小麦稻谷及玉米内摩擦角的测定与比较研究精Word文档格式.docx

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Theeffectsofshearvelocity,normalstressandmoisturecontentonthemeasurementofangleofinternalfrictionofwheat,paddyandcornwereinvestigatedbysingle-factormethod.Ashearvelocityof5.20mm/minwasfoundtobethebestforthemeasurementofangleofinternalfriction.Theanglesofinternalfrictionofwheat,paddyandcornalldeclinedwiththeincreaseinnormalstressandshearvelocity.Anupwardtrendofangleofinternalfrictionwasfoundinbothwheatandcornasthemoisturecontentwentup,which,however,appearedtohavelittleinflueneeontheangleofinternalfrictionofpaddy.

Fourmathematicalmodelsdescribingtherelationshipsofangleofinternalfrictionwithnormalstress,shearvelocityandmoisturecontentweredevelopedforeachofthegrains.

Keywords:

angleofinternalfriction;

normalstress;

moisturecontent;

shearvelocity

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

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0.365~0.375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（0.110~0.861kg/cm2的内摩擦角变化范围为20°

10’~33°

05ersavel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⑸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%;

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C然后施加水平推应力

T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

血根据莫尔理论有,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tg（I）=T/（5[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2~9mm，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

100mmX100mmX100mm。

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8.0kN/m3

X2m

=96kN/m2

=96kPa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、100kPa。

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/min[8]。

2结果与分析

2.1

剪切速度对内摩擦角的影响

对小麦冰分为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FP值F临界值组间38.1342.942

0.099

4.066

小麦内摩擦角

组内82.765

总计11组间

33.8027.571

稻谷内摩擦角

组内80.502

314.06115.204

0.001

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

Table2Analysisofvarianeefortheeffectsofshearvelocityon

internalfrictionanglesofwheat,paddyandcorn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17.49~23.86。

、28.95~33.19°

22.21~28.93:

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

极显

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

著（PW0.0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=-0.1944x2+0.355X+22.811;

y=-0.0617x2-0.2475x

+33.144;

y=-0.2216X2+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.1Schematicillustrationofgeosyntheticsintegrateddetector

usedinthisstudy

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

1.3323.060.9232.710.4328.220.822.6722.051.2932.020.2327.270.594.3321.122.2130.940.7225.121.115.2

19.19

1.91

30.18

1.12

23.4

表1不同剪切速度下小麦、稻谷及玉米的内摩擦角

Table1Internalfrictionanglesofwheat,paddyandcornunder

differentshearvelocities

882.2

法向压应力对内摩擦角的影响

对小麦冰分为18.14%、稻谷（水分为17.57%、玉

米冰分为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、100kPa。

实验结果见图2。

由图2可知，在法向压应力为25~100kPa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:

32.88~32.20°

36.99~30.27°

34.70~28.10:

实验结果均可拟合出线性方程,分别为:

y=2.6277x2-6.6215x+34.28;

y=2.9933x2-12.864x+40.077;

y=6.7065x2-17.054x+38.499其中x为法向压应力（102

kPa,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、100kPa。

实验结

果见图3。

由图3可知,小麦的水分为10.96%~18.14%寸，玉米的水分为11.05%~17.75%寸,

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=0.1933x2-

4.4326X+47.391;

y=0.0082x2+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

休分为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

25~100kPa时它们的内摩擦角的范围分别为17.49~23.86°

28.95~33.19°

22.21~28.93°

3.2

随着法向压应力的增大（25~100kPa小麦冰分为18.14%、稻谷冰分为

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.2Effectsofnormalstressoninternalfrictionanglesofwheat,paddyandcorn3432302826242220

法向压应力（102kPa

00.511.5y=2.6277X2-6.6215x+34.284035

302520b

内摩擦角（°

法向压应力（102kPa

0.511.5y=2.9933X2-12.864x+40.077403020100c

0.511.5y=6.7065X2-17.054X+38.499

图3水分对内摩擦角的影响

Fig.3Effectsofmoisturecontentoninternalfrictionanglesofwheat,paddyandcorn35302520151050a

水分（%

10

1520y=0.1933X2-4.4326X+47.39133.5

3332.53231.531b

水分（%

12141618

3530252015c

1520y=0.0082X2-0.7688X+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32.88~32.20°

36.99~30.27:

34.70~28.10:

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

21.77~30.83°

26.40~32.89:

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:

[1]AIRYW.ThepressureofgrainJ].MinutesoftheProceedingsoftheInstituteof

CivilEngineers,1897,131:

347-358.

[2JAMIES0NJA.Grainpressuresindeepbins[J].EngineeringNews,1904,51（10:

236-243.

［3］赖姆伯特ML,赖姆伯特AM.筒仓理论与实践［M］.顾华孝，译.北京：

中国建筑工业出版社，1981.

[4]VERSAVELPA,BRITTONMG.Interactionofbulkwheatwithbinwall

configurationinmodelbins[J].TransactionsoftheASAE,1986,29（2:

533-536.

[5]ZHANGQ,BRITTONMG,KIEPERRJ.Interactionsbetweenwheatanda

corrugatedsteelsurface[J].TransactionsoftheASAE,1994,37（3:

951-956.

⑹MOLENDAM,MONTROSSMD,HORABIKJ,etal.Mechanicalpropertiesof

cornandsoybeanmeal[J].TransactionsoftheASAE,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.

[9]KACHRURP,GUPTARK,ALAMA.Physico-chemicalconstituentsand

engineeringpropertiesoffoodcrops[M].India:

ScientificPublishers,1994.