向壓應(yīng)力與油菜籽內(nèi)摩擦角的關(guān)系

對(duì)水分含量為7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.、13.52%w.b.的油菜籽分別進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，剪切速度1.33mm/min，施加的法向壓應(yīng)力為25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。結(jié)果如表2、圖3～圖4所示。

由表2、圖3可知，當(dāng)水分含量為7.11%w.b.、8.42%w.b.和9.87%w.b.時(shí)，油菜籽內(nèi)摩擦角隨著法向壓應(yīng)力的增加先減小，到某一最小值后呈增加趨勢(shì)。這與Marcel L R[10]的研究結(jié)果相同，油性籽粒摩擦?xí)r因破裂出油，會(huì)減小摩擦，使得內(nèi)摩擦角出現(xiàn)再增加的趨勢(shì)。

由表2、圖4可知，當(dāng)水分含量為11.33%w.b.和13.52%w.b.時(shí)，油菜籽內(nèi)摩擦角隨著法向壓應(yīng)力的增加逐漸減小。分析原因可能是水分含量較高的油菜籽不容易發(fā)生破裂，所以內(nèi)摩擦角沒有出現(xiàn)再增加的趨勢(shì)。

2.2.2 水分含量與油菜籽內(nèi)摩擦角的關(guān)系

分別施加法向壓應(yīng)力25kPa、50kPa、75kPa、100kPa，對(duì)水分含量為7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.和13.52%w.b.的油菜籽進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，剪切速度1.33mm/min，結(jié)果如表2、圖5～圖8所示。

由圖5～圖8可知，在剪切速度和法向壓應(yīng)力不變的情況下，油菜籽內(nèi)摩擦角隨水分含量的增加而增加。這與已經(jīng)公開發(fā)表的研究結(jié)果相同。Horabik J等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分含量從10%w.b.上升到20%w.b.時(shí)，小扁豆的內(nèi)摩擦角增加了1.4倍。同樣的，在一定水分含量下，小麥的內(nèi)摩擦角也從26°增加到35°[12]。

2.3 油菜籽摩擦系數(shù)的測(cè)定與分析

將剪切儀的下剪切盒中填充不同倉壁材料板，剪切速度1.33mm/min，采用上述相同方法測(cè)定油菜籽的摩擦系數(shù)，結(jié)果如表3、圖9～圖11所示。

由表3、圖9～圖11可知，在水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）相同時(shí)，油菜籽的摩擦系數(shù)隨著法向壓應(yīng)力的增加呈減小趨勢(shì);在法向壓應(yīng)力（25kPa～100kPa）一定時(shí)，油菜籽的摩擦系數(shù)隨著水分含量的增加而增加。Fitzpatrick J. J等[13]通過研究得知，在較高水分含量下摩擦系數(shù)增加的原因，可能是由于水分在接觸表面上提供了內(nèi)聚力，而內(nèi)聚力通常隨水分的增加而增加。

在法向壓應(yīng)力和水分含量相同時(shí)，油菜籽與混凝土板的摩擦系數(shù)最大，其次是木板與不銹鋼板。侯杰[14]在研究玉米秸稈散粒物料在不同接觸材料上的壁面摩擦系數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玉米秸稈散粒物料含水率一定時(shí)，玉米秸稈散粒物料與木板的壁面摩擦系數(shù)存在最小值，而與鐵板和有機(jī)玻璃板存在最大值。

3 結(jié) 論

（1）在剪切速度一定的情況下，水分含量為7.11%w.b.、8.42%w.b.和9.87%w.b.時(shí)，油菜籽的內(nèi)摩擦角隨著法向壓應(yīng)力的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)水分含量為11.33%w.b.、13.52%w.b.時(shí)，油菜籽的內(nèi)摩擦角隨著法向壓應(yīng)力的增加而減小。在水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）相同時(shí)，油菜籽與相同倉壁材料的摩擦系數(shù)，隨法向壓應(yīng)力的增加呈減小趨勢(shì)。

（2）在剪切速度和法向壓應(yīng)力（25kPa～100kPa）一定的情況下，油菜籽的內(nèi)摩擦角以及油菜籽與相同倉壁材料的摩擦系數(shù)均隨著水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）的增加而增加。

（3）油菜籽與混凝土板的摩擦系數(shù)最大，其次是木板與不銹鋼板。

（4）當(dāng)剪切速度為1.33mm/min，法向壓應(yīng)力為25kPa～100kPa，水分含量為7.11%w.b.～13.52%w.b.時(shí)，油菜籽內(nèi)摩擦角的取值范圍是24.17°～33.15°，與不銹鋼板的摩擦系數(shù)為0.253～0.473，與木板的摩擦系數(shù)為0.370～0.560，與混凝土板的摩擦系數(shù)為0.377～0.587。

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