不同含水率黍子摩擦特性的实验研究

杨作梅，郭玉明，崔清亮，李红波

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)



不同含水率黍子摩擦特性的实验研究

杨作梅，郭玉明，崔清亮，李红波

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

摘要：[目的]为给选择、确定黍子生产、加工机械设备技术参数提供依据，对黍子摩擦特性参数进行研究。[方法]以晋黍9号种子为研究对象，分别测定不同含水率条件下黍子种子的三轴尺寸、休止角以及与钢板、铁板、亚克力板间的静、动滑动摩擦系数，分析含水率对黍子形态尺寸和摩擦力学特性的影响。[结果]含水率变化对黍子几何尺寸和摩擦特性影响显著，随着含水率增加，黍子几何尺寸、休止角、滑动摩擦系数均增大；同一含水率下，黍子与铁板间滑动摩擦系数最高，钢板最低。根据实验结果，分别拟合了黍子几何尺寸、休止角和滑动摩擦系数与含水率之间的关系方程。[结论]研究结果可为黍子相关机械装备的开发与设计提供参考数据。

关键词：黍子； 含水率； 形态尺寸； 休止角； 滑动摩擦系数

黍子(Panicummiliaceum)作为“五谷”之一，是起源于我国的一种重要杂粮作物，不但营养品质丰富，而且药用价值高，深受人们的喜爱。黍子生育期短、抗旱、耐贫瘠，在我国北方干旱、半干旱地区农业生产中占有重要地位[1]。虽然山西是黍子主产区，但耕地大多以丘陵山地为主，黍子的生产加工仍沿用传统手工劳作，机械化水平低，并且适应黍子的配套农机装备鲜有应用[2,3]。随着农业产业结构的调整，黍子等杂粮作物的机械化生产受到农机工作者的广泛关注。农业物料的摩擦特性是设计开发农业机械装备的基础和必不可少的先决条件。黍子在播种、收获、加工、储运过程中，籽粒之间以及与工作部件接触表面之间发生相对运动,都会产生阻碍运动的摩擦力。因此，黍子摩擦特性研究成为选择和确定工作表面参数，有效设计与之配套农机装备的重要基础。

谷物摩擦特性研究早在19世纪末就开始了[4]，主要集中在水稻、玉米、小麦、大豆等大宗粮食作物上，研究结果都显示含水率是影响谷物摩擦力学特性的重要因素[5～8]，而对黍子等杂粮作物的相关研究鲜有报道。为了研究不同含水率黍子种子的摩擦力学特性，本文利用实验测定装置对不同含水率黍子种子的三轴尺寸，休止角和与不同接触材料间滑动摩擦系数分别进行了实验测定,分析黍子摩擦特性随含水率、接触表面材料变化的规律,为黍子机械化装备的开发设计提供参考依据。

1材料、仪器与方法

1.1实验材料

实验材料选用晋北地区广泛种植的黍子品种：晋黍9号，由山西省农业科学院高寒区作物研究所选育，籽粒为复色，椭球形，千粒重约为8.0g，初始湿基含水率10.4%。参照文献[9]，配置不同含水率黍子种子样品。使用电子天平量取4份300g初始含水率种子，至于密封良好的玻璃器皿中，分别喷洒一定质量的去离子水得到其他4种含水率样本。添加去离子水量，可通过式(1)计算。

(1)

式中，M为加入去离子水的质量/g，通过滴管量取；m为配置黍子样品的质量/g；H1为黍子初始湿基含水率/%，利用水分容重仪直接测定；H2为配置黍子样品的理论湿基含水率/%。

加水过程中注意边搅拌边喷水，配制含水率高于16% 的样品时，要少量多次喷洒去离子水。样品配置好于玻璃器皿中密封静置1d，期间每隔3～4h搅动1次。然后，用双层密封袋将配制的样品密封置于2～4 ℃冰箱内冷藏至少3d以上，每天摇动3～5次，使其籽粒吸水均匀。实验时，应提前取出样品室温下放置0.5h以上，使样品恢复至实验室温度，再通过水分容重仪测试样品实际含水率，每个样品分别测试5次，取其平均值作为实验样品的最终含水率。本文配置黍子种子样品最终含水率分别为：13.3%、15.5%、17.6%、20.1%。

1.2实验仪器

主要实验仪器包括：GAC2100AGRI型高精度水分容重测定仪，水分分辨率0.1%；MP2002型电子天平，量程300g，精度0.01g；数显游标卡尺，测量范围0～150mm，分辨率0.01mm；MXD-01型摩擦系数仪，精度1级；自制休止角测试仪。

1.3实验方法

1.3.1形态尺寸测定

谷物的形态尺寸对摩擦特性有一定影响，一般种子籽粒粒径越大，越接近球形，其摩擦系数越小[10]。单一籽粒的形态尺寸可以采用几何平均径和球度来表示，根据测定的三轴尺寸，分别由式(2)和式(3)计算得到。

Dg=(lwt)1/3

(2)

式中，Dg为黍子籽粒的几何平均径/mm；l为黍子籽粒长度/mm；w为黍子籽粒宽度/mm；t为黍子籽粒厚度/mm。

Sp=(lwt)1/3/l×100%=Dg/l×100%

(3)

式中，Sp为黍子籽粒的球度/%。

为保证实验过程中种子样本含水率不变，每次从密封袋中任取一粒饱满无损伤籽粒，同时将密封袋迅速密封。用游标卡尺测量种子籽粒在三个垂直方向上的最大尺寸，即三轴尺寸：长度(l)、宽度(w)、厚度(t)，如图1所示，每种样品测定100粒。

图1　黍子三轴尺寸示意图Fig.1　Sketch of triaxial sizes of broomcorn millet

1.3.2休止角测定

休止角是指散粒物料从一定高度自然连续下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线与底平面之间的夹角，反映了散粒物料的内摩擦性能和散落性能[11]。本文休止角采用注入法测定，测试装置如图2所示，垫块底面直径D=150mm，测量种子自然堆积高度H/mm，则休止角可表示为：

φr=arctg(2H/D)

(4)

式中，φr为种子休止角，/°。每种含水率种子分别测试8次，取平均值。

图2　休止角测定原理示意图Fig.2　Sketch of repose angle measurement principle　　注：1.铁架台； 2.漏斗； 3.黍料堆； 4.垫块； 5.残料堆Note：1.Iron support； 2.Funnel； 3.Broomcorn millet windrow； 4.Heel block； 5.Remnant windrow

1.3.3滑动摩擦系数测定

滑动摩擦系数表征了散粒物料与其他材料接触表面发生相对滑动时的摩擦特性。鉴于一般农业机械制造材料大都采用钢、铸铁或亚克力板，本文利用摩擦系数仪测定黍子与钢板、铁板、亚克力板间的摩擦系数，实验原理类似于两平板的相对滑动，如图3所示。对种子进行人工筛选，单层固定于泡沫双面胶一侧平面内，均匀平整，使绝大多数种子同时和材料板接触；泡沫胶另一面固定于摩擦系数仪的实验台面上；通过普通双面胶将不同材料薄板分别与滑块底面固定。滑块标准质量500g，匀速滑动速度100mm·min-1，行程60mm。进行预试验，待摩擦曲线保持稳定后，开始实验，记录数据。每种样本制作2块，重复实验8次，取均值。

图3　滑动摩擦系数试验装置Fig.3　Test device of coefficient of sliding friction

2结果与分析

2.1黍子的形态尺寸及其与含水率的关系

测量黍子籽粒三轴尺寸，计算几何平均径和球度，结果如表1所示。

表1　黍子形态尺寸统计表

注：表中测量值为“平均值±标准差”，后表同。

Note：Thetestvaluesinthistablearemeanstandarddeviation,Thesameasbelow.

由表1可见，含水率对黍子三轴尺寸和几何平均径影响显著(p<0.05)，而对籽粒球度影响并不显著，这表明黍子籽粒几何尺寸受含水率影响大，而籽粒整体形状改变不大。由表1可看出，随着含水率增加，籽粒几何尺寸基本都成上升趋势，最初变化平缓，当含水率超过15.5%后，增大趋势略有升高。

进行多项式回归分析，得到黍子种子三轴尺寸和几何平均径与含水率间的关系模型分别为：

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为黍子含水率/%。由式(5)可见，随着含水率增加，黍子籽粒宽度随含水率线性增大，长度、厚度及几何平均径都与含水率成二次函数关系。

2.2黍子休止角

测定不同含水率黍子种子的休止角如表2所示。含水率对黍子休止角影响极显著，且随着含水率增加，黍子休止角增大。含水率为15.5%时，黍子休止角变异系数最高，变化程度最剧烈。

拟合黍子休止角与含水率之间的关系模型为：

φr=0.938 5X+11.32

(6)

由式(6)可知：黍子休止角与含水率之间为线性函数关系，决定系数R2=0.962 9。

表2　黍子休止角

2.3黍子滑动摩擦系数

测定黍子与钢板、铁板、亚克力板间的静、动滑动摩擦系数如表3所示。含水率对黍子与三种材料间的滑动摩擦系数影响极显著，且同一含水率下，黍子与铁板间摩擦系数最高，亚克力板次之，钢板最低。因此，在黍子生产加工等机械装备中，与黍子直接接触的机械零部件宜选用钢材制造。

表3不同含水率黍子与钢板、铁板、亚克力板的静、动滑动摩擦系数

Table3Coefficientofstaticandmovingslidingfrictionofbroomcornmilletwithdifferentmoisturecontentagainststeelplate,ironplateandacrylicplate

含水率/%Moisturecontent钢板Steelplate铁板Ironplate亚克力板Acrylicplate静Static动Moving静Static动Moving静Static动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显著性检验概率P<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001

分别对三组数据进行线性拟合，黍子与三种材料的动、静滑动摩擦系数与含水率之间的函数关系如表4所示。

由表4可见，黍子与钢板、铁板、亚克力板的静、动滑动摩擦系数与含水率之间呈二次函数关系，拟合关系良好。拟合曲线如图4所示，都为上凹曲线的后半分支，含水率低于15.5% 时滑动摩擦系数变化平缓，超过15.5%则迅速增大。

表4黍子与3种材料滑动摩擦系数与含水率之间的拟合函数

Table4Fittingfunctionsbetweencoefficientofslidingfrictionofbroomcornmilletwithdifferentmaterialsandmoisturecontent

材料Materials拟合函数Fittingfunctions决定系数Coefficientofdetermination钢板铁板亚克力板静0.0009874X2-0.02113X+0.28730.9817动0.001123X2-0.02436X+0.29240.9828静0.001357X2-0.03051X+0.35480.9794动0.001447X2-0.03266X+0.35260.9858静0.001637X2-0.03885X+0.40830.9849动0.001611X2-0.03811X+0.39060.9893

图4　滑动摩擦系数随含水率的变化曲线Fig.4　Variations curves of the coefficient of sliding friction with moisture content

3结论

(1)含水率对黍子籽粒形状影响不明显，但对其几何尺寸有显著影响，黍子籽粒三轴尺寸和几何平均径均随含水率的增加而增大，含水率超过15.5%时，增大趋势变快。

(2)黍子休止角受含水率影响显著，随含水率增加，休止角近似线性增大，含水率15.5% 时变化最剧烈。

(3)黍子与钢板、铁板、亚克力板间的静、动滑动摩擦系数均受含水率显著影响，随含水率增加呈二次函数关系递增。含水率低于15.5%时，滑动摩擦系数变化平缓，超过15.5%迅速增大。同一含水率下，黍子与钢板间滑动摩擦系数最小，亚克力板次之，铁板最大。从减小摩擦的角度考虑，与黍子直接接触的机械零部件宜采用钢质材料。同时，黍子生产和加工时含水率应低于15.5%。

参考文献

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(编辑：李晓斌)

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

作者简介：杨作梅(1981-)，女(汉)，河北永清人，讲师，博士，研究方向：农业物料机械特性及农业机械化装备

基金项目：教育部2012年高等学校博士学科点专项科研基金联合资助课题(20121403120003)

中图分类号：S516

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)07-0519-05