油菜籽摩擦特性的测定与研究

许倩 程绪铎 孙姜

[摘要]摩擦特性对于粮仓结构设计至关重要，本实验通过直剪仪测定了不同条件下油菜籽的内摩擦角以及与不同仓壁材料的摩擦系数。实验结果显示，当法向压应力增加时，油菜籽（水分含量分别为7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.）的内摩擦角先呈减小趋势，在达到某一最小值后又继续增加，水分含量分别为11.33%w.b.和13.52%w.b.的油菜籽内摩擦角一直呈减小趋势;在剪切速度和法向压应力不变时，油菜籽内摩擦角随着水分含量的增加而增加。水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）一定时，油菜籽的摩擦系数随法向压应力的增加呈减小趋势;法向压应力（25kPa～100kPa）一定时，油菜籽摩擦系数随水分含量的增加而增加。比较不同仓壁材料的摩擦系数，油菜籽与混凝土板的摩擦系数最大，其次是木板与不锈钢板。

[关键词]油菜籽;内摩擦角;摩擦系数;水分含量;法向压应力

中图分类号：S223.2 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202003

在全球范围内，每年由于虫害损失的谷物有1 300万t，其中由于储存不当而损失的谷物可达1亿t。因此，减少因不当储存而造成的谷物损失可有助于节省粮食，解决不断增长的人口需求问题。摩擦特性是粮食力学特性的一个重要组成部分，当油菜籽储藏于筒仓中时，侧向压力与垂直压力之比与内摩擦角有关[1]。精确测定出内摩擦角和摩擦系数对于计算筒仓壁上的侧向压力至关重要。

19世纪末，国内外学者相继开始研究粮食的摩擦特性。Airy W[2]测定出小麦与钢板之间的平均摩擦系数为0.414。Izli N等[3]在评估三种常见油菜籽的机械特性时发现，油菜籽与橡胶的静摩擦系数最高。张桂花等[4]研究包衣水稻物理特性时发现，稻谷包衣处理后内摩擦角与滑动摩擦系数均减小。吕芳等[5]为研究不同玉米、豆粕含量对粉状配合饲料摩擦特性的影响，对不同配比的粉状配合饲料的内摩擦角、滑动摩擦角和休止角进行了测定。马少腾等[6]为研究油葵机械化装备的设计，测量了油葵的滑动摩擦角。

现有的研究大多数集中在与水分有关的摩擦特性上，因此本文通过直剪实验测定油菜籽的内摩擦角以及与不同仓壁材料的摩擦系数，同时研究了法向压应力、水分含量与内摩擦角、摩擦系数的关系。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

“南油12”油菜籽（平均直径2.097 9mm）：江苏省南通市;直剪仪（TZY-1型土工合成材料综合测定仪）：南京土壤仪器厂有限公司，直剪仪示意图如图1所示;电热干燥箱[HG202-2（2A/2AD）]：南京盈鑫实验仪器有限公司;分析天平（AL204型）：上海嘉定粮油仪器有限公司。

1.2 实验原理

直剪法是以Coulomb理論为基础，测定散粒体内摩擦角与摩擦系数的方法。如图2所示，实验时将样品置于上下剪切盒中，在上剪切盒的盖板上施加法向压应力σ，下剪切盒的加载杆上施加水平推应力τ，使油菜籽在上下剪切盒之间的水平面上进行剪切。

内摩擦角是指试样在不同法向压应力作用下，得出的抗剪强度。以抗剪强度为纵坐标，法向压应力为横坐标，绘制关系曲线，该曲线近似一条直线，此直线的倾角即为内摩擦角φ。

根据莫尔理论，得到公式如下：

式中：σ为正应力;τ为剪切应力;c为散粒体黏聚力;φ为内摩擦角。

油菜籽属于非黏性散粒体，假定不具有黏聚力，此时最大剪切力将全部用于克服散粒体的内摩擦力，即c=0，tanφ=τ/σ[7]。测定油菜籽摩擦系数的方法类似，区别在于下剪切盒中填充了不同的仓壁材料板。

1.3 实验方法

1.3.1 实验样品的准备

样品去除杂质后，测定原始水分含量为8.42%w.b.，并将试验样品的水分含量分别调为7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.和13.52%w.b.。

1.3.2 剪切盒的选择

直剪实验可以使用方形和圆形两种类型的剪切盒，但是这两种类型的剪切盒之间没有显著差异[8]。本实验选择边长为100mm的方形剪切盒。

1.3.3 确定开缝尺寸

实验中，由于靠近剪切盒接口处的颗粒受到约束，因此需要一定尺寸的缝隙来减小影响。根据油菜籽的大小，确定开缝尺寸大小约为2mm。将4枚硬币置于上下剪切盒之间，保证开缝尺寸。

1.3.4 法向压应力的选择

以筒仓中15m深度处油菜籽（重力密度约为6.7kN/m3）所受的荷载为依据，结合油菜籽自身特性，实验时将法向压应力设定为25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。

1.3.5 仓壁材料的选择

粮食的储藏多采用平房仓或者筒仓的形式，根据不同仓型的仓壁，本文测量油菜籽与不锈钢板、木板以及混凝土板的摩擦系数。

1.3.6 数据分析

采用Excel软件进行数据分析。

2 实验结果与分析

2.1 剪切速度的选择

在法向压应力25kPa下，对水分含量为8.42%w.b.的油菜籽进行剪切实验，剪切速度分别为0.53mm/min、1.33mm/min、2.67mm/min、4.33mm/min。实验结果如表1所示。

由表1可知，油菜籽的内摩擦角随剪切速度的增加而增加。非黏性散粒体因剪切速率过大，会产生籽粒间的冲击与碰撞。油菜籽属于非黏性散粒体，为了模拟油菜籽在粮仓中的真实状态，剪切速度选择为1.33mm/min[9]。

2.2 油菜籽内摩擦角的测定与分析

2.2.1 法向压应力与油菜籽内摩擦角的关系

对水分含量为7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.、13.52%w.b.的油菜籽分别进行剪切实验，剪切速度1.33mm/min，施加的法向压应力为25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。结果如表2、图3～图4所示。

由表2、图3可知，当水分含量为7.11%w.b.、8.42%w.b.和9.87%w.b.时，油菜籽内摩擦角随着法向压应力的增加先减小，到某一最小值后呈增加趋势。这与Marcel L R[10]的研究结果相同，油性籽粒摩擦时因破裂出油，会减小摩擦，使得内摩擦角出现再增加的趋势。

由表2、图4可知，当水分含量为11.33%w.b.和13.52%w.b.时，油菜籽内摩擦角随着法向压应力的增加逐渐减小。分析原因可能是水分含量较高的油菜籽不容易发生破裂，所以内摩擦角没有出现再增加的趋势。

2.2.2 水分含量与油菜籽内摩擦角的关系

分别施加法向压应力25kPa、50kPa、75kPa、100kPa，对水分含量为7.11%w.b.、8.42%w.b.、9.87%w.b.、11.33%w.b.和13.52%w.b.的油菜籽进行剪切实验，剪切速度1.33mm/min，结果如表2、图5～图8所示。

由图5～图8可知，在剪切速度和法向压应力不变的情况下，油菜籽内摩擦角随水分含量的增加而增加。这与已经公开发表的研究结果相同。Horabik J等[11]通过研究发现，当水分含量从10%w.b.上升到20%w.b.时，小扁豆的内摩擦角增加了1.4倍。同样的，在一定水分含量下，小麦的内摩擦角也从26°增加到35°[12]。

2.3 油菜籽摩擦系数的测定与分析

将剪切仪的下剪切盒中填充不同仓壁材料板，剪切速度1.33mm/min，采用上述相同方法测定油菜籽的摩擦系数，结果如表3、图9～图11所示。

由表3、图9～图11可知，在水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）相同时，油菜籽的摩擦系数随着法向压应力的增加呈减小趋势;在法向压应力（25kPa～100kPa）一定时，油菜籽的摩擦系数随着水分含量的增加而增加。Fitzpatrick J. J等[13]通过研究得知，在较高水分含量下摩擦系数增加的原因，可能是由于水分在接触表面上提供了内聚力，而内聚力通常随水分的增加而增加。

在法向压应力和水分含量相同时，油菜籽与混凝土板的摩擦系数最大，其次是木板与不锈钢板。侯杰[14]在研究玉米秸秆散粒物料在不同接触材料上的壁面摩擦系数时发现，当玉米秸秆散粒物料含水率一定时，玉米秸秆散粒物料与木板的壁面摩擦系数存在最小值，而与铁板和有机玻璃板存在最大值。

3 结 论

（1）在剪切速度一定的情况下，水分含量为7.11%w.b.、8.42%w.b.和9.87%w.b.时，油菜籽的内摩擦角随着法向压应力的增加呈先减小后增加的趋势。当水分含量为11.33%w.b.、13.52%w.b.时，油菜籽的内摩擦角随着法向压应力的增加而减小。在水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）相同时，油菜籽与相同仓壁材料的摩擦系数，随法向压应力的增加呈减小趋势。

（2）在剪切速度和法向压应力（25kPa～100kPa）一定的情况下，油菜籽的内摩擦角以及油菜籽与相同仓壁材料的摩擦系数均随着水分含量（7.11%w.b.～13.52%w.b.）的增加而增加。

（3）油菜籽与混凝土板的摩擦系数最大，其次是木板与不锈钢板。

（4）当剪切速度为1.33mm/min，法向压应力为25kPa～100kPa，水分含量为7.11%w.b.～13.52%w.b.时，油菜籽内摩擦角的取值范围是24.17°～33.15°，与不锈钢板的摩擦系数为0.253～0.473，与木板的摩擦系数为0.370～0.560，与混凝土板的摩擦系数为0.377～0.587。

参考文献

[1] William John Macquorn Rankine. On the stability of loose earth[J].Philosophical transactions of the Royal Society，1997 （12）：9-27.

[2] Airy W.The pressure of grain[J].Minutes of the Proceedings of the Institute of Civil Engineers，1897（131）：347-358.

[3] Izli N，Unal H，Sincik M.Physical and mechanical properties of rapeseed at different moisture content[J].International Agrophysics，2009，23（2）：137-145.

[4] 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.

[5]吕芳，孔丹丹，陳啸，等.粉状配合饲料摩擦特性试验研究[J].饲料工业，2017，38（1）：7-10.

[6] 马少腾，朱兴亮，张学军，等.油葵籽粒物理特性的测定[J].农机化研究，2020，42（8）：192-196.

[7] Suthar S H，Das S K.Fracture resistance of karingda（Citrullus lanatus （Thumb） Mansf）seeds to compressive loading[J].Journal of Food Engineering，1997，34（1）：77-90.

[8] Moya M，Aguado P，Ayuga F.Mechanical properties of some granular agricultural materials used in silo design[J].International Agrophysics，2013，27（2）：181-193.

[9]安蓉蓉，曹阳，程绪铎，等.稻谷内摩擦角的测定与实验研究[J].粮食储藏，2009，38（3）：31-33.

[10] Marcel L R.Silos theory and practice[J].Series on Bulk Materials Handling，1975（76）：5-9.

[11] Horabik J.Molenda M，Physical properties of granular food materials[J].Acta Agrophysica，2002（74）：81-89.

[12] Molenda M，Stasiak M，Moya M，et al.Testing mechanical properties of food powders in two laboratories：degree of consistency of results[J].International Agrophysics， 2006，20（1）：37-45.

[13] Fitzpatrick J.J，Barringer S.A.，Iqbal T.Flow property measurement of food powders and sensitivity of Jenikes hopper design methodology to the measured values[J].Food Engineering Reviews，2004，61（3）：399-405.

[14] 侯杰.玉米秸秆力学特性与理化指标及其关联性[D].哈尔滨：东北农业大学，2013.