彭 飛 楊 潔 王紅英 康宏彬

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心，北京 100083）

小麥粉摩擦特性的試驗(yàn)研究

彭 飛 楊 潔 王紅英 康宏彬

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心，北京 100083）

為研究小麥粉摩擦特性的測定方法及不同濕基含水率、粒度下的相關(guān)規(guī)律，以5種濕基含水率（分別為8.76%、11.41%、13.87%、16.43%、18.28%）、3種粒度（幾何平均粒徑分別為187、328、412μm）的小麥粉為試驗(yàn)材料，利用直剪儀、自主研發(fā)的斜面儀、休止角測定裝置，對(duì)不同濕基含水率、不同粒度的小麥粉的內(nèi)摩擦角、滑動(dòng)摩擦角、休止角等摩擦特性進(jìn)行了測定。結(jié)果表明：小麥粉的休止角在40.3°～47.6°之間，小麥粉與塑料板、玻璃板、鍍鋅板、不銹鋼板之間的滑動(dòng)摩擦角分別在 39.6°～56.5°，37.7°～48.5°，35.3°～47.5°和33.2°～44.0°之間，其內(nèi)摩擦角在20.4°～32.2°之間。小麥粉含水率越高、粒度越小，則小麥粉粒之間的摩擦力越大，流動(dòng)性就越差，其內(nèi)摩擦角、滑動(dòng)摩擦角、休止角也就越大。

小麥粉 含水率 粒度 摩擦特性

小麥作為我國主要的糧食作物，在畜禽飼料中的應(yīng)用日趨廣泛［1－3］。小麥粉的摩擦特性影響其在飼料設(shè)備中的流動(dòng)情況。保證膨化和制粒工序的順利進(jìn)行［4］，是開展飼料加工工藝和設(shè)備研究的基礎(chǔ)。散粒物料的摩擦特性包括休止角、滑動(dòng)摩擦角、內(nèi)摩擦角等［5］。休止角和內(nèi)摩擦角表示物料本身內(nèi)在的摩擦性質(zhì)，而滑動(dòng)摩擦角表示物料與接觸的固體表面間的摩擦性質(zhì)。

國內(nèi)外對(duì)糧食顆粒的摩擦特性做了一定的研究［6－9］，Tabatabaeefar［10］研究了不同小麥品種在含水率為0%～22%時(shí)的物理特性，測得了該條件下小麥的休止角，并分別測定了其與膠合板、玻璃、塑料、鍍鋅和不銹鋼材料表面的摩擦系數(shù)，研究了不同品種和水分下小麥籽粒摩擦特性的差異性。程緒鐸等［11］利用直剪儀測量了不同濕基含水率小麥的內(nèi)摩擦角，分別擬合出內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)與法向壓應(yīng)力、含水量的關(guān)系方程。郭勝等［12］測定了除芒前、后稻谷種子的滑動(dòng)摩擦角、休止角和內(nèi)摩擦角。張桂花等［13］研究了含水率為13.5%時(shí)包衣稻種的休止角、內(nèi)摩擦角以及與4種材料表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。戴思慧等［14］研究了不同含水率無籽西瓜的休止角，與木板、涂漆鐵板、塑料板和玻璃板的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。Moya等［15］通過直剪的方法測量了大麥、小麥、黑麥等農(nóng)業(yè)物料的內(nèi)摩擦角，不夠系統(tǒng)，且未指出物料進(jìn)一步加工過程中其粉體的摩擦規(guī)律。國內(nèi)外對(duì)糧食摩擦特性的研究重點(diǎn)為籽粒，并且側(cè)重于其與水分的關(guān)系［10，14］；對(duì)于糧食粉體摩擦特性的研究較少，特別是關(guān)于粉體摩擦特性隨含水率、粒度的變化規(guī)律，而這方面的研究對(duì)糧食粉體的加工生產(chǎn)尤其是在飼料行業(yè)中的利用具有重要的指導(dǎo)意義。

本試驗(yàn)通過對(duì)不同粒度、不同濕基含水率的小麥粉的休止角、滑動(dòng)摩擦角、內(nèi)摩擦系數(shù)進(jìn)行測定，分析小麥粉自身以及在各種工作材料表面的摩擦特性隨粒度、含水率的變化規(guī)律，為研究小麥粉在溜管、料倉、調(diào)制器、制粒機(jī)等飼料設(shè)備中的流動(dòng)情況以及顆粒加工性能的好壞提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為相關(guān)機(jī)械部件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供相應(yīng)的參考。數(shù)據(jù)和規(guī)律對(duì)飼料行業(yè)的生產(chǎn)加工具有重要的指導(dǎo)作用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

小麥：衡0628，產(chǎn)自河北滄州（2013年），硬度指數(shù)為72.05，原始水分11.64%，容重760.50 g/L，幾何尺寸參數(shù)：長6.45～7.36 mm，寬3.58～3.87mm，厚2.81～3.32 mm。收獲后將小麥進(jìn)行篩選去除雜質(zhì)，在自然晾干條件下，待小麥的含水率降到12%左右時(shí)放到自封袋中，在4℃的環(huán)境下進(jìn)行貯藏。

1.2 試樣制備

首先將小麥籽粒進(jìn)行粉碎，粉碎時(shí)分別過1.0、1.5、2.0 mm孔徑的篩片，并測定小麥粉過3種篩片后的幾何平均粒徑。將小麥粉烘干，測得其含水率為8.76%，含水率的測定采用105℃烘箱干燥法，參考 GB/T 5009.3—2003［16］。其他 4個(gè)水分的調(diào)節(jié)方法：由公式（1）計(jì)算出調(diào)節(jié)到目標(biāo)水分所需添加蒸餾水的質(zhì)量，然后將蒸餾水均勻噴灑到小麥粉上，將加過水的小麥粉置于密封袋中一晝夜使水分均勻。

式中：Q為所需添加蒸餾水的質(zhì)量/g；wi為小麥粉的質(zhì)量/g；mi為小麥粉含水量/%；mf為調(diào)節(jié)后小麥粉含水量/%。

1.3 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

1.3.1 試樣前處理設(shè)備

JFSD－100型粉碎機(jī)：上海嘉定糧油儀器有限公司；PZJ－5A型拍擊式振篩機(jī)、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6003.1—1997的十四層標(biāo)準(zhǔn)篩：河南新鄉(xiāng)市同心機(jī)械有限責(zé)任公司。

1.3.2 休止角測定裝置

基于Kansas State University推薦方法所制作的的休止角測定裝置如圖1所示。

圖1 休止角測定裝置

1.3.3 滑動(dòng)摩擦角測定裝置

基于斜面儀法所自主研發(fā)制作的測定摩擦角的斜面儀裝置如圖2所示。

1.3.4 內(nèi)摩擦角測定裝置

內(nèi)摩擦角測定裝置采用南京土壤儀器有限公司的ZJ型應(yīng)變控制直剪儀，如圖3所示。

圖2 斜面儀裝置

圖3 直剪儀示意圖

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 粉碎粒度的測定方法

采用十四層篩法（3 350、2 360、1 700、1 180、850、710、600、500、425、355、300、250、212、180μm）測定粉碎后物料的對(duì)數(shù)幾何平均粒徑。具體的操作方法是：將100 g樣品放在篩組的最上層，然后使用拍擊式振篩機(jī)使其振動(dòng)10 min，分別稱量并記錄各層篩上物料的質(zhì)量。并按式（2）計(jì)算物料的對(duì)數(shù)幾何平均粒徑。

式中：dgw為質(zhì)量幾何平均直徑/μm；為第i層篩子上物料顆粒的幾何平均直徑/μmdi為第 i層篩的篩孔直徑/μm；di＋1為比第 i層篩孔大的相鄰篩子的篩孔直徑/μm；Wi為第i層篩子上物料的質(zhì)量/g。

1.4.2 休止角的測定

休止角是指物料堆積層的自由斜面與水平面所形成的最大角，又稱堆積角。散粒體物料的休止角越小，說明摩擦力越小，流動(dòng)性越好。休止角與散粒粒子的形狀、尺寸、含水率、堆放條件等有關(guān)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。測定休止角的方法主要有注入法、排出法和傾斜法。其中注入法是GB/T 5262—1985中規(guī)定的方法，應(yīng)用最多最廣。本試驗(yàn)采用自主研發(fā)的基于注入法原理的休止角測定裝置進(jìn)行測量，將散粒體物料緩慢添加至空間狹長的長方體容器內(nèi)形成截面接近三角形的堆積體，待堆積體形狀穩(wěn)定后停止添加；然后在截面的輪廓線上找到斜率最大的點(diǎn)，以該點(diǎn)為切點(diǎn)做直線與輪廓線相切，此切線與水平線的夾角即為物料的休止角。

1.4.3 滑動(dòng)摩擦角的測定

滑動(dòng)摩擦角是衡量散粒體物料散落性能的重要指標(biāo)，表示每個(gè)散粒體顆粒與斜面材料間的摩擦特性，與物料含水率、粒徑、顆粒外殼特性、接觸材料表面特性有關(guān)［17］。測定摩擦角時(shí)，將單層散粒體顆粒平鋪在斜面儀的平板上，再將平板輕輕傾斜，待散粒體顆粒開始滑動(dòng)時(shí)，平板角度即為物料的滑動(dòng)摩擦角。測定小麥粉的摩擦角時(shí)，將小麥粉平鋪在斜面儀的平板上，形成薄薄的一層，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手動(dòng)搖桿，逐漸增加平板的傾斜度，待粉粒開始滑動(dòng)時(shí)，通過圓弧尺直接讀取平板的傾斜度，得到其滑動(dòng)摩擦角。

1.4.4 內(nèi)摩擦角的測定

內(nèi)摩擦角是散粒體內(nèi)部沿某一斷面切斷時(shí)，反映抗剪強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，其值可以通過散粒體直剪儀進(jìn)行測定［18］。試驗(yàn)時(shí)，將散粒體物料裝進(jìn)剪切環(huán)內(nèi)，蓋上蓋板，在蓋板上施加垂直壓力N，在N的作用下，將試樣進(jìn)行剪切，并測得所需的剪切力S。在不同載荷N的作用下，對(duì)其他試樣重復(fù)上述程序。對(duì)試驗(yàn)測得的N，S2個(gè)力的諸值用剪切儀面積A去除，就得出了相應(yīng)的破壞面上的正應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ，把成對(duì)的相應(yīng)值表示在τ和σ的坐標(biāo)上，可得到τ－σ線，這就是莫爾包絡(luò)線，即：τ＝fσ＋C。該直線與水平線的夾角即為內(nèi)摩擦角φ，f＝tanφ；截距C（kPa）為小麥粉的內(nèi)聚力，即發(fā)生在單位剪切面積上的粒子間的引力。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕基含水率、粒度對(duì)小麥粉休止角的影響

基于十四層篩法，求得粉碎時(shí)分別過3種篩片后小麥粉的幾何平均粒徑，得到了篩片孔徑與小麥粉平均粒徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 物料粉碎的過篩孔徑和平均粒徑

通過休止角測定裝置，分別測得5種濕基含水率、3種粒度小麥粉的休止角，重復(fù)3次試驗(yàn)后得到小麥粉休止角的平均值，如表2所示。

表2 小麥粉的休止角/°

用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。分析可知，粒度的F＝696.39，P＜0.01，差異極顯著；濕基含水率的F＝327.33，P＜0.01，差異極顯著。檢驗(yàn)結(jié)果表明，濕基含水率、粒度對(duì)小麥粉的休止角都有極顯著性影響。小麥粉含水率為8.76%時(shí)，3種粒度小麥粉的休止角分別為 43.43°、41.60°、40.30°，隨著粒度增大呈遞減趨勢(shì)。濕基含水率11.41%、13.87%、16.43%、18.28%隨粒度的變化規(guī)律與濕基含水率8.76%情況下的規(guī)律相似，表明小麥粉粒度越大，其休止角越小，這是因?yàn)樵谙嗤瑮l件下，小麥粉平均粒徑越大，則單位面積內(nèi)接觸的粉粒數(shù)越小，粉體內(nèi)部的摩擦力越小，流動(dòng)性越好，故休止角就越小。對(duì)于同一粒度下的小麥粉，含水率越高，其休止角就越大，這是因?yàn)楹试礁?，粉粒之間的黏附力就越大，流動(dòng)性變差，故休止角也就越大。

表3 小麥粉休止角方差分析表

2.2 濕基含水率、粒度對(duì)小麥粉滑動(dòng)摩擦角的影響

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，5種不同濕基含水率的小麥粉的滑動(dòng)摩擦角——粒徑關(guān)系曲線相似，曲線形狀如圖4所示。

圖4 不同濕基含水率小麥粉粒度與滑動(dòng)摩擦角的關(guān)系

表4 小麥粉滑動(dòng)摩擦角方差分析表

用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，如表4所示。檢驗(yàn)結(jié)果表明，濕基含水率、粒度對(duì)小麥粉在4種材料表面上的滑動(dòng)摩擦角都有極顯著性影響。由圖4進(jìn)一步分析可知，小麥粉的滑動(dòng)摩擦角隨著平均粒徑的增大而減小，這是因?yàn)闈窕氏嗤瑫r(shí)，小麥粉平均粒徑越大，表面粗糙度越均勻，越容易滾落滑動(dòng)，滑動(dòng)摩擦角也就越小。3種粒度小麥粉的滑動(dòng)摩擦角—濕基含水率曲線相似，曲線如圖5所示。小麥粉的滑動(dòng)摩擦角與濕基含水率關(guān)系密切，隨著濕基含水率的增加，小麥粉與接觸材料表面的滑動(dòng)摩擦角逐漸增大。對(duì)于同一粒徑，隨著含水率的增高，小麥粉與滑動(dòng)斜面之間的黏附性增強(qiáng)，更不易滾落滑動(dòng)，因此滑動(dòng)摩擦角也就越大。

圖5 不同粒度小麥粉濕基含水率與滑動(dòng)摩擦角的關(guān)系

2.3 濕基含水率、粒度對(duì)小麥粉內(nèi)摩擦角的影響

根據(jù)試驗(yàn)測得小麥粉在不同載荷下的剪切應(yīng)力值，通過一元線性回歸得出小麥粉的回歸直線，直線與X軸所成的夾角即為內(nèi)摩擦角，3種粒度、5種濕基含水率小麥粉的內(nèi)摩擦角如圖6所示。

圖6 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系

用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。分析可知，粒度的F＝12.40，P＜0.01，差異極顯著；濕基含水率的F＝115.34，P＜0.01，差異極顯著。檢驗(yàn)結(jié)果表明，濕基含水率、粒度對(duì)小麥粉的內(nèi)摩擦角都有極顯著性影響。濕基含水率8.76%，粒度分別為187、328、412μm的小麥粉，內(nèi)摩擦角分別為22.92°、22.47°、20.37°，隨著粒度的增大逐漸減小。這是因?yàn)?，小麥粉粒徑越大，單位面積內(nèi)接觸的粉粒數(shù)越少，粉粒間的嵌合作用越小，產(chǎn)生的阻力越小，內(nèi)摩擦角也就越小。濕基含水率8.76%、11.41%、16.43%、18.28%的小麥粉的規(guī)律也都是如此。對(duì)比5種濕基含水率的小麥粉分析可知，粒度相同時(shí)，含水率越高，內(nèi)摩擦角就越大。主要是因?yàn)殡S著含水率增加，小麥粉之間的黏附性增強(qiáng)，粉粒間的內(nèi)摩擦力增大，內(nèi)摩擦角相應(yīng)增大。

表5 小麥粉內(nèi)摩擦角方差分析表

3 結(jié)論

試驗(yàn)測量了5種濕基含水率、3種粒度小麥粉的休止角、滑動(dòng)摩擦角、內(nèi)摩擦角等摩擦參數(shù)，分析了小麥粉自身摩擦特性及其與不同表面接觸材料的摩擦特性隨濕基含水率、粒度的變化規(guī)律，并對(duì)本質(zhì)原因進(jìn)行了探討。

3.1 5種濕基含水率的小麥粉，粒度為187μm時(shí)，其休止角分別為 43.4°、44.6°、45.2°、46.0°、47.6°；粒度為 328μm時(shí)，休止角分別為 41.6°、42.4°、42.9°、44.0°、45.2°；粒度為 412μm時(shí)，休止角分別為40.3°、41.3°、42.1°、42.7°、44.2°。經(jīng)分析可知，濕基含水率、粒度對(duì)小麥粉的休止角都有極顯著性影響。進(jìn)一步分析，粒度相同時(shí)，小麥粉濕基含水率越高，其休止角越大；含水率相同時(shí)，小麥粉粒度越小，其休止角也就越大。

3.2 小麥粉在4種材料（不銹鋼板、鍍鋅板、玻璃板、塑料板）上，其滑動(dòng)摩擦角隨著自身含水率的增加而增大，隨著自身粒度的增大而減小。小麥粉在塑料板上的滑動(dòng)摩擦角最大，在不銹鋼板上最小。

3.3 5種濕基含水率的小麥粉，粒度為187μm時(shí)，其內(nèi)摩擦角分別為 22.92°、24.33°、26.22°、27.73°、32.20°；粒度為 328μm時(shí)，其內(nèi)摩擦角分別為22.47°、23.89°、25.03°、27.07°、29.67°；粒度為 412 μm時(shí)，其內(nèi)摩擦角分別為 20.40°、22.74°、24.85°、26.22°、28.06°。經(jīng)分析可知：粒度相同時(shí)，濕基含水率越高，小麥粉的內(nèi)摩擦角越大；濕基含水率相同時(shí)，粒度越小，小麥粉的內(nèi)摩擦角也就越大。

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Experimental Research on Friction Characteristics ofWheat Meal

Peng Fei Yang Jie Wang Hongying Kang Hongbin
（National Agricultural Products Processing Technology＆Equipment Research and Development Center of Ministry of Agriculture，College of Engineering，China Agriculture University，Beijing 100083）

In order to optimize the determinationmethod and the relevant law ofwheatmeal′s friction characteristics，，five kinds of wheat meals with different wet basis moisture content（respectively 8.76%，11.41%，13.87%，16.43%，18.28%）and three kinds of particle sizes（geometric mean particle diameters are respectively 187，328，412μm）have been researched.Parameters as the internal friction，sliding friction angle，repose angle of different wet basismoisture contents and different particle sizes ofwheatmeal have been measured bymeans of direct shear apparatus，self－made bevel instrument and the angle of repose measuring device，respectively.The results showed thaton condition that thewheatmeal＇s angle reposewas40.3°～47.6°；the sliding friction angle on the plastic board，the glass plate，the galvanized plate and the stainless steel plate were 39.6°～56.5°，37.7°～48.5°，35.3°～47.5°and 33.2°～44.0°respectively；the internal friction angle was 20.4°～32.2°.Themoisture content has a opposite relationship with the particle size；the bigger the friction force among particles were，the poorer the liquidity would be；while the bigger the angle of repose，the sliding friction angle，the internal friction angle would be.

wheatmeal，moisture content，particle size，friction characteristics

S816.41

A

1003－0174（2015）08－0007－06

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203015），“十二五”國家科技計(jì)劃（2011BAD26B0401）

2014－03－17

彭飛，男，1989年出生，博士，飼料加工工藝及裝備

王紅英，女，1966年出生，教授，飼料加工工藝及裝備