不同含水率黍子摩擦特性的實驗研究

楊作梅，郭玉明，崔清亮，李紅波

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

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不同含水率黍子摩擦特性的實驗研究

楊作梅，郭玉明，崔清亮，李紅波

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：[目的]為給選擇、確定黍子生產(chǎn)、加工機械設(shè)備技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)，對黍子摩擦特性參數(shù)進行研究。[方法]以晉黍9號種子為研究對象，分別測定不同含水率條件下黍子種子的三軸尺寸、休止角以及與鋼板、鐵板、亞克力板間的靜、動滑動摩擦系數(shù)，分析含水率對黍子形態(tài)尺寸和摩擦力學(xué)特性的影響。[結(jié)果]含水率變化對黍子幾何尺寸和摩擦特性影響顯著，隨著含水率增加，黍子幾何尺寸、休止角、滑動摩擦系數(shù)均增大；同一含水率下，黍子與鐵板間滑動摩擦系數(shù)最高，鋼板最低。根據(jù)實驗結(jié)果，分別擬合了黍子幾何尺寸、休止角和滑動摩擦系數(shù)與含水率之間的關(guān)系方程。[結(jié)論]研究結(jié)果可為黍子相關(guān)機械裝備的開發(fā)與設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：黍子； 含水率； 形態(tài)尺寸； 休止角； 滑動摩擦系數(shù)

黍子(Panicummiliaceum)作為“五谷”之一，是起源于我國的一種重要雜糧作物，不但營養(yǎng)品質(zhì)豐富，而且藥用價值高，深受人們的喜愛。黍子生育期短、抗旱、耐貧瘠，在我國北方干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1]。雖然山西是黍子主產(chǎn)區(qū)，但耕地大多以丘陵山地為主，黍子的生產(chǎn)加工仍沿用傳統(tǒng)手工勞作，機械化水平低，并且適應(yīng)黍子的配套農(nóng)機裝備鮮有應(yīng)用[2,3]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，黍子等雜糧作物的機械化生產(chǎn)受到農(nóng)機工作者的廣泛關(guān)注。農(nóng)業(yè)物料的摩擦特性是設(shè)計開發(fā)農(nóng)業(yè)機械裝備的基礎(chǔ)和必不可少的先決條件。黍子在播種、收獲、加工、儲運過程中，籽粒之間以及與工作部件接觸表面之間發(fā)生相對運動,都會產(chǎn)生阻礙運動的摩擦力。因此，黍子摩擦特性研究成為選擇和確定工作表面參數(shù)，有效設(shè)計與之配套農(nóng)機裝備的重要基礎(chǔ)。

谷物摩擦特性研究早在19世紀(jì)末就開始了[4]，主要集中在水稻、玉米、小麥、大豆等大宗糧食作物上，研究結(jié)果都顯示含水率是影響谷物摩擦力學(xué)特性的重要因素[5～8]，而對黍子等雜糧作物的相關(guān)研究鮮有報道。為了研究不同含水率黍子種子的摩擦力學(xué)特性，本文利用實驗測定裝置對不同含水率黍子種子的三軸尺寸，休止角和與不同接觸材料間滑動摩擦系數(shù)分別進行了實驗測定,分析黍子摩擦特性隨含水率、接觸表面材料變化的規(guī)律,為黍子機械化裝備的開發(fā)設(shè)計提供參考依據(jù)。

1材料、儀器與方法

1.1實驗材料

實驗材料選用晉北地區(qū)廣泛種植的黍子品種：晉黍9號，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒區(qū)作物研究所選育，籽粒為復(fù)色，橢球形，千粒重約為8.0g，初始濕基含水率10.4%。參照文獻[9]，配置不同含水率黍子種子樣品。使用電子天平量取4份300g初始含水率種子，至于密封良好的玻璃器皿中，分別噴灑一定質(zhì)量的去離子水得到其他4種含水率樣本。添加去離子水量，可通過式(1)計算。

(1)

式中，M為加入去離子水的質(zhì)量/g，通過滴管量?。籱為配置黍子樣品的質(zhì)量/g；H1為黍子初始濕基含水率/%，利用水分容重儀直接測定；H2為配置黍子樣品的理論濕基含水率/%。

加水過程中注意邊攪拌邊噴水，配制含水率高于16% 的樣品時，要少量多次噴灑去離子水。樣品配置好于玻璃器皿中密封靜置1d，期間每隔3～4h攪動1次。然后，用雙層密封袋將配制的樣品密封置于2～4 ℃冰箱內(nèi)冷藏至少3d以上，每天搖動3～5次，使其籽粒吸水均勻。實驗時，應(yīng)提前取出樣品室溫下放置0.5h以上，使樣品恢復(fù)至實驗室溫度，再通過水分容重儀測試樣品實際含水率，每個樣品分別測試5次，取其平均值作為實驗樣品的最終含水率。本文配置黍子種子樣品最終含水率分別為：13.3%、15.5%、17.6%、20.1%。

1.2實驗儀器

主要實驗儀器包括：GAC2100AGRI型高精度水分容重測定儀，水分分辨率0.1%；MP2002型電子天平，量程300g，精度0.01g；數(shù)顯游標(biāo)卡尺，測量范圍0～150mm，分辨率0.01mm；MXD-01型摩擦系數(shù)儀，精度1級；自制休止角測試儀。

1.3實驗方法

1.3.1形態(tài)尺寸測定

谷物的形態(tài)尺寸對摩擦特性有一定影響，一般種子籽粒粒徑越大，越接近球形，其摩擦系數(shù)越小[10]。單一籽粒的形態(tài)尺寸可以采用幾何平均徑和球度來表示，根據(jù)測定的三軸尺寸，分別由式(2)和式(3)計算得到。

Dg=(lwt)1/3

(2)

式中，Dg為黍子籽粒的幾何平均徑/mm；l為黍子籽粒長度/mm；w為黍子籽粒寬度/mm；t為黍子籽粒厚度/mm。

Sp=(lwt)1/3/l×100%=Dg/l×100%

(3)

式中，Sp為黍子籽粒的球度/%。

為保證實驗過程中種子樣本含水率不變，每次從密封袋中任取一粒飽滿無損傷籽粒，同時將密封袋迅速密封。用游標(biāo)卡尺測量種子籽粒在三個垂直方向上的最大尺寸，即三軸尺寸：長度(l)、寬度(w)、厚度(t)，如圖1所示，每種樣品測定100粒。

圖1　黍子三軸尺寸示意圖Fig.1　Sketch of triaxial sizes of broomcorn millet

1.3.2休止角測定

休止角是指散粒物料從一定高度自然連續(xù)下落到平面上時，所堆積成的圓錐體母線與底平面之間的夾角，反映了散粒物料的內(nèi)摩擦性能和散落性能[11]。本文休止角采用注入法測定，測試裝置如圖2所示，墊塊底面直徑D=150mm，測量種子自然堆積高度H/mm，則休止角可表示為：

φr=arctg(2H/D)

(4)

式中，φr為種子休止角，/°。每種含水率種子分別測試8次，取平均值。

圖2　休止角測定原理示意圖Fig.2　Sketch of repose angle measurement principle　　注：1.鐵架臺； 2.漏斗； 3.黍料堆； 4.墊塊； 5.殘料堆Note：1.Iron support； 2.Funnel； 3.Broomcorn millet windrow； 4.Heel block； 5.Remnant windrow

1.3.3滑動摩擦系數(shù)測定

滑動摩擦系數(shù)表征了散粒物料與其他材料接觸表面發(fā)生相對滑動時的摩擦特性。鑒于一般農(nóng)業(yè)機械制造材料大都采用鋼、鑄鐵或亞克力板，本文利用摩擦系數(shù)儀測定黍子與鋼板、鐵板、亞克力板間的摩擦系數(shù)，實驗原理類似于兩平板的相對滑動，如圖3所示。對種子進行人工篩選，單層固定于泡沫雙面膠一側(cè)平面內(nèi)，均勻平整，使絕大多數(shù)種子同時和材料板接觸；泡沫膠另一面固定于摩擦系數(shù)儀的實驗臺面上；通過普通雙面膠將不同材料薄板分別與滑塊底面固定。滑塊標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量500g，勻速滑動速度100mm·min-1，行程60mm。進行預(yù)試驗，待摩擦曲線保持穩(wěn)定后，開始實驗，記錄數(shù)據(jù)。每種樣本制作2塊，重復(fù)實驗8次，取均值。

圖3　滑動摩擦系數(shù)試驗裝置Fig.3　Test device of coefficient of sliding friction

2結(jié)果與分析

2.1黍子的形態(tài)尺寸及其與含水率的關(guān)系

測量黍子籽粒三軸尺寸，計算幾何平均徑和球度，結(jié)果如表1所示。

表1　黍子形態(tài)尺寸統(tǒng)計表

注：表中測量值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，后表同。

Note：Thetestvaluesinthistablearemeanstandarddeviation,Thesameasbelow.

由表1可見，含水率對黍子三軸尺寸和幾何平均徑影響顯著(p<0.05)，而對籽粒球度影響并不顯著，這表明黍子籽粒幾何尺寸受含水率影響大，而籽粒整體形狀改變不大。由表1可看出，隨著含水率增加，籽粒幾何尺寸基本都成上升趨勢，最初變化平緩，當(dāng)含水率超過15.5%后，增大趨勢略有升高。

進行多項式回歸分析，得到黍子種子三軸尺寸和幾何平均徑與含水率間的關(guān)系模型分別為：

l=0.001 372X2-0.034 59X+3.538 (R2=0.993 2)

w=0.004 516X+2.461(R2=0.903 9)

t=0.000 687 7X2-0.015 49X+2.047(R2=0.977 5)

Dg=0.000 825 4X2-0.019 07X+2.446(R2=0.990 6)

(5)

式中，X為黍子含水率/%。由式(5)可見，隨著含水率增加，黍子籽粒寬度隨含水率線性增大，長度、厚度及幾何平均徑都與含水率成二次函數(shù)關(guān)系。

2.2黍子休止角

測定不同含水率黍子種子的休止角如表2所示。含水率對黍子休止角影響極顯著，且隨著含水率增加，黍子休止角增大。含水率為15.5%時，黍子休止角變異系數(shù)最高，變化程度最劇烈。

擬合黍子休止角與含水率之間的關(guān)系模型為：

φr=0.938 5X+11.32

(6)

由式(6)可知：黍子休止角與含水率之間為線性函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)R2=0.962 9。

表2　黍子休止角

2.3黍子滑動摩擦系數(shù)

測定黍子與鋼板、鐵板、亞克力板間的靜、動滑動摩擦系數(shù)如表3所示。含水率對黍子與三種材料間的滑動摩擦系數(shù)影響極顯著，且同一含水率下，黍子與鐵板間摩擦系數(shù)最高，亞克力板次之，鋼板最低。因此，在黍子生產(chǎn)加工等機械裝備中，與黍子直接接觸的機械零部件宜選用鋼材制造。

表3不同含水率黍子與鋼板、鐵板、亞克力板的靜、動滑動摩擦系數(shù)

Table3Coefficientofstaticandmovingslidingfrictionofbroomcornmilletwithdifferentmoisturecontentagainststeelplate,ironplateandacrylicplate

含水率/%Moisturecontent鋼板Steelplate鐵板Ironplate亞克力板Acrylicplate靜Static動Moving靜Static動Moving靜Static動Moving10.4±0.050.174±0.0070.161±0.0100.184±0.0060.170±0.0050.18±0.0050.168±0.00613.3±0.110.184±0.0070.168±0.0030.193±0.0110.175±0.0070.187±0.0080.172±0.00815.5±0.080.190±0.0120.178±0.0070.199±0.0100.187±0.0100.191±0.0130.180±0.00417.6±0.080.227±0.0040.219±0.0030.246±0.0070.234±0.0050.236±0.0070.224±0.00420.1±0.110.260±0.0050.254±0.0050.288±0.0080.278±0.0070.288±0.0070.274±0.005顯著性檢驗概率P<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001

分別對三組數(shù)據(jù)進行線性擬合，黍子與三種材料的動、靜滑動摩擦系數(shù)與含水率之間的函數(shù)關(guān)系如表4所示。

由表4可見，黍子與鋼板、鐵板、亞克力板的靜、動滑動摩擦系數(shù)與含水率之間呈二次函數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系良好。擬合曲線如圖4所示，都為上凹曲線的后半分支，含水率低于15.5% 時滑動摩擦系數(shù)變化平緩，超過15.5%則迅速增大。

表4黍子與3種材料滑動摩擦系數(shù)與含水率之間的擬合函數(shù)

Table4Fittingfunctionsbetweencoefficientofslidingfrictionofbroomcornmilletwithdifferentmaterialsandmoisturecontent

材料Materials擬合函數(shù)Fittingfunctions決定系數(shù)Coefficientofdetermination鋼板鐵板亞克力板靜0.0009874X2-0.02113X+0.28730.9817動0.001123X2-0.02436X+0.29240.9828靜0.001357X2-0.03051X+0.35480.9794動0.001447X2-0.03266X+0.35260.9858靜0.001637X2-0.03885X+0.40830.9849動0.001611X2-0.03811X+0.39060.9893

圖4　滑動摩擦系數(shù)隨含水率的變化曲線Fig.4　Variations curves of the coefficient of sliding friction with moisture content

3結(jié)論

(1)含水率對黍子籽粒形狀影響不明顯，但對其幾何尺寸有顯著影響，黍子籽粒三軸尺寸和幾何平均徑均隨含水率的增加而增大，含水率超過15.5%時，增大趨勢變快。

(2)黍子休止角受含水率影響顯著，隨含水率增加，休止角近似線性增大，含水率15.5% 時變化最劇烈。

(3)黍子與鋼板、鐵板、亞克力板間的靜、動滑動摩擦系數(shù)均受含水率顯著影響，隨含水率增加呈二次函數(shù)關(guān)系遞增。含水率低于15.5%時，滑動摩擦系數(shù)變化平緩，超過15.5%迅速增大。同一含水率下，黍子與鋼板間滑動摩擦系數(shù)最小，亞克力板次之，鐵板最大。從減小摩擦的角度考慮，與黍子直接接觸的機械零部件宜采用鋼質(zhì)材料。同時，黍子生產(chǎn)和加工時含水率應(yīng)低于15.5%。

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(編輯：李曉斌)

Experimentalstudyonfrictioncharacteristicsofbroomcornmilletwithdifferentmoisturecontent

YangZuomei,GuoYuming,CuiQingliang,LiHongbo

(College of Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China)

Abstract:[Objective]In order to provide basis for the selection and determine technical parameters of the production, processing machinery and equrpment, Friction characteristics of broomcorn millet were studied in this paper. [Methods]A typical broomcorn millet in Shanxi province, Jinshu-9, was selected as test material. Triaxial sizes, angle of repose and static/moving coefficient of sliding friction of broomcorn millet with different moisture content conditions were determined, and the influences of moisture content on shape sizes and friction mechanics characteristics were analyzed. [Results]The results showed that the moisture content had important role on the physical sizes and friction characteristics of broomcorn millet. Physical sizes, angle of repose and sliding friction coefficients increased as moisture content increased. At the same moisture content, coefficients of sliding friction of broom millet against iron plate was higher than against steel plate. The results were analyzed using statistical regression and the physical size, repose angle and coefficients were established as a function of moisture content. [Conclusion]The study could provide theoretical reference data for design and development of machinery and equipment of broomcorn millet.

Key words:Broomcorn millet； Moisture content； Shape sizes； Repose angle； Coefficient of sliding friction

收稿日期：2016-04-04 修回日期：2016-04-18

作者簡介：楊作梅(1981-)，女(漢)，河北永清人，講師，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)物料機械特性及農(nóng)業(yè)機械化裝備

基金項目：教育部2012年高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金聯(lián)合資助課題(20121403120003)

中圖分類號：S516

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8151(2016)07-0519-05