不同含水率下花生荚果静摩擦系数测定*

徐效伟，颜建春，魏海，鲍国丞，纪龙龙，谢焕雄

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

花生(peanut)，原名落花生，又名“长生果”“泥豆”“番豆”。花生是一种重要的油料作物，也是优质蛋白质的来源，并且是重要的出口创汇农产品[1]。据统计，我国花生种植面积和总产量近几年均居于世界前列。我国花生生产机械化研究起步较晚，相关技术储备及研发能力较弱，近年来，随着研发力度的加强，花生收获机械取得了重大突破，国内已有相对成熟技术[2]。花生收获机在生产上的应用缩短了花生收获期，传统晾晒方式已不再适合机械化收获新模式，花生荚果收获后含水率较高，干燥不及时会造成霉变，造成经济损失。常见的干燥设备主要有回转筒式干燥机、箱式干燥机、就仓干燥装备等，这几类干燥设备的缺点主要是单次处理量小、干燥品质较差、干燥不连续和结构复杂等，不能满足生产需求[3]。混流式干燥机能弥补上述几类干燥机的缺点，但是混流干燥机主要应用于谷物粮食干燥[4]，花生体积较大，外形不规则，表面粗糙度大，对流动性影响较大[5]。吴孟宸等[6]通过试验对花生种子的静摩擦系数进行了测定，并对参数进行了试验标定，为排种器的相关设计提供了参考；Baryeh[7]以含水率为变量研究了花生的三轴尺寸、颗粒密度和堆积密度等参数，为花生加工设备提供了理论参考；顾炳龙等[8]通过自制斜面仪测定了花生荚果的静摩擦系数，为花生脱壳机的设计提供参考。目前对花生荚果静摩擦系数研究较少，鲜有以含水率为变量测定花生荚果静摩擦系数的报道。

本文以宛花2号、大白沙171为研究对象，采用试验法测得花生荚果在不同含水率下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)与不同接触材料(Q235钢板、大孔筛、小孔筛)的静摩擦系数，并对试验数据进行了单因素分析，确定各因素对花生荚果静摩擦系数的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在不同花生品种摩擦特性比较试验研究中，选用我国花生主产区主要种植品种宛花2号和大白沙171作为试验物料，选取Q235钢板、大孔筛(Ib形筛片孔径5 mm、孔间距为8 mm)、小孔筛(Ib形筛片孔径3 mm、孔间距为10 mm)作为接触材料。待测花生按不同品种随机选取，经初步清理和筛选，去除三轴尺寸差异较大的花生荚果。试验所用花生荚果需进行不同比例的调湿处理。

1.2 试验仪器

主要利用游标卡尺测量花生荚果的外形尺寸等物理特性；用自制摩擦系数斜面仪对花生荚果进行静摩擦系数测定[9]，如图1所示；利用单轴倾角盒测定花生荚果摩擦角(精度0.05°)；用DGF30/7-IA型电热鼓风干燥箱(温度0～300 ℃，电压220 V)和上皿电子天平(量程100 g，精度0.000 1 g)进行荚果含水率的测定。

图1 摩擦系数斜面仪

1.3 试验原理

摩擦系数的测定，前人已有大量的研究[10-11]。本试验采用静力学原理对花生荚果静摩擦系数进行测定，通过测定花生荚果静摩擦系数，可知荚果在接触部件上的滑动性，间接反映花生荚果的流动性，通过测量摩擦角得到静摩擦系数。对花生荚果进行受力分析，如图2所示。由静力学原理可知，在花生荚果突然下滑瞬间受力需满足式(1)[8]。

图2 摩擦系数测量原理示意

(1)

式中：θ——花生荚果的静摩擦角，(°)；

F——花生荚果沿斜面方向分力，N；

f——静摩擦力，N；

N——花生荚果垂直于斜面分力，N；

μ1——花生荚果静摩擦系数；

m——花生荚果质量，kg；

g——重力加速度，9.8 N/s2。

因此，静摩擦系数可由式(2)计算。

μ1=f/N=mg·sinθ/mg·cosθ=tanθ

(2)

1.4 试验方法

1.4.1 样品的准备

原始样本根据中华人民共和国国家标准GB/T 20264—2006《粮食、油料水分两次烘干测定法》[12]测得花生荚果自然干燥后含水率为10.18%，然后调制其他含水率的样品，花生荚果含水率调制方法为：已知原始样品的含水率，根据式(3)计算调湿所需的水量，然后将花生荚果和水放进密封袋中置于5 ℃的人工气候箱内3 d，每天翻转密封袋两次，使水分均匀[13-14]。为保证水分充分渗透花生荚果，调制后需将荚果静置2 h后，将试验荚果分为两组，一份用于静摩擦试验，另一份用于测定实际的含水率参数。

(3)

式中：Q——所需添加水的质量，kg；

Wi——花生荚果的质量，kg；

Mi——调制前花生荚果含水率，%；

Mf——调制后花生荚果含水率，%。

1.4.2 试验内容

将处理好的花生荚果平放在桌面上，用大头针固定花生荚果，并进行称重。先将单轴倾角盒放置于摩擦系数斜面仪的铰接轴附近，避免影响花生滑动，再将花生荚果放置于摩擦系数斜面仪上，保证测试花生荚果与接触材料充分接触，缓慢转动摇把增大斜面倾斜角度，当花生荚果沿斜面突然下滑时，摇把停止转动，记录此时单轴倾角盒的数值。该值即为待测花生荚果在测试板上的静摩擦角[15]。为减少随机误差的影响，每种情况重复20次，从中选取10组数据利用式(2)计算静摩擦系数，并取平均值作为选定条件下花生荚果与此材料的静摩擦系数。试验结束后，对花生荚果进行称重，测定试验过程中重量是否变化。

为进一步探究各因素对静摩擦系数的影响，进行了单因素试验，因素水平分别为接触材料(Q235钢板、大孔筛、小孔筛)、含水率(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)、花生品种(宛花2号、大白沙171)，在其他条件相同，控制单一变量的情况下，分别测取宛花2号和大白沙171在不同含水率下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)与Q235钢板、大孔筛和小孔筛的静摩擦系数。

2 结果与分析

2.1 试验数据与方差分析

单因素试验结果如表1所示。

表1 花生荚果静摩擦系数测量结果

由表1可知，花生荚果在不同含水率下与不同接触材料的静摩擦系数变化趋势相同；对因素水平进行方差分析(表2～表4)，发现接触材料、含水率和花生品种对花生荚果静摩擦系数均有极显著影响。

表2 接触材料对静摩擦系数影响的方差分析

表3 品种对静摩擦系数影响的方差分析

表4 含水率对静摩擦系数影响的方差分析

2.2 接触材料对花生荚果静摩擦系数的影响

在静摩擦系数测定试验中，在含水率16.28%的条件下，宛花2号与Q235钢板、大孔筛、小孔筛静摩擦系数的平均值分别为0.548、0.725、0.824；大白沙171与Q235钢板、大孔筛、小孔筛静摩擦系数的平均值分别为0.537、0.677、0.726。发现花生荚果与小孔筛的静摩擦系数大于大孔筛和Q235钢板。这是因为小孔筛筛孔比较密集，表面粗糙、摩擦力较大，不利于花生滑动。

2.3 花生品种对花生荚果静摩擦系数的影响

不同花生品种几何尺寸、饱满度和球形度都有一定的差异，呈现出的物理特性也不同。宛花2号花生荚果的形状、大小相对均匀，接触面积较大；大白沙171花生荚果的形状、大小均匀性次之。在静摩擦系数测定过程中，品种之间的物理特性差异有较明显的影响，由于在测定过程中，花生荚果与材料接触时间较长，不同花生表面特性对流动性能的影响能有效地呈现出来，试验结果表明大白沙171与接触材料的静摩擦系数小于宛花2号，大白沙171花生荚果的流动性相对较好，宛花2号花生荚果流动性相对较差[5]。

2.4 含水率对花生荚果静摩擦系数的影响

2.4.1 含水率对宛花2号静摩擦系数的影响

由图3可知，不同含水率(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)的宛花2号花生荚果与Q235钢板、大孔筛、小孔筛的静摩擦系数变化范围是0.388～0.611、0.494～0.819、0.553～0.975，静摩擦系数均随花生荚果含水率的增大而增大。一方面可能是由于随着含水率增大，花生荚果塑性增加，花生荚果与材料表面真实接触面积增大；另一方面，当含水率增大，花生荚果与接触材料之间的黏附作用也增大，使得切向剪切力增大，静摩擦系数增大[16]。

(a) Q235

根据试验结果拟合出不同接触材料下宛花2号花生荚果静摩擦系数与含水率的一元二次曲线。

Q235钢板

y11=-0.001 23x2+0.058 79x-0.083 59，

r2=0.999 36

大孔筛

y12=-0.001 69x2+0.082 41x-0.183 27，

r2=0.989 84

小孔筛

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号静摩擦系数。

2.4.2 含水率对大白沙171静摩擦系数的影响

由图4可知，大白沙171花生荚果在含水率各水平下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)与Q235钢板、大孔筛、小孔筛的静摩擦系数变化范围是0.42～0.622、0.608～0.822、0.619～0.892，静摩擦系数均随花生荚果含水率的增大而增大。

(a) Q235

根据试验结果拟合出不同接触材料下大白沙171花生荚果静摩擦系数与含水率的一元二次曲线。

Q235钢板

y21=-7.723×10-4x2+0.041 2x-0.076 64，

r2=0.992 82

大孔筛

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

r2=0.993 96；

小孔筛

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静摩擦系数。

3 结论

1) 利用自制静摩擦系数斜面仪进行静摩擦系数测定试验，并结合理论计算得出花生荚果在含水率各水平下与Q235钢板、大孔筛、小孔筛的静摩擦系数变化趋势相同；含水率为16.28%时大白沙171、宛花2号与Q235钢板、大孔筛、小孔筛静摩擦系数的平均值分别为0.537、0.677、0.726，0.548、0.725、0.824，试验数据表明花生荚果与Q235钢板、大孔筛、小孔筛的静摩擦系数逐渐增大。

2) 利用自制静摩擦系数斜面仪进行静摩擦系数测定试验，并结合理论计算得出花生荚果在含水率各水平下与不同接触材料的静摩擦系数变化趋势相同，其中大白沙171的静摩擦系数小于宛花2号，大白沙171的流动性较好。

3) 利用自制静摩擦系数斜面仪进行静摩擦系数测定试验，并结合理论计算得出花生荚果静摩擦系数随含水率的增大而增大，花生荚果含水率越高，与接触材料间的黏性就越大，一定程度上增大静摩擦系数；宛花2号在不同含水率下(10.18%、13.57%、16.28%、20.66%、25.85%)与Q235钢板、大孔筛、小孔筛的静摩擦系数变化范围分别为0.388～0.611、0.494～0.819、0.553～0.975，大白沙171在不同含水率下与Q235钢板、大孔筛、小孔筛的静摩擦系数变化范围分别为0.42～0.622、0.608～0.822、0.619～0.892。

在静摩擦系数的测定时由于花生荚果个体间的差异较大，除了讨论以上因素外，还可能受荚果的外形尺寸、接触点等具有随机不可控因素的影响，试验过程中进行了大量的重复试验，但是仍然不能排除个体差异造成随机误差的影响，这些都有待进一步研究。