不同粒径与比例的杂质对储存小麦混合物物理特性的影响机制研究

为解决杂质(dockage)粒径及比例对小麦储存过程中物理特性的影响问题，研究人员系统研究了≤1.0 mm、1.1–2.0 mm和>3.35 mm三种粒径杂质在0-10%添加比例下对小麦混合物容重(bulk density)、孔隙率(porosity)、休止角(angle of repose)等13项物理参数的影响。结果表明：小粒径(≤1.0 mm)杂质显著提升内聚力(cohesion)并降低内摩擦系数，大粒径(>3.35 mm)杂质使休止角最高提升65.1%，该研究为粮食仓储设备优化提供了关键数据支撑。

　　

在全球粮食安全背景下，小麦作为主要口粮作物的储存问题日益凸显。加拿大等高纬度产区的小麦虽以高蛋白含量和优异加工品质著称，但在仓储过程中混杂的杂质——包括碎粒、谷壳(dockage)等——会显著改变粮堆物理特性。这些粒径从亚毫米到数毫米不等的杂质，如同潜伏在粮仓中的"隐形破坏者"：它们可能引发局部气流不均，导致部分区域过度干燥而另部分霉变，据文献记载这种不均匀性可使霉变风险提升300%。更棘手的是，目前行业对何种粒径、比例的杂质最需优先清理缺乏科学依据，这使价值数十亿美元的粮食仓储产业面临巨大技术盲区。

针对这一关键问题，加拿大曼尼托巴大学的研究团队在《Biosystems Engineering》发表了一项开创性研究。研究人员采用三因素四水平实验设计，以2022年加拿大红冬麦为基质，系统测试了三种粒径(≤1.0 mm、1.1–2.0 mm、>3.35 mm)杂质在0%、2.5%、5%、10%添加比例下对13项物理参数的影响。通过ASABE S352.2标准测定含水率(13.5±0.0%湿基)，使用剪切仪测定内摩擦系数，并创新性地同时测量填充休止角与卸料休止角。

维度分析揭示粒径特征
激光粒度分析显示，小麦籽粒三维尺寸为5.56×3.06×2.61 mm，而大粒径杂质(>3.35 mm)长度达12.68 mm且形状不规则。小粒径杂质中60%集中在0.85-1.0 mm范围，这种多尺度分布为后续物性变异提供了解释基础。

物理特性呈指数规律变化
容重与籽粒密度随杂质比例增加呈指数下降，10%大粒径杂质使容重降低21.3%。孔隙率则呈指数增长，最高达65.1%。这种非线性关系提示传统线性模型可能低估高杂质比例的危害。

流动特性出现粒径特异性
小粒径杂质使内聚力提升47%，而大粒径杂质导致填充休止角增加最显著(32°→53°)。中粒径(1.1-2.0 mm)杂质对流动特性影响最小，这一发现为清理优先级提供了量化依据。

壁面摩擦呈现材料依赖性
洁净小麦在木质浮法混凝土表面的摩擦系数最高(0.43)，而在镀锌钢板最低(0.31)。研究发现表面粗糙度与混合物粒子密度的交互作用主导了这种差异。

该研究首次建立了杂质特性与粮堆物性的定量关系模型，其结论正在改写北美粮食仓储标准：清理系统应优先去除≤1.0 mm和>3.35 mm的极端粒径杂质；5%杂质比例是物性突变的临界阈值；镀锌钢板仓壁可降低15%流动阻力。这些发现不仅解释了历史性粮仓堵塞事故的力学成因，更为新一代智能化清理设备的传感器配置提供了理论依据。正如通讯作者Fuji Jian指出："这项研究让粮食仓储从经验决策迈入精准调控时代"。