2.3　馬鈴薯摩擦特性測定

農業物料學中用滑動摩擦角、自然休止角和內摩擦角來描述散粒物料的摩擦特性?；瑒幽Σ两欠从澄锪吓c固體表面間的摩擦性質，自然休止角反映單粒物料在物料堆上的滾落能力，而內摩擦角則反映散粒物料間的摩擦特性。

2.3.1　馬鈴薯靜摩擦系數測定

摩擦系數是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比，它與表面粗糙度有關，而與接觸面積的大小無關。靜摩擦系數是最大靜摩擦力與法向壓力的比值，馬鈴薯種薯的靜摩擦系數包括種薯與不同材料表面的摩擦系數和種薯間的摩擦系數，通常用滑動摩擦角的正切值來表示。農業物料的含水率對靜摩擦系數的影響較大，而正壓力及滑動速度對其影響不大。

目前，測定物料與接觸面間的滑動摩擦角最常用的工具是傾斜試驗裝置，運用斜面力學原理進行馬鈴薯種薯靜摩擦系數的測定。采用自制的傾斜試驗裝置測試馬鈴薯種薯與有機玻璃、聚氯乙烯、冷軋鋼板、同品種種薯間的靜摩擦系數。傾斜試驗裝置如圖2-5所示，包括機架、角度調節機構和工作平面[72]。

試驗時，將馬鈴薯種薯放在傾斜試驗裝置上，與工作平面貼緊，通過角度調節機構逐漸加大傾斜試驗裝置的角度。當種薯剛剛開始從斜面滑下時，停止調節斜面傾角，這時的斜面傾角即為滑動摩擦角。測量工作平面的末端與基準水平面間的垂直高度h和工作平面的末端與點A之間的距離l（工作平面的長度），通過幾何關系即可計算得出滑動摩擦角，馬鈴薯種薯與接觸平面間的靜摩擦系數fs即為的正切值。每個品種的種薯重復測定5次，試驗數據取平均值作為種薯與各材料間的靜摩擦系數，其計算公式為

式中，為滑動摩擦角，單位為o；h為工作平面的末端與基準水平面間的垂直高度，單位為mm；l為工作平面的長度，單位為mm。

馬鈴薯種薯的靜摩擦系數測定結果如表2-5所示。

2.3.2　馬鈴薯內摩擦角測定

內摩擦角是反映散粒物料間摩擦特性和抗剪強度的物理量，是設計重力流動的料倉和料斗的重要參數。在散粒物料內部的任意處取出一單元體，該單元體單位面積上的法向壓力為正應力，單位面積上的剪切力為切應力。當整體在某方向上發生塑性屈服，即物料沿剪切力方向發生滑動時，把散粒物料的流動視為類似于固體剪切塑性屈服破壞的現象，因此散粒物料的抗剪強度可用莫爾強度理論來研究，最終獲得確定內摩擦角的理論和方法。

內摩擦角與物料的粒徑、表面狀態、含水率、孔隙率有很大關系。一般來說，同一物料的內摩擦角隨含水率的增大而增大，隨孔隙率的增大而減小。

采用等應變直剪儀（型號ZJ—2，試件面積30cm2，高2cm，杠桿比1:12，南京東邁科技儀器有限公司）進行馬鈴薯內摩擦角的測定，如圖2-6所示。

試驗時，將具有一定含水率及尺寸均勻的馬鈴薯種薯放入剪切環內，對其進行預壓實作業，其目的是保證馬鈴薯受力均勻且基本在同一應力狀態下進行試驗，預壓實載荷為N0。預壓實后，將剪切環頂面以上的過量種薯刮去。在垂直載荷N（小于預壓實載荷）的作用下，對試樣進行剪切作業，測得剪切力為S。對其他試樣重復以上作業，每次施加的不同垂直載荷N都需小于預壓實載荷，試驗測得的N和S分別除以等應變直剪儀的面積，即為破壞平面的正應力和剪切力，根據式（2-8）的莫爾強度理論可計算得出內摩擦角。分別測定三個品種馬鈴薯種薯的內摩擦角，每一品種的種薯測定5次，試驗結果取平均值作為該品種馬鈴薯種薯的內摩擦角。莫爾強度理論的計算公式為

式中，c是黏聚力，在物料中c為0。通過測定及計算可得出費烏瑞它、尤金885、東農312的內摩擦角分別為30.8o、31.9o和33.2o。

2.3.3　馬鈴薯自然休止角測定

自然休止角又稱為堆積角，物料從漏斗底部的小孔自由落到水平面時會形成一圓錐體，圓錐面與水平面之間的夾角即為自然休止角，可用來表示物料的流動性及摩擦特性。測定自然休止角的方法有三種：注入法、排出法及傾斜法。

注入法的原理是將物料從漏斗上方慢慢加入，從漏斗底部漏出的物料在水平面上形成圓錐體，其錐底角即為自然休止角[73]。

排出法的原理如圖2-7所示，將物料加入圓筒容器內，使圓筒底面保持水平，物料從容器底部的中心孔流出，待物料停止流動后，物料傾斜面與底平面的夾角即為自然休止角。

傾斜法的原理如圖2-8所示，將裝有1/3散粒物料的長方形容器傾斜或將圓筒形容器慢速回轉，靜止后物料表面與水平面的夾角就是自然休止角。

物料的形狀、尺寸、含水率及堆放條件對自然休止角有很大的影響。物料形狀越接近球形，自然休止角就越小；物料的含水率越大，自然休止角就越大，這是因為粒子表層潮濕，內摩擦力增大，粒子間的黏附作用增大。

采用注入法對馬鈴薯種薯的自然休止角進行測定，如圖2-9所示。將種薯從漏斗上方慢慢加入，種薯從漏斗底部連續流動到地面形成一圓錐體，分別測量圓錐體的高、半徑，自然休止角的計算公式為

分別測定xOz、yOz兩個平面的自然休止角，每個品種種薯進行5次測定，試驗數據取平均值作為種薯的自然休止角，測定結果如表2-6所示。

由表2-6可知，費烏瑞它、尤金885、東農312這三個品種馬鈴薯種薯的自然休止角分別為37.9o、35.7o和34.2o。