邱述金，李霖霖，崔清亮，張燕青，楊作梅，郭玉明

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西太谷，030801；2. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原市，030024)

0 引言

蕎麥的生長周期短，在干旱、貧瘠的土地上具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力[1]。在我國的種植面積廣，多數(shù)種植在丘陵地帶。從FAO(聯(lián)合國糧農(nóng)組織)統(tǒng)計(jì)中得出，到2019年為止，全球18個(gè)國家的蕎麥年總產(chǎn)量約為212.5萬t，我國的蕎麥產(chǎn)量約占全世界總產(chǎn)量的32.94%。蕎麥通常可分為甜蕎和苦蕎，山西地區(qū)是全國蕎麥主產(chǎn)區(qū)之一，每年播種面積約33.3 khm2，其中甜蕎種植面積約20 khm2，苦蕎約13.33 khm2。蕎麥籽粒在收獲、加工、儲(chǔ)運(yùn)等過程中受到復(fù)雜載荷，其摩擦力學(xué)特性對(duì)作業(yè)裝備影響巨大[2-4]。

目前在農(nóng)業(yè)物料的力學(xué)特性研究和蕎麥機(jī)械化作業(yè)裝備方面已經(jīng)取得較多進(jìn)展。張以忠[3]等研究了苦蕎麥籽粒形態(tài)，獲得了苦蕎麥籽粒千粒重與粒長、粒寬與粒厚的相關(guān)關(guān)系。楊作梅等[4]研究了不同含水率下谷子籽粒的摩擦力學(xué)特性，指出隨含水率升高，谷子與鋼板、鋁板的摩擦系數(shù)增大，建立了摩擦力學(xué)特性回歸方程。呂鳳妍等[5]研究了大豆籽粒的物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合試驗(yàn)與仿真結(jié)果，完成了大豆籽粒群的建模。王曉梅[6]等建立了玉米籽粒群的離散元模型，研究籽粒模型的跌落過程、篩分過程并分析參數(shù)靈敏度，驗(yàn)證了籽粒建模方法的可行性。黃會(huì)明等[7]研究了栝樓籽粒的物理機(jī)械特性，指出不同含水率間、不同表面材料間以及含水率與表面材料的交互作用的差異極顯著。陳偉[8]研究了蕎麥籽粒的剝殼機(jī)理，指出了蕎麥剝殼機(jī)中砂盤轉(zhuǎn)速、砂盤工作面寬度、砂盤粒度及外圈材料等因素對(duì)剝殼效果的影響規(guī)律。張譯文等[9]研究了蕎麥薄層干燥特性，獲得了最佳干燥工藝組合條件。張建等[12]設(shè)計(jì)了蕎麥脫離裝置，通過有限元分析驗(yàn)證了裝置的可靠性。范維果[13]設(shè)計(jì)了撥板式撿拾裝置，搭建了蕎麥撿拾脫粒平臺(tái)，研究了撥板撿拾裝置對(duì)蕎麥撿拾損失率以及脫粒裝置對(duì)蕎麥脫粒損失率和脫粒破碎率影響規(guī)律。黨威龍[12]設(shè)計(jì)了一種蕎麥撿拾收獲作業(yè)的撿拾和脫粒裝置，獲得了撥板撿拾裝置、脫粒裝置對(duì)蕎麥撿拾損失率、脫粒損失率和脫粒破碎率的影響規(guī)律。孫靜鑫等[13]研究了各因素對(duì)蕎麥籽粒的破壞力、破壞能及蕎麥籽粒所能承受的最大撞擊載荷的影響規(guī)律。還有學(xué)者對(duì)雜糧收獲機(jī)械等方面開展了大量研究[14-18]，為蕎麥機(jī)械化作業(yè)裝備的研制研究提供了參考，但目前針對(duì)蕎麥籽粒群的摩擦特性研究還尚未報(bào)道。本文主要研究不同品種、不同含水率對(duì)蕎麥籽粒群的摩擦力學(xué)特性的影響規(guī)律，為蕎麥機(jī)械化播種、收獲及儲(chǔ)運(yùn)等裝備的研制提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用蕎麥由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田提供，蕎麥的品種為黑豐1號(hào)和榆蕎4號(hào)。試驗(yàn)時(shí)選取顆粒飽滿、無表面損傷、無霉變的裸燕麥籽粒為試驗(yàn)樣本。

考慮到蕎麥貯藏時(shí)的基礎(chǔ)含水率為10%～13%，而蕎麥在收獲時(shí)的含水率為18%～20%。將谷子、蕎麥籽粒群的含水率進(jìn)行合理劃分，分別為12.5%、15.2%、19.4%、22.5%。為配置不同含水率的蕎麥籽粒群，參考文獻(xiàn)[19]采用噴灑去離子水的方法配置樣品。用精度可達(dá)0.01 g的分析天平對(duì)谷子、蕎麥籽粒群稱重500 g。配水的過程在密封玻璃罐中完成，在配置含水率較高的19.4%、22.5%的試驗(yàn)樣品需要分兩次噴灑去離子水。期間每隔兩個(gè)小時(shí)需要用玻璃棒緩慢攪拌玻璃罐中的籽粒群試驗(yàn)樣本。將配置得到的不同含水率的試驗(yàn)樣本裝入雙層密封塑料袋中。放入2 ℃ 冰箱內(nèi)冷藏3 d以上，使噴灑的去離子水充分被籽粒群吸收，期間每天早、中、晚各晃動(dòng)一次。試驗(yàn)前將樣品從冰箱拿出恢復(fù)至室溫。按式(1)配置含水率。

(1)

式中：M——所需配水的重量，g；

m——蕎麥籽粒群的質(zhì)量，g；

H1——谷蕎麥籽粒群的初始含水率，%；

H2——需要配制的含水率，%。

1.2 試驗(yàn)原理

滑動(dòng)摩擦角是散體物料與接觸物體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，散體物料與接觸面產(chǎn)生摩擦力。其正切值為滑動(dòng)摩擦因數(shù)[20]?；瑒?dòng)摩擦角和摩擦系數(shù)的測(cè)定方法通常有兩種原理：一種是物料相對(duì)于給定的摩擦平面產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)；另一種是給定摩擦平面相對(duì)于物料產(chǎn)生移動(dòng)。根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)了可對(duì)蕎麥籽粒群滑動(dòng)摩擦角進(jìn)行測(cè)定的斜面儀[21]，如圖1所示，籽粒群受力示意圖如圖2所示。

根據(jù)式(2)可測(cè)出籽粒群的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

μ=tanα

(2)

其中，

Ff=Gsinα

FN=Gcosα

Ff=μFN

式中：Ff——籽粒群受到摩擦力，N；

G——籽粒群的重力，N；

α——斜面儀測(cè)得角度，°；

FN——籽粒群受到的法向約束力，N；

μ——籽粒群的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

圖1 自制斜面儀

圖2 蕎麥籽粒群受力示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，將樣本從冰箱中取出后，置于試驗(yàn)臺(tái)恢復(fù)至室溫，然后把蕎麥籽粒的每一個(gè)品種、每一種含水率的樣本分別裝在小的密封袋中，每個(gè)密封袋大約50 g。

將蕎麥籽粒群裝入30 mm×30 mm×10 mm的無底容器內(nèi)并放置在斜面儀上，搖動(dòng)手柄使斜面傾斜角逐漸增大。當(dāng)籽粒群剛開始在斜面上滑動(dòng)時(shí)，馬上讀取測(cè)角器上的度數(shù)，將測(cè)角器顯示的度數(shù)代入式(2)，計(jì)算得到籽粒的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。在斜面儀上放置不銹鋼板和鋁板，測(cè)定蕎麥籽粒群在不同材料表面的滑動(dòng)摩擦角，每個(gè)處理重復(fù)試驗(yàn)5次。

休止角也稱安息角，是指散體物料從一定高度自由連續(xù)跌落到平面上，堆積成的類圓錐體的母線與底平面的夾角。休止角體現(xiàn)了散體物料的內(nèi)摩擦特性和散落性能，與散粒物料的含水率、形狀和尺寸等相關(guān)。休止角越大的散體物料，內(nèi)摩擦力就越大，散落性越小。

對(duì)于散粒物料休止角的測(cè)定試驗(yàn)有三種：注入法，將散體物料從開口小容器中流出落于平面上形成類圓錐體，底角即為休止角；排出法，將一定量的散體物料從容器底部的開口排出，等待散體物料停止流動(dòng)后物料的傾斜面與底平面的夾角為休止角；傾斜法，將裝有1/3散體物料的長方形容器傾斜，靜止后物料表面所形成的角度為休止角。

采用注入法測(cè)定蕎麥籽粒群的休止角，自制休止角測(cè)定裝置如圖3所示，漏斗容積0.5 L，接料鐵塊底面為直徑D=150 mm的圓柱，散落在鐵塊上籽粒群自然堆積的高度H，則休止角φ可表示為式(3)。

φ=arctan(2H/D)

(3)

圖3 蕎麥籽粒群休止角測(cè)定裝置

試驗(yàn)前將所需的樣本從冰箱中取出，恢復(fù)室溫半個(gè)小時(shí)，將試驗(yàn)樣本的籽粒群300 g放入漏斗中，打開漏斗出口，使籽粒群自然、連續(xù)的落于平臺(tái)，如圖4所示。待籽粒群靜止不動(dòng)后，測(cè)定籽粒群所形成的圓錐的高度H，每個(gè)處理重復(fù)5次。運(yùn)用公式計(jì)算得出籽粒群的休止角度。

圖4 黑豐一號(hào)休止角

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同品種、不同含水率的蕎麥籽粒群的滑動(dòng)摩擦因數(shù)與休止角進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 蕎麥籽粒群滑動(dòng)摩擦因數(shù)與休止角Tab. 1 Friction coefficient and repose angle of buckwheat grain group

試驗(yàn)結(jié)果表明，含水率在12.5%～22.5%區(qū)間內(nèi)，榆蕎四號(hào)在不銹鋼板上的滑動(dòng)摩擦因數(shù)范圍為0.332～0.419，在鋁板上的范圍為0.368～0.468；黑豐一號(hào)在不銹鋼上的8滑動(dòng)摩擦因數(shù)范圍為0.367～0.454，在鋁板上的范圍為0.411～0.533。蕎麥籽粒群休止角變化范圍為27.98°～38.70°。

2.2 蕎麥籽粒群滑動(dòng)摩擦因數(shù)分析

利用SAS軟件分析品種和含水率對(duì)蕎麥籽粒群滑動(dòng)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果如表2所示。

表2 蕎麥籽粒群滑動(dòng)摩擦因數(shù)方差分析Tab. 2 ANOVA of sliding friction coefficient of buckwheat grain group

方差分析結(jié)果表明，在0.05水平上，蕎麥的品種對(duì)滑動(dòng)摩擦因數(shù)的影響顯著，兩種籽粒群的滑動(dòng)摩擦因數(shù)均隨著含水率的升高而增大，不同含水率、不同品種的蕎麥籽粒群與不同接觸材料滑動(dòng)摩擦因數(shù)關(guān)系如圖5所示。

圖5 滑動(dòng)摩擦因數(shù)與含水率關(guān)系

蕎麥籽粒群與不同接觸材料滑動(dòng)摩擦因數(shù)的擬合函數(shù)如表3所示。

表3 滑動(dòng)摩擦因數(shù)與含水率的擬合函數(shù)Tab. 3 Fitting function of sliding friction coefficient and moisture content

滑動(dòng)摩擦因數(shù)與含水率的關(guān)系近似為線性遞增關(guān)系，決定系數(shù)R2均大于0.97，擬合關(guān)系較好。隨著蕎麥籽粒群含水率的升高，蕎麥籽粒內(nèi)的自由水含量升高，籽粒外殼的濕度隨之增大，與接觸平面的吸附性增強(qiáng)。當(dāng)含水率從12.5%升高至22.5%時(shí)，蕎麥籽粒群與鋁板間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)都高于不銹鋼板。這是由于接觸板材表面粗糙程度不同，材料表面越粗糙，籽粒表面與板材表面所產(chǎn)生的摩擦力就越大，籽粒群產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)就困難。不銹鋼板表面更光滑，相應(yīng)的滑動(dòng)摩擦因數(shù)也就越小。從不同品種分析，不同品種的蕎麥籽粒群的滑動(dòng)摩擦因數(shù)差異顯著，黑豐一號(hào)比榆蕎四號(hào)的滑動(dòng)摩擦因數(shù)大。主要是蕎麥籽粒表面微結(jié)構(gòu)、形狀不同造成的。榆蕎四號(hào)作為甜蕎的一個(gè)品種，它的外殼沒有凹坑，外凸飽滿光滑，黑豐一號(hào)是苦蕎的一個(gè)品種，它的外殼在三個(gè)表面上均有凹坑，且表面粗糙。從增大籽粒群的流動(dòng)性、減小摩擦力的角度來說，與蕎麥籽粒群滑動(dòng)接觸的機(jī)械零部件，如排種盤、種箱、出料口等適宜采用鋼質(zhì)材料。

2.3 蕎麥籽粒群休止角分析

利用SAS軟件分析品種和含水率對(duì)蕎麥籽粒群休止角的影響規(guī)律，顯著性分析結(jié)果如表4所示。

表4 蕎麥籽粒群休止角方差分析Tab. 4 ANOVA of repose angle of buckwheat grain group

在0.05水平上，而蕎麥的品種對(duì)蕎麥籽粒群的休止角影響極顯著。含水率對(duì)蕎麥籽粒群的休止角的影響顯著，隨著蕎麥籽粒群含水率的增加，蕎麥籽粒群的休止角增大。隨著含水率的增大，蕎麥籽粒外殼濕度增大，籽粒間吸附作用增強(qiáng)，籽粒間就越不容易產(chǎn)生滾動(dòng)，散落性差，休止角也相應(yīng)增大。不同含水率、不同品種的籽粒群的休止角關(guān)系如圖6所示。

圖6 休止角與含水率關(guān)系

不同含水率、不同品種的籽粒群的休止角擬合函數(shù)如表5所示。

表5 籽粒群休止角與含水率的擬合函數(shù)Tab. 5 Fitting function of repose angle and water content of grain group

休止角與含水率的關(guān)系近似為線性遞增關(guān)系，決定系數(shù)R2均大于0.98，擬合關(guān)系較好。含水率越高，籽粒外殼的自由水含量就越高，籽粒群的濕度升高，籽粒與籽粒間的粘附性增強(qiáng)。籽粒與籽粒間的摩擦力增大，籽粒群的散落性差，進(jìn)而休止角度大。

3 結(jié)論

研究品種和含水率對(duì)蕎麥籽粒群摩擦特性的影響規(guī)律，獲得了滑動(dòng)摩擦因數(shù)、休止角與含水率、接觸材料等因素的關(guān)系，為蕎麥機(jī)械化裝備研制與優(yōu)化提供理論依據(jù)。主要結(jié)論如下。

1) 含水率在12.5%～22.5%內(nèi)，不同品種的蕎麥籽粒群的摩擦特性相差較大，苦蕎與甜蕎的外形尺寸與形狀差異顯著，黑豐1號(hào)的滑動(dòng)摩擦因數(shù)均大于榆蕎4號(hào)，蕎麥籽粒群的滑動(dòng)摩擦因數(shù)受含水率影響顯著(P<0.05)，隨含水率增加呈線性增大。

2) 含水率為12.5%～22.5%時(shí)，蕎麥籽粒群與不銹鋼板、鋁板兩種材料間的滑動(dòng)摩擦系分別為：0.332～0.454、0.368～0.503。同一含水率下，蕎麥籽粒群與不銹鋼板間滑動(dòng)摩擦因數(shù)較鋁板低。從降低摩擦力的角度出發(fā)，蕎麥在生產(chǎn)、加工過程中應(yīng)降低含水率，與蕎麥籽粒直接接觸的零部件適合采用鋼質(zhì)材料。

3) 含水率為12.5%～22.5%時(shí)，蕎麥籽粒群的休止角變化范圍27.98°～38.70°。含水率對(duì)蕎麥籽粒群休止角影響顯著，隨含水率增加，蕎麥籽粒群的休止角近似線性增大。