玉米籽粒物理機(jī)械特性及機(jī)械化收獲適應(yīng)性

侯明濤　張紅梅　王萬(wàn)章

摘要：針對(duì)黃淮海地區(qū)玉米收獲時(shí)籽粒含水率高導(dǎo)致籽粒破碎較高的問(wèn)題，探索河南省玉米籽粒物理機(jī)械特性及玉米籽粒機(jī)械化收獲的適應(yīng)性，在河南省某地開(kāi)展試點(diǎn)研究，測(cè)試了機(jī)械化籽粒收獲的11個(gè)試驗(yàn)品種的含水率、破碎率、含雜率、三維尺寸和體積等，并計(jì)算出等效壓力，進(jìn)行了籽粒正反面受力差異分析，并且分析不同玉米品種之間破碎率、體積和含水率三因素與等效壓力之間的關(guān)系。結(jié)果表明：籽粒正反面的受力大小基本一致；不同玉米品種之間，玉米籽粒體積越大，等效壓力越??；并提出適合玉米籽粒機(jī)械化收獲的玉米籽粒特性和收獲時(shí)期。

關(guān)鍵詞：玉米籽粒；物理機(jī)械特性；等效壓力；適應(yīng)性；機(jī)械化收獲

中圖分類號(hào)： S513.04；S233.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0354-04

玉米是世界上最重要的糧食作物之一，同時(shí)也是我國(guó)的三大糧食作物之一[1]。2001年全世界的玉米播種面積為 13 965.9 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)到5.99億t，超過(guò)了水稻和小麥，成為世界第一大谷類作物[2]。黃淮海地區(qū)是我國(guó)夏播玉米的主要種植區(qū)，種植面積占39%左右[3]，目前的玉米收獲主要是以人工或機(jī)械摘穗的分段收獲為主，需要投入大量勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)成本。影響玉米籽粒機(jī)械化收獲實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)因素在于玉米籽粒的破碎，破碎掉的玉米很容易發(fā)霉變質(zhì)、感染蟲(chóng)害并產(chǎn)生毒素。2014年，我國(guó)玉米產(chǎn)量為2.156 7億t[4]，增加1%的破碎就代表很大的經(jīng)濟(jì)損失，所以研究玉米籽粒破碎的關(guān)鍵影響因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2012年河南省開(kāi)始出現(xiàn)個(gè)別品種玉米籽粒機(jī)械化收獲嘗試。2013年政府予以高度關(guān)注，并進(jìn)行一定范圍的對(duì)比試驗(yàn)。2014年河南省成立玉米全程機(jī)械化生產(chǎn)模式攻關(guān)專家組分別在3個(gè)地級(jí)市進(jìn)行試點(diǎn)，開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)比。

玉米品質(zhì)鑒定對(duì)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常重要，玉米籽粒物理機(jī)械特性的研究不僅對(duì)機(jī)械損傷的分析有著重要意義，而且可以作為玉米品質(zhì)鑒定的指標(biāo)之一[5]。適宜的收獲期是提高玉米品質(zhì)和產(chǎn)量的保障，黃淮海地區(qū)一般收獲偏早，導(dǎo)致玉米的質(zhì)量和產(chǎn)量下降[6]。近幾年關(guān)于玉米最佳收獲期、玉米籽粒物理機(jī)械特性和脫粒性能的相關(guān)研究文獻(xiàn)較多，李心平等利用LDS微機(jī)控制電子拉壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)種子玉米籽粒果柄斷裂機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究[7]；楊玉芬等利用微機(jī)控制的電子拉壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)玉米籽粒進(jìn)行了靜壓破損試驗(yàn)，結(jié)果表明含水率、壓縮位置對(duì)玉米籽粒靜壓破損特性有明顯的影響[8]；張永麗等利用微機(jī)控制電子拉壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)玉米籽粒剪切破碎進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出含水率不同時(shí)，剪切破碎載荷也不同[9]；李心平等也分別利用跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)和LDS微機(jī)控制電子拉壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同品種的玉米籽粒進(jìn)行了沖擊破碎試驗(yàn)和靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明籽粒破碎的最大沖擊力隨含水率的增加而降低，同一含水率下，腹面承受的沖擊力最大[10，11]。高連興等對(duì)不同含水率下的玉米種子籽粒破損強(qiáng)度、果柄強(qiáng)度和脫粒作用力等進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著含水率的下降，玉米種子籽粒破損強(qiáng)度顯著提高[12]。張燁等通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮試驗(yàn)測(cè)得不同含水率下3個(gè)品種玉米籽粒的最大破碎力和對(duì)應(yīng)應(yīng)變值，結(jié)果表明隨著含水率的增加，最大破碎力和應(yīng)變值呈線性關(guān)系上升[13]。陳孝海等采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)玉米單個(gè)籽粒、多個(gè)籽粒相互支撐時(shí)按照頂面、腹面和側(cè)面受載等情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明腹面加載優(yōu)于側(cè)面加載，支撐籽粒數(shù)目對(duì)于腹面和側(cè)面加載影響較大，對(duì)于頂面加載影響較小[14]；劉耀廣等為了確定夏玉米最佳收獲期和探索玉米增產(chǎn)潛力進(jìn)行了晚收試驗(yàn)，結(jié)果表明在河南省小麥、玉米一年兩熟種植制度下，玉米最佳收獲期應(yīng)比常規(guī)收獲期晚10 d，此時(shí)產(chǎn)量會(huì)更高[15]。劉京寶等對(duì)48個(gè)玉米新品種進(jìn)行了夏玉米最佳收獲期研究，結(jié)果表明當(dāng)籽粒黑層形成時(shí)，果穗苞葉完全變干，徹底松散，可作為收獲期標(biāo)準(zhǔn)[6]。目前關(guān)于研究玉米籽粒機(jī)械化收獲適應(yīng)性的文獻(xiàn)還比較少，幾乎也沒(méi)有關(guān)于玉米籽粒體積與承受壓力之間關(guān)系的研究。本研究旨在通過(guò)測(cè)得玉米籽粒的物理機(jī)械特性，找出影響玉米籽粒破碎的關(guān)鍵因素，為育種提供研究方向，以達(dá)到農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效玉米籽粒機(jī)械化收獲的目的。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選取了在河南省內(nèi)具有代表性的11個(gè)玉米籽粒樣本，所選用的玉米均為同一天種植，出苗前后相差5 d，采用統(tǒng)一的田間管理措施，均為籽粒機(jī)械化收獲，從播種到收獲共計(jì)121 d。采集樣本后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了玉米籽粒物理機(jī)械特性檢測(cè)。利用PM-8188New谷物水分測(cè)量?jī)x進(jìn)行含水率測(cè)定，其玉米含水率測(cè)量范圍為6%～40%；利用游標(biāo)卡尺測(cè)得玉米籽粒三維尺寸，游標(biāo)卡尺精度0.05 mm；利用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得籽粒3個(gè)面的受力大小，最大試驗(yàn)力10 kN，負(fù)荷精度≤±1%。

1.2 試驗(yàn)方法

玉米籽粒機(jī)械化收獲后，在出糧口接取玉米籽粒，采樣 2 000 g，揀出有明顯裂紋、破皮及肉眼能觀察到微裂紋的籽粒，再選出玉米軸芯碎屑和苞葉等雜質(zhì)，稱出破損籽粒質(zhì)量、完好籽粒質(zhì)量和雜質(zhì)質(zhì)量，按式（1）計(jì)算籽粒破碎率，

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率、破碎率和含雜率測(cè)量結(jié)果

去雜后，玉米籽粒采用PM-8188New谷物水分測(cè)量?jī)x進(jìn)行含水率測(cè)定。由圖1可以看出，破碎率最高的品種為YM-7，含雜率最高的品種為YM-7，含水率最高的品種為 YM-10，并且含水率都高于28%，破碎率都大于5%，根據(jù)GB/T 21962—2008《玉米收獲機(jī)械技術(shù)條件》，目前還沒(méi)有達(dá)到玉米籽粒機(jī)械化收獲國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 玉米籽粒的主要破碎形式

在保證機(jī)收效率的情況下，玉米籽粒收獲機(jī)械質(zhì)量的優(yōu)劣主要是通過(guò)機(jī)收籽粒破碎率來(lái)衡量的，破碎率甚至成為評(píng)價(jià)機(jī)械裝備優(yōu)劣的唯一指標(biāo)。將每種玉米適量采樣，分揀出破碎籽粒，觀察分類破損玉米籽粒的受損形式，分析得出5種主要受損形式，如圖2所示。

以每種破損形式的質(zhì)量與破碎籽?？傎|(zhì)量的比值衡量，玉米籽粒常見(jiàn)的破碎形式所占百分比如圖3示。由圖3可以看出，玉米籽粒腹面豎向破裂最多，說(shuō)明籽粒中間胚部是籽粒最薄弱的區(qū)域。

2.3 玉米籽粒三維尺寸、體積測(cè)量結(jié)果

各玉米品種籽粒的三維尺寸及體積測(cè)量數(shù)據(jù)如表1示，品種編號(hào)順序按照體積從小到大的順序進(jìn)行排列。

2.4 玉米籽粒正反面受力測(cè)定

玉米籽粒的2個(gè)腹面因有無(wú)胚乳而不同，為驗(yàn)證正反面的受力差異，隨機(jī)選取3種樣品進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，每個(gè)品種選取100粒具有代表性的籽粒，50粒正面施壓，50粒反面施壓，取平均值比較，3個(gè)品種正反面的受力差異均在5%以內(nèi)，其結(jié)果如圖4示，可以看出籽粒正反面受力效果基本一致，其他試驗(yàn)均不考慮正反面受力差異。

2.5 玉米籽?？箟簭?qiáng)度、等效壓力分析

籽粒抗壓強(qiáng)度是影響籽粒破損率的一個(gè)重要因素。式中：P為籽粒抗壓強(qiáng)度，MPa；F為籽粒的破壞壓力，N；S為籽粒受力面積，mm2。其中以Pd、Pc、Pf分別表示籽粒頂面、側(cè)面和腹面的抗壓強(qiáng)度；以Fd、Fc、Ff分別表示籽粒頂面、側(cè)面和腹面的受力；以Sd、Sc、Sf分別表示籽粒頂面、側(cè)面和腹面的估算面積。

籽粒的受力可以通過(guò)微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得，在每個(gè)玉米樣品中挑選具有代表性的籽粒100粒，分別對(duì)3個(gè)面進(jìn)行壓力試驗(yàn)，以籽粒破壞時(shí)的受力為準(zhǔn)，取平均值。由于籽粒幾何形狀不規(guī)則，其真實(shí)受壓面積很難精確求出，為了統(tǒng)一計(jì)算精度，每個(gè)玉米品種3個(gè)方向的面積統(tǒng)一用幾何長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算，即頂面面積為籽粒寬、厚之積，側(cè)面面積為籽粒長(zhǎng)、厚之積，腹面面積為籽粒長(zhǎng)、寬之積，其受力大小、受力面面積及壓力計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

為對(duì)玉米籽粒的強(qiáng)度做進(jìn)一步深入分析，有必要對(duì)籽粒在3個(gè)面上的受力做統(tǒng)一折算，分析籽粒的5種破壞形式，籽粒腹面破壞歸結(jié)為腹面受力，頂部破損歸結(jié)為頂部受力，側(cè)面破損歸結(jié)為側(cè)面受力，對(duì)于籽粒中部或根部橫斷的有可能是腹面、頂面或側(cè)面受力造成的，該部分比例由腹面、頂面和側(cè)面平分。因此，經(jīng)折算腹面受力的比例為47.17%，頂面受力的比例為32.47%，側(cè)面受力的比例為20.36%，以此作為系數(shù)對(duì)籽粒受力按式（4）進(jìn)行等效折算，

式中：ρx為籽粒等效壓力，MPa；ρf為籽粒腹面壓力，MPa；ρd為籽粒頂面壓力，MPa；ρc為籽粒側(cè)面壓力，MPa；α、β、γ分別為籽粒腹面、頂面和側(cè)面壓力系數(shù)，分別取值47.17%、3247%、20.36%。計(jì)算結(jié)果如表2所示，在剛收獲時(shí)籽粒等效壓力最大的為YM-1，是2.34 MPa；最小的為YM-10，是1.67 MPa。

對(duì)籽粒破碎率和等效壓力之間的關(guān)系做分析，繪制點(diǎn)分布圖并分別擬合函數(shù)曲線，其結(jié)果（圖5）表明，隨著破碎率的升高，等效壓力呈下降趨勢(shì)；對(duì)籽粒含水率和等效壓力之間的關(guān)系做分析，繪制點(diǎn)分布圖并分別擬合函數(shù)曲線，其結(jié)果（圖6）表明，隨著含水率的升高，等效壓力呈下降趨勢(shì)；對(duì)籽粒體積和等效壓力之間的關(guān)系做分析，繪制點(diǎn)分布圖并分別擬合函數(shù)曲線，其結(jié)果（圖7）表明，隨著籽粒體積的增大，等效壓力呈減小趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1） 通過(guò)對(duì)玉米籽粒正、反面施壓，測(cè)得玉米籽粒正反面的受力數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出，在玉米籽粒平放的情況下，玉米籽粒正、反面受力效果基本一致。（2） 通過(guò)試驗(yàn)方法，給出了玉米籽粒等效應(yīng)力的計(jì)算辦法，使不同玉米品種之間的強(qiáng)度對(duì)比有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。（3） 數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，不同品種玉米籽粒之間，破碎率的高低和等效應(yīng)力的大小呈反比例關(guān)系，破碎率高的籽粒，其能承受的等效應(yīng)力相對(duì)較小。（4） 不同品種玉米籽粒之間，隨著含水率的升高，等效壓力呈遞減趨勢(shì)，因玉米品種之間存在差異，所以在含水率相同或相近的情況下，玉米籽粒所承受的等效壓力也不一樣。（5） 數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，不同玉米品種籽粒之間，其體積越大，則等效壓力越小。

通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，黃淮海地區(qū)玉米收獲時(shí)，還存在青葉，秸稈含水率也比較高，籽粒乳線還沒(méi)有完全消失，正處于灌漿期，沒(méi)有完全成熟，機(jī)械化收獲后的玉米籽粒破碎嚴(yán)重，部分出現(xiàn)染色情況，籽粒色澤和品相較差，玉米產(chǎn)量和質(zhì)量受到影響。在目前的機(jī)械收獲條件下，鼓勵(lì)適時(shí)晚收，等到玉米苞葉完全變干并松散，秸稈幾乎不存在青葉，籽粒含水率在28%以下時(shí)，可嘗試玉米籽粒機(jī)械化收獲。在黃淮海地區(qū)種植模式的影響下，適合機(jī)械化收獲的玉米品種應(yīng)當(dāng)具有早熟、生長(zhǎng)周期短、膠質(zhì)胚乳含量高、籽粒硬度高、成熟后期快速脫水的特性。

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