2.3　马铃薯摩擦特性测定

农业物料学中用滑动摩擦角、自然休止角和内摩擦角来描述散粒物料的摩擦特性。滑动摩擦角反映物料与固体表面间的摩擦性质，自然休止角反映单粒物料在物料堆上的滚落能力，而内摩擦角则反映散粒物料间的摩擦特性。

2.3.1　马铃薯静摩擦系数测定

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比，它与表面粗糙度有关，而与接触面积的大小无关。静摩擦系数是最大静摩擦力与法向压力的比值，马铃薯种薯的静摩擦系数包括种薯与不同材料表面的摩擦系数和种薯间的摩擦系数，通常用滑动摩擦角的正切值来表示。农业物料的含水率对静摩擦系数的影响较大，而正压力及滑动速度对其影响不大。

目前，测定物料与接触面间的滑动摩擦角最常用的工具是倾斜试验装置，运用斜面力学原理进行马铃薯种薯静摩擦系数的测定。采用自制的倾斜试验装置测试马铃薯种薯与有机玻璃、聚氯乙烯、冷轧钢板、同品种种薯间的静摩擦系数。倾斜试验装置如图2-5所示，包括机架、角度调节机构和工作平面[72]。

试验时，将马铃薯种薯放在倾斜试验装置上，与工作平面贴紧，通过角度调节机构逐渐加大倾斜试验装置的角度。当种薯刚刚开始从斜面滑下时，停止调节斜面倾角，这时的斜面倾角即为滑动摩擦角。测量工作平面的末端与基准水平面间的垂直高度h和工作平面的末端与点A之间的距离l（工作平面的长度），通过几何关系即可计算得出滑动摩擦角，马铃薯种薯与接触平面间的静摩擦系数fs即为的正切值。每个品种的种薯重复测定5次，试验数据取平均值作为种薯与各材料间的静摩擦系数，其计算公式为

式中，为滑动摩擦角，单位为º；h为工作平面的末端与基准水平面间的垂直高度，单位为mm；l为工作平面的长度，单位为mm。

马铃薯种薯的静摩擦系数测定结果如表2-5所示。

2.3.2　马铃薯内摩擦角测定

内摩擦角是反映散粒物料间摩擦特性和抗剪强度的物理量，是设计重力流动的料仓和料斗的重要参数。在散粒物料内部的任意处取出一单元体，该单元体单位面积上的法向压力为正应力，单位面积上的剪切力为切应力。当整体在某方向上发生塑性屈服，即物料沿剪切力方向发生滑动时，把散粒物料的流动视为类似于固体剪切塑性屈服破坏的现象，因此散粒物料的抗剪强度可用莫尔强度理论来研究，最终获得确定内摩擦角的理论和方法。

内摩擦角与物料的粒径、表面状态、含水率、孔隙率有很大关系。一般来说，同一物料的内摩擦角随含水率的增大而增大，随孔隙率的增大而减小。

采用等应变直剪仪（型号ZJ—2，试件面积30cm2，高2cm，杠杆比1:12，南京东迈科技仪器有限公司）进行马铃薯内摩擦角的测定，如图2-6所示。

试验时，将具有一定含水率及尺寸均匀的马铃薯种薯放入剪切环内，对其进行预压实作业，其目的是保证马铃薯受力均匀且基本在同一应力状态下进行试验，预压实载荷为N0。预压实后，将剪切环顶面以上的过量种薯刮去。在垂直载荷N（小于预压实载荷）的作用下，对试样进行剪切作业，测得剪切力为S。对其他试样重复以上作业，每次施加的不同垂直载荷N都需小于预压实载荷，试验测得的N和S分别除以等应变直剪仪的面积，即为破坏平面的正应力和剪切力，根据式（2-8）的莫尔强度理论可计算得出内摩擦角。分别测定三个品种马铃薯种薯的内摩擦角，每一品种的种薯测定5次，试验结果取平均值作为该品种马铃薯种薯的内摩擦角。莫尔强度理论的计算公式为

式中，c是黏聚力，在物料中c为0。通过测定及计算可得出费乌瑞它、尤金885、东农312的内摩擦角分别为30.8º、31.9º和33.2º。

2.3.3　马铃薯自然休止角测定

自然休止角又称为堆积角，物料从漏斗底部的小孔自由落到水平面时会形成一圆锥体，圆锥面与水平面之间的夹角即为自然休止角，可用来表示物料的流动性及摩擦特性。测定自然休止角的方法有三种：注入法、排出法及倾斜法。

注入法的原理是将物料从漏斗上方慢慢加入，从漏斗底部漏出的物料在水平面上形成圆锥体，其锥底角即为自然休止角[73]。

排出法的原理如图2-7所示，将物料加入圆筒容器内，使圆筒底面保持水平，物料从容器底部的中心孔流出，待物料停止流动后，物料倾斜面与底平面的夹角即为自然休止角。

倾斜法的原理如图2-8所示，将装有1/3散粒物料的长方形容器倾斜或将圆筒形容器慢速回转，静止后物料表面与水平面的夹角就是自然休止角。

物料的形状、尺寸、含水率及堆放条件对自然休止角有很大的影响。物料形状越接近球形，自然休止角就越小；物料的含水率越大，自然休止角就越大，这是因为粒子表层潮湿，内摩擦力增大，粒子间的黏附作用增大。

采用注入法对马铃薯种薯的自然休止角进行测定，如图2-9所示。将种薯从漏斗上方慢慢加入，种薯从漏斗底部连续流动到地面形成一圆锥体，分别测量圆锥体的高、半径，自然休止角的计算公式为

分别测定xOz、yOz两个平面的自然休止角，每个品种种薯进行5次测定，试验数据取平均值作为种薯的自然休止角，测定结果如表2-6所示。

由表2-6可知，费乌瑞它、尤金885、东农312这三个品种马铃薯种薯的自然休止角分别为37.9º、35.7º和34.2º。