第五章 散粒物料的力學(xué)特性 (1)

1、1第五章 散粒物料的力學(xué)特性 2第五章 散粒物料的力學(xué)特性 基本定義基本定義:散粒物料是由許多松散、分離、形狀尺散粒物料是由許多松散、分離、形狀尺寸差不多的顆粒所組成的群體，又稱散粒體。寸差不多的顆粒所組成的群體，又稱散粒體。學(xué)習(xí)散里粒物料力學(xué)特性的意義學(xué)習(xí)散里粒物料力學(xué)特性的意義： 為了合理地設(shè)計(jì)各種農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)為了合理地設(shè)計(jì)各種農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械、谷倉及其它貯存設(shè)備，必須了解散粒物料的力械、谷倉及其它貯存設(shè)備，必須了解散粒物料的力學(xué)特性。它主要包括摩擦特性、流動(dòng)特性以及物料學(xué)特性。它主要包括摩擦特性、流動(dòng)特性以及物料對容器的壓力等。對容器的壓力等。3 第一節(jié)第一節(jié) 摩擦特性

2、摩擦特性 第二節(jié)第二節(jié) 流動(dòng)特性流動(dòng)特性 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：4基本概念基本概念：當(dāng)散粒物料之間以及物料和所接觸的固體表當(dāng)散粒物料之間以及物料和所接觸的固體表面間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)，均存在有阻礙運(yùn)動(dòng)面間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)，均存在有阻礙運(yùn)動(dòng)的力，把這一阻礙運(yùn)動(dòng)的力稱作摩擦力。的力，把這一阻礙運(yùn)動(dòng)的力稱作摩擦力。 物料在克服其與接觸表面的摩擦力之前，不可能產(chǎn)生物料在克服其與接觸表面的摩擦力之前，不可能產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。而一旦開始運(yùn)動(dòng)，摩擦力會(huì)相應(yīng)減小。作用相對運(yùn)動(dòng)。而一旦開始運(yùn)動(dòng)，摩擦力會(huì)相應(yīng)減小。作用在相對靜止表面間的摩擦力為靜摩擦力，作用在相對運(yùn)在相對靜止表面間的摩擦力為靜摩擦力，

3、作用在相對運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦力為動(dòng)摩擦力。動(dòng)摩擦力小于最大靜摩動(dòng)表面間的摩擦力為動(dòng)摩擦力。動(dòng)摩擦力小于最大靜摩擦力。擦力。庫侖定律：庫侖定律： 庫侖定律認(rèn)為摩擦力與接觸面積、滑動(dòng)速度無關(guān)，庫侖定律認(rèn)為摩擦力與接觸面積、滑動(dòng)速度無關(guān)，其大小取決于物料的性質(zhì)。其大小取決于物料的性質(zhì)。第一節(jié)第一節(jié) 摩擦特性摩擦特性NFf 5現(xiàn)代摩擦理論認(rèn)為：現(xiàn)代摩擦理論認(rèn)為：摩擦力是作用在一個(gè)平面內(nèi)的力。在這摩擦力是作用在一個(gè)平面內(nèi)的力。在這個(gè)平面內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)接觸點(diǎn)，同時(shí)還會(huì)有若干復(fù)雜的凸凹個(gè)平面內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)接觸點(diǎn)，同時(shí)還會(huì)有若干復(fù)雜的凸凹嚙合。真實(shí)接觸面積很小，故實(shí)際接觸壓力極大。因此，物嚙合。真實(shí)接觸面積很小

4、，故實(shí)際接觸壓力極大。因此，物料在接觸處會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)或粘合作用。料在接觸處會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)或粘合作用。 摩擦力與實(shí)際接觸面積成正比，并與所接觸物料的特性有摩擦力與實(shí)際接觸面積成正比，并與所接觸物料的特性有關(guān)。它由兩部分組成，一部分是剪切接觸表面凸凹不平所需關(guān)。它由兩部分組成，一部分是剪切接觸表面凸凹不平所需的剪切力，另一部分是克服接觸表面之間的粘附和粘聚所需的剪切力，另一部分是克服接觸表面之間的粘附和粘聚所需的力。的力。散粒物料的摩擦特性可用滑動(dòng)摩擦角、滾動(dòng)穩(wěn)定角、休止角散粒物料的摩擦特性可用滑動(dòng)摩擦角、滾動(dòng)穩(wěn)定角、休止角和內(nèi)摩擦角來表述。滑動(dòng)摩擦角、滾動(dòng)穩(wěn)定角是反映物料與和內(nèi)摩擦角來表述?；?/p>

5、動(dòng)摩擦角、滾動(dòng)穩(wěn)定角是反映物料與接觸固體表面間的摩擦性質(zhì)，而休止角與內(nèi)摩擦角則反映物接觸固體表面間的摩擦性質(zhì)，而休止角與內(nèi)摩擦角則反映物料間的內(nèi)在摩擦性質(zhì)。料間的內(nèi)在摩擦性質(zhì)。6二、滑動(dòng)摩擦角二、滑動(dòng)摩擦角基本概念基本概念: 滑動(dòng)摩擦角滑動(dòng)摩擦角表示散粒物料與接觸固體相對滑表示散粒物料與接觸固體相對滑動(dòng)時(shí)動(dòng)時(shí), ,散粒物料與接觸面間的摩擦特性散粒物料與接觸面間的摩擦特性, ,其正切值為滑動(dòng)其正切值為滑動(dòng)摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)。 滑動(dòng)摩擦角和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的測定方法常有兩種滑動(dòng)摩擦角和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的測定方法常有兩種:7二、滑動(dòng)摩擦角二、滑動(dòng)摩擦角用于測定單根纖維，如羊毛、用于測定單根纖維，如羊毛、棉花等

6、物料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。棉花等物料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。把單根纖維繞在包有摩擦表面把單根纖維繞在包有摩擦表面的旋轉(zhuǎn)圓筒的旋轉(zhuǎn)圓筒B上，包角為上，包角為。由。由給定力給定力F1和圓筒轉(zhuǎn)速測定和圓筒轉(zhuǎn)速測定F2 。用下式算出滑動(dòng)摩擦系數(shù)：用下式算出滑動(dòng)摩擦系數(shù)：8二、滑動(dòng)摩擦角二、滑動(dòng)摩擦角 滑動(dòng)摩擦系數(shù)與正壓力無關(guān)，受滑動(dòng)速度影響也很小，滑動(dòng)摩擦系數(shù)與正壓力無關(guān)，受滑動(dòng)速度影響也很小，但物料含水量對其影響較大。但物料含水量對其影響較大。9二、滑動(dòng)摩擦角二、滑動(dòng)摩擦角10 三三 滾動(dòng)穩(wěn)定角滾動(dòng)穩(wěn)定角基本概念基本概念:滾動(dòng)穩(wěn)定角滾動(dòng)穩(wěn)定角 s ,反映單粒柱狀、球形或類似球形物反映單粒柱狀、球形或類似球形物料與

7、所接觸表面的滾動(dòng)摩擦待性。料與所接觸表面的滾動(dòng)摩擦待性。它是物料輸送機(jī)械、清選機(jī)械等重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。它是物料輸送機(jī)械、清選機(jī)械等重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。滾動(dòng)阻力系數(shù)與接觸表面的剛性有關(guān)，表面愈硬，滾動(dòng)阻力系數(shù)愈小。11三三 滾動(dòng)穩(wěn)定角滾動(dòng)穩(wěn)定角基本概念基本概念:物料在斜面上開始下滾時(shí)的斜面傾角為滾動(dòng)的物料在斜面上開始下滾時(shí)的斜面傾角為滾動(dòng)的靜態(tài)穩(wěn)定角；物料在斜面上勻速下滾時(shí)的斜面傾角為滾靜態(tài)穩(wěn)定角；物料在斜面上勻速下滾時(shí)的斜面傾角為滾動(dòng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定角。動(dòng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定角。滾動(dòng)穩(wěn)定角和物料形狀、尺寸、質(zhì)量以及接觸表面性質(zhì)滾動(dòng)穩(wěn)定角和物料形狀、尺寸、質(zhì)量以及接觸表面性質(zhì)有關(guān)。下表為蘋果和西紅柿在各種表面上的

8、滑動(dòng)摩擦系有關(guān)。下表為蘋果和西紅柿在各種表面上的滑動(dòng)摩擦系數(shù)和滾動(dòng)穩(wěn)定角。數(shù)和滾動(dòng)穩(wěn)定角。12 四、休止角四、休止角基本概念基本概念:休止角指散粒物料從一定高度自然連續(xù)地下落到平休止角指散粒物料從一定高度自然連續(xù)地下落到平面上時(shí)，所堆積成的圓錐體母線與底平面的夾角，用面上時(shí)，所堆積成的圓錐體母線與底平面的夾角，用r表示。表示。 它反映了散粒物料的內(nèi)摩擦持性和散落性能。當(dāng)位于圓錐它反映了散粒物料的內(nèi)摩擦持性和散落性能。當(dāng)位于圓錐體斜面上的物料，它的重力沿斜面分力等于或小于物料間的體斜面上的物料，它的重力沿斜面分力等于或小于物料間的內(nèi)摩擦力時(shí)，則物料粒子在斜面上靜止不動(dòng)。因此，休止角內(nèi)摩擦力時(shí)，則

9、物料粒子在斜面上靜止不動(dòng)。因此，休止角愈大的物料，內(nèi)摩擦力愈大，散落性愈小。下表列舉了主要愈大的物料，內(nèi)摩擦力愈大，散落性愈小。下表列舉了主要作物種子和谷粒的休止角。作物種子和谷粒的休止角。13四、休止角四、休止角14四、休止角四、休止角 散粒物料的休止角與其形狀、尺寸、含水率等有關(guān)。對于散粒物料的休止角與其形狀、尺寸、含水率等有關(guān)。對于同一種物料，粒徑愈小休止角愈大。這是由于細(xì)小的粒子之同一種物料，粒徑愈小休止角愈大。這是由于細(xì)小的粒子之間相互粘附性較大的緣故。粒子愈接近于球形，其休止角愈間相互粘附性較大的緣故。粒子愈接近于球形，其休止角愈小。小。 物料的休止角隨含水率增加而增大，這是因?yàn)槊?/p>

10、個(gè)粒子被物料的休止角隨含水率增加而增大，這是因?yàn)槊總€(gè)粒子被潮濕的表層包圍，使其內(nèi)摩擦力和粒子間吸附作用增加。表潮濕的表層包圍，使其內(nèi)摩擦力和粒子間吸附作用增加。表為幾種物料的休止角隨含水率的變化。為幾種物料的休止角隨含水率的變化。15 五、內(nèi)摩擦角五、內(nèi)摩擦角基本概念基本概念:內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角i是反映散粒物料間摩擦特性和抗剪強(qiáng)度，是反映散粒物料間摩擦特性和抗剪強(qiáng)度，它是確定貯料倉倉壁壓力以及設(shè)計(jì)重力流動(dòng)的料倉和料斗的它是確定貯料倉倉壁壓力以及設(shè)計(jì)重力流動(dòng)的料倉和料斗的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。重要設(shè)計(jì)參數(shù)。 如果把散粒物料看成一個(gè)整體，在其內(nèi)部任意處取出一如果把散粒物料看成一個(gè)整體，在其內(nèi)部任意處取出一單

11、元體，此單元體單位面積上的法向壓力可看作該面上的單元體，此單元體單位面積上的法向壓力可看作該面上的壓應(yīng)力，單位面積上的剪切力可看作該面上的剪應(yīng)力。壓應(yīng)力，單位面積上的剪切力可看作該面上的剪應(yīng)力。 物料沿剪切力方向發(fā)生滑動(dòng)，可以認(rèn)為整體在該處發(fā)生流物料沿剪切力方向發(fā)生滑動(dòng)，可以認(rèn)為整體在該處發(fā)生流動(dòng)或屈服。即散粒物料的流動(dòng)可以看成與固體剪切流動(dòng)破壞動(dòng)或屈服。即散粒物料的流動(dòng)可以看成與固體剪切流動(dòng)破壞現(xiàn)象相類似。這樣，就可以應(yīng)用莫爾強(qiáng)度理論來研究散粒物現(xiàn)象相類似。這樣，就可以應(yīng)用莫爾強(qiáng)度理論來研究散粒物料的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而得出確定內(nèi)摩擦角的理論和方法。料的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而得出確定內(nèi)摩擦角的理論和方法。

12、16五、內(nèi)摩擦角五、內(nèi)摩擦角 農(nóng)業(yè)物料的內(nèi)摩擦角是農(nóng)業(yè)物料的內(nèi)摩擦角是與其粒徑、表面狀態(tài)、含與其粒徑、表面狀態(tài)、含水率、孔隙率等因素有關(guān)。水率、孔隙率等因素有關(guān)。一般來說，同一種物料的一般來說，同一種物料的內(nèi)摩擦角隨孔隙率的增大內(nèi)摩擦角隨孔隙率的增大而呈線性減小，隨含水率而呈線性減小，隨含水率增加而增大。增加而增大。17五、內(nèi)摩擦角五、內(nèi)摩擦角 休止角和內(nèi)摩擦角都反映了散粒物料的內(nèi)摩擦特性，但休止角和內(nèi)摩擦角都反映了散粒物料的內(nèi)摩擦特性，但兩者概念不同。內(nèi)摩擦角反映散粒物料層間的摩擦特性，兩者概念不同。內(nèi)摩擦角反映散粒物料層間的摩擦特性，休止角則表示單粒物料在物料堆上的滾落能力，是內(nèi)摩擦休止角

13、則表示單粒物料在物料堆上的滾落能力，是內(nèi)摩擦特性的外觀表現(xiàn)。在數(shù)值上，對質(zhì)量和含水率近似的同類特性的外觀表現(xiàn)。在數(shù)值上，對質(zhì)量和含水率近似的同類物料，休止角始終大于內(nèi)摩擦角，且都大于滑動(dòng)摩擦角。物料，休止角始終大于內(nèi)摩擦角，且都大于滑動(dòng)摩擦角。對于缺乏粘聚力的散粒物料如砂子等，其休止角等于內(nèi)摩對于缺乏粘聚力的散粒物料如砂子等，其休止角等于內(nèi)摩擦角。擦角。休止角和內(nèi)摩擦角的聯(lián)系與區(qū)別：休止角和內(nèi)摩擦角的聯(lián)系與區(qū)別：18 第二節(jié)第二節(jié) 流動(dòng)特性流動(dòng)特性一、散粒物料在料倉和料斗內(nèi)的重力流動(dòng)形式一、散粒物料在料倉和料斗內(nèi)的重力流動(dòng)形式 料倉和料斗是處理散粒物料的主要裝備。料倉應(yīng)能容料倉和料斗是處理散粒

14、物料的主要裝備。料倉應(yīng)能容納一定體積的物料并以規(guī)定的速率在所要求的時(shí)間內(nèi)排納一定體積的物料并以規(guī)定的速率在所要求的時(shí)間內(nèi)排料。料倉設(shè)計(jì)不合理將會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)中斷、擾動(dòng)流并形成料。料倉設(shè)計(jì)不合理將會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)中斷、擾動(dòng)流并形成死區(qū)和離析等問題。死區(qū)和離析等問題。 散粒物料在料倉和料斗內(nèi)的流動(dòng)情況不但受物料本身散粒物料在料倉和料斗內(nèi)的流動(dòng)情況不但受物料本身的物理特性，如粒度、密度、摩擦特性、粘聚性的影響，的物理特性，如粒度、密度、摩擦特性、粘聚性的影響，而且和料斗的尺寸、錐頂角等有關(guān)。物料流動(dòng)過程十分復(fù)而且和料斗的尺寸、錐頂角等有關(guān)。物料流動(dòng)過程十分復(fù)雜，基本上有兩種形式，即整體流和漏斗流。雜，基本上有

15、兩種形式，即整體流和漏斗流。19整體流：整體流：若散粒物料在料倉或流斗內(nèi)能象若散粒物料在料倉或流斗內(nèi)能象液體那樣在不同高度上同時(shí)均勻全部地向液體那樣在不同高度上同時(shí)均勻全部地向下流動(dòng)，則稱為整體流。整體流動(dòng)時(shí)無論下流動(dòng)，則稱為整體流。整體流動(dòng)時(shí)無論中心部分還是靠料斗壁處的物料都充分流中心部分還是靠料斗壁處的物料都充分流動(dòng)，先裝進(jìn)的物料先流出來，使物料迅速動(dòng)，先裝進(jìn)的物料先流出來，使物料迅速排空而無死區(qū)存在。排空而無死區(qū)存在。漏斗流：漏斗流：如果散粒物料在料倉和料斗的中如果散粒物料在料倉和料斗的中心部分產(chǎn)生漏斗狀的局部流動(dòng)，而周圍其心部分產(chǎn)生漏斗狀的局部流動(dòng)，而周圍其它區(qū)域的物料停滯不動(dòng)，則稱為

16、中心流或它區(qū)域的物料停滯不動(dòng)，則稱為中心流或漏斗流。漏斗流流動(dòng)時(shí)，先裝進(jìn)去的物料漏斗流。漏斗流流動(dòng)時(shí)，先裝進(jìn)去的物料后流出來，漏斗狀通道周圍的靜止物料形后流出來，漏斗狀通道周圍的靜止物料形成死區(qū)，減少了料倉的有效空間。在狹窄成死區(qū)，減少了料倉的有效空間。在狹窄的漏斗狀通道中流動(dòng)不穩(wěn)定，速度不均勻，的漏斗狀通道中流動(dòng)不穩(wěn)定，速度不均勻，容易在料斗內(nèi)容易在料斗內(nèi)“結(jié)拱結(jié)拱”，引起流動(dòng)中斷。，引起流動(dòng)中斷。20 料斗錐頂半角一般在料斗錐頂半角一般在15-20較為合適。較為合適。21 結(jié)拱是由于物料粒子之間及粒子和容器之間的摩擦、結(jié)拱是由于物料粒子之間及粒子和容器之間的摩擦、粘聚和粘附作用而產(chǎn)生的。粘聚和粘附作用而產(chǎn)生的。 散粒物料的粒徑愈小、粒子形狀愈復(fù)雜、重度愈小、散粒物料的粒徑愈小、粒子形狀愈復(fù)雜、重度愈小、內(nèi)摩擦角和含水率愈大，則落粒拱現(xiàn)象愈嚴(yán)重。內(nèi)摩擦角和含水率愈大，則落粒拱現(xiàn)象愈嚴(yán)重。 料斗排料口愈小、錐頂角愈大、表面愈粗糙，則愈容料斗排料口愈小、錐頂角愈大、表面愈粗糙，則愈容易造成結(jié)拱。易造成結(jié)拱。 結(jié)拱現(xiàn)象非常復(fù)雜，目前還不能從根本上解決，只能結(jié)拱現(xiàn)象非常復(fù)雜，目前還不能從根本上解決，只能采取措施減少落粒拱現(xiàn)象。防止結(jié)拱的辦法有以下幾種：采取措施減少落粒拱現(xiàn)象。防止結(jié)拱的辦法有以下幾種：