固体食品的基本物理特征

1、第三章第三章 颗粒食品的物理特征与流动特性颗粒食品的物理特征与流动特性 1 1 在固体筛分除杂和果蔬分类过程中，形状和物理在固体筛分除杂和果蔬分类过程中，形状和物理 尺寸起重要作用。尺寸起重要作用。 固体食品的基本物理特征，主要包括单体尺寸、综固体食品的基本物理特征，主要包括单体尺寸、综 合尺寸、外观形状、面积、体积等，这些物理特征合尺寸、外观形状、面积、体积等，这些物理特征 在食品工程中应用很广泛。在食品工程中应用很广泛。 2 2 果蔬、粮食和种子质量的差异往往可以通过密度的果蔬、粮食和种子质量的差异往往可以通过密度的 不同检测出来。液体食物的密度对于离心分离、沉降不同检测出来。液体食物的密

2、度对于离心分离、沉降 分离、流动特性以及用泵输送的能量需求来说是重要分离、流动特性以及用泵输送的能量需求来说是重要 因素。气流输送粮食和其它颗粒固体或水力输送果蔬因素。气流输送粮食和其它颗粒固体或水力输送果蔬 时，流体流速的设计与物料密度和形状均有关系。时，流体流速的设计与物料密度和形状均有关系。 3 3 为精确建立冷却和干燥过程中热量和质量传递模型，为精确建立冷却和干燥过程中热量和质量传递模型， 必须了解固体的体积和表面积，了解孔隙率对气流穿过必须了解固体的体积和表面积，了解孔隙率对气流穿过 时阻抗的影响。反过来，气流阻抗会影响对流干燥设备时阻抗的影响。反过来，气流阻抗会影响对流干燥设备 的

3、工作情况，会影响存储固体物质的降温充气系统。的工作情况，会影响存储固体物质的降温充气系统。 4 4 碾磨谷物和油籽时，为了不浪费能量而获得性质优碾磨谷物和油籽时，为了不浪费能量而获得性质优 良的产品，需要掌握粒度分布情况。食品颗粒如：奶良的产品，需要掌握粒度分布情况。食品颗粒如：奶 粉颗粒既不能太大也不能太小，太小不能防止颗粒结粉颗粒既不能太大也不能太小，太小不能防止颗粒结 块，太大不能迅速溶解。块，太大不能迅速溶解。 第一节第一节 形状与尺寸形状与尺寸 物料的形状和尺寸是不可分割的两个参数。如果要充分地物料的形状和尺寸是不可分割的两个参数。如果要充分地 描述一个物料的形状，则同时需要这两个参

4、数。描述一个物料的形状，则同时需要这两个参数。 物料的形状大多是不规则的。按其形态来说，有块体物料的形状大多是不规则的。按其形态来说，有块体( (如水如水 果、块根等果、块根等) )、粒体、粒体( (如种子和谷粒等如种子和谷粒等) )、粉体、粉体( (如面粉和饲如面粉和饲 料等料等) )以及茎叶体等。以及茎叶体等。 用食品与农产品凸起部分的尺寸来表示其大小，所用 三维尺寸分别为大直径、中径和小直径。大直径是最 大凸起区域的最长尺寸，小直径是最小凸起区域的最 短直径。中径是最大凸起区域的最小直径。 图形比较法是将物料的纵剖面和横剖面的形状图形比较法是将物料的纵剖面和横剖面的形状 绘制成图并和标准

5、图形列举的形状进行比较，以确绘制成图并和标准图形列举的形状进行比较，以确 定物料的形状。物料实际形状可用标准图形上的号定物料的形状。物料实际形状可用标准图形上的号 码或形状术语加以定义。这种方法主要适用于较大码或形状术语加以定义。这种方法主要适用于较大 的物料，如水果和蔬菜等的物料，如水果和蔬菜等 c p A A 1 圆度 面积的最小外接圆面积 pc AA 面积稳定状态下的最大投影类球体食品在自然放置 p A 1 1 圆度圆度 圆度是表示物体角棱的锐度。它表明物体在投影圆度是表示物体角棱的锐度。它表明物体在投影 面内的实际形状和圆形之间的差异程度。有多种表示方法面内的实际形状和圆形之间的差异程

6、度。有多种表示方法 nR r n i i 1 2 圆度 半径积图形上各棱角的曲率类球体食品最大投影面 i r 棱角总数n 积的最大内接圆半径类球体食品最大投影面R 体食品的最小曲率半径最大投影面积图上类球 min r 体食品的平均半径最大投影面积图上类球 p R 与物体投影面积相等的圆的半径 物体投影面积中最小锐角处的曲率半径 圆度比 RrRr/ 体的直径与类球体体积相同的球 e d 直径直径或者食品的的最大类球体的最小外接球体 c d 与实际物体体积相等的球体的直径 实际物体最小外接球直径或物体的最大直径 2 球度球度 食品的球度表示物体实际形状和球体之间的差异程度食品的球度表示物体实际形状

7、和球体之间的差异程度 cep ddS/ 3、形状系数、形状系数 设物体在三个相互垂直平设物体在三个相互垂直平 面内投影面积的算术平均值面内投影面积的算术平均值 为该物体的平均投影面积为该物体的平均投影面积 c A 3 321 AAA A c 式中分别为物体在三个垂直平式中分别为物体在三个垂直平 面内投影面积面内投影面积. V为凸状物体的体积，K K是常数，随物体的特 征尺寸而变，球体为1.21 物料的物料的K K值愈接近于值愈接近于1.211.21，则物料的形状愈接，则物料的形状愈接 近近于球体近近于球体 根据凸状物体理论得出: 3 2 KVA c 形状系数的定义为 =1.21/ K K 值越

8、大值越大,说明物料的形状越接近球体说明物料的形状越接近球体, 根据物料的根据物料的 形状系数即可判别物料的形状和球体之间差异程度形状系数即可判别物料的形状和球体之间差异程度 当物料特征尺寸变化较大或物体尺寸较小时，测定 误差将会增大。因此，这种判别物体形状的方法只 适合于形状规则的较大物料形状规则的较大物料。 4 曲率半径 果树、谷物和种子等多种农产品表面为曲面，有些为 类球体。表面曲度大小决定物质容易滚动程度。大批 量加工和存储时，弯曲表面相互接触，并与加工设备 或存储容器表面接触或者物料之间相互接触。表面曲 度越大，相互之间压力越大，接触点的应力和形变越 大，是包装和运输的基本数据。 由两

9、个固定测头和-个活动测头组成 。活动测头和千分表连在一起，它 的移动距离可由千分表读出出。两 个固定测头的距离可根据物料大小 调节。测定时，将待物料卡在两个 固定测头上，并将测定点对准中间 活动测头。 表面一点上的弯曲度用其曲率半径表示，曲率半径的测试装 置，用于测定尺寸较大的水果和蔬菜的 28 2 BD BD AC 半径 两个固定测头之间距离 固定测头和中间测头的高度差 对于较小物体如小麦等，可用以下经验公式近似确定对于较小物体如小麦等，可用以下经验公式近似确定 H LH R HR 2 4/ 2/ 22 1 1 第二节第二节 体积和表面积体积和表面积 一、体积的测量 原理：通过测定物料排出气

10、体或液体的量来确定固体体积 方法：比重瓶法、台秤称量法、气体或液体排出法等 毛玻璃塞毛玻璃塞液体溢出孔液体溢出孔 液体液体 种子种子 比重瓶比重瓶 比重瓶盖上有一个孔，盖子安装到 瓶颈上时，液体可以从孔里溢出去。 给有固态食品的瓶子装满液体，加上 盖子排出多余液体, 称重， cm m m gm f pfs ps pf W W W /g g g( 液体密度， 比重瓶的重量，同时装有液体和食品的 无液体），量装入食品的比重瓶的重 量，装满液体的比重瓶的重 gm W p 空比重瓶的重量，精确测量瓶子的重量 cm m m gm f pfs ps pf W W W /g g g( 液体密度， 比重瓶的重

11、量，同时装有液体和食品的 无液体），量装入食品的比重瓶的重 量，装满液体的比重瓶的重 瓶内装入已知密度的液体,盖上瓶 盖，多余液体从孔中溢出,擦干排 出的液体后,称重 cm m m gm f pfs ps pf W W W /g g g( 液体密度， 比重瓶的重量，同时装有液体和食品的 无液体），量装入食品的比重瓶的重 量，装满液体的比重瓶的重 将瓶内的液体倾倒完并烘干，装 入固态食品，称量. 1 比重瓶法 小型粒状固态食品（如谷物和种子）的体积测定 f pspfsppf S WWWW V 液体密度 食品排出的液体重量 gm W p 空比重瓶的重量， cm m m gm f pfs ps pf

12、 W W W /g g g( 液体密度， 比重瓶的重量，同时装有液体和食品的 无液体），量装入食品的比重瓶的重 量，装满液体的比重瓶的重 比重瓶内液体的重量，含有固态粒状食品时比重瓶内的液体的 重量。两个数量的差值时食品排出的液体的重量。 3 s cm V 固态食品体积， 2 台秤称量法 较大体积的固态食品（如果蔬的体积）的测量 w bwbws s WW V 水密度 浮力 然后将食品全部放入水中，注意：食 品不能接触烧杯底部，如果食品比水 重，用尼龙线将其悬挂；比水轻，则 用金属棒压入水下。称量水、烧杯和 食品的总重量W bws Wbw 取足以容纳食品的大烧杯,部 分装上水，用台秤称量水和 烧

13、杯的质量 重量差等于物体上作用的浮力，固态食品体积等于浮力除 以水的密度 3 气体或液体排出法 细小颗粒状和不规则形状固态食品体积的测量 1室盛颗粒状固体的2室 空 气 入 口 阀 门 1 压力计 阀 门 2 阀 门 3 空 气 出 口 由两个密封室构成 在容器2中装入待测物料。 将阀门2关闭，向容器1中充 入压缩空气。当压力表达到一定 数值时将阀门l关闭，待其平衡 后由压力表测出压力为P1 。 温度变化不大 M是容器中气体的质量，R是通用 气体常数，T是绝对温度，P是绝 对压力，Va是容器1的体积 由理想气体定律计算出来： 1室盛颗粒状固体的2室 空 气 入 口 阀 门 1 压力计 阀 门

14、2 阀 门 3 空 气 出 口 是容器内的气体的体积是容器内的绝对压力，其中， aa VnMRTPVP/ 关闭阀门关闭阀门3关闭，打开阀门关闭，打开阀门2，测出压力为，测出压力为P2。这是阀门这是阀门1 和阀门和阀门3都关闭，空气总质量加为充填容器都关闭，空气总质量加为充填容器1的质量的质量M l和和 充填容器充填容器2的物料孔隙中的质量的物料孔隙中的质量M 2之和。 213 MMM 则 221133aaa VPVPVP 代替，可以用 sa VV 22 V 是第二室内固体的体积是第二室的体积， s VV2 3 11 1 P 2 s VVV P 代替可以用室体积 11 V a V 二、表面积的测

15、量二、表面积的测量 1 对于果蔬和鸡蛋等大体积产品来说，用剥皮法 或涂膜剥皮结合法测量 果蔬的皮可以用刀削成窄条，然后将全部窄条放到纸 上，画出轮廓轨迹，按照轨迹图形计算表面积。 鸡蛋等大体积产品不易剥皮，可以涂上硅胶等物质。 涂层干燥以后成条剥下，测量膜的表面积，测量方法 同剥皮法。 2 对于小体积物质（如谷物和种子），可以采用 表面涂金属粉法测量 由一定几何形状并己知表面积的参照物和谷粒一 起涂上金属粉末，参照物的密度应接近谷物密度 。根据参照物单位表面积涂层质量的大小来计算 谷粒表面积。 3 利用几何相似性估算体积和表面积 为确定干玉米粒样品的表面积(比重为1.3)，将10g玉米粒 涂上

16、镍粉。6个尼龙圆柱体(比重1.13)选作参照物，其直径 为9.61mm，长度分别为7.40、9.60、10.10、11.3D、12.30 和16.00 mm。巳知参照物在涂层前的质量为5.46g，涂层后 质量为5.68g。谷粒在涂层前质量为10.45g，涂层后质量为 11.03g，求玉米粒样品的表面积？ 6个尼龙圆柱体的表面积之和为2883.72mm2，由于涂层所 增加的质量为尼龙圆柱体：5.68-5.460.22(g),玉米粒 11.03-10.45=0.58(g) 玉米粒的表面积为 (2883.720.58)/0.22=7602.53(mm2) 第三节第三节 密度密度 一、密度的定义 物体

17、每单位体积内所具有的质量称密度。物体的质量与 同体积的1个大气压、4的纯水的质量之比称比重。根 据体积测定方法不同，密度有不同的定义。 1、体积密度：材料在自然状态下单位体积的质量称为体积密度。 2、密度：材料在绝对密实状态下单位体积的质量称为密度。 3、堆积密度：散粒材料在规定装填条件下单位体积的质量称为 堆积密度。 注意：密实状态下的体积是指构成材料的固体物质本身的体积； 自然状态下的体积是指固体物质的体积与全部孔隙体积之和；堆 积体积是指自然状态下的体积与颗粒之间的空隙之和。 4、表观密度：材料的质量与表观体积之比。表观体积是实体积 加闭口孔隙体积，此体积即材料排开水的体积。 5、颗粒密

18、度：是指粉体质量除以包括开口细孔与封闭细孔在内 的颗粒体积Vg所求得的密度。 5、孔隙率：材料中孔隙体积与材料在自然状态下的 体积之比的百分率。 6、开口孔隙率：材料中能被水饱和（即被水所充满） 的孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。 7、闭口孔隙率：材料中闭口孔隙的体积与材料在自 然状态下的体积之比的百分率。即闭口孔隙率=孔隙 率-开口孔隙率。 8、空隙率：散粒材料在自然堆积状态下，其中的空 隙体积与散粒材料在自然状态下的体积之比的百分率。 容积密度容积密度的测定 粒状食品或农产品的容积密度检测方法是将 样品倒入已知尺寸的容器中，使其从一定高度落 下受到冲击震实。 影响容积密度的因

19、素包括：水分含量、粒密 度、粒度分布情况和颗粒形状及填料方法的影响 该方法测谷物的容积密度，称为检验重量法，是 确定谷物出售等级的评估系数。仪器的尺寸是标 准的，谷物置于金属漏斗中，漏斗底部有一个滑 片，滑片打开，谷物就会落入金属杯内，金属杯 内的容积为已知。漏斗内放置足量的谷物，使杯 子内谷物能够溢出。用一个木质刮板将谷物刮平， 谷物上表面始终与杯子上沿接触。用电子天平称 重量。 几种谷物容积密度（D）等式 谷物谷物容积密度（容积密度（kg/mkg/m3 3）谷物谷物容积密度（容积密度（kg/mkg/m3 3） 大麦大麦D=705.4-1142M+1950MD=705.4-1142M+195

20、0M2 2大豆大豆D=734.5-219M-70MD=734.5-219M-70M2 2 玉米（颗粒）玉米（颗粒）D=1086.3-2971M+4810MD=1086.3-2971M+4810M2 2高粱高粱D=829.1-643M+660MD=829.1-643M+660M2 2 燕麦燕麦D=773.0-2311M+3630MD=773.0-2311M+3630M2 2小麦小麦D=885.3-1631M+2640MD=885.3-1631M+2640M2 2 黑麦黑麦D=974.8-2052M+2850MD=974.8-2052M+2850M2 2 表中：密度为湿基水分含量（M）的函数，水分

21、含量以小数表示。等式适 用范围：湿基含水量1040。 第四节第四节 孔隙率孔隙率 粒状食品和农产品置于容器中时，颗粒之间存在空隙 孔隙率：指粒状食品之间的空隙占容器总体积 （包含孔隙的食品的整个体积）的百分比。 孔隙比：粒状食品之间的空隙体积与食品实际 体积之比为。 计算含水15.0，粒密度为1.3g/cm3玉米粒的孔隙率。 32 /9 .748)15(.4810)15(.29713 .1086mkgD %3 .42%)100( 1 /1300 9 .748 1 %100 - 3 3 3 m mkg kg m ）（ 总体积 食品体积总体积 孔隙率 用表中的等式推算玉米粒的容积密度： 1m3容器

22、内食品体积等于1m3的质量（748.9kg）除以籽 粒密度（注意：是粒密度）。玉米粒的孔隙率为： 复水性 指粉末食品重新吸附水分的能力，在食品、医药、添加剂等领域也称为 速溶性.评价复水性优劣往往采用可湿性、下沉性、可分散性和可溶性。 可湿性是复水的第一步，是颗粒表面吸附水分的能力，与颗粒大小和表 面性质有关。颗粒越小，表面积越大，表层湿润越快。颗粒表层存在疏水 性物质，可湿性越差。 下沉性是颗粒在水中的沉降能力，密度越大，颗粒越大，下沉性越好 。对于多孔和超细粉末，下沉性较差。 可分散性是单体颗粒在水的整个表面或者整个容器内的分散速度和均 匀性。颗粒结块降低可分散性，而下沉性好的粉末，可分散

23、性也好。 可溶性是粉末颗粒与水的溶解能力，与粉末食品的化学成分和物理状 态有关。上述四个评价指标相互影响，并非独立。在评价某种粉末食品的 复水性时，要综合考虑各个指标的性能。 第五节 散粒食品的力学特性 由许多松散、分离、形状尺寸差不多的颗粒 所组成的群体称散粒物料，又称散粒体。 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。 按粒径大小 粗粒、细粉和粉体三类。 了解散物料的力学特性包括摩擦特性、流动特性 以及物料对容器的压力等。 1摩擦特性 1.1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 有阻碍运动的摩擦力。物料在克

24、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。 经典摩擦理论库仑定律认为，摩擦力正 比于法向压力，即 还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。 随着现代科学技术的发展及测量手段的改进，人 们对摩擦机理的研究更为深入，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。 f=F/

25、N 摩擦力和实际接触面积成正比，并与所接 触物料的特性有关。由两部分构成，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以用壁面摩擦角、 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，而休止角和内 摩擦角则反映物料间的内在摩擦性质。 1.2 壁面摩擦角和滑动摩擦角 壁面摩擦角表示物料层与固体壁面的摩擦特性，而 滑动摩擦角(又称自流角)则表示每个粒子与壁面的 摩擦特性。正切值为摩擦系数。正切值为摩擦系数。 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

26、定摩擦表面移动， 另一种是给定摩擦表面相对于物料移动。 测定壁面摩擦角常用的简易 方法。把每边长100 mm的 木筐放在与被测 壁面同样材 料的平板上，筐内装入一定 量的散粒物料，物料上面放 上不同重量的法码，通过弹 簧秤缓慢牵引木筐。根据弹 簧秤的读数，便可算出壁面 摩擦系数。 已用于水稻、谷粒、烟叶等 物料滑动摩擦角的测定。将 物料装入无底容器内并放置 在斜面仪的斜面上，缓慢摇 动手柄使斜面倾角逐渐增大。 当物料刚开始在斜面上下滑 时，该斜面的倾角即为静滑 动摩擦角。当物料匀速下滑 时的斜面倾角为动滑动摩擦 角 斜面仪 斜面仪，它除测定壁面摩擦系数外，还能 测定滚动阻力和滑动系数。 通常将

27、物料放置在回转圆 盘或水平移动的摩擦面上, 摩擦表面均以一定速度相 对于物料运动，物料以其 自重压在相应的摩擦面上。 摩擦力可用弹簧秤、应变 片或其它力传感元件组成 的测力系统测量。这种方 法已用于谷粒、茎秆、切 碎饲料等动、滑动摩擦系 数的测定。 将散粒体装进容器2内， 物料上面压上一定的法 码3，两边通过平行的测 力元件平移物料，从而 测出摩擦阻力。用这种 装置可以测碎茎杆、断 穗、谷粒、茶叶、粉状 食品等的壁面摩擦系数。 是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a。根据给定力F1和 圆筒转速测定力F2： 一些农业物料在各种摩

28、擦表面上的滑动摩擦角,应该 指出，各种资料上列举的测定数据并不完全一致， 这主要是由于物料品种和测试条件不同而造成的。 滑动摩擦系数与正压力无关，受滑动速度的响也很 小，但物料含水量对其影响较大，摩擦表面水分的 存在增加了粘附作用，使摩擦力增加。 实验研究发现，在不平衡含水率状态下 作实验时，谷粒在各种表面上的滑动摩 擦系数会出现急剧变化。因此，在测定 滑动摩擦系数时，必须控制环境以防止 正在实验的物料和摩擦表面的含水率发 生变化。 1.3 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。它反映了散粒物料的内摩 擦特性和散落性能。当位于圆锥体

29、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。 常用测定的方法。 注入法 散粒物料由漏斗流 出落于平面上形成圆锥体，锥 底角即为休止角。 排出法 散粒物料从容器底 部排料口排出，待物料停止流 动后物料倾斜面与底平面的夹 角即为休止角。 倾斜法 将装有13散粒物料的 长方形容器倾斜或将圆 筒形容器滚动，静止后 物料表面所形成的角度 为休止角。 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

30、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粘附作用增加。 1.4 内摩擦角 内摩擦角是反映散粒物料间摩擦特性和抗 剪强度，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。 直接剪切试验 剪切仪上进行。剪 切仪由剪切槽、加 载装置和记录仪三 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

31、垂 直作用的压实载荷，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则 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。 试验时将已知含水率且尺寸分布均匀的散粒物料放入 剪切环内，并在顶盖上施加预定的压实载荷N0。进行预 压实工作。预压实的目的在于确保物料受力均匀且在近 乎同一应力状态下进行试验。预压实后，刮去剪切环顶 面以上的过量物料。在比预压实载荷较小的垂直载荷N 作用下，将试样进行剪切，并测得所需的剪切力S。在 不同载荷N作用下，对其它试样重复上述程序。每次施 加的垂直载荷均应小于预压实载荷N0,对实验测得的N和S 这两个力用剪切仪面积A去除，就得出了破坏

32、平面上的 正应力和剪团应力，把成对的相应值表示在和座 标上即可得到一条光滑曲线，也就是莫尔包络线。 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。 应当指出，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。 2 黏附性与黏聚性 黏

33、附现象在很多场合均会产生，如气力输送时粉末 黏附于管壁等。黏附是两种材料的黏合，黏聚是材 料颗粒间的自身黏合，具有黏聚性的散粒物料往往 具有黏附性。 实验表明，粉状物料的粒径越小、越潮湿，以及显著带电的 散粒体，越容易黏附于壁面。因此，产生黏附的主要原因是 粒子间的黏聚力和粒子与壁面间的作用力，包括分子间的引 力、附着水分的毛细管力以及静电引力等。对于不同种类的 散粒体，这些力的大小不同。特别细的粉末，分子引力是主 要影响因素；而含水率高的物料，尤其是亲水性高的物料， 湿润角小，毛细管力起主要作用。壁面光洁度增大，黏附力 也随之加大。对于某些物料，要考虑到相互溶化而黏结的情 况。当散粒体与壁面

34、接触时，只要一方为导电体，另一方为 绝缘体，其黏附力就相当大。黏附力的大小与粒子的带电量 、粒子和壁面的导电能力有关，各种谷物碾成的粉料都具有 这种特性。法向压力对黏附力的影响不大。一般情况下，法 向压力增加，黏附力呈线性增大，但增加不多。 3 流动特性 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、扰动流并形成死区等问题。 散粒物料在料仓和料斗内的流动情况受物料本身的 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，有两种形式，即整体流和漏斗流。

35、 若散粒物料在料仓或 料斗内象液体那样在不同 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。 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。 设计料斗时应使物料获 得整体流. 散粒物料流动形式的判 断图。由图可知，当物 料与壁面的摩

36、擦角和料 斗锥顶角较小时可形成 整体流。料斗锥顶半角 一般在15-20之间 较为合适。 散粒物料的流动特性可以通 过直接剪切试验来研究。利 用直接剪切仪在散粒体表面 加预压实载荷。在N0下进行 剪切，测出流动剪切力S0 。 然后，以小于预压实载荷N0 的各个载荷 N1 N2.进行剪 切试验， 测出各个载荷所对应的流动时剪切力S1 S2 。根据各 组数据可在剪切应力和正应力座标上确定一条光滑 曲线，称为屈服轨迹。该屈服轨迹的终点位于， 00, 屈服轨迹的位置取决于散 粒物料的压实程度。在剪 切试验中，每变换一个预 压实载荷。可以得到一条 不同的屈服轨迹，构成曲 服轨迹组。较大的压实载 荷，其屈服

37、轨迹延伸较远。 未经压实的散粒物料，其 屈服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。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. 过 点与屈服轨迹 相切的莫尔圆和轴的最 大交点值称为最大主应 力 ， 与屈服轨迹相切并过原 点的莫尔圆与轴交点值 为、 称为无侧限屈服应 力。 00, c 无侧限屈服应力是表示在该压实条件下，侧向压 力为零时的主应力 1 在一个筒壁无摩擦的理想刚性圆筒内，装入散粒体。以 预压实载荷Q1压实，散粒体的预压实应力为1 ，然后 轻轻取去圆筒，

38、不加任何侧向支撑，即3 0，这时 散粒体可能出现两种情况。保持圆柱原形，崩溃后以休 止角呈山形。 对于保持原形的圆柱体，须施加一定的载荷QC以克服散 粒体在一定预压实状态下的表面强度c，散粒体才会崩 溃。c称为散粒体的无围限屈服强度。 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和无侧限屈服应力 。无侧限屈 服应力是同一压实条件下最大主应力的函数 这一关系称为流动函数，表示为 流动函数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。值愈大，流动性愈好。 流动函数和流动性关系 将试验所得的各组，将试验所得的各组， 和和 值在

39、坐标上绘制值在坐标上绘制 成曲线。曲线愈接近成曲线。曲线愈接近 轴，其抗剪强度愈低，轴，其抗剪强度愈低， 而且随物料压实程度增而且随物料压实程度增 加，剪切强度增加缓慢，加，剪切强度增加缓慢， 故流动性愈好。故流动性愈好。 1 c 1 流动函数曲线的位置仅由物料流动函数曲线的位置仅由物料 自身的流动性所决定，但散粒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、尺寸等有动还与料斗的形状、尺寸等有 关。对于给定的物料和料斗，关。对于给定的物料和料斗， 总是存在一个总是存在一个 的临界的临界 值。在这个临界值时，物料被值。在这个临界值时，物料被

40、卡住，流动中止。物料的卡住，流动中止。物料的 值大于这个临界值时，值大于这个临界值时， 物料将会在料斗中不断流动，物料将会在料斗中不断流动， 这一临界值称为流动因数这一临界值称为流动因数 表示为表示为 ff值在坐标内决定了一条直线, 其斜率为 由图可知， 如果流动函数落在流动因数的下 方，则在一定的 时物料的 小于 ，流动是稳定的不会 中断。反之，流动函数落在流动 因数上方，则在一定的 时物 料的抗剪强度大于产生流动的临 界值 物料有足够强度 1 c 1 支持自身重量而固结在一起，使流动中断。这种 现象称为结拱，落粒拱从外观上看好象是物料在 排料口上方形成的拱桥。 结拱是由于物料粒子之间及粒子

41、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。 落粒拱的形式 (a)是由于排料口附近粒子相互支撑或咬合形成拱架，可采用加大孔口是由于排料口附近粒子相互支撑或咬合形成拱架，可采用加大孔口 或强迫振动来解决。或强迫振动来解决。 (b)是物料在料斗的角锥部积存而形成的。粉体物料由于压力、吸湿或是物料在料斗的角锥部积存而形成的。粉体物料由于压力、吸湿或 化学反应等原因，会相互黏结成大块，产生如图中的成拱形式。这种化学反应等原因，会相互黏结成大块，产生如

42、图中的成拱形式。这种 形式较难解决。形式较难解决。 (c)是物料在排料口上部垂直地下落，形成洞穴状，常见于粒子间有黏是物料在排料口上部垂直地下落，形成洞穴状，常见于粒子间有黏 聚性的细粉。聚性的细粉。 (d)是物料附着在料斗的圆锥部表面，常见于壁面倾角过小和对壁面有是物料附着在料斗的圆锥部表面，常见于壁面倾角过小和对壁面有 较强附着性或粘聚性的粉体物料。较强附着性或粘聚性的粉体物料。 防止成拱的办法 (1) 加大排料口。例如，可将淀粉等物料加大排料口。例如，可将淀粉等物料 的料斗做成直筒形结构；的料斗做成直筒形结构； (2) 尽量使料斗内壁光滑；尽量使料斗内壁光滑； (3) 加大壁面倾角。原则

43、上倾角必须大于加大壁面倾角。原则上倾角必须大于 休止角；休止角； (4) 将料斗做成非对称形将料斗做成非对称形(a),(b),(c)形式。形式。 成拱现象的原因，主要是物料受力后形成成拱现象的原因，主要是物料受力后形成 稳定的静止层。因此，如将料斗底部做成稳定的静止层。因此，如将料斗底部做成 左右非对称形，可有效地破坏物料的受力左右非对称形，可有效地破坏物料的受力 平衡；平衡； 成拱现象非常复杂，目前，尚不能从根本上解决落粒拱间成拱现象非常复杂，目前，尚不能从根本上解决落粒拱间 题。防止成拱的办法主要有下列几种。题。防止成拱的办法主要有下列几种。 (5)在料斗内加入纵向隔板以形成左右非对称性在

44、料斗内加入纵向隔板以形成左右非对称性(d)； (6)在料斗中悬吊链条在料斗中悬吊链条(e)； (7)在排料口上方插入锥体在排料口上方插入锥体(f)，以减小排料口承受物料的压力；，以减小排料口承受物料的压力； (8)将壁面做成抛物线形的曲面将壁面做成抛物线形的曲面(g)，以使物料顺利滑落；，以使物料顺利滑落； (9)采用条形卸料器采用条形卸料器(h)； (10)吹入压缩空气，使物料流态化；吹入压缩空气，使物料流态化； (11)安装振动器。安装振动器。 4 离析和混合离析和混合 4.1 离析 在给料和排料过程中出现离析现象， 粒径差值大和重度不同的散粒混合物料，在给料、 排料或振动时，粗粒和细粒、

45、密度大和密度小的会产 生分离。这种现象称为离析，又称偏析。 使粒度失去均一性，产生质量不合格的产品；但振 动筛选过程中的离析现象，则有助于达到筛选的目的。 容易引起离析的散粒体，多数是流动性好的物料。 根据离析的机理，离析可分为附着离析、填充离析和滚落离析 附着离析是在沉降时粗细粒分离， 此时微细的粒子在壁面上附着很厚的 一层。由于振动和其他外力作用，这 个层可能引起剥落，从而产生粘度不 均匀的粉体。特别是沉降速度和布朗 运动速度相等，粒径又在几个微米以 下的微粒以及带静电的微粒，这种离 折的倾向更强。 填冲离析是在倾斜状堆积层移 动时产生的。这时允填状态下 的粗粒子会有筛分作用，小粒 子从间隙中漏出而被分离出来。 若粒