漏斗法糧食休止角測量結(jié)果的影響因素研究

田曉紅 譚 斌 劉 明 譚洪卓 劉艷香

(國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037)

漏斗法糧食休止角測量結(jié)果的影響因素研究

田曉紅 譚 斌 劉 明 譚洪卓 劉艷香

(國家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037)

以小麥、稻谷、大豆、玉米為試驗材料，對漏斗法測定休止角裝置中的漏斗孔徑和角度、籽粒跌落高度、底面圓盤直徑和粗糙程度、以及谷物本身的水分、雜質(zhì)含量、籽粒大小等因素對休止角的影響進(jìn)行討論。研究結(jié)果:4種糧食的休止角隨著跌落高度和漏斗孔徑的增加而減小;隨著底盤直徑和粗糙程度的增加而增加;隨著漏斗內(nèi)角度數(shù)的增加，小麥、大豆休止角的變化趨勢不明顯，而稻谷、玉米的休止角呈微弱上升;4種糧食的休止角隨著水分和雜質(zhì)含量的不斷增加而增加。小麥、玉米、大豆的休止角隨著顆粒增大而減少，而稻谷的休止角是隨著樣品顆粒增大而增大。

休止角 糧食 影響因素

自然休止角，也稱靜止角，是指物料由高點(diǎn)自然散落到平面上所形成的圓錐體的斜面與底邊之間的角。測定休止角的方法有兩種:注入法及排出法。目前應(yīng)用比較廣泛的是注入法，其中漏斗法使用最多，BS EN 12047—1997，ISO 8398—1989，GB 11986—1989，GB/T 16913.5—1997 等標(biāo)準(zhǔn)中，分別規(guī)定了測定固體肥料、表面活性劑粉體和顆粒的休止角測量方法，采用的是樣品在確定尺寸的漏斗和確定高度下流動，得到的圓錐體的基角［1－4］。蔡錚等［5］對中藥顆粒進(jìn)行休止角的測定，J.Fraczek 等［6］進(jìn)行谷物休止角的測量，均采用了漏斗法的休止角測量方法。目前，國內(nèi)外討論比較多的是采用的測量方法，探討漏斗法本身對休止角結(jié)果的影響較少，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，選取具有代表性的糧食種子顆粒小麥、稻谷、玉米和大豆為研究對象，采用漏斗法進(jìn)行谷物休止角的測定，著重探討儀器本身參數(shù)設(shè)置和糧食本身特性對休止角結(jié)果的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2007年收獲的小麥、玉米、大豆、稻谷4個樣品，含水量12%～13%。

1.2 試驗設(shè)備

參考 J.Fraczek［6］所采用的方法，自制一臺如圖1所示的休止角測定儀，其中支架上標(biāo)有刻度且可以上下移動，以便控制谷物的跌落高度;在試驗過程中，要保證漏斗左右兩側(cè)支架保持在同一個水平上，以便調(diào)整漏斗底部到底盤的高度。漏斗中心與底盤中心的直線垂直于底盤，保證樣品下落在底盤中心。底盤、漏斗可以自由更換。

圖1 休止角測量儀示意圖

1.3 試驗方法

為了探討休止角測定儀中的漏斗孔徑、漏斗內(nèi)角、底盤直徑、底盤粗糙程度對休止角結(jié)果的影響，選用9個漏斗，漏斗內(nèi)角分別為60、90、120°，孔徑分別為2、4、6 cm。底盤直徑分別為15、20、25 cm，粗糙底面和光滑底盤各1套。漏斗口距離底盤中心的垂直距離為 10、20、30、40 cm 4 個設(shè)置。

分別向4 個樣品中添加 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0%的輕質(zhì)雜質(zhì)混合均勻后，測定該休止角的變化，探討雜質(zhì)含量對糧食休止角結(jié)果的影響。調(diào)節(jié)水分含量在20%左右，混合均勻后密封在自封袋中，放到4℃的冷庫中2周，使樣品內(nèi)外水分達(dá)到平衡。每隔3周取出放在室內(nèi)恢復(fù)到室溫后，同時進(jìn)行水分含量測定和休止角測定，探討水分含量對糧食休止角的影響。將樣品過篩，留在篩上的為大粒糧食，過篩網(wǎng)的為小粒糧食，原樣品為中粒糧食。然后分別進(jìn)行休止角測定，探討樣品顆粒大小對休止角的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響休止角的儀器因素

根據(jù)1.3試驗方法中所描述的測定方法，在跌落高度、漏斗孔徑和內(nèi)角、底盤直徑和粗糙程度不同的情況下，對糧食休止角進(jìn)行了測定。結(jié)果見表1～表4。

2.1.1 漏斗孔徑大小對小麥休止角的影響

從表1～表4可知，漏斗孔徑在2 cm時，小麥能順利通過漏斗，而稻谷、玉米、大豆均不能流暢的通過漏斗，無法進(jìn)行休止角的測定，4、6 cm時，所測樣品均能進(jìn)行休止角測定，且隨著漏斗孔徑的增加，休止角呈直線減小。這是因為，隨著孔徑的增加，同一時間下落的樣品量增大，樣品跌落在錐形體的頂部，導(dǎo)致錐體高度降低，休止角變小。因此，在進(jìn)行休止角測量時，應(yīng)選能流暢通過樣品，且孔徑小的漏斗進(jìn)行測量。

表1 小麥休止角

2.1.2 漏斗內(nèi)角對小麥休止角的影響

從表1～表4可知，隨著漏斗內(nèi)角的增加，稻谷休止角度數(shù)有輕微的增加，小麥、玉米、大豆休止角度數(shù)變化是有影響的，但趨勢不明顯，其他條件不同，影響也不同。從這個角度看，內(nèi)角大小對休止角有影響，但并不是主要影響因素。2.1.3 跌落高度對休止角的影響

從表1～表4可知，在10～40 cm這個范圍內(nèi)，隨著跌落高度的增加，休止角總體上是呈現(xiàn)遞減趨勢，所得到的休止角數(shù)據(jù)越來越少。當(dāng)?shù)涓叨仍黾拥?0 cm時，得到的小麥、玉米、大豆休止角數(shù)量銳減，當(dāng)?shù)涓叨仍黾拥?0 cm時，基本得不到玉米、大豆的休止角，這是因為當(dāng)?shù)涓叨仍黾?，糧食跌落到底盤時，彈力過大，都落到底盤以外，得不到糧堆，也就測不到休止角。因此，在進(jìn)行休止角測定時，應(yīng)根據(jù)樣品和底盤的彈性，選擇合適的跌落高度，然后再進(jìn)行測定。

表2 稻谷休止角

表3 玉米休止角

表4 大豆休止角

2.1.4 底盤直徑對休止角的影響

從表1～表4可知，隨著底盤直徑的增加，休止角的度數(shù)和數(shù)量均呈增加趨勢。小麥和稻谷休止角度數(shù)呈近直線增加趨勢;在底盤直徑為15 cm時，玉米不能形成糧堆，大豆能夠得到休止角的條件也不多;在底盤直徑在20～25 cm時，玉米能夠形成休止角的條件也不多，大豆相對小麥和稻谷也比較少。在進(jìn)行糧食休止角測定時，應(yīng)選擇底盤直徑比較大的底盤來進(jìn)行測定，但具體能大到什么程度比較合適，受試驗設(shè)計所限，沒有得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.1.5 底盤的粗糙程度對休止角的影響

從表1～表4中可知，粗糙底盤得到的休止角數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于光滑底盤，其他條件相同的情況下，粗糙底盤得到的休止角度數(shù)大于光滑底盤得到的休止角度數(shù)，說明粗糙底盤易于形成糧堆，糧堆的高度也大于同等條件的光滑底盤的糧堆高度，糧堆的錐體也更近似于理想錐體。

2.1.6 測試條件確定

根據(jù)以上分析，確定了本研究條件下小麥、稻谷、玉米、大豆的儀器測試條件，列于表5中。

由表5可見，4種糧食在進(jìn)行休止角測試中，均適宜于采用跌落高度10 cm，底盤直徑25 cm，粗糙底盤，小麥適宜于采用孔徑為2 cm，內(nèi)角為60、90、120°的漏斗。稻谷適宜于采用孔徑為4 cm，內(nèi)角為120°的漏斗;玉米和大豆適宜于采用孔徑為4 cm，內(nèi)角為90、120 °的漏斗。

表5 小麥、稻谷、玉米、大豆的測試條件

2.2 影響糧食休止角的糧粒因素

2.2.1 雜質(zhì)含量對主要糧種休止角的影響

圖2 雜質(zhì)含量對糧食休止角的影響

從圖2中可以看出，隨著雜質(zhì)含量的增加，大豆、小麥、稻谷的休止角都呈緩慢上升的趨勢。這是因為，所加入的輕質(zhì)雜質(zhì)增大了糧食之間的外摩擦力，促進(jìn)糧食形成圓錐型糧堆，使形成的休止角變大。加入的雜質(zhì)越多，形成的休止角就越大。而玉米在含雜質(zhì)0.5%時，休止角急速下降，然后隨著雜質(zhì)含量的增加，休止角在不斷增大。具體原因不詳。在雜質(zhì)含量大于0.5%時，4種糧食的休止角均呈近直線增加。

2.2.2 水分含量對主要糧種休止角的影響

從圖3中可以看出，隨著水分含量的增加，稻谷、小麥、玉米的休止角逐步變大，這是因為，水分含量增加，糧粒之間的黏滯性增強(qiáng)，摩擦力增大，休止角也增大，流散性降低。這個結(jié)果與Gikuru Mwithiga等［7］，M.N.Amin 等［8］在研究其他糧食時，其休止角隨水分含量增加而變大的結(jié)論相符。

2.2.3 顆粒大小對主要糧種休止角的影響

從圖4中可以看出，小麥、玉米、大豆的休止角隨著樣品顆粒變小而增大，這一結(jié)果與Y.C.Zhou［9］模型中所得到的結(jié)論相同。而稻谷的休止角是隨著樣品顆粒變小而變小。不同樣品所得到的結(jié)果不同，是因為稻谷表面的粗糙程度遠(yuǎn)高于小麥、玉米和大豆。顆粒大小對休止角的影響結(jié)果與模型和糧食種類有關(guān)。

3 討論與結(jié)論

通過以上分析，隨著跌落高度的增加，小麥、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步減小;隨著底盤直徑的增加，小麥、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步增加;隨著漏斗內(nèi)角度數(shù)的增加，小麥、大豆休止角的變化趨勢不明顯，而稻谷、玉米的休止角呈微弱上升;隨著漏斗孔徑的增加，小麥、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步減小;隨著底盤粗糙程度的增加，小麥、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步增加。

在以上4種糧食中，稻谷最易于形成糧堆，對條件要求不嚴(yán)格，形成的休止角也最大，其次是小麥，大豆和玉米最難于形成糧堆，對條件要求嚴(yán)格，休止角比較小。

隨著雜質(zhì)含量的不斷增加，小麥、大豆、稻谷的休止角也在逐步變大，玉米休止角先下降，然后再上升。具體原因有待進(jìn)一步研究。隨著水分含量的增加，稻谷、小麥、玉米、大豆的休止角逐步升高。小麥、玉米、大豆的休止角隨著樣品顆粒變小而增大，其中小麥和大豆是近直線增大;而稻谷的休止角隨著樣品顆粒的變小而呈近直線的減小。

［1］BS EN 12047:1997 Solid fertilizers－measurement of static angle of repose［S］

［2］SO 8398:1989 Solid fertilizers－measurement of static angle of repose［S］

［3］GB 11986—1989表面活性劑，粉體和顆粒休止角的測量［S］

［4］GB/T 16913.5—1997粉塵物性試驗方法，第5部分:安息角的測定，注入限定地面法［S］

［5］蔡錚，馬云淑，林亞明，等.小中風(fēng)膠囊制劑工藝研究［J］.時珍國醫(yī)國藥，2003，14(6):343 －344

［6］J Farczek，A Zlobecki，J Zemanek.Assessment of angle of repose of granular plant material using computer image analysis［J］.Journal of food engineering，2007，83:17 －22

［7］Gikuru Mwithiga，Mark Masika Sifuna.Effect of moisture content on the physical properties of three varieties of sorghum seeds［J］.Journal of food engineering，2006，75:480 －486

［8］M.N.Amin，M.A.Hossain，K.C.Roy.Effects of moisture on some physical properties of lentil seeds［J］.Journal of food engineering，2004，65:83 －87

［9］Y C Zhou，B H Xu，A B Yu，et al.An experimental and numerical study of the angle of repose of coarse spheres［J］.Powder Technology，2002，125:45 －54.

Study on Influence Factors of Grain Angle of Repose by Funnel Method

Tian Xiaohong Tan Bin Liu Ming Tan Hongzhuo Liu Yanxiang
(Academy of State Administration of Grain，Beijing 100037)

Wheat，paddy，corn and soybean were chosen in this study.The aim of this study was to discuss influence factors of angle of repose.The devices were evaluated for aperture and angle of funnel，height of descent，diameter and roughness of disk.Then moisture and impurity and size of grain were evaluated.It was found that:Angle of repose of wheat，paddy，corn and soybean decreased with increased angle of funnel and height of descent，but increased with increased diameter and roughness of disk.It was unapparent for change trend of the angle of repose of wheat and soybean with increased internal angle of funnel.Angle of repose of paddy and corn slightly increased with increased internal angle of funnel.Angle of repose of wheat，paddy，corn，soybean increased with increased moisture and impurity.Angle of repose of wheat，corn，soybean decreased and paddy increased with increased size.

grain，angle of repose，influence factors

TS210.2

A

1003－0174(2011)10－0108－06

國家科技支撐計劃(2009BADA0B00－4)

2010－11－02

田曉紅，女，1978年出生，助理研究員，糧食加工品質(zhì)和糧食基礎(chǔ)參數(shù)