油菜籽摩擦特性的測定與研究

許倩 程緒鐸 孫姜

[摘要]摩擦特性對于糧倉結構設計至關重要，本實驗通過直剪儀測定了不同條件下油菜籽的內摩擦角以及與不同倉壁材料的摩擦系數(shù)。實驗結果顯示，當法向壓應力增加時，油菜籽（水分含量分別為7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.）的內摩擦角先呈減小趨勢，在達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.的油菜籽內摩擦角一直呈減小趨勢;在剪切速度和法向壓應力不變時，油菜籽內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，油菜籽的摩擦系數(shù)隨法向壓應力的增加呈減小趨勢;法向壓應力（25kPa～100kPa）一定時，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。

[關鍵詞]油菜籽;內摩擦角;摩擦系數(shù);水分含量;法向壓應力

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202003

在全球范圍內，每年由于蟲害損失的谷物有1 300萬t，其中由于儲存不當而損失的谷物可達1億t。因此，減少因不當儲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特性的一個重要組成部分，當油菜籽儲藏于筒倉中時，側向壓力與垂直壓力之比與內摩擦角有關[1]。精確測定出內摩擦角和摩擦系數(shù)對于計算筒倉壁上的側向壓力至關重要。

19世紀末，國內外學者相繼開始研究糧食的摩擦特性。Airy W[2]測定出小麥與鋼板之間的平均摩擦系數(shù)為0.414。Izli N等[3]在評估三種常見油菜籽的機械特性時發(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發(fā)現(xiàn)，稻谷包衣處理后內摩擦角與滑動摩擦系數(shù)均減小。呂芳等[5]為研究不同玉米、豆粕含量對粉狀配合飼料摩擦特性的影響，對不同配比的粉狀配合飼料的內摩擦角、滑動摩擦角和休止角進行了測定。馬少騰等[6]為研究油葵機械化裝備的設計，測量了油葵的滑動摩擦角。

現(xiàn)有的研究大多數(shù)集中在與水分有關的摩擦特性上，因此本文通過直剪實驗測定油菜籽的內摩擦角以及與不同倉壁材料的摩擦系數(shù)，同時研究了法向壓應力、水分含量與內摩擦角、摩擦系數(shù)的關系。

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）]：南京盈鑫實驗儀器有限公司;分析天平（AL204型）：上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.2 實驗原理

直剪法是以Coulomb理論為基礎，測定散粒體內摩擦角與摩擦系數(shù)的方法。如圖2所示，實驗時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力σ，下剪切盒的加載桿上施加水平推應力τ，使油菜籽在上下剪切盒之間的水平面上進行剪切。

內摩擦角是指試樣在不同法向壓應力作用下，得出的抗剪強度。以抗剪強度為縱坐標，法向壓應力為橫坐標，繪制關系曲線，該曲線近似一條直線，此直線的傾角即為內摩擦角φ。

根據(jù)莫爾理論，得到公式如下：

式中：σ為正應力;τ為剪切應力;c為散粒體黏聚力;φ為內摩擦角。

油菜籽屬于非黏性散粒體，假定不具有黏聚力，此時最大剪切力將全部用于克服散粒體的內摩擦力，即c=0，tanφ=τ/σ[7]。測定油菜籽摩擦系數(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 實驗方法

1.3.1 實驗樣品的準備

樣品去除雜質后，測定原始水分含量為8.42%w.b.，并將試驗樣品的水分含量分別調為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

直剪實驗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]。本實驗選擇邊長為100mm的方形剪切盒。

1.3.3 確定開縫尺寸

實驗中，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)，結合油菜籽自身特性，實驗時將法向壓應力設定為25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。

1.3.5 倉壁材料的選擇

糧食的儲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軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 實驗結果與分析

2.1 剪切速度的選擇

在法向壓應力25kPa下，對水分含量為8.42%w.b.的油菜籽進行剪切實驗，剪切速度分別為0.53mm/min、1.33mm/min、2.67mm/min、4.33mm/min。實驗結果如表1所示。

由表1可知，油菜籽的內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狀態(tài)，剪切速度選擇為1.33mm/min[9]。

2.2 油菜籽內摩擦角的測定與分析

2.2.1 法向壓應力與油菜籽內摩擦角的關系

對水分含量為7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.、13.52%w.b.的油菜籽分別進行剪切實驗，剪切速度1.33mm/min，施加的法向壓應力為25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。結果如表2、圖3～圖4所示。

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

由表2、圖4可知，當水分含量為11.33%w.b.和13.52%w.b.時，油菜籽內摩擦角隨著法向壓應力的增加逐漸減小。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，所以內摩擦角沒有出現(xiàn)再增加的趨勢。

2.2.2 水分含量與油菜籽內摩擦角的關系

分別施加法向壓應力25kPa、50kPa、75kPa、100kPa，對水分含量為7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.和13.52%w.b.的油菜籽進行剪切實驗，剪切速度1.33mm/min，結果如表2、圖5～圖8所示。

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

2.3 油菜籽摩擦系數(shù)的測定與分析

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定油菜籽的摩擦系數(shù)，結果如表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，油菜籽的摩擦系數(shù)隨著法向壓應力的增加呈減小趨勢;在法向壓應力（25kPa～100kPa）一定時，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聚力，而內聚力通常隨水分的增加而增加。

在法向壓應力和水分含量相同時，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)時發(fā)現(xiàn)，當玉米秸稈散粒物料含水率一定時，玉米秸稈散粒物料與木板的壁面摩擦系數(shù)存在最小值，而與鐵板和有機玻璃板存在最大值。

3 結 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，油菜籽的內摩擦角隨著法向壓應力的增加呈先減小后增加的趨勢。當水分含量為11.33%w.b.、13.52%w.b.時，油菜籽的內摩擦角隨著法向壓應力的增加而減小。在水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）相同時，油菜籽與相同倉壁材料的摩擦系數(shù)，隨法向壓應力的增加呈減小趨勢。

（2）在剪切速度和法向壓應力（25kPa～100kPa）一定的情況下，油菜籽的內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）當剪切速度為1.33mm/min，法向壓應力為25kPa～100kPa，水分含量為7.11%w.b.～13.52%w.b.時，油菜籽內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。

參考文獻

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