種子玉米生物力學(xué)特性與脫粒性能的關(guān)系研究

蔡超杰，陳 志，韓增德，劉貴明，張宗玲，郝俊發(fā)

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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種子玉米生物力學(xué)特性與脫粒性能的關(guān)系研究

蔡超杰1，陳 志1，韓增德1，劉貴明1，張宗玲2，郝俊發(fā)1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

通過(guò)對(duì)3種類(lèi)型(硬粒型、半馬齒型、馬齒型)種子玉米生物力學(xué)特性測(cè)定分析和擠搓式種子玉米脫粒試驗(yàn)，研究了種子玉米籽粒剪切與壓縮特性、籽粒果柄斷裂特性、玉米芯彎曲與壓縮特性與種子玉米脫粒性能的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果分析表明：種子玉米籽粒破碎率受籽粒最小破碎力影響較大，未脫凈率受種子玉米籽粒果柄最小斷裂力的影響較大，籽粒含雜率受玉米芯最小破裂力與最小斷裂力的影響較為復(fù)雜；擠搓式脫粒原理適用于種子玉米脫粒。

種子玉米；生物力學(xué)特性；脫粒性能

0 引言

玉米是我國(guó)的主要糧食作物，是工業(yè)加工制品、畜牧業(yè)飼料的主要原料來(lái)源[1]。我國(guó)每年種植玉米3 667萬(wàn)hm2左右，需要雜交玉米種子110萬(wàn)t[2]。對(duì)于一個(gè)年加工玉米種子萬(wàn)噸的加工廠來(lái)說(shuō), 1%的脫粒損失就意味著有100t玉米種子報(bào)廢。因此，降低種子玉米脫粒損失，成為種子玉米脫粒裝置設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)[3]。降低種子玉米脫粒損失，研究種子玉米的脫粒性能，對(duì)提高我國(guó)玉米種子的質(zhì)量與產(chǎn)量具有重要意義。

種子玉米的脫粒性能是指未脫凈率、籽粒含雜率及籽粒破碎率等[4]。為提高種子玉米的脫粒性能、降低脫粒過(guò)程中的脫粒損失，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[5-10]：何小鵬等(2003)對(duì)采用擠搓脫粒技術(shù)的脫粒機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，證明擠搓式玉米脫粒機(jī)完全符合種子玉米的脫粒要求；李心平等(2007)利用重錘下落產(chǎn)生沖擊力撞擊玉米果穗進(jìn)行脫粒，提出當(dāng)沖擊力水平分力方向與玉米穗軸垂直時(shí)，籽粒遭受的脫粒損傷小；高連興等(2011)提出含水率對(duì)種子玉米脫粒的影響主要表現(xiàn)在籽粒破損強(qiáng)度和脫粒作用力兩個(gè)方面。

但到目前為止，尚未見(jiàn)到對(duì)種子玉米生物力學(xué)特性與脫粒性能關(guān)系研究的報(bào)道，因而有必要從不同類(lèi)型的種子玉米生物力學(xué)特性入手，研究種子玉米的脫粒性能，為種子玉米脫粒裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 種子玉米生物力學(xué)特性測(cè)定與分析

依據(jù)玉米籽粒形態(tài)、胚乳淀粉的含量與品質(zhì)及籽粒有無(wú)稃殼等性狀，可將栽培玉米品種分為硬粒型、馬齒型及半馬齒型等9個(gè)類(lèi)型[11]。硬粒型、馬齒型和半馬齒型是我國(guó)目前種植的主要玉米品種，種植比例分別為60.2%、12.7%和17.6%，其它類(lèi)型僅為9.5%。

為研究種子玉米生物力學(xué)特性與脫粒性能的關(guān)系，本文對(duì)寬誠(chéng)1號(hào)(硬粒型)、農(nóng)華101(馬齒型)與鄭單958(半馬齒型)種子玉米(見(jiàn)圖1)進(jìn)行了籽粒剪切與壓縮特性試驗(yàn)、籽粒果柄斷裂特性試驗(yàn)、玉米芯彎曲與壓縮特性試驗(yàn)，并測(cè)量了籽粒破碎的最小剪切力與最小破碎力、籽粒果柄斷裂的最小斷裂力、玉米芯彎曲斷裂的最小斷裂力及玉米芯壓縮破裂的最小破裂力。

圖1 種子玉米果穗

李心平(2007)指出：在籽粒剪切試驗(yàn)中，籽粒頂面能承受的最小剪切力最?。辉谧蚜嚎s試驗(yàn)中，籽粒頂面能承受的最小破碎力最??；在籽粒果柄斷裂試驗(yàn)中，籽粒正面能承受的最小斷裂力最小[12-14]。試驗(yàn)研究的作用力示意圖如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

(a)籽粒剪切試驗(yàn) (b)籽粒壓縮試驗(yàn) (c)果柄斷裂試驗(yàn) (d)玉米芯彎曲試驗(yàn) (e)玉米芯壓縮試驗(yàn)

圖2 種子玉米籽粒與玉米芯受力示意圖

由表1可知：不同類(lèi)型的種子玉米生物力學(xué)特性存在差異。硬粒型、半馬齒型、馬齒型的籽粒最小剪切力依次增大，說(shuō)明越不容易剪切；籽粒最小破碎力依次減小，說(shuō)明越容易壓碎；籽粒果柄最小斷裂力依次增大，說(shuō)明越不容易斷裂；玉米芯最小斷裂力依次減小，說(shuō)明越容易折斷；玉米芯最小破裂力依次增大，說(shuō)明越不容易壓碎。

玉米籽粒的最小破碎力是最小剪切力的2～5倍，因此脫粒時(shí)要利用擠搓作用使玉米種穗脫粒，減少玉米籽粒的破碎；玉米芯的最小破裂力是最小斷裂力的5～12倍，因此脫粒時(shí)要利用擠搓作用使玉米芯運(yùn)動(dòng)，減少玉米芯的破碎。

2 種子玉米脫粒性能試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)外種業(yè)公司使用較多的脫粒機(jī)是擠搓式種子玉米脫粒機(jī)，其克服了傳統(tǒng)釘齒式脫粒機(jī)的缺點(diǎn)，符合種子玉米的脫粒要求[15-16]。因此，本文采用擠搓式種子玉米脫粒機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用我國(guó)廣泛種植的寬誠(chéng)1號(hào)(硬粒型)、農(nóng)華101(馬齒型)與鄭單958(半馬齒型)種子玉米作為試驗(yàn)材料。為降低試驗(yàn)前的機(jī)械損傷，試驗(yàn)所用種子玉米果穗采用人工采摘、人工剝皮及自然晾曬的方式處理。經(jīng)過(guò)測(cè)定，試驗(yàn)前玉米籽粒的含水率為15%左右。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

擠搓式種子玉米脫粒試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、接樣裝置、脫粒裝置、喂入裝置和上料裝置等組成,如圖3所示。玉米種穗經(jīng)上料裝置與喂入裝置進(jìn)入脫粒裝置，在脫粒元件的擠搓與打擊作用下開(kāi)始脫粒，玉米籽粒與部分破碎斷裂的玉米芯落入接樣裝置。

1.機(jī)架 2接樣裝置 3.脫粒裝置 4.喂入裝置 5.上料裝置

2.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)NYT 1136-2006《擠搓式玉米種子脫粒機(jī) 技術(shù)條件》與GB-T5982-2005《脫粒機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

衡量脫粒性能的主要指標(biāo)有籽粒破碎率、未脫凈率、籽粒含雜率及夾帶損失率等，本文選取籽粒破碎率、未脫凈率、籽粒含雜率為試驗(yàn)指標(biāo)。為研究種子玉米生物力學(xué)特性與脫粒性能的關(guān)系，選取3種類(lèi)型的種子玉米進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，求其平均值，以保證試驗(yàn)精度。

根據(jù)脫粒機(jī)的額定喂入量進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，試驗(yàn)前將玉米種穗均勻鋪放在上料裝置的輸送帶下半段。試驗(yàn)時(shí)，先起動(dòng)脫粒裝置的電機(jī)，待脫粒滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，起動(dòng)上料裝置的電機(jī)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)GB5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件和測(cè)定方法一般規(guī)定》對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，求出每個(gè)試驗(yàn)的籽粒破碎率、未脫凈率與籽粒含雜率。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知：不同類(lèi)型的種子玉米脫粒性能存在差異。馬齒型種子玉米未脫凈率與籽粒破碎率最高，與其籽粒果柄最小斷裂力最大、籽粒最小破碎力最小完全一致；硬粒型種子玉米的籽粒含雜率最高，與其玉米芯最小破裂力最小完全一致；半馬齒型則介于兩者之間。試驗(yàn)結(jié)果與3種類(lèi)型種子玉米生物力學(xué)特性相一致。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表2試驗(yàn)結(jié)果符合NYT1136-2006《擠搓式玉米種子脫粒機(jī) 技術(shù)條件》中籽粒含雜率≤14%、籽粒破碎率≤0.9%的要求，未脫凈率幾乎為零，說(shuō)明擠搓式種子玉米脫粒機(jī)可用于硬粒型、半馬齒型與馬齒型種子玉米脫粒。

3 生物力學(xué)特性與脫粒性能的關(guān)系分析

3.1 生物力學(xué)特性與籽粒破碎率的關(guān)系

玉米種穗在脫粒過(guò)程中主要受擠搓和打擊作用，因此籽粒最小破碎力與最小剪切力越小，脫粒時(shí)越容易破碎。不同類(lèi)型的玉米籽粒剪切、壓縮特性與籽粒破碎率關(guān)系，如圖4所示。

圖4 玉米籽粒剪切、壓縮特性與籽粒破碎率的關(guān)系

由圖4可知：籽粒破碎率曲線與最小破碎力曲線成負(fù)相關(guān)，與最小剪切力曲線成正相關(guān)。馬齒型種子玉米籽粒最小破碎力最小，籽粒破碎率最大，硬粒型種子玉米籽粒最小破碎力最大，籽粒破碎率最小，說(shuō)明擠搓式脫粒的籽粒破碎率主要受玉米籽粒壓縮特性的影響。

由于籽粒最小破碎力遠(yuǎn)大于最小剪切力，為降低脫粒過(guò)程中的籽粒破碎，盡可能選用擠搓式脫粒玉米種穗，以獲得較好的脫粒性能。

3.2 生物力學(xué)特性與未脫凈率的關(guān)系

玉米種穗在脫粒過(guò)程中主要受擠搓與打擊作用，使玉米籽粒從玉米芯上脫下。不同類(lèi)型的種子玉米籽粒果柄斷裂特性與未脫凈率關(guān)系，如圖5所示。

圖5 玉米籽粒果柄斷裂特性與未脫凈率的關(guān)系

由圖5可知：種子未脫凈率曲線與玉米籽粒果柄最小斷裂力曲線成正相關(guān)；硬粒型與半馬齒型種子玉米的籽粒果柄最小斷裂力相差不大，未脫凈率也相近，馬齒型種子玉米的籽粒果柄最小斷裂力最大。即與玉米芯的連接力最大，越不容易脫下，則未脫凈率最大。

在實(shí)際脫粒過(guò)程中，因多個(gè)玉米籽粒同時(shí)受力，果柄斷裂所需的斷裂力會(huì)相應(yīng)增大。為降低種子玉米的未脫凈率，脫粒時(shí)應(yīng)使種穗上的籽粒松動(dòng)，應(yīng)減小籽粒果柄斷裂的最小斷裂力，選擇擠搓式脫粒是一種較好的方式。

3.3 生物力學(xué)特性與籽粒含雜率的關(guān)系

玉米芯在脫粒過(guò)程中受到擠搓和打擊作用，發(fā)生破碎和斷裂。破碎和斷裂的玉米芯通過(guò)凹板進(jìn)入接樣裝置。不同類(lèi)型的玉米芯壓縮、彎曲特性與籽粒含雜率關(guān)系，如圖6、圖7所示。

圖6 玉米芯壓縮特性與籽粒含雜率的關(guān)系

圖7 玉米芯彎曲特性與籽粒含雜率的關(guān)系

由圖6和圖7可知：玉米籽粒含雜率曲線與玉米芯最小破裂力曲線、最小斷裂力曲線變化趨勢(shì)不一致，說(shuō)明產(chǎn)生玉米芯破裂與斷裂的因素較為復(fù)雜；但玉米芯的最小破裂力遠(yuǎn)大于最小斷裂力，選擇利用擠推方式使玉米芯沿軸向運(yùn)動(dòng)，可以減小玉米芯的破碎，降低籽粒含雜率。

4 結(jié)論

1)3種類(lèi)型的種子玉米生物力學(xué)特性存在差異，主要表現(xiàn)在玉米籽粒的最小破碎力與玉米芯的最小破裂力兩個(gè)方面。馬齒型種子玉米芯的最小斷裂力是硬粒型的1.9倍，硬粒型種子玉米籽粒的最小破碎力是馬齒型的1.6倍。

2)3種類(lèi)型的種子玉米脫粒性能存在差異，主要表現(xiàn)在籽粒破碎率方面，馬齒型種子玉米籽粒破碎率明顯高于硬粒型。

3)種子玉米的生物力學(xué)特性對(duì)脫粒性能有很大影響：玉米籽粒的壓縮特性對(duì)籽粒破碎率的影響較大；玉米籽粒果柄斷裂特性對(duì)未脫凈率的影響較大。因此，盡可能利用擠搓作用脫粒玉米種穗，這與玉米種子行業(yè)普遍采用擠搓式種子玉米脫粒機(jī)的現(xiàn)狀完全一致。

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Study on Relationship of Biomechanical Characteristics of Corn Seed and Threshing Performance

Cai Chaojie1, Chen Zhi1, Han Zengde1, Liu Guiming1, Zhang Zongling2, Hao Junfa1

(1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China; 2.College of Engineering, Agricultural University, Beijing 100083, China)

Relationships between threshing performance of corn seed and shear and compression characteristics of corn kernel , fracture characteristics of corn stalk , compression and bending characteristics of corn cob were studied by biomechanical properties determination of three types corn seed (flint, semi-dent, dent) and experiments on extruding-rubbing threshing test-bed of seed corn. The results showed that : breaking rate of corn seed kernel was greatly influenced by minimum breaking force , un-threshing rate was obviously affected by minimum breaking force of corn stalk, the effect of minimum break force of corn cob on kernel impurity rate was complex.This study identified extruding-rubbing threshing method is suitable for corn seed threshing.

corn seed; biomechanical properties; threshing performance

2016-03-29

科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014EG219167)

蔡超杰(1990-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)ccj19900727@163.com。

陳 志(1955-)，男，北京人，教授，博士生導(dǎo)師， (E-mail)chenzhi@sinomach.com。

S226.1+2

A

1003-188X(2017)04-0192-05