漏斗法粮食休止角测量结果的影响因素研究

田晓红 谭 斌 刘 明 谭洪卓 刘艳香

(国家粮食局科学研究院，北京 100037)

漏斗法粮食休止角测量结果的影响因素研究

田晓红 谭 斌 刘 明 谭洪卓 刘艳香

(国家粮食局科学研究院，北京 100037)

以小麦、稻谷、大豆、玉米为试验材料，对漏斗法测定休止角装置中的漏斗孔径和角度、籽粒跌落高度、底面圆盘直径和粗糙程度、以及谷物本身的水分、杂质含量、籽粒大小等因素对休止角的影响进行讨论。研究结果:4种粮食的休止角随着跌落高度和漏斗孔径的增加而减小;随着底盘直径和粗糙程度的增加而增加;随着漏斗内角度数的增加，小麦、大豆休止角的变化趋势不明显，而稻谷、玉米的休止角呈微弱上升;4种粮食的休止角随着水分和杂质含量的不断增加而增加。小麦、玉米、大豆的休止角随着颗粒增大而减少，而稻谷的休止角是随着样品颗粒增大而增大。

休止角 粮食 影响因素

自然休止角，也称静止角，是指物料由高点自然散落到平面上所形成的圆锥体的斜面与底边之间的角。测定休止角的方法有两种:注入法及排出法。目前应用比较广泛的是注入法，其中漏斗法使用最多，BS EN 12047—1997，ISO 8398—1989，GB 11986—1989，GB/T 16913.5—1997 等标准中，分别规定了测定固体肥料、表面活性剂粉体和颗粒的休止角测量方法，采用的是样品在确定尺寸的漏斗和确定高度下流动，得到的圆锥体的基角［1－4］。蔡铮等［5］对中药颗粒进行休止角的测定，J.Fraczek 等［6］进行谷物休止角的测量，均采用了漏斗法的休止角测量方法。目前，国内外讨论比较多的是采用的测量方法，探讨漏斗法本身对休止角结果的影响较少，本文在前人研究成果的基础上，选取具有代表性的粮食种子颗粒小麦、稻谷、玉米和大豆为研究对象，采用漏斗法进行谷物休止角的测定，着重探讨仪器本身参数设置和粮食本身特性对休止角结果的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2007年收获的小麦、玉米、大豆、稻谷4个样品，含水量12%～13%。

1.2 试验设备

参考 J.Fraczek［6］所采用的方法，自制一台如图1所示的休止角测定仪，其中支架上标有刻度且可以上下移动，以便控制谷物的跌落高度;在试验过程中，要保证漏斗左右两侧支架保持在同一个水平上，以便调整漏斗底部到底盘的高度。漏斗中心与底盘中心的直线垂直于底盘，保证样品下落在底盘中心。底盘、漏斗可以自由更换。

图1 休止角测量仪示意图

1.3 试验方法

为了探讨休止角测定仪中的漏斗孔径、漏斗内角、底盘直径、底盘粗糙程度对休止角结果的影响，选用9个漏斗，漏斗内角分别为60、90、120°，孔径分别为2、4、6 cm。底盘直径分别为15、20、25 cm，粗糙底面和光滑底盘各1套。漏斗口距离底盘中心的垂直距离为 10、20、30、40 cm 4 个设置。

分别向4 个样品中添加 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0%的轻质杂质混合均匀后，测定该休止角的变化，探讨杂质含量对粮食休止角结果的影响。调节水分含量在20%左右，混合均匀后密封在自封袋中，放到4℃的冷库中2周，使样品内外水分达到平衡。每隔3周取出放在室内恢复到室温后，同时进行水分含量测定和休止角测定，探讨水分含量对粮食休止角的影响。将样品过筛，留在筛上的为大粒粮食，过筛网的为小粒粮食，原样品为中粒粮食。然后分别进行休止角测定，探讨样品颗粒大小对休止角的影响。

2 结果与分析

2.1 影响休止角的仪器因素

根据1.3试验方法中所描述的测定方法，在跌落高度、漏斗孔径和内角、底盘直径和粗糙程度不同的情况下，对粮食休止角进行了测定。结果见表1～表4。

2.1.1 漏斗孔径大小对小麦休止角的影响

从表1～表4可知，漏斗孔径在2 cm时，小麦能顺利通过漏斗，而稻谷、玉米、大豆均不能流畅的通过漏斗，无法进行休止角的测定，4、6 cm时，所测样品均能进行休止角测定，且随着漏斗孔径的增加，休止角呈直线减小。这是因为，随着孔径的增加，同一时间下落的样品量增大，样品跌落在锥形体的顶部，导致锥体高度降低，休止角变小。因此，在进行休止角测量时，应选能流畅通过样品，且孔径小的漏斗进行测量。

表1 小麦休止角

2.1.2 漏斗内角对小麦休止角的影响

从表1～表4可知，随着漏斗内角的增加，稻谷休止角度数有轻微的增加，小麦、玉米、大豆休止角度数变化是有影响的，但趋势不明显，其他条件不同，影响也不同。从这个角度看，内角大小对休止角有影响，但并不是主要影响因素。2.1.3 跌落高度对休止角的影响

从表1～表4可知，在10～40 cm这个范围内，随着跌落高度的增加，休止角总体上是呈现递减趋势，所得到的休止角数据越来越少。当跌落高度增加到30 cm时，得到的小麦、玉米、大豆休止角数量锐减，当跌落高度增加到40 cm时，基本得不到玉米、大豆的休止角，这是因为当跌落高度增加，粮食跌落到底盘时，弹力过大，都落到底盘以外，得不到粮堆，也就测不到休止角。因此，在进行休止角测定时，应根据样品和底盘的弹性，选择合适的跌落高度，然后再进行测定。

表2 稻谷休止角

表3 玉米休止角

表4 大豆休止角

2.1.4 底盘直径对休止角的影响

从表1～表4可知，随着底盘直径的增加，休止角的度数和数量均呈增加趋势。小麦和稻谷休止角度数呈近直线增加趋势;在底盘直径为15 cm时，玉米不能形成粮堆，大豆能够得到休止角的条件也不多;在底盘直径在20～25 cm时，玉米能够形成休止角的条件也不多，大豆相对小麦和稻谷也比较少。在进行粮食休止角测定时，应选择底盘直径比较大的底盘来进行测定，但具体能大到什么程度比较合适，受试验设计所限，没有得到相应的数据。

2.1.5 底盘的粗糙程度对休止角的影响

从表1～表4中可知，粗糙底盘得到的休止角数量远远多于光滑底盘，其他条件相同的情况下，粗糙底盘得到的休止角度数大于光滑底盘得到的休止角度数，说明粗糙底盘易于形成粮堆，粮堆的高度也大于同等条件的光滑底盘的粮堆高度，粮堆的锥体也更近似于理想锥体。

2.1.6 测试条件确定

根据以上分析，确定了本研究条件下小麦、稻谷、玉米、大豆的仪器测试条件，列于表5中。

由表5可见，4种粮食在进行休止角测试中，均适宜于采用跌落高度10 cm，底盘直径25 cm，粗糙底盘，小麦适宜于采用孔径为2 cm，内角为60、90、120°的漏斗。稻谷适宜于采用孔径为4 cm，内角为120°的漏斗;玉米和大豆适宜于采用孔径为4 cm，内角为90、120 °的漏斗。

表5 小麦、稻谷、玉米、大豆的测试条件

2.2 影响粮食休止角的粮粒因素

2.2.1 杂质含量对主要粮种休止角的影响

图2 杂质含量对粮食休止角的影响

从图2中可以看出，随着杂质含量的增加，大豆、小麦、稻谷的休止角都呈缓慢上升的趋势。这是因为，所加入的轻质杂质增大了粮食之间的外摩擦力，促进粮食形成圆锥型粮堆，使形成的休止角变大。加入的杂质越多，形成的休止角就越大。而玉米在含杂质0.5%时，休止角急速下降，然后随着杂质含量的增加，休止角在不断增大。具体原因不详。在杂质含量大于0.5%时，4种粮食的休止角均呈近直线增加。

2.2.2 水分含量对主要粮种休止角的影响

从图3中可以看出，随着水分含量的增加，稻谷、小麦、玉米的休止角逐步变大，这是因为，水分含量增加，粮粒之间的黏滞性增强，摩擦力增大，休止角也增大，流散性降低。这个结果与Gikuru Mwithiga等［7］，M.N.Amin 等［8］在研究其他粮食时，其休止角随水分含量增加而变大的结论相符。

2.2.3 颗粒大小对主要粮种休止角的影响

从图4中可以看出，小麦、玉米、大豆的休止角随着样品颗粒变小而增大，这一结果与Y.C.Zhou［9］模型中所得到的结论相同。而稻谷的休止角是随着样品颗粒变小而变小。不同样品所得到的结果不同，是因为稻谷表面的粗糙程度远高于小麦、玉米和大豆。颗粒大小对休止角的影响结果与模型和粮食种类有关。

3 讨论与结论

通过以上分析，随着跌落高度的增加，小麦、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步减小;随着底盘直径的增加，小麦、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步增加;随着漏斗内角度数的增加，小麦、大豆休止角的变化趋势不明显，而稻谷、玉米的休止角呈微弱上升;随着漏斗孔径的增加，小麦、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步减小;随着底盘粗糙程度的增加，小麦、玉米、大豆、稻谷的休止角逐步增加。

在以上4种粮食中，稻谷最易于形成粮堆，对条件要求不严格，形成的休止角也最大，其次是小麦，大豆和玉米最难于形成粮堆，对条件要求严格，休止角比较小。

随着杂质含量的不断增加，小麦、大豆、稻谷的休止角也在逐步变大，玉米休止角先下降，然后再上升。具体原因有待进一步研究。随着水分含量的增加，稻谷、小麦、玉米、大豆的休止角逐步升高。小麦、玉米、大豆的休止角随着样品颗粒变小而增大，其中小麦和大豆是近直线增大;而稻谷的休止角随着样品颗粒的变小而呈近直线的减小。

［1］BS EN 12047:1997 Solid fertilizers－measurement of static angle of repose［S］

［2］SO 8398:1989 Solid fertilizers－measurement of static angle of repose［S］

［3］GB 11986—1989表面活性剂，粉体和颗粒休止角的测量［S］

［4］GB/T 16913.5—1997粉尘物性试验方法，第5部分:安息角的测定，注入限定地面法［S］

［5］蔡铮，马云淑，林亚明，等.小中风胶囊制剂工艺研究［J］.时珍国医国药，2003，14(6):343 －344

［6］J Farczek，A Zlobecki，J Zemanek.Assessment of angle of repose of granular plant material using computer image analysis［J］.Journal of food engineering，2007，83:17 －22

［7］Gikuru Mwithiga，Mark Masika Sifuna.Effect of moisture content on the physical properties of three varieties of sorghum seeds［J］.Journal of food engineering，2006，75:480 －486

［8］M.N.Amin，M.A.Hossain，K.C.Roy.Effects of moisture on some physical properties of lentil seeds［J］.Journal of food engineering，2004，65:83 －87

［9］Y C Zhou，B H Xu，A B Yu，et al.An experimental and numerical study of the angle of repose of coarse spheres［J］.Powder Technology，2002，125:45 －54.

Study on Influence Factors of Grain Angle of Repose by Funnel Method

Tian Xiaohong Tan Bin Liu Ming Tan Hongzhuo Liu Yanxiang
(Academy of State Administration of Grain，Beijing 100037)

Wheat，paddy，corn and soybean were chosen in this study.The aim of this study was to discuss influence factors of angle of repose.The devices were evaluated for aperture and angle of funnel，height of descent，diameter and roughness of disk.Then moisture and impurity and size of grain were evaluated.It was found that:Angle of repose of wheat，paddy，corn and soybean decreased with increased angle of funnel and height of descent，but increased with increased diameter and roughness of disk.It was unapparent for change trend of the angle of repose of wheat and soybean with increased internal angle of funnel.Angle of repose of paddy and corn slightly increased with increased internal angle of funnel.Angle of repose of wheat，paddy，corn，soybean increased with increased moisture and impurity.Angle of repose of wheat，corn，soybean decreased and paddy increased with increased size.

grain，angle of repose，influence factors

TS210.2

A

1003－0174(2011)10－0108－06

国家科技支撑计划(2009BADA0B00－4)

2010－11－02

田晓红，女，1978年出生，助理研究员，粮食加工品质和粮食基础参数