[生产物料管理]第五章散粒物料的力学特性1

第五章 散粒物料的力
学特性
基本定义:散粒物料是由许多松散、分离、形状尺寸差不多的颗粒所组成的群体，又称散粒体。

学习散里粒物料力学特性的意义：
为了合理地设计各种农业机械、农产品加工机械、谷仓及其它贮存设备，必须了解散粒物料的力学特性。

它主要包括摩擦特性、流动特性以及物料对容器的压力等。

主要内容：
第一节摩擦特性
第二节流动特性
第一节摩擦特性
基本概念：当散粒物料之间以及物料和所接触的固体表面间发生相对运动或有运动趋势时，均存在有阻碍运动的力，把这一阻碍运动的力称作摩擦力。

物料在克服其与接触表面的摩擦力之前，不可能产生相对运动。

而一旦开始运动，摩擦力会相应减小。

作用在相对静止表面间的摩擦力为静摩擦力，作用在相对运动表面间的摩擦力为动摩擦力。

动摩擦力小于最大静摩擦力。

库仑定律：
库仑定律认为摩擦力与接触面积、滑动速度无关，其大小取决于物料的性质。

现代摩擦理论认为：摩擦力是作用在一个平面内的力。

在这个平面内只有少数几个接触点，同时还会有若干复杂的凸凹啮合。

真实接触面积很小，故实际接触压力极大。

因此，物料在接触处会发生塑性流动或粘合作用。

摩擦力与实际接触面积成正比，并与所接触物料的特性有关。

它由两部分组成，一部分是剪切接触表面凸凹不平所需的剪切力，另一部分是克服接触表面之间的粘附和粘聚所需的力。

散粒物料的摩擦特性可用滑动摩擦角、滚动稳定角、休止角和内摩擦角来表述。

滑动摩擦角、滚动稳定角是反映物料与接触固体表面间的摩擦性质，而休止角与内摩擦角则反映物料间的内在摩擦性质。

基本概念:滑动摩擦角φ表示散粒物料与接触固体相对滑动时,散粒物料与接触面间的摩擦特性,其正切值为滑动摩擦系数。

滑动摩擦角和滑动摩擦系数的测定方法常有两种:
用于测定单根纤维，如羊毛、棉花等物料的滑动摩擦系数。

把单根纤维绕在包有摩擦表面的旋转圆筒B上，包角为α。

由
给定力F
1和圆筒转速测定F
2。

用下式算出滑动摩擦系数：
滑动摩擦系数与正压力无关，受滑动速度影响也很小，但物料含水量对其影响较大。

三滚动稳定角
基本概念:滚动稳定角φ
s
,反映单粒柱状、球形或类似球形物料与所接触表面的滚动摩擦待性。

它是物料输送机械、清选机械等重要设计参数之一。

滚动阻力系数与接触表面的刚性有关，表面愈硬，滚动阻力系数愈小。

三滚动稳定角
基本概念:物料在斜面上开始下滚时的斜面倾角为滚动的静态稳定角；物料在斜面上匀速下滚时的斜面倾角为滚动的动态稳定角。

滚动稳定角和物料形状、尺寸、质量以及接触表面性质有关。

下表为苹果和西红柿在各种表面上的滑动摩擦系数和滚动稳定角。

四、休止角
基本概念:休止角指散粒物料从一定高度自然连续地下落到
表平面上时，所堆积成的圆锥体母线与底平面的夹角，用φ
r 示。

它反映了散粒物料的内摩擦持性和散落性能。

当位于圆锥体斜面上的物料，它的重力沿斜面分力等于或小于物料间的内摩擦力时，则物料粒子在斜面上静止不动。

因此，休止角愈大的物料，内摩擦力愈大，散落性愈小。

下表列举了主要作物种子和谷粒的休止角。

散粒物料的休止角与其形状、尺寸、含水率等有关。

对于同一种物料，粒径愈小休止角愈大。

这是由于细小的粒子之间相互粘附性较大的缘故。

粒子愈接近于球形，其休止角愈小。

物料的休止角随含水率增加而增大，这是因为每个粒子被潮湿的表层包围，使其内摩擦力和粒子间吸附作用增加。

表为几种物料的休止角随含水率的变化。

五、内摩擦角
基本概念:内摩擦角φ
是反映散粒物料间摩擦特性和抗剪强度，
i
它是确定贮料仓仓壁压力以及设计重力流动的料仓和料斗的重要设计参数。

如果把散粒物料看成一个整体，在其内部任意处取出一
单元体，此单元体单位面积上的法向压力可看作该面上的
压应力，单位面积上的剪切力可看作该面上的剪应力。

物料沿剪切力方向发生滑动，可以认为整体在该处发生流动或屈服。

即散粒物料的流动可以看成与固体剪切流动破坏现象相类似。

这样，就可以应用莫尔强度理论来研究散粒物料的抗剪强度，进而得出确定内摩擦角的理论和方法。

农业物料的内摩擦角是
与其粒径、表面状态、含水率、孔隙率等因素有关。

一般来说，同一种物料的内摩擦角随孔隙率的增大而呈线性减小，随含水率增加而增大。

休止角和内摩擦角的联系与区别：
休止角和内摩擦角都反映了散粒物料的内摩擦特性，但两者概念不同。

内摩擦角反映散粒物料层间的摩擦特性，休止角则表示单粒物料在物料堆上的滚落能力，是内摩擦特性的外观表现。

在数值上，对质量和含水率近似的同类物料，休止角始终大于内摩擦角，且都大于滑动摩擦角。

对于缺乏粘聚力的散粒物料如砂子等，其休止角等于内摩擦角。

第二节流动特性
一、散粒物料在料仓和料斗内的重力流动形式
料仓和料斗是处理散粒物料的主要装备。

料仓应能容纳一定体积的物料并以规定的速率在所要求的时间内排料。

料仓设计不合理将会导致流动中断、扰动流并形成死区和离析等问题。

散粒物料在料仓和料斗内的流动情况不但受物料本身的物理特性，如粒度、密度、摩擦特性、粘聚性的影响，而且和料斗的尺寸、锥顶角等有关。

物料流动过程十分复杂，基本上有两种形式，即整体流和漏斗流。

整体流：若散粒物料在料仓或流斗内能象液体那样在不同高度上同时均匀全部地向
下流动，则称为整体流。

整体流动时无论中心部分还是靠料斗壁处的物料都充分流动，先装进的物料先流出来，使物料迅速排空而无死区存在。

漏斗流：如果散粒物料在料仓和料斗的中心部分产生漏斗状的局部流动，而周围其它区域的物料停滞不动，则称为中心流或漏斗流。

漏斗流流动时，先装进去的物料后流出来，漏斗状通道周围的静止物料形成死区，减少了料仓的有效空间。

在狭窄的漏斗状通道中流动不稳定，速度不均匀，容易在料斗内“结拱”，引起流动中断。

料斗锥顶半角一般在15-20°较为合适。

结拱是由于物料粒子之间及粒子和容器之间的摩擦、粘聚和粘附作用而产生的。

散粒物料的粒径愈小、粒子形状愈复杂、重度愈小、
内摩擦角和含水率愈大，则落粒拱现象愈严重。

料斗排料口愈小、锥顶角愈大、表面愈粗糙，则愈容
易造成结拱。

结拱现象非常复杂，目前还不能从根本上解决，只能
采取措施减少落粒拱现象。

防止结拱的办法有以下几种：
（1）加大排料口尺寸；
（2）减小料斗锥顶角；
（3）尽量使料斗光滑，减小摩接力;
（4）将料斗作成非对称形或在料斗内加纵向隔板，破坏物
料受力后形成的稳定静止层；
（5）在排料口上方加锥体结构，以减小排料口承受的物料
压力；
（6）在料斗中悬吊链条或安装振动器。

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