小麦粉摩擦特性的试验研究

彭 飞 杨 洁 王红英 康宏彬

（中国农业大学工学院农业部国家农产品加工技术装备研发分中心，北京 100083）

小麦粉摩擦特性的试验研究

彭 飞 杨 洁 王红英 康宏彬

（中国农业大学工学院农业部国家农产品加工技术装备研发分中心，北京 100083）

为研究小麦粉摩擦特性的测定方法及不同湿基含水率、粒度下的相关规律，以5种湿基含水率（分别为8.76%、11.41%、13.87%、16.43%、18.28%）、3种粒度（几何平均粒径分别为187、328、412μm）的小麦粉为试验材料，利用直剪仪、自主研发的斜面仪、休止角测定装置，对不同湿基含水率、不同粒度的小麦粉的内摩擦角、滑动摩擦角、休止角等摩擦特性进行了测定。结果表明：小麦粉的休止角在40.3°～47.6°之间，小麦粉与塑料板、玻璃板、镀锌板、不锈钢板之间的滑动摩擦角分别在 39.6°～56.5°，37.7°～48.5°，35.3°～47.5°和33.2°～44.0°之间，其内摩擦角在20.4°～32.2°之间。小麦粉含水率越高、粒度越小，则小麦粉粒之间的摩擦力越大，流动性就越差，其内摩擦角、滑动摩擦角、休止角也就越大。

小麦粉 含水率 粒度 摩擦特性

小麦作为我国主要的粮食作物，在畜禽饲料中的应用日趋广泛［1－3］。小麦粉的摩擦特性影响其在饲料设备中的流动情况。保证膨化和制粒工序的顺利进行［4］，是开展饲料加工工艺和设备研究的基础。散粒物料的摩擦特性包括休止角、滑动摩擦角、内摩擦角等［5］。休止角和内摩擦角表示物料本身内在的摩擦性质，而滑动摩擦角表示物料与接触的固体表面间的摩擦性质。

国内外对粮食颗粒的摩擦特性做了一定的研究［6－9］，Tabatabaeefar［10］研究了不同小麦品种在含水率为0%～22%时的物理特性，测得了该条件下小麦的休止角，并分别测定了其与胶合板、玻璃、塑料、镀锌和不锈钢材料表面的摩擦系数，研究了不同品种和水分下小麦籽粒摩擦特性的差异性。程绪铎等［11］利用直剪仪测量了不同湿基含水率小麦的内摩擦角，分别拟合出内摩擦角、摩擦系数与法向压应力、含水量的关系方程。郭胜等［12］测定了除芒前、后稻谷种子的滑动摩擦角、休止角和内摩擦角。张桂花等［13］研究了含水率为13.5%时包衣稻种的休止角、内摩擦角以及与4种材料表面的滑动摩擦系数。戴思慧等［14］研究了不同含水率无籽西瓜的休止角，与木板、涂漆铁板、塑料板和玻璃板的滑动摩擦系数。Moya等［15］通过直剪的方法测量了大麦、小麦、黑麦等农业物料的内摩擦角，不够系统，且未指出物料进一步加工过程中其粉体的摩擦规律。国内外对粮食摩擦特性的研究重点为籽粒，并且侧重于其与水分的关系［10，14］；对于粮食粉体摩擦特性的研究较少，特别是关于粉体摩擦特性随含水率、粒度的变化规律，而这方面的研究对粮食粉体的加工生产尤其是在饲料行业中的利用具有重要的指导意义。

本试验通过对不同粒度、不同湿基含水率的小麦粉的休止角、滑动摩擦角、内摩擦系数进行测定，分析小麦粉自身以及在各种工作材料表面的摩擦特性随粒度、含水率的变化规律，为研究小麦粉在溜管、料仓、调制器、制粒机等饲料设备中的流动情况以及颗粒加工性能的好坏提供数据基础，为相关机械部件的设计和改进提供相应的参考。数据和规律对饲料行业的生产加工具有重要的指导作用。

1 材料和方法

1.1 试验材料

小麦：衡0628，产自河北沧州（2013年），硬度指数为72.05，原始水分11.64%，容重760.50 g/L，几何尺寸参数：长6.45～7.36 mm，宽3.58～3.87mm，厚2.81～3.32 mm。收获后将小麦进行筛选去除杂质，在自然晾干条件下，待小麦的含水率降到12%左右时放到自封袋中，在4℃的环境下进行贮藏。

1.2 试样制备

首先将小麦籽粒进行粉碎，粉碎时分别过1.0、1.5、2.0 mm孔径的筛片，并测定小麦粉过3种筛片后的几何平均粒径。将小麦粉烘干，测得其含水率为8.76%，含水率的测定采用105℃烘箱干燥法，参考 GB/T 5009.3—2003［16］。其他 4个水分的调节方法：由公式（1）计算出调节到目标水分所需添加蒸馏水的质量，然后将蒸馏水均匀喷洒到小麦粉上，将加过水的小麦粉置于密封袋中一昼夜使水分均匀。

式中：Q为所需添加蒸馏水的质量/g；wi为小麦粉的质量/g；mi为小麦粉含水量/%；mf为调节后小麦粉含水量/%。

1.3 试验仪器和设备

1.3.1 试样前处理设备

JFSD－100型粉碎机：上海嘉定粮油仪器有限公司；PZJ－5A型拍击式振筛机、规格标准为GB/T 6003.1—1997的十四层标准筛：河南新乡市同心机械有限责任公司。

1.3.2 休止角测定装置

基于Kansas State University推荐方法所制作的的休止角测定装置如图1所示。

图1 休止角测定装置

1.3.3 滑动摩擦角测定装置

基于斜面仪法所自主研发制作的测定摩擦角的斜面仪装置如图2所示。

1.3.4 内摩擦角测定装置

内摩擦角测定装置采用南京土壤仪器有限公司的ZJ型应变控制直剪仪，如图3所示。

图2 斜面仪装置

图3 直剪仪示意图

1.4 试验方法

1.4.1 粉碎粒度的测定方法

采用十四层筛法（3 350、2 360、1 700、1 180、850、710、600、500、425、355、300、250、212、180μm）测定粉碎后物料的对数几何平均粒径。具体的操作方法是：将100 g样品放在筛组的最上层，然后使用拍击式振筛机使其振动10 min，分别称量并记录各层筛上物料的质量。并按式（2）计算物料的对数几何平均粒径。

式中：dgw为质量几何平均直径/μm；为第i层筛子上物料颗粒的几何平均直径/μmdi为第 i层筛的筛孔直径/μm；di＋1为比第 i层筛孔大的相邻筛子的筛孔直径/μm；Wi为第i层筛子上物料的质量/g。

1.4.2 休止角的测定

休止角是指物料堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角，又称堆积角。散粒体物料的休止角越小，说明摩擦力越小，流动性越好。休止角与散粒粒子的形状、尺寸、含水率、堆放条件等有关，其应用领域广泛。测定休止角的方法主要有注入法、排出法和倾斜法。其中注入法是GB/T 5262—1985中规定的方法，应用最多最广。本试验采用自主研发的基于注入法原理的休止角测定装置进行测量，将散粒体物料缓慢添加至空间狭长的长方体容器内形成截面接近三角形的堆积体，待堆积体形状稳定后停止添加；然后在截面的轮廓线上找到斜率最大的点，以该点为切点做直线与轮廓线相切，此切线与水平线的夹角即为物料的休止角。

1.4.3 滑动摩擦角的测定

滑动摩擦角是衡量散粒体物料散落性能的重要指标，表示每个散粒体颗粒与斜面材料间的摩擦特性，与物料含水率、粒径、颗粒外壳特性、接触材料表面特性有关［17］。测定摩擦角时，将单层散粒体颗粒平铺在斜面仪的平板上，再将平板轻轻倾斜，待散粒体颗粒开始滑动时，平板角度即为物料的滑动摩擦角。测定小麦粉的摩擦角时，将小麦粉平铺在斜面仪的平板上，形成薄薄的一层，缓慢转动手动摇杆，逐渐增加平板的倾斜度，待粉粒开始滑动时，通过圆弧尺直接读取平板的倾斜度，得到其滑动摩擦角。

1.4.4 内摩擦角的测定

内摩擦角是散粒体内部沿某一断面切断时，反映抗剪强度的一个重要参数，其值可以通过散粒体直剪仪进行测定［18］。试验时，将散粒体物料装进剪切环内，盖上盖板，在盖板上施加垂直压力N，在N的作用下，将试样进行剪切，并测得所需的剪切力S。在不同载荷N的作用下，对其他试样重复上述程序。对试验测得的N，S2个力的诸值用剪切仪面积A去除，就得出了相应的破坏面上的正应力σ和剪切应力τ，把成对的相应值表示在τ和σ的坐标上，可得到τ－σ线，这就是莫尔包络线，即：τ＝fσ＋C。该直线与水平线的夹角即为内摩擦角φ，f＝tanφ；截距C（kPa）为小麦粉的内聚力，即发生在单位剪切面积上的粒子间的引力。

2 结果与分析

2.1 湿基含水率、粒度对小麦粉休止角的影响

基于十四层筛法，求得粉碎时分别过3种筛片后小麦粉的几何平均粒径，得到了筛片孔径与小麦粉平均粒径的对应关系，如表1所示。

表1 物料粉碎的过筛孔径和平均粒径

通过休止角测定装置，分别测得5种湿基含水率、3种粒度小麦粉的休止角，重复3次试验后得到小麦粉休止角的平均值，如表2所示。

表2 小麦粉的休止角/°

用SPSS软件进行方差分析，结果如表3所示。分析可知，粒度的F＝696.39，P＜0.01，差异极显著；湿基含水率的F＝327.33，P＜0.01，差异极显著。检验结果表明，湿基含水率、粒度对小麦粉的休止角都有极显著性影响。小麦粉含水率为8.76%时，3种粒度小麦粉的休止角分别为 43.43°、41.60°、40.30°，随着粒度增大呈递减趋势。湿基含水率11.41%、13.87%、16.43%、18.28%随粒度的变化规律与湿基含水率8.76%情况下的规律相似，表明小麦粉粒度越大，其休止角越小，这是因为在相同条件下，小麦粉平均粒径越大，则单位面积内接触的粉粒数越小，粉体内部的摩擦力越小，流动性越好，故休止角就越小。对于同一粒度下的小麦粉，含水率越高，其休止角就越大，这是因为含水率越高，粉粒之间的黏附力就越大，流动性变差，故休止角也就越大。

表3 小麦粉休止角方差分析表

2.2 湿基含水率、粒度对小麦粉滑动摩擦角的影响

试验研究发现，5种不同湿基含水率的小麦粉的滑动摩擦角——粒径关系曲线相似，曲线形状如图4所示。

图4 不同湿基含水率小麦粉粒度与滑动摩擦角的关系

表4 小麦粉滑动摩擦角方差分析表

用SPSS软件进行方差分析，如表4所示。检验结果表明，湿基含水率、粒度对小麦粉在4种材料表面上的滑动摩擦角都有极显著性影响。由图4进一步分析可知，小麦粉的滑动摩擦角随着平均粒径的增大而减小，这是因为湿基含水率相同时，小麦粉平均粒径越大，表面粗糙度越均匀，越容易滚落滑动，滑动摩擦角也就越小。3种粒度小麦粉的滑动摩擦角—湿基含水率曲线相似，曲线如图5所示。小麦粉的滑动摩擦角与湿基含水率关系密切，随着湿基含水率的增加，小麦粉与接触材料表面的滑动摩擦角逐渐增大。对于同一粒径，随着含水率的增高，小麦粉与滑动斜面之间的黏附性增强，更不易滚落滑动，因此滑动摩擦角也就越大。

图5 不同粒度小麦粉湿基含水率与滑动摩擦角的关系

2.3 湿基含水率、粒度对小麦粉内摩擦角的影响

根据试验测得小麦粉在不同载荷下的剪切应力值，通过一元线性回归得出小麦粉的回归直线，直线与X轴所成的夹角即为内摩擦角，3种粒度、5种湿基含水率小麦粉的内摩擦角如图6所示。

图6 内摩擦角与含水率关系

用SPSS软件进行方差分析，结果如表5所示。分析可知，粒度的F＝12.40，P＜0.01，差异极显著；湿基含水率的F＝115.34，P＜0.01，差异极显著。检验结果表明，湿基含水率、粒度对小麦粉的内摩擦角都有极显著性影响。湿基含水率8.76%，粒度分别为187、328、412μm的小麦粉，内摩擦角分别为22.92°、22.47°、20.37°，随着粒度的增大逐渐减小。这是因为，小麦粉粒径越大，单位面积内接触的粉粒数越少，粉粒间的嵌合作用越小，产生的阻力越小，内摩擦角也就越小。湿基含水率8.76%、11.41%、16.43%、18.28%的小麦粉的规律也都是如此。对比5种湿基含水率的小麦粉分析可知，粒度相同时，含水率越高，内摩擦角就越大。主要是因为随着含水率增加，小麦粉之间的黏附性增强，粉粒间的内摩擦力增大，内摩擦角相应增大。

表5 小麦粉内摩擦角方差分析表

3 结论

试验测量了5种湿基含水率、3种粒度小麦粉的休止角、滑动摩擦角、内摩擦角等摩擦参数，分析了小麦粉自身摩擦特性及其与不同表面接触材料的摩擦特性随湿基含水率、粒度的变化规律，并对本质原因进行了探讨。

3.1 5种湿基含水率的小麦粉，粒度为187μm时，其休止角分别为 43.4°、44.6°、45.2°、46.0°、47.6°；粒度为 328μm时，休止角分别为 41.6°、42.4°、42.9°、44.0°、45.2°；粒度为 412μm时，休止角分别为40.3°、41.3°、42.1°、42.7°、44.2°。经分析可知，湿基含水率、粒度对小麦粉的休止角都有极显著性影响。进一步分析，粒度相同时，小麦粉湿基含水率越高，其休止角越大；含水率相同时，小麦粉粒度越小，其休止角也就越大。

3.2 小麦粉在4种材料（不锈钢板、镀锌板、玻璃板、塑料板）上，其滑动摩擦角随着自身含水率的增加而增大，随着自身粒度的增大而减小。小麦粉在塑料板上的滑动摩擦角最大，在不锈钢板上最小。

3.3 5种湿基含水率的小麦粉，粒度为187μm时，其内摩擦角分别为 22.92°、24.33°、26.22°、27.73°、32.20°；粒度为 328μm时，其内摩擦角分别为22.47°、23.89°、25.03°、27.07°、29.67°；粒度为 412 μm时，其内摩擦角分别为 20.40°、22.74°、24.85°、26.22°、28.06°。经分析可知：粒度相同时，湿基含水率越高，小麦粉的内摩擦角越大；湿基含水率相同时，粒度越小，小麦粉的内摩擦角也就越大。

［1］王卫国，杨刚.小麦在鸡饲料中的应用研究进展［J］.粮食与饲料工业，2002（4）：17－20

［2］张变英，王芳，张红岗，等.小麦替代玉米在家禽饲料中的应用前景［J］.饲料研究，2008（9）：49－51

［3］赵国先，张萌.小麦替代玉米在蛋鸡日粮中的应用［J］.北方牧业，2012（15）：14－14

［4］李忠平.粉碎粒度对饲料加工生产性能的影响［J］.饲料工业，2001，22（4）：5－7

［5］杨明韶.农业物料流变学［M］.北京：中国农业出版社，2010：179－180

［6］Markowski M，Z·uk－Gołaszewska K，Kwiatkowski D.Influence of variety on selected physical andmechanical properties of wheat［J］.Industrial Crops and Products，2013，47：113－117

［7］Zou Y，Brusewitz G H.Angle of internal friction and cohesion of consolidated ground marigold petals［J］.Transactions of the ASAE，2001，44（5）：1255－1259

［8］尚海波，杨坚，陈世凡.水稻芽种摩擦特性的试验研究［J］.农机化研究，2011，33（11）：157－160

［9］黄会明.栝楼籽粒的物理机械特性研究［D］.杭州：浙江大学，2006

［10］Tabatabaeefar A.Moisture－dependent physical properties of wheat［J］.International Agrophysics，2003，17（4）：207－212

［11］程绪铎，陆琳琳，石翠霞.小麦摩擦特性的试验研究［J］.中国粮油学报，2012，27（4）：15－19

［12］郭胜，赵淑红，杨悦乾，等.除芒稻种摩擦特性测定［J］.东北农业大学学报，2010，41（7）：118－121

［13］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

［14］戴思慧，李明，姚君，等.三倍体西瓜种子重要物理特性测定及应用［J］.农机化研究，2011，33（9）：165－168

［15］Moya M，Ayuga F，Guaita M，et al.Mechanical properties of granular agricultural materials［J］.Transactions of the ASAE，2002，45（5）：1569－1577

［16］Kunjie C，Hongju G，Changying J.Determination on heat capacity of short paddy grain［J］.Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering，2003，5：005.

［17］周祖锷.农业物料学［M］.北京：农业出版社，1994：101－106

［18］李云飞，殷涌光，徐树来，等.食品物性学［M］.北京：中国轻工业出版社，2011：167－168.

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

公益性行业（农业）科研专项（201203015），“十二五”国家科技计划（2011BAD26B0401）

2014－03－17

彭飞，男，1989年出生，博士，饲料加工工艺及装备

王红英，女，1966年出生，教授，饲料加工工艺及装备