农业物料学最新版(1)

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莫尔包络线包络 线即表示散粒物料的 剪切强度 。 散粒体的剪切强度和内摩擦角可直接 用图解法求出。它们的数值也可用莫尔圆方程直接求出。
• 内摩擦角在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角， 在这 个角度内，块体是稳定的；大于这个角度，块体就 会产生滑动。 利用这个原理，可以分析边坡的稳定性。
函数FF落在流动因数 ff的下方,流动是稳定 的不会中断。反之会 出现结拱现象。
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。散粒物料的位径愈小、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。防止结烘的办法有以下几种： （1）加大排料口尺寸； （2）减小料斗锥顶角； （3）尽量使料斗光滑，减小摩擦力， （4）将料斗作成非对称形或在料斗内加纵向隔板，以形成 左右非对称性，可有效地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。
• σ= σ1cos2θ+σ3sin2θ • τ= （σ1-σ3）cosθsinθ •
• 式中σ1——最大主应力； • σ3——最小主应力； • θ——破坏平面和最大主应 力平面之间的夹角；
• 对同一种物料在不同的σ3 情况下作试验，可得出散粒物料发生破坏时 的一系列σ1 。 莫尔圆和莫尔包络线相切的点表示散粒物料产生破坏时 的平面方位及平面上的应力状态，它表示了散粒物料的强度条件。 莫尔包络线可用下式表示为 • τ= c+σtgυi • • • • 式中τ——散粒体抗剪强度； c——散粒体粘聚力； σ——破坏平面上的正应力； υi——内摩擦角。
• 散粒物料摩擦特性可以 • 用以下四个来表示
滑动摩擦角 滚动稳定角 休止角 内摩擦角
反映物料间接触表面 的摩擦特性 反映物料间的内在 摩擦特性
滑动摩擦角
滑动摩擦角表示散粒物料与接触固体相对滑动时，散粒物科与接触面间 的摩擦特性，其正切值为滑动摩擦系数。 滑动摩擦角和摩擦系数的测定方法通常有两种：一种是物料相对于 给定摩擦表面移动；另一种是给定摩擦表面相对于物料移动。
第三节：散粒物料对容器的压力
贮存散粒物料的设备，如谷仓、青贮塔等所承受的主要载荷 有物料对仓壁的侧压力、重直压力以及对仓底的压力。
一、浅仓和深仓的定义
深仓和浅仓
有以下几种定义方法：
1 以料仓当量直径定义：若物料深度为 h ，料仓的当量直径为 De ，则当 h ≤ De 时为浅仓， h>De 时为深仓。料仓当量直径为液 力半径的4倍。料仓液力半径为料仓横截面积和料仓周长之比。 2 以休止角定义：从仓壁和底板的交点画一条与底平面夹角等 于物料休止角的直线。当这直线和对面仓壁交点位于物料上表面的 下方则为深仓，反之则为浅仓。
第一节：摩擦特性
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，摩接力会相应减小。 作用在相对静止表面间的摩擦力为静摩擦力，作用在 相对运动表面问的摩擦力为动摩擦力。动摩擦力小于 最大静摩擦力。 经典摩擦理论——库仑定律认为，摩擦力F正比 于法向压力 N ，即
由散粒物料的剪切试验可知，每一个预压实载荷对应于 一个最大主应力σ1 和无侧限 屈服应力σc 。无侧限屈服 应力σc 是同一压实条件下最大主应力σ1 的函数，即 σc=f(σ1) 这一关系称为流动函数，用 FF 表示，即
流动函数 FF 仅和物料的特性有关，如物料的内摩 擦角、粘聚力、含水率以及压实程度等，它反映了散粒 物料的流动能力。 FF 值愈大，流动性愈好。
休止角
休止角指散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时， 所堆积成的圆锥体母线与底平面的夹角。休止角反映了散粒物料 的 内摩擦特性和散落性能。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。 休止角愈大的物料，内摩擦力愈大，散落性愈小。
• 影响休止角的因素： • (1)形状 ：粒子愈接近于球形，其休止角愈小。 • (2)尺寸 ：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没较大的缘故。 • (3)含水率 ：随含水率增加而增大等有关。这是因为每个 粒子被潮湿的表层包围，使其内摩 — 按力和粒子间粘 附 作用增加。 • (4)堆放条件 ：如果对物料进行振动，则休止角减小。物 料粒子愈接近于球形、粒径愈大，振动影响愈显著。
农业物料学
第五章 散粒物料的力学特性
组员：赖景坚 李茂青 梁志斌 林其佳
散粒物料？
散粒物料是有许多松散、分离、形状尺寸差不多的颗粒所组成 的群体，又称散粒体。农业物料中的种子、谷粒、颗粒饲料、面 粉、奶粉以及水果、蔬菜等均属于散粒物料。按其粒径大小，可 分为粗粒、细粒和粉体三类。
为了合理地设计各种农业机械，农产品加工机械、谷仓及其他 贮存设备，必须了解散粒物料的力学特性。散粒物料的力学特性 主要包括摩擦特性、流动特性以及物料对容器的压力等等。 散粒体力学研究散粒体与其它物体的相互作用，以及散粒体间 相互作用时所产生的力及位移。 下面我们将分为三部分介绍散粒物料的力学特性
滚动稳定角
滚动稳定角反映单粒柱状、球形或类似球形物料与所接触表面 的滚动摩擦特性 ．它是物料输送机械、清选 机械等的重要设计 参数之一。
物料在平面上的滚动阻力可以用滚动稳定角来衡量。
• 滚动稳定角可用图 所示的斜 面仪测定。 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 下短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。
内摩擦角 基本概念
内摩擦角是反映散粒物料间摩擦特性和抗剪 强度，他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。
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我们在其内部任意处取 出一个单元体， 根据莫尔 理论，如果散粒物料在二 向应力作用下沿着某一个 平面产生破坏，则在这个 平面内存在着一定的正应 力σ和剪应力τ的组合。破 坏平面内的正应力σ和剪 应力τ可由力平衡求出
一种能有效防止结拱的饲料料仓（专利）
• ，它有倒锥形的料仓体，在料 仓体下部的出料口上方有锥形 盖帽通过支杆固定在料仓体内 壁上，套在立杆上的套管上固 定有摆动板，立杆下侧有鳍板 垂直固定在摆动板上，锥形盖 帽的下方有外转筒套装在内转 筒的外面，内转筒通过连杆与 主轴固定在一起。这种料仓， 不仅能有效地防止普通物料的 结拱现象，而且能够有效防止 流动性差的物料的结拱或者因 贮存时间过久而引起的结拱。 避免了对料仓体的损伤。摆鳍 的板块分布在料仓靠近锥壁的 最佳破拱部位，利用物料流入 闸门时所产生的不平衡力，摆 动破拱；且由于鳍块不需机械 拨动，因此提高了其使用寿命， 降低了维修费用。
2.流变学在谷物，豆类研究中的应用
这方面的研究包括对作物茎秆及其种子（谷粒。豆 粒）的流变特性的研究。 研究作物茎秆等部分的流变特性，一般是为了优化 设计有关的收获机械，或者用于评价作物的某种性 质，以选育良种，例如研究玉米茎秆的力学性质， 使收获时的切割力最小，又如研究玉米穗的力学性 质，为玉米联合收获机的脱粒性能的改进提供必要 的数据，这方面的工作相对较少，关于种子的流变 特性的研究比较多，其目的主要是为了改进有关农 机的设计，减少种子的机械伤害。
休止角与内摩擦角的区别与联系：
• 性；
(1)休止角和内摩擦角 都反映了散粒物料的内摩擦特
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(2)休止角和内摩擦角两者概念不同。 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； • (3) 数值不同。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 。
将试验所得的各组σ1 和σc 在 σc —σ1 坐标上可绘制成 FF 曲线， 如图所示。曲线愈接近σ1 轴，其 抗剪强度愈低，而且随物料压实程 度增加，剪切强度增加缓慢，故流 动性愈好。流功函数 FF 曲线的位 置仅由物料自身的流动性所决定， 但散粒物料能否在料斗内形成整体 流动还与料斗的形状、尺寸等有关。 对于给定的物料和料斗，总是存在 一个。σ l ／σ c 的临界值。在这个 临界值时，物料被卡住，流动中止。 实际物料的σ l ／σ c 值大于这个临 界值时，物料将会在料斗中不断流 动，这一临界值称为流动因数，用 ff 表示，即 ff=(σl／σc)临界
• 一种能有效防止结拱的饲料料仓， 其特征在于，它有倒锥形的料仓 体（１３），在料仓体下部的出 料口上方有锥形盖帽（１）通过 支杆（２）固定在料仓体内壁上， 套在立杆上的套管（５）上固定 有摆动板（４），立杆下侧有鳍 板（３）垂直固定在摆动板上， 锥形盖帽的下方有外转筒（８） 套装在内转筒（６）的外面，内、 外转筒的的顶部分别有顶出料口 （１２）、侧面分别有侧出料孔 （１０），内、外转筒之间有撞 块（９），内转筒通过连杆（１ １）与主轴（７）固定在一起， 主轴通过传动机构与电动机（１ ４）的轴连接在一起。 • 优先权项：
测定的方法：
为了测定散粒物料的内摩擦角，必须首先通过试验确定这种物料的莫尔包络线。 目前，农业散粒物料的莫尔包络线可采用两种测定方法。
• • 1.三轴压缩试验 2.直接剪切试验 直接剪切试验可在图所示的剪切仪上进行。剪切仪由剪切槽、加裁装置和记录仪三 个基本部分组成。剪切槽包括底座、剪切环和顶盖。法向压力利用垂直作用的压 实裁荷，剪切作用力通过电或机械传动装置施加于剪切环。传动装置上装有力传 感器或测力计，用于测量作用在底座和剪切环间接触平面内的剪应力。
二、散粒物料的流动物性 散粒物料的流动特性可以通过直接剪切试验来研究。
屈服轨迹的位置取决干散粒物料 的压实程度。在剪切试验中，每 变换一个预压实载荷 N0 ，可以 得到一条不同的屈服轨迹，构成 屈服轨迹组。较大的压实载荷， 其屈服轨迹延伸较远。未经压实 的散粒物料，其屈眼轨迹落到坐 标原点上。将屈服轨迹各终点连 接起来，可得到一条稳定线（如 上图）。它表示在不同预压实状 态下，散粒物料的流动条件。如 果物料的某一受力情况在稳定流 动线以下，则它不会产生剪切流 动；反之，则会发生剪切流动。
3 以物料静滑动摩擦系数的压力比定义： 若物料深度为h，圆 仓直径为D，则满足下式时为深仓
1. 距物料上表y处的物料压力
在浅仓内物料的内摩擦力主要作用。 当K=σ3/σ1时，在一定范围内时， σ1 =γy 式中σ1——压力； γ——物料的重度（重度则表示单位 体积物质的重量）； y——测点距上表面的距离。
第二节：流动特性
整体流
若散粒物料在料仓或料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
中心流 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。
f=F/N
式中f——为摩擦系数，并用 fs 和 fk 分别表示静 摩擦系数和动摩擦系数。
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，同时还会有若干个复杂的凹凸啮合。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。 • 摩擦力和实际接触面积成正比，并与所接触物料特性有关。 它由两部分构成，一部分是剪切解除表面凹凸不平所需的 剪切力，另一部分是克服接触表面之间的粘附和粘聚所需 要的力。