大蒜種子與機械播種相關(guān)特性的分析研究

徐 陶，宋井玲，崔志超，李 寧，蔡善儒，孫 倩，馬偉童

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

我國是大蒜生產(chǎn)大國，大蒜產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70% 以上[1]，2015年全國大蒜種植面積約40萬hm2[2]。大蒜種植主要產(chǎn)地集中在山東、河南、江蘇、河北及安徽5省。山東是我國第一大蒜產(chǎn)區(qū)，山東金鄉(xiāng)縣是大蒜生產(chǎn)加工和出口的重要基地,是全國著名的大蒜之鄉(xiāng)；蘭陵縣蒼山大蒜走出一條“大蒜農(nóng)業(yè)”向“大蒜工業(yè)”轉(zhuǎn)化的路子，叫響了“天下第一蒜”。河南杞縣種植歷史悠久，氣候條件優(yōu)越，是“全國園藝產(chǎn)品出口示范區(qū)”。

隨著人們對大蒜需求量的不斷增加，大蒜種植面積呈逐年遞增趨勢[3]。目前，大蒜播種主要靠人工進行，勞動強度大，生產(chǎn)效率低；而機械化播種具有效率高，作業(yè)成本低，用工少等優(yōu)點[4-6]。蒜種單粒化是播種機械化的關(guān)鍵之一，大蒜種子形狀復(fù)雜且不規(guī)則，不易實現(xiàn)機械單粒排種，通常要先對蒜種進行分級處理以提高大蒜播種機的單粒率。

目前，對農(nóng)作物種子物理特性的研究[7-8]主要有玉米、麥粒、花生等，對于大蒜種子物理特性的研究較少。為此，以較為典型的山東蒼山大蒜、金鄉(xiāng)大蒜和河南杞縣大蒜為研究對象，使用統(tǒng)計學(xué)方法，分析研究大蒜種子與機械播種相關(guān)的物理特性，以期為大蒜種子清選、分級及播種等機械化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 蒜種的選擇

大蒜蒜瓣大小不同，有大瓣種和小瓣種之分，如山東的蒼山大蒜屬于大瓣種，金鄉(xiāng)大蒜、杞縣大蒜屬于小瓣種，如圖1所示。根據(jù)栽培農(nóng)藝要求，用作蒜種的大蒜蒜瓣必須皮色純正，形狀規(guī)范，個頭飽滿，外皮完整[9-10]。

本文選擇較為典型的大瓣種蒼山大蒜和小瓣種金鄉(xiāng)大蒜、杞縣大蒜，單粒蒜瓣質(zhì)量3g以上的種子為研究對象。

1.蒼山大蒜 2.金鄉(xiāng)大蒜 3.杞縣大蒜圖1 不同品種的大蒜Fig.1 Different kinds of garlic

2 大蒜種子物理特性研究

2.1 大蒜種子外形尺寸的測量及分析

2.1.1 大蒜種子外形尺寸的測量

大蒜種子形狀復(fù)雜，可用蒜種的長、寬、厚3個尺寸來描述蒜種的幾何特征，如圖2所示。隨機選取3個品種的大蒜種子各300粒，平均分成3組，每組100粒，分別對每組大蒜種子長、寬、厚尺寸進行測量。統(tǒng)計分析大蒜種子的尺寸特征及尺寸分布情況。

圖2 種子外形尺寸示意圖Fig.2 The picture of size of outline dimension of garlic seeds

2.1.2 大蒜種子外形尺寸的分析

大蒜種子的長、寬、厚尺寸分布如圖3所示。由圖3可以看出：①長度尺寸，蒼山大蒜和杞縣大蒜種子分別集中分布在29～31mm，金鄉(xiāng)大蒜28～30mm，各約占48%、46%、36%；②寬度尺寸，蒼山大蒜集中分布在22～24mm, 杞縣大蒜和金鄉(xiāng)大蒜集中分布在20～23mm，各約占50%、66%、63%；③厚度尺寸，蒼山大蒜、金鄉(xiāng)大蒜、杞縣大蒜種子尺寸均集中分布在17～19mm，各約占41%、38%、42%。

(a)

(b)

(c)圖3 大蒜種子外形尺寸分布圖Fig.3 The distribution of outline dimension of garlic seeds

尺寸測量結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：蒼山大蒜的長、寬、厚尺寸、均值及最大值均大于金鄉(xiāng)大蒜與杞縣大蒜，大瓣種比小瓣種在外形尺寸上均大9%左右；從方差上來看，金鄉(xiāng)大蒜與杞縣大蒜種子的長、寬、厚尺寸方差都高于于蒼山大蒜，說明小瓣種的外形尺寸波動大，同一外形尺寸差異大于大瓣種；各品種蒜種長度尺寸的方差最小，厚度尺寸的方差最大。這說明大蒜種子長度尺寸波動最小，厚度尺寸波動最大；對于指夾式、勺鏈?zhǔn)降扰欧N器，為提高單粒率對蒜種進行分級時，應(yīng)優(yōu)先按種子厚度進行分級。

表1 大蒜種子外形尺寸

2.2 大蒜種子的懸浮速度

懸浮速度是農(nóng)業(yè)物料的一個重要特性參數(shù)。物料的懸浮速度又稱臨界速度，是指物料自由下落時，在自身重力與受到的氣流作用下達到臨界平衡狀態(tài)時的氣流速度，物料在該狀態(tài)下受力平衡，絕對速度為零[11]。

為提高大蒜種子氣力式排種器的單粒率，需對大蒜種子的懸浮特性進行試驗研究，利用氣流對大蒜種子進行清選，也與大蒜種子的懸浮特性有關(guān)。

2.2.1 試驗裝置與試驗方法

測量大蒜種子懸浮速度的裝置主要有黑龍江農(nóng)業(yè)儀器設(shè)備修造生產(chǎn)的型號PS-20谷物漂浮速度試驗臺，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

1.風(fēng)機 2.大蒜種子 3.觀察口 4.機架圖4 PS-20型谷物漂浮速度試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of grain floating speed test stand of PS-20 type

采用等面積法[11]選擇3個測試點測試氣壓差，讀取蒜種平衡位置刻度L。蒜種的懸浮速度的計算方法為

Pd=(Pd0+Pd1+Pd2)/3

Vp=V0/K

式中Pd—3個測試點的平均氣壓差；

Pd0、Pd1、Pd2—3個測試點處的氣壓差。

V0—測試點風(fēng)速；

Vp—物料懸浮速度；

K—蒜種平衡位置刻度L對應(yīng)的系數(shù)，通過L-K曲線圖獲得。

對不同含水率下蒼山大蒜、金鄉(xiāng)大蒜和杞縣大蒜種子的懸浮速度進行試驗測量，每組試驗100粒，共12組。

2.2.2 大蒜種子懸浮速度結(jié)果分析

通過對大蒜種子懸浮速度試驗結(jié)果整理與分析，得出大蒜種子懸浮速度與含水率的變化關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知：3個品種的大蒜種子在含水率為45.61%～59.60%時，懸浮速度分布在12～15.4m/s之間，懸浮速度隨含水率的上升而增加；同一含水率下，大蒜種子的懸浮速度從小到大依次為蒼山大蒜、杞縣大蒜、金鄉(xiāng)大蒜，且金鄉(xiāng)大蒜與杞縣大蒜差異較小。這主要是因為在同一含水率下，蒼山大蒜種子屬于大瓣種，其質(zhì)量大于小瓣種，因此種子在懸浮速度試驗臺通風(fēng)管道中時，需受到更大的風(fēng)力作用才能達到平衡狀態(tài)。

圖5 懸浮速度與含水率的變化Fig.5 Relationship between suspended velocity and water content

利用氣力對大蒜種子進行清選、排種時，為保證大蒜種子清選率及單粒率，需結(jié)合大蒜種子在不同含水率下的懸浮速度合理控制空氣流速。以蒼山大蒜種子含水率為54.7%為例，為實現(xiàn)單粒排種，其空氣流速至少應(yīng)大于種子在該含水率下的懸浮速度，即14.65m/s。

2.3 大蒜種子的抗壓破壞性試驗及分析

大蒜種子在運輸及播種等機械的作用過程中不可避免地要受到壓力和沖擊力，若種子受到損傷，其生長能力將受到嚴(yán)重影響，出苗率降低，造成減產(chǎn)。蒜種的機械破損率是衡量蒜種運送和播種等機械工作性能的重要指標(biāo)，因此有必要對大蒜種子的力學(xué)性質(zhì)進行研究，測試大蒜種子在不同含水率下的抗破壞力，為大蒜播種機相關(guān)部件的設(shè)計提供力學(xué)數(shù)據(jù)參考。

2.3.1 試驗裝置與試驗方法

本試驗利用南京航空航天大學(xué)研制的KB-1開口薄壁梁實驗臺(見圖6)，測量大蒜種子受壓應(yīng)力作用下遭到破壞的最大壓力，用壓碎力表示，單位N。

大蒜種子通常有3個面，包括一個弧面和兩個非弧面，受到同等力的作用時與壓頭的接觸面不同，受破壞程度存在差異，因此對含水率為45%、50%、55%、60%的大蒜種子弧面及非弧面進行抗壓破壞性試驗，分別測試大蒜種子在兩種狀態(tài)下壓碎力與含水率的變化關(guān)系。取直徑14mm的壓頭，加載速度為5mm/min，邊加載邊觀察示數(shù)；當(dāng)示數(shù)驟停時表示大蒜種子已受到破壞，記錄數(shù)值，每組100粒，共24組。

1.力值顯示器 2.加力手輪 3.力傳感器 4.壓頭 5.大蒜種子 6. 機架圖6 大蒜種子壓應(yīng)力破壞試驗Fig.6 Damaged test of pressure for garlic seeds

2.3.2 大蒜種子抗壓破壞性試驗結(jié)果分析

大蒜種子的壓碎力隨含水率的變化，如圖7所示。

由圖7可知：大蒜種子在兩種狀態(tài)下的壓碎力均與含水率成反比，說明含水率是種子壓碎力的影響因素?；∶娉聲r的壓碎力低于非弧面朝下的壓碎力，這與種子與底面的接觸面積有關(guān)?；∶娼茷辄c接觸，同等壓力下所承受的壓應(yīng)力大，導(dǎo)致種子更易受到破壞。隨含水率降低，蒼山大蒜種子的壓碎力與金鄉(xiāng)大蒜和杞縣大蒜差距逐漸加大，蒼山大蒜的壓碎力低于金鄉(xiāng)大蒜和杞縣大蒜。這主要是因為蒼山大蒜種子外形飽滿，同一含水率同等載荷下受到的壓強更大，說明品種是種子壓碎力的又一影響因素。

通過以上分析得出結(jié)論：在播種及運輸過程中為避免種子受到損傷，首先應(yīng)考慮種子弧面的壓碎力。以含水率為60%的蒼山大蒜種子為例，播種機排種器采用指夾式取種時，應(yīng)使夾緊力不大于弧面能承受的壓力，即50.3N。

3 結(jié)論

1)大瓣種比小瓣種在外形尺寸上大9%左右；小瓣種同一方向的尺寸差異大，大蒜種子長度尺寸波動最小，厚度尺寸波動最大；對于指夾式、勺鏈?zhǔn)降扰欧N器，為提高單粒率對蒜種進行分級時，應(yīng)優(yōu)先按種子厚度進行分級。

2)大蒜種子在含水率為45.61%～59.60%時，懸浮速度在12～15.4m/s之間。利用氣力對大蒜種子進行清選、排種時，需結(jié)合大蒜種子在不同含水率下的懸浮速度合理控制空氣流速，以保證大蒜種子清選率及單粒排種。

3)在含水率、載荷一定的情況下，大瓣種更易受到破壞；大蒜種子弧面最易受到破壞。采用指夾式取種及在種子運輸時，應(yīng)使種子受到的力低于種子弧面能承受的壓碎力。

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