油菜角果抗裂角性二自由度碰撞測試方法研究

青苡任，李耀明，馬 征，徐立章，楊 毅

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油菜角果抗裂角性二自由度碰撞測試方法研究

青苡任，李耀明※，馬 征，徐立章，楊 毅

（江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，鎮(zhèn)江 212013）

為了篩選更利于機械化收獲的油菜品種，提出了二自由度油菜角果抗裂角性碰撞測試技術(shù)。該文對二自由度碰撞測試儀的結(jié)構(gòu)原理、參數(shù)設(shè)計、機構(gòu)運動特性進行分析，并對二自由度碰撞與搖床碰撞下的鋼球運動進行EDEM仿真；對二自由度碰撞的適宜碰撞參數(shù)進行研究，且對二自由度碰撞法與搖床隨機碰撞法、田間角果與剪取后干燥角果的抗裂角性分別進行對比試驗。研究結(jié)果表明：擺動電機轉(zhuǎn)速60 r/min、移動電機轉(zhuǎn)速75 r/min為適宜碰撞參數(shù)；二自由度碰撞法（平均標準偏差0.025 6）比搖床碰撞法（平均標準偏差0.020 3）結(jié)果重復(fù)性更好，且二自由度碰撞對抗裂角性較好的品種區(qū)分度更好；而同含水率水平下的田間油菜角果抗裂角性（抗裂角指數(shù)范圍0.013～0.553）相比于干燥后角果抗裂角性（抗裂角指數(shù)范圍0.008～0.948）要差，二者結(jié)果差異顯著（=0.01<0.05），田間角果測試可以更為真實的反映出角果的抗裂角性，研究結(jié)果為不同油菜品種抗裂角性的評價測試提供參考。

農(nóng)作物；運動學(xué)；優(yōu)化；油菜角果；抗裂角性；二自由度；對比；碰撞

0 引 言

油菜是重要的油料作物，種植面積約占世界的30%左右。然而，中國的油菜機收率很低，2016年全國油菜的機收率尚不足35%，這直接導(dǎo)致中國的油菜生產(chǎn)成本長期居高不下，孱弱的國際競爭力也導(dǎo)致農(nóng)民不愿種植油菜，近年來油菜種植面積出現(xiàn)了下降趨勢，僅2017年的種植面積就比上一年下降了2.1%，中國的油料安全問題十分嚴峻[1-3]。

制約中國油菜機收率的關(guān)鍵因素是機械化收獲損失較大，其中，僅割臺損失就占總損失的一半以上，油菜角果抗裂角性差是造成油菜收獲損失大和制約其收獲機械化的主要原因。當油菜角果抗裂角性較差時，成熟期極易炸莢造成自然落粒損失，機械化收獲時撥禾輪的回轉(zhuǎn)運動及豎切割器橫向受迫振動對角果的橫向打擊也會造成籽粒落地損失，總損失占收獲損失的一半以上。因此，篩選適宜機械化收獲的油菜品種，進行油菜角果抗裂角性的研究是實現(xiàn)機械化收獲的基礎(chǔ)[4-7]。目前，國內(nèi)外油菜角果抗裂角性的測試方法有很多，其測試原理主要為兩大類，一類是通過室內(nèi)實驗裝置測量油菜角果開裂時所需的力或能量大小來評價角果抗裂角性的優(yōu)劣[8-10]，這由Kadkol等[11]利用測試彎矩和能量進行角果抗裂角性測試發(fā)展而來，包括國內(nèi)譚小力的拉裂法[12]，李耀明的懸空壓裂法[13]，浦惠明等的改良拉裂法[14]等，而以上測試方法并未考慮動態(tài)條件下的油菜角果抗裂角性特征；另一類是應(yīng)用隨機碰撞原理，利用金屬球與角果的隨機碰撞來模擬田間角果與外界物質(zhì)的碰撞情況，進而對油菜角果的抗裂角性進行測試與評價，該方法首先由Morgan等[15]提出，其考慮了動態(tài)條件且測試結(jié)果重復(fù)性較好，該原理普遍被研究人員所接受，包括文雁成等[16-17]的隨機碰撞法，彭鵬飛等[18-19]的改進隨機碰撞法，喬金平等[20]的角果抗裂角性碰撞檢測儀等都是應(yīng)用此原理。其中較為成熟的測試方法為彭鵬飛的改進隨機碰撞法，在油菜黃熟期時，將進行烘干或晾曬水分平衡后的20個角果放入內(nèi)徑為14.8 cm、高7.4 cm的塑料桶內(nèi)，桶內(nèi)放置8個直徑為14 mm的鋼珠，將塑料桶放置于振幅為20 mm、震蕩速度為280 r/min的搖床上使鋼珠與角果碰撞，每隔2 min記錄破碎角果數(shù)，角果破裂以角果從果柄處斷裂到果喙的1/2以上或能看見油菜籽粒為準，計算其抗裂角指數(shù)值[21-22]。但該方法采用的搖床測試碰撞力較小，碰撞過程中鋼珠很容易出現(xiàn)打滑或角果堆積的現(xiàn)象，碰撞力小且不均勻，存在抗裂角性稍強的油菜品種抗裂角指數(shù)差別小，區(qū)分度差的問題，且儀器設(shè)備移動不便，從摘取角果到測試過程中環(huán)境與人為因素影響過大，未考慮實際收獲中角果抗裂角性實時變化的因素，無法準確表達田間角果抗裂角性的實際情況。

因此，本文提出了角果抗裂角性二自由度碰撞測試方法，模擬分析了二自由度碰撞方法與搖床碰撞方法中鋼珠的運動特性，并針對不同油菜品種使用2種方法對角果抗裂角性進行了對比試驗，對2種方法測試結(jié)果的重復(fù)性、不同油菜品種角果抗裂角指數(shù)范圍進行了比較分析，確定了二自由度適宜的碰撞參數(shù)，并對田間角果與室內(nèi)干燥角果的抗裂角性差異進行了試驗研究。

1 二自由度碰撞檢測裝置的設(shè)計與分析

1.1 二自由度碰撞儀結(jié)構(gòu)與原理

本文從機械化聯(lián)合收獲油菜角果的實際工況出發(fā)，為使油菜角果抗裂角性測試結(jié)果更加準確可靠，考慮到撥禾輪的低速回轉(zhuǎn)運動及豎切割器的橫向振動是造成角果開裂割臺損失的主要原因，設(shè)計了二自由度碰撞測試儀，如圖1所示。

1. 料盒 2. 上底板 3. 曲柄滑塊機構(gòu) 4. 電機1 5. 電機2 6. 曲柄搖桿機構(gòu) 7. 軸承 8. 下底板 9. 控制器

該測試儀應(yīng)用隨機碰撞原理，為使角果與鋼珠的碰撞更加隨機均勻，采用二自由度運動機構(gòu)，一級往復(fù)振動機構(gòu)由電機2曲柄滑塊機構(gòu)帶動上底板及料盒（視為滑塊）沿下底板上的滑道做往復(fù)直線運動；二級擺動機構(gòu)由電機1驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)帶動料盒及上下底板上下擺動，曲柄長度可以調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)往復(fù)運動行程和擺角大??；控制器可分別控制電機1、電機2的轉(zhuǎn)速與工作時間，設(shè)置不同運動參數(shù)。測試裝置簡單可靠，體積小、質(zhì)量輕、便于移動，可移至田間對田間角果抗裂角性進行實時測試，更為真實反映出田間動態(tài)條件下的角果抗裂角性特征。

1.2 二自由度碰撞儀參數(shù)設(shè)計與運動分析

1.2.1 一級曲柄滑塊機構(gòu)

一級曲柄滑塊機構(gòu)運動[23]簡圖如圖2a所示，已知機構(gòu)曲柄長度為(m)，曲柄勻速轉(zhuǎn)動角速度為((°)/s)，轉(zhuǎn)角(°)，連桿長度為(m)，滑塊位移為(m)。為方便與搖床碰撞法比較分析，選取=0.02m，設(shè)計各桿件參數(shù)為=0.01 m，=0.09 m。各桿件所構(gòu)成的封閉矢量方程為：

將式（1）進行軸投影，得

式中S為機架長度，m；為連桿與S夾角，(°)。

將式（2）對時間求導(dǎo)，得速度方程

將式（3）對時間求導(dǎo)，得加速度方程

注：圖a中，為曲柄長度，m；為連桿長度，m；S為機架長度，m；為滑塊位移，m；分別為曲柄和連桿與機架S的夾角，(°)；圖b中，為直角坐標系，1234為各桿件長度，m；1、2、3、4分別為各桿件與軸的正向夾角，(°)，其中4為0°，圖中未表示；為極位夾角，(°)；為搖桿4擺角，(°)；為各桿件鉸接點，其中點與裝置中料盒相連，代表料盒。

Note: In figure a,is the length of crank, m;is the length of connecting rod, m;is the length of frame, m;is the displacement of slider, m;andare the angle between crank, connecting rodand frameSrespectively,(°); in figure b,is the established rectangular coordinate system,1,2,3and4are the length of each rod, m;1,2,3and4are the positive angle between each rod andaxis respectively, (°);4are 0°, which is not indicated in the figure;is the polar angle, (°);is the swing angle of rocker4, (°);andare articulated joints of the rods, in which pointis connected with the material box of the device, and represents the material box.

圖2 機構(gòu)運動分析簡圖

Fig.2 Sketch of mechanism motion analysis

1.2.2 二級曲柄搖桿機構(gòu)

角位移方程的分量：

角速度方程為：

角位移分量方程對時間2次求導(dǎo)，得角加速度方程

1.3 不同運動狀態(tài)鋼球運動EDEM仿真分析

隨機碰撞法鑒定角果抗裂角性的過程中，鋼球與角果間的碰撞均勻性是決定其結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素。為了分析不同運動條件下料盒內(nèi)鋼球的運動狀態(tài)，使用EDEM軟件對搖床碰撞法及二自由度碰撞法下鋼球的運動情況進行模擬仿真，分析其碰撞均勻性[25]。

試驗過程中，鋼球的運動由料盒帶動，首先根據(jù)1.2節(jié)理論分析及Matlab軟件，分析料盒的運動規(guī)律，計算分析以下2種條件下料盒的運動狀態(tài)：1）搖床隨機碰撞法，移動電機轉(zhuǎn)速280 r/min；2）二自由度隨機碰撞法，移動電機轉(zhuǎn)速75 r/min，擺動電機轉(zhuǎn)速60 r/min。不同運動參數(shù)下料盒的運動規(guī)律如圖3所示，圖3a為二自由度碰撞法擺動電機驅(qū)動料盒的擺動規(guī)律，圖3b為二自由度碰撞法移動電機驅(qū)動料盒的往復(fù)直線運動規(guī)律，圖3c為搖床碰撞法下料盒的運動規(guī)律，由結(jié)果可知，兩種方法下料盒均做簡諧運動，搖床碰撞法下料盒往復(fù)運動最大速度可達0.295 m/s，而二自由度碰撞法下料盒往復(fù)運動最大速度僅為0.079 m/s，但其擺動角速度最大為88.276 (°)/s，圖3a與圖3b組成料盒的二自由度復(fù)合運動。

注：圖中實線為速度曲線；虛線為加速度曲線。

注：鋼球速度≥0.1 m×s-1為紅色；≤0.05 m×s-1為藍色；中間速度為綠色。

鋼球EDEM仿真過程中，根據(jù)裝置實際參數(shù)及材料特性建立鋼球顆粒及料盒幾何體，料盒幾何體模型直徑150 mm，高72 mm，鋼珠顆粒模型直徑13 mm，共12個。料盒、鋼球的模型參數(shù)如表1。

表1 不同模型碰撞參數(shù)

設(shè)置鋼球與鋼球間的恢復(fù)系數(shù)為0.59，靜摩擦系數(shù)為0.15，動摩擦系數(shù)為0.1；鋼球與料盒間的恢復(fù)系數(shù)為0.3，靜摩擦系數(shù)為0.5，動摩擦系數(shù)為0.1，并根據(jù)圖3分析的料盒運動特性設(shè)置其運動規(guī)律，鋼球碰撞采用Hertz Mindlin無滑動接觸模型。圖4為仿真過程中任意截取某一時刻的鋼球運動狀態(tài)，用不同顏色設(shè)置顆粒的速度，其中鋼球速度下水平設(shè)置為0.05 m/s，藍色；上水平為0.10 m/s，紅色，中間水平為綠色。由仿真結(jié)果可知，二自由度復(fù)合運動下，所有鋼球的速度均超過0.10 m/s，其中最大鋼球速度為0.198 m/s，最小鋼球速度為0.142 m/s，平均速度為0.164 m/s；而往復(fù)直線運動條件下，僅有3個鋼球速度超過0.10 m/s，最大鋼球速度為0.128 m/s，最小速度為0.055 m/s，速度分布及其不均，一半鋼球出現(xiàn)打滑無位移情況，由此可知，二自由度復(fù)合運動下，鋼球運動更加均勻，在試驗過程中的碰撞更為均勻可靠。

2 二自由度碰撞適宜碰撞參數(shù)的研究

2.1 二自由度碰撞檢測試驗方法

參考喬金平等前期試驗[20]，測試時料盒內(nèi)放置20個同品種、同成熟度的角果，12個直徑為13 mm的鋼珠，碰撞儀往復(fù)運動位移20 mm，擺動角度為30°，設(shè)置步進電機控制器運行時間為1 min，每碰撞1min自動停止運動，然后取出破裂角果并記錄破裂角果個數(shù)，重復(fù)以上操作，共10次，計算抗裂角指數(shù)。

本文從實際收獲中造成籽粒損失的角果狀態(tài)出發(fā)，改進之前搖床隨機碰撞法角果破裂評價標準，以角果炸裂兩半或從果柄處斷裂到果喙的1/2以上并掉落出油菜籽粒作為標準，進行破裂角果數(shù)統(tǒng)計?？沽呀侵笖?shù)計算公式為[22]：

SRI=1-SI （11）

式中SI為角果裂角指數(shù)；x為第次碰撞破損的角果數(shù)，1≤≤10；1為角果總數(shù)；2為碰撞總次數(shù)，此處為10；SRI為抗裂角指數(shù)。

2.2 二自由度碰撞測試儀碰撞參數(shù)試驗研究

2.2.1 材料

作為梅賽德斯-奔馳家族“主角”之一的C級車家族，在本屆車展迎來新一代C級轎跑車和旅行轎車等7款車型的正式上市，廠商建議零售價格為36.38萬元至53.88萬元。新一代梅賽德斯-AMG C 63和C 43系列包括了轎車、轎跑車和旅行轎車在內(nèi)的7款車型，廠商建議零售價格為61.88萬元至118.58萬元。承襲自邁巴赫經(jīng)典設(shè)計的的梅賽德斯-邁巴赫S 680雙調(diào)典藏型轎車也在本次車展正式上市，廠商建議零售價格為309.88萬元。全新梅賽德斯-奔馳E 300敞篷轎跑車也在車展現(xiàn)場同步上市，廠商建議零售價格為71.88萬元。

試驗材料取自江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院土槽試驗場，油菜品種為F17W82-n747，該材料品種抗裂角性適中，利于參數(shù)評價。剪取油菜主枝中部長勢相同、無病蟲害的完整角果，25 ℃恒溫下室內(nèi)自然干燥25 d備用。

2.2.2 試驗方法

若碰撞儀碰撞頻率過高，碰撞力過大，使被測角果在短時間內(nèi)全部破損；若碰撞力過小，角果不易破裂，試驗結(jié)果重復(fù)性差，無法進行抗裂角差異性比較。為得到合理的碰撞參數(shù)，在擺動電機轉(zhuǎn)速為40、60、80 r/min，移動電機轉(zhuǎn)速為50、75、100 r/min的條件下做兩因素三水平試驗，共9組試驗條件，每個試驗條件下重復(fù)5次試驗，對角果抗裂角指數(shù)結(jié)果及變異系數(shù)進行分析，并分析擺動電機轉(zhuǎn)速與移動電機轉(zhuǎn)速兩因素間的交互作用對結(jié)果的影響。

2.2.3 結(jié)果分析

試驗結(jié)果與方差分析如表2、3。由結(jié)果可知，擺動電機轉(zhuǎn)速效應(yīng)顯著（=422.528，=0.000<0.05），運動是碰撞的主要來源，對試驗結(jié)果影響很大；移動電機轉(zhuǎn)速效應(yīng)不顯著（=2.312，=0.118>0.05），尤其當擺動電機轉(zhuǎn)速較高時，移動電機在碰撞過程中起輔助作用，對試驗結(jié)果影響較??；而兩因素間的交互效應(yīng)并不顯著（=1.188，=0.338>0.05），由試驗過程觀察及結(jié)果分析可知，當移動電機轉(zhuǎn)速與擺動電機轉(zhuǎn)速相近時，如試驗組號8，會偶爾產(chǎn)生共頻，使鋼球在運動過程中產(chǎn)生離心力繞料盒做圓周運動，從而影響試驗結(jié)果，因此試驗過程中應(yīng)避開共頻的產(chǎn)生。

試驗結(jié)果穩(wěn)定性好、重復(fù)性高是重要的評價指標，由碰撞結(jié)果可知，當擺動電機轉(zhuǎn)速為80 r/min，移動電機轉(zhuǎn)速為100 r/min時，試驗結(jié)果變異系數(shù)為8.16%，重復(fù)性最好，但由于鋼球碰撞力過大，致使角果抗裂角指數(shù)過小，僅為0.169，使不同品種抗裂角指數(shù)整體較小，不利于不同品種間的區(qū)分評價；而當擺動電機轉(zhuǎn)速為40 r/min時，不同移動電機轉(zhuǎn)速水平條件下，角果抗裂角指數(shù)均值變化范圍為0.689～0.779，角果破裂數(shù)較少，對于抗裂角品種測試抗裂角指數(shù)均很高，不利于品種間抗裂角性的區(qū)分；前人研究表明F17W82-n747為抗裂角性較抗品種，因此應(yīng)選擇測試結(jié)果抗裂角指數(shù)適中，在0.3～0.4之間的抗裂角指數(shù)為宜，故而選取擺動電機轉(zhuǎn)速60 r/min，移動電機轉(zhuǎn)速75 r/min時為適宜碰撞參數(shù)，此時碰撞力適中，角果抗裂角指數(shù)為0.358，變異系數(shù)為8.35%，結(jié)果重復(fù)性好，利于不同品種間的測試評價。

表2 不同碰撞參數(shù)與結(jié)果

表3 效應(yīng)檢驗方差分析

3 二自由度碰撞與搖床碰撞對比試驗

3.1 試驗材料

試驗材料為本課題組收集的其他科研院所關(guān)于抗裂角性研究的油菜品種，其品種來源、抗裂角特性、品種代號等如表4，根據(jù)各單位工作人員的前期研究結(jié)果，其中易裂角品種6個，抗裂角品種9個。各品種于2016-10-19種植于江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院土槽試驗場，種植方式為人工直播，行距30 cm，株距15 cm。于2017-05-10至2017-05-13，油菜黃熟期時，選取長勢顏色相同的植株，每個品種隨機選取5株，剪取其主枝及1個分枝并掛牌標記，25 ℃恒溫下室內(nèi)自然干燥25 d，剩余植株田間自然生長備用進行田間角果抗裂角性對比試驗。并使用游標卡尺測量不同品種的角果長度、寬度、厚度及角喙長度，重復(fù)5次求平均值，對各品種角果形態(tài)進行分類，角果長度大于75 mm為長型，角果寬度大于5 mm為粗型，反之則為細型、短型。

表4 油菜品種及特性

3.2 試驗方法

不同品種干燥后的油菜主枝上、中、下部剪取長勢相同、無病蟲害的角果共120個，分成兩份放入兩個密封袋中標記保存，每袋60個。經(jīng)統(tǒng)計，其中4個品種角果屬于細短型，1個品種屬于粗短型，6個品種屬于粗長型，4個品種屬于細長型，干燥后不同品種角果形態(tài)代表如圖5所示。并使用深圳市海濱儀器有限公司SFY-20紅外線快速水分測定儀對各品種角果含水率進行測量，結(jié)果顯示各品種角果含水率范圍在13.15%～14.21%之間，基本一致。

圖5 不同角果形態(tài)對比圖

首先根據(jù)第2節(jié)適宜的碰撞參數(shù)與方法，使用二自由度碰撞測試儀對15個油菜品種進行抗裂角測試，重復(fù)3次，計算抗裂角指數(shù)平均值。然后參照彭鵬飛改進后隨機碰撞法的碰撞參數(shù)與方法，關(guān)閉擺動機構(gòu)驅(qū)動電機，放置8個鋼珠，移動位移調(diào)至20 mm，轉(zhuǎn)速調(diào)至280 r/min，每隔2 min記錄破碎角果數(shù)，使用本碰撞儀模擬搖床試驗，對另一份15個油菜品種備用角果進行抗裂角性測試，根據(jù)公式（11）計算其SRI，對比兩種方法試驗結(jié)果。

3.3 結(jié)果分析

兩種方法鑒定角果抗裂角指數(shù)（SRI）試驗對比結(jié)果如圖6。搖床碰撞測試15個油菜品種SRI范圍為0.127～0.983，平均值為0.549，平均標準偏差為0.025 6，其中6個易裂角品種的SRI范圍為0.103～0.437，并有4個品種SRI>0.9，變化范圍為0.900～0.983；使用二自由度碰撞方法鑒定SRI范圍為0.008～0.948，平均值為0.370，平均標準偏差為0.020 3，6個易裂角品種中有5個抗裂角指數(shù)<0.1，而搖床碰撞4個SRI>0.9的品種對應(yīng)結(jié)果為0.663～0.948，僅有一個品種SRI>0.9。對兩種測試方法結(jié)果進行相關(guān)性分析，兩結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.963 (<0.05)，說明二自由度碰撞方法與搖床隨機碰撞方法鑒定結(jié)果總體趨勢一樣，鑒定方法可靠。

圖6 2種方法鑒定15個油菜品種抗裂角指數(shù)結(jié)果對比

由分析結(jié)果可知，二自由度碰撞測試方法相對搖床隨機碰撞法平均抗裂角指數(shù)要小，平均標準偏差更小，說明二自由度碰撞方法碰撞力更大，碰撞更均勻，試驗結(jié)果穩(wěn)定性較高；并且搖床隨機碰撞法對于抗裂角性較強的油菜品種區(qū)分度相對較差，難以區(qū)分各品種間的差異性，而二自由度碰撞測試儀可以很好的將抗裂角品種區(qū)分開，并且對于不利于機械化收獲的易裂角品種，雖然區(qū)分度不明顯，但是可以將其迅速篩選出來，利于篩選更為可靠的適宜機械化收獲的抗裂角油菜品種。

4 田間角果與室內(nèi)干燥角果抗裂角性對比試驗

角果抗裂角性的優(yōu)劣與含水率有顯著關(guān)系，角果失水是角果開裂的主要起因，但油菜角果的抗裂角性大小受多因素影響，不僅與含水率相關(guān)，其與生長素的含量、纖維素酶活性、細胞壁物質(zhì)降解，細胞分離等都相關(guān)，因此油菜角果抗裂角性是一個實時變化的過程，室內(nèi)干燥的油菜角果與田間自然生長的角果含水率雖然都在不斷下降，但角果體內(nèi)的各激素及物質(zhì)含量變化不同，均影響角果的抗裂角性[26-30]，因此，對同水平含水率條件下田間油菜角果與曬后油菜角果的抗裂角性進行對比試驗，對田間角果實時檢測的重要性進行研究。

4.1 試驗材料與方法

試驗于2017-05-25至2017-05-28，在油菜角果成熟后期，角果全部變黃并開始變干時，將二自由度碰撞測試儀移至田間試驗場，對土槽試驗場田間自然生長的15個油菜品種的田間角果進行抗裂角性實時測試。試驗時選取田間成熟度相同的油菜植株，剪取油菜主枝中部長勢相同、顏色相近、無病蟲害的完整角果70個，其中10個角果用于測量其含水率，剩余角果用于角果抗裂角性測試，測試方法同樣參照第2節(jié)的碰撞參數(shù)與方法，每個品種重復(fù)3次試驗，計算抗裂角指數(shù)均值；室內(nèi)角果試驗干燥條件參照3.1。

4.2 結(jié)果與分析

田間實時檢測的角果抗裂角指數(shù)均值與室內(nèi)干燥后角果抗裂角指數(shù)均值結(jié)果對比如圖7所示。對于田間進行實時測試的油菜角果，因采樣時不同品種角果成熟度略有差異，因此其角果含水率也略有不同。經(jīng)測試得室內(nèi)干燥后各品種角果含水率在13.15%～14.21%之間，田間角果含水率除品種n741含水率為11.34%，其余品種角果含水率范圍在13.54%～21.69%之間，相比于與室內(nèi)干燥后的角果含水率基本屬于同水平或相對略高。經(jīng)試驗測試得田間油菜角果SRI范圍為0.013～0.553，而由3.3節(jié)可知，同種測試參數(shù)與油菜品種條件下，對應(yīng)的室內(nèi)水分平衡后角果SRI范圍為0.008～0.948，二者結(jié)果差異顯著（=0.01<0.05）。

圖7 田間實測與室內(nèi)干燥后角果抗裂角指數(shù)對比

由圖7可知，對于極易裂角的油菜品種（品種序號1，3～6），二者結(jié)果差異不大，其SRI均在0.1以下，而對于抗裂角相對較好的油菜品種（7～15），二者結(jié)果差異顯著（=0.026<0.05），如品種15W2130-6（序號13），田間角果含水率為14.54%，抗裂角指數(shù)為0.372，雖然田間角果含水率與室內(nèi)干燥后角果基本相等，但其角果抗裂角性顯著低于室內(nèi)干燥后的角果，這說明角果抗裂角性不僅與含水率有關(guān)，其是一個跟隨植株生長動態(tài)變化的過程。因此，為篩選利于機械化聯(lián)合收獲的油菜品種，對田間角果抗裂角性進行實時測試是十分重要的。

5 結(jié) 論

1）本文從機械化收獲油菜實際工況出發(fā)，提出使用二自由度碰撞測試儀對角果抗裂角性進行測試的方法，并對二自由度運動與搖床運動條件下的鋼球運動進行了理論分析與仿真模擬，結(jié)果表明搖床碰撞鋼球最大速度為0.128 m/s，最小速度為0.055 m/s，一半鋼球出現(xiàn)打滑無位移情況；二自由度下鋼球的速度均超過0.1 m/s，平均速度為0.164 m/s，鋼球運動更均勻。

2）通過試驗得出適宜碰撞參數(shù)為擺動電機轉(zhuǎn)速為60 r/min，移動電機轉(zhuǎn)速75 r/min，此碰撞參數(shù)下對抗裂角性適中品種F17W82-n747試驗裂角指數(shù)為0.358，變異系數(shù)為8.35%，試驗結(jié)果重復(fù)性好，抗裂角指數(shù)適中，在0.3～0.4之間，利于不同品種間抗裂角性的測試評價。

3）通過對比試驗得出，二自由度碰撞技術(shù)相比于搖床隨機碰撞，對易裂角品種區(qū)分度不明顯，可以將不利于機械化收獲的品種迅速排除；搖床碰撞法4個SRI>0.9的抗裂角品種對應(yīng)二自由度結(jié)果為0.663～0.948，說明二自由度碰撞法對于抗裂角性很強的品種區(qū)分度更好；根據(jù)田間角果與室內(nèi)干燥角果抗裂角性對比試驗可知，相同角果含水率條件下，田間實時檢測的角果抗裂角性相比黃熟期剪取進干燥后的角果抗裂角性相對較差，說明了實時檢測的重要性。由此可知，二自由度隨機碰撞技術(shù)具有重復(fù)性好、對抗裂角性區(qū)分度高、可田間實時檢測的優(yōu)點。

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Technology of 2-DOF collision testing for rape pod shatter resistance

Qing Yiren, Li Yaoming※, Ma Zheng, Xu Lizhang, Yang Yi

(212013,)

The rape pod shatter resistance is the main factor affecting for mechanical harvesting loss. In order to choose more suitable varieties with strong pod shatter resistance for mechanized harvesting, the study proposed a testing technology with 2 degree of freedom(2-DOF) collision tester, it was simple and easy to move, so we could evaluating the pod shatter resistance real-time in field, and it also had the advantages of test results with good repeatability and high discrimination. To study the method of 2-DOF in detail, the tester structure principle and the parameters designed were analyzed, and the motion characteristics of the 2-DOF collision tester was calculated by Matlab. Then the different motion characteristics of steel ball under 2-DOF compound motion and shaking table reciprocating motion were simulatedby EDEM, respectively. The simulation results showed that the steel ball’s speed was higher and more uniform by 2-DOF collision, however, the velocity distribution was uneven comparatively under table collision, so we considered the 2-DOF collision was more reliable.Further the reasonable test parameters of 2-DOF was studied by testing, and 2-DOF collision testing and shaking table collision were compared. In order to study the importance of real-time test in the field, the pod shatter resistance index(SRI) of 15 varieties was tested, and the difference of SRI between the field pods and dried pods indoor under the same moisture condition was also analyzed. The results showed that the 60 r/min of swing motor speed and 75 r/min of moving motor speed were the suitable collision parameters. Under this collision condition, the SRI was 0.358 and the coefficient of variation of SRI was 8.35%. And the range of SRI by 2-DOF collision was 0.008-0.948 and average value was 0.370 under 15 varieties comparative test, but the table collision results performed higher, the range was 0.127-0.983 and average value was 0.549 correspondingly, meanwhile the mean standard deviation of 2-DOF was 0.020 3, accordingly result of shaking table collision was 0.025 6. This showed that the method of 2-DOF was more reliable and repeatable than the table collision. In addition, we found that the SRI of 4 varieties with strong shatter resistance was greater than 0.9, while the SRI of 2-DOF was 0.663-0.948, respectively. It indicated that the 2-DOF had a good effect on identifying cultivars with strong pods shatter resistance, but for the varieties with particular poor pod shatter resistance, the SRI were all less than 0.1 by 2-DOF collision, which could quickly and easily exclude pod varieties with poor pod crushing resistance. In addition, the correlation coefficient of the result between the two testing methods was analyzed(0.963 (<0.05)), it indicated that the two methods had the same general trend of the evaluation result, so the identification method of 2-DOF was reliable and practicable. And last, we found the results of SRI range was 0.013-0.553 via the pod testing in field of 15 rape varieties, as well as the SRI was 0.008-0.948 by dried pods indoor. The results showed that pod resistance in the field was significantly smaller, indicating that water was not the only factor affecting pod resistance, so real-time field testing of pod was needed. In conclusion, the real-time test of 2-DOF SRI can reflect the actual situation of pods in mechanized harvesting period, screen out more reliable rapeseed varieties, and help to determine the optimal harvesting time for mechanized harvesting.

crops; kinematics; optimization; rape pod; pod shatter resistance; 2 degree of freedom; comparison; collision

2018-09-19

2019-02-19

國家自然科學(xué)基金資助項目（31671590）

青苡任，四川南充人，博士生，從事油菜低損失收獲方向研究。Email：1241266091@qq.com

李耀明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及理論研究。Email：yml@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.005

S225.99

A

1002-6819(2019)-05-0033-08

青苡任，李耀明，馬 征，徐立章，楊 毅. 油菜角果抗裂角性二自由度碰撞測試方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(5)：33－40. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.005 http://www.tcsae.org

Qing Yiren, Li Yaoming, Ma Zheng, Xu Lizhang, Yang Yi. Technology of 2-DOF collision testing for rape pod shatter resistance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 33－40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.005 http://www.tcsae.org