不同含水率下花生莢果靜摩擦系數測定*

徐效偉，顏建春，魏海，鮑國丞，紀龍龍，謝煥雄

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

花生(peanut)，原名落花生，又名“長生果”“泥豆”“番豆”。花生是一種重要的油料作物，也是優質蛋白質的來源，并且是重要的出口創匯農產品[1]。據統計，我國花生種植面積和總產量近幾年均居于世界前列。我國花生生產機械化研究起步較晚，相關技術儲備及研發能力較弱，近年來，隨著研發力度的加強，花生收獲機械取得了重大突破，國內已有相對成熟技術[2]。花生收獲機在生產上的應用縮短了花生收獲期，傳統晾曬方式已不再適合機械化收獲新模式，花生莢果收獲后含水率較高，干燥不及時會造成霉變，造成經濟損失。常見的干燥設備主要有回轉筒式干燥機、箱式干燥機、就倉干燥裝備等，這幾類干燥設備的缺點主要是單次處理量小、干燥品質較差、干燥不連續和結構復雜等，不能滿足生產需求[3]?；炝魇礁稍餀C能彌補上述幾類干燥機的缺點，但是混流干燥機主要應用于谷物糧食干燥[4]，花生體積較大，外形不規則，表面粗糙度大，對流動性影響較大[5]。吳孟宸等[6]通過試驗對花生種子的靜摩擦系數進行了測定，并對參數進行了試驗標定，為排種器的相關設計提供了參考；Baryeh[7]以含水率為變量研究了花生的三軸尺寸、顆粒密度和堆積密度等參數，為花生加工設備提供了理論參考；顧炳龍等[8]通過自制斜面儀測定了花生莢果的靜摩擦系數，為花生脫殼機的設計提供參考。目前對花生莢果靜摩擦系數研究較少，鮮有以含水率為變量測定花生莢果靜摩擦系數的報道。

本文以宛花2號、大白沙171為研究對象，采用試驗法測得花生莢果在不同含水率下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)與不同接觸材料(Q235鋼板、大孔篩、小孔篩)的靜摩擦系數，并對試驗數據進行了單因素分析，確定各因素對花生莢果靜摩擦系數的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在不同花生品種摩擦特性比較試驗研究中，選用我國花生主產區主要種植品種宛花2號和大白沙171作為試驗物料，選取Q235鋼板、大孔篩(Ib形篩片孔徑5 mm、孔間距為8 mm)、小孔篩(Ib形篩片孔徑3 mm、孔間距為10 mm)作為接觸材料。待測花生按不同品種隨機選取，經初步清理和篩選，去除三軸尺寸差異較大的花生莢果。試驗所用花生莢果需進行不同比例的調濕處理。

1.2 試驗儀器

主要利用游標卡尺測量花生莢果的外形尺寸等物理特性；用自制摩擦系數斜面儀對花生莢果進行靜摩擦系數測定[9]，如圖1所示；利用單軸傾角盒測定花生莢果摩擦角(精度0.05°)；用DGF30/7-IA型電熱鼓風干燥箱(溫度0～300 ℃，電壓220 V)和上皿電子天平(量程100 g，精度0.000 1 g)進行莢果含水率的測定。

圖1 摩擦系數斜面儀

1.3 試驗原理

摩擦系數的測定，前人已有大量的研究[10-11]。本試驗采用靜力學原理對花生莢果靜摩擦系數進行測定，通過測定花生莢果靜摩擦系數，可知莢果在接觸部件上的滑動性，間接反映花生莢果的流動性，通過測量摩擦角得到靜摩擦系數。對花生莢果進行受力分析，如圖2所示。由靜力學原理可知，在花生莢果突然下滑瞬間受力需滿足式(1)[8]。

圖2 摩擦系數測量原理示意

(1)

式中：θ——花生莢果的靜摩擦角，(°)；

F——花生莢果沿斜面方向分力，N；

f——靜摩擦力，N；

N——花生莢果垂直于斜面分力，N；

μ1——花生莢果靜摩擦系數；

m——花生莢果質量，kg；

g——重力加速度，9.8 N/s2。

因此，靜摩擦系數可由式(2)計算。

μ1=f/N=mg·sinθ/mg·cosθ=tanθ

(2)

1.4 試驗方法

1.4.1 樣品的準備

原始樣本根據中華人民共和國國家標準GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》[12]測得花生莢果自然干燥后含水率為10.18%，然后調制其他含水率的樣品，花生莢果含水率調制方法為：已知原始樣品的含水率，根據式(3)計算調濕所需的水量，然后將花生莢果和水放進密封袋中置于5 ℃的人工氣候箱內3 d，每天翻轉密封袋兩次，使水分均勻[13-14]。為保證水分充分滲透花生莢果，調制后需將莢果靜置2 h后，將試驗莢果分為兩組，一份用于靜摩擦試驗，另一份用于測定實際的含水率參數。

(3)

式中：Q——所需添加水的質量，kg；

Wi——花生莢果的質量，kg；

Mi——調制前花生莢果含水率，%；

Mf——調制后花生莢果含水率，%。

1.4.2 試驗內容

將處理好的花生莢果平放在桌面上，用大頭針固定花生莢果，并進行稱重。先將單軸傾角盒放置于摩擦系數斜面儀的鉸接軸附近，避免影響花生滑動，再將花生莢果放置于摩擦系數斜面儀上，保證測試花生莢果與接觸材料充分接觸，緩慢轉動搖把增大斜面傾斜角度，當花生莢果沿斜面突然下滑時，搖把停止轉動，記錄此時單軸傾角盒的數值。該值即為待測花生莢果在測試板上的靜摩擦角[15]。為減少隨機誤差的影響，每種情況重復20次，從中選取10組數據利用式(2)計算靜摩擦系數，并取平均值作為選定條件下花生莢果與此材料的靜摩擦系數。試驗結束后，對花生莢果進行稱重，測定試驗過程中重量是否變化。

為進一步探究各因素對靜摩擦系數的影響，進行了單因素試驗，因素水平分別為接觸材料(Q235鋼板、大孔篩、小孔篩)、含水率(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)、花生品種(宛花2號、大白沙171)，在其他條件相同，控制單一變量的情況下，分別測取宛花2號和大白沙171在不同含水率下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)與Q235鋼板、大孔篩和小孔篩的靜摩擦系數。

2 結果與分析

2.1 試驗數據與方差分析

單因素試驗結果如表1所示。

表1 花生莢果靜摩擦系數測量結果

由表1可知，花生莢果在不同含水率下與不同接觸材料的靜摩擦系數變化趨勢相同；對因素水平進行方差分析(表2～表4)，發現接觸材料、含水率和花生品種對花生莢果靜摩擦系數均有極顯著影響。

表2 接觸材料對靜摩擦系數影響的方差分析

表3 品種對靜摩擦系數影響的方差分析

表4 含水率對靜摩擦系數影響的方差分析

2.2 接觸材料對花生莢果靜摩擦系數的影響

在靜摩擦系數測定試驗中，在含水率16.28%的條件下，宛花2號與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩靜摩擦系數的平均值分別為0.548、0.725、0.824；大白沙171與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩靜摩擦系數的平均值分別為0.537、0.677、0.726。發現花生莢果與小孔篩的靜摩擦系數大于大孔篩和Q235鋼板。這是因為小孔篩篩孔比較密集，表面粗糙、摩擦力較大，不利于花生滑動。

2.3 花生品種對花生莢果靜摩擦系數的影響

不同花生品種幾何尺寸、飽滿度和球形度都有一定的差異，呈現出的物理特性也不同。宛花2號花生莢果的形狀、大小相對均勻，接觸面積較大；大白沙171花生莢果的形狀、大小均勻性次之。在靜摩擦系數測定過程中，品種之間的物理特性差異有較明顯的影響，由于在測定過程中，花生莢果與材料接觸時間較長，不同花生表面特性對流動性能的影響能有效地呈現出來，試驗結果表明大白沙171與接觸材料的靜摩擦系數小于宛花2號，大白沙171花生莢果的流動性相對較好，宛花2號花生莢果流動性相對較差[5]。

2.4 含水率對花生莢果靜摩擦系數的影響

2.4.1 含水率對宛花2號靜摩擦系數的影響

由圖3可知，不同含水率(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)的宛花2號花生莢果與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩的靜摩擦系數變化范圍是0.388～0.611、0.494～0.819、0.553～0.975，靜摩擦系數均隨花生莢果含水率的增大而增大。一方面可能是由于隨著含水率增大，花生莢果塑性增加，花生莢果與材料表面真實接觸面積增大；另一方面，當含水率增大，花生莢果與接觸材料之間的黏附作用也增大，使得切向剪切力增大，靜摩擦系數增大[16]。

(a) Q235

根據試驗結果擬合出不同接觸材料下宛花2號花生莢果靜摩擦系數與含水率的一元二次曲線。

Q235鋼板

y11=-0.001 23x2+0.058 79x-0.083 59，

r2=0.999 36

大孔篩

y12=-0.001 69x2+0.082 41x-0.183 27，

r2=0.989 84

小孔篩

y13=-0.001 51x2+0.081 03x-0.115 86，

r2=0.993 29

式中：x——含水率，%，x∈(10.18～25.85)；

y1——宛花2號靜摩擦系數。

2.4.2 含水率對大白沙171靜摩擦系數的影響

由圖4可知，大白沙171花生莢果在含水率各水平下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩的靜摩擦系數變化范圍是0.42～0.622、0.608～0.822、0.619～0.892，靜摩擦系數均隨花生莢果含水率的增大而增大。

(a) Q235

根據試驗結果擬合出不同接觸材料下大白沙171花生莢果靜摩擦系數與含水率的一元二次曲線。

Q235鋼板

y21=-7.723×10-4x2+0.041 2x-0.076 64，

r2=0.992 82

大孔篩

y22=5.477 73×10-4x2-0.006 08x+0.612 22，

r2=0.993 96；

小孔篩

y23=2.163 37×10-4x2+0.010 39x+0.418 2，

r2=0.978 94

式中：x——含水率，%，x∈(10.18～25.85)；

y2——大白沙171靜摩擦系數。

3 結論

1) 利用自制靜摩擦系數斜面儀進行靜摩擦系數測定試驗，并結合理論計算得出花生莢果在含水率各水平下與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩的靜摩擦系數變化趨勢相同；含水率為16.28%時大白沙171、宛花2號與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩靜摩擦系數的平均值分別為0.537、0.677、0.726，0.548、0.725、0.824，試驗數據表明花生莢果與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩的靜摩擦系數逐漸增大。

2) 利用自制靜摩擦系數斜面儀進行靜摩擦系數測定試驗，并結合理論計算得出花生莢果在含水率各水平下與不同接觸材料的靜摩擦系數變化趨勢相同，其中大白沙171的靜摩擦系數小于宛花2號，大白沙171的流動性較好。

3) 利用自制靜摩擦系數斜面儀進行靜摩擦系數測定試驗，并結合理論計算得出花生莢果靜摩擦系數隨含水率的增大而增大，花生莢果含水率越高，與接觸材料間的黏性就越大，一定程度上增大靜摩擦系數；宛花2號在不同含水率下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩的靜摩擦系數變化范圍分別為0.388～0.611、0.494～0.819、0.553～0.975，大白沙171在不同含水率下與Q235鋼板、大孔篩、小孔篩的靜摩擦系數變化范圍分別為0.42～0.622、0.608～0.822、0.619～0.892。

在靜摩擦系數的測定時由于花生莢果個體間的差異較大，除了討論以上因素外，還可能受莢果的外形尺寸、接觸點等具有隨機不可控因素的影響，試驗過程中進行了大量的重復試驗，但是仍然不能排除個體差異造成隨機誤差的影響，這些都有待進一步研究。