玉米芽種壓縮特性研究

李衣菲　衣淑娟　牟忠秋　張東明　毛欣

摘要：玉米種子在催芽和育秧等環(huán)節(jié)會(huì)受壓縮載荷作用。不同放置方式及不同含水率的芽種所能承受的壓縮載荷、由壓縮載荷引起的破壞能以及其抗壓強(qiáng)度不同。因此為降低玉米芽種的損傷率，需對(duì)芽種壓縮力學(xué)性能進(jìn)行研究。以含水率為15.2%、25.6%、35.7%的黑龍江省常用玉米芽種德美亞1號(hào)為研究對(duì)象，以CTM2050微機(jī)控制萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)工具，對(duì)不同含水率芽種在平放、側(cè)放、立放條件下，研究壓縮載荷隨壓縮位移的變化規(guī)律以及破壞能、抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，芽種放置方式和含水率對(duì)破壞載荷、破壞能和抗壓強(qiáng)度均有影響。

關(guān)鍵詞：玉米芽種;壓縮載荷;壓縮位移;含水率;破壞能;抗壓強(qiáng)度;玉米播種機(jī);設(shè)計(jì)改進(jìn)

中圖分類號(hào)： S223.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）08-0234-04

玉米是世界上第三大糧食作物，至今已有400余年的種植歷史[1]。玉米是重要的食品、飼料?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)為提高玉米產(chǎn)量，多采用工廠化育秧方式育株[2]。在工廠化育秧過程中，工作部件會(huì)與芽種產(chǎn)生碰撞與擠壓，致使芽種破碎或破裂，阻礙玉米的全苗、壯苗，直接影響芽種成活率，從而導(dǎo)致玉米減產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)虧損。目前學(xué)者對(duì)水稻芽種的壓縮特性、草料的應(yīng)力松弛壓縮特性、蘋果果實(shí)在不同壓縮速率下的壓縮特性以及馬鈴薯在不同放置方式、不同加載速度條件下的壓縮特性進(jìn)行了研究，而對(duì)玉米芽種在不同放置方式下，壓縮載荷隨壓縮位移的變化規(guī)律以及壓縮過程中破壞能和抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律研究甚少。于恩中對(duì)水稻芽種的壓縮敏感特性進(jìn)行研究并指出，水稻芽種芽體與基體連接部最易損傷，研究氣吸式排種器時(shí)應(yīng)特別注意[3]。畢玉革等對(duì)3種新鮮草物料的壓縮特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出壓縮密度對(duì)壓縮力以及品種對(duì)草物料壓縮力的影響規(guī)律[4]。李小昱等通過對(duì)蘋果進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測定和分析了其力-變形曲線的特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加載速率與壓頭型式對(duì)生物屈服力、破裂力與變形量的大小有影響[5]。王詠梅等運(yùn)用CMT2502型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，在5種不同加載速率下對(duì)不同品種馬鈴薯進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，并用SPSS軟件分析力學(xué)特性變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同加載速率對(duì)壓縮載荷影響顯著，而加載方向?qū)嚎s載荷影響不顯著[6]。

本研究利用微機(jī)控制的電子拉壓試驗(yàn)機(jī)，對(duì)黑龍江省常見玉米品種德美亞1號(hào)芽種進(jìn)行靜態(tài)壓縮破損試驗(yàn)，測定不同含水率、不同放置方式的玉米芽種破裂時(shí)的壓縮力，分析破壞能、抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律，以期為玉米播種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供借鑒。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

德美亞1號(hào)玉米芽種，含水率分別為15.2%、25.6%、35.7%。

1.2試驗(yàn)儀器

CTM2050微機(jī)控制萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)（圖1）、擠壓壓頭（圖2）等。

1.3試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2016年2月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)收獲實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)前，選取德美亞1號(hào)包衣玉米籽粒置于10～15 ℃ 的溫水中浸泡40～48 h，待80%左右籽?！奥栋住睍r(shí)，取芽種晾曬至含水率為15.2%、25.6%、35.7%，開始試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將不同含水率的德美亞1號(hào)芽種以平放、側(cè)放、立放3種方式置于壓縮夾具中心，上壓縮板靜止不動(dòng)，下壓縮板以25 mm/min的速度緩緩向上運(yùn)動(dòng)，參數(shù)設(shè)定見圖3。上壓縮板的壓頭接觸到芽種時(shí)電子顯示屏開始記錄，當(dāng)玉米種子因受力過大而破裂時(shí)，壓力驟減而自動(dòng)停機(jī)，此時(shí)記錄狀態(tài)停止，記錄電腦屏幕上的各個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)含水率重復(fù)20次，評(píng)估在相應(yīng)含水率下德美亞1號(hào)玉米芽種的壓縮破損特性。每次試驗(yàn)應(yīng)保證選擇品種體積、形態(tài)大致相同的籽粒，測量水分后放置在密封袋中保存。試驗(yàn)時(shí)將種子放置在壓頭中心，在立放和側(cè)放時(shí)用鑷子輕輕夾住籽粒，以保證在中心位置壓縮。

2結(jié)果與分析

2.1壓縮特性分析

選取具有普遍性和代表性的德美亞1號(hào)芽種壓縮試驗(yàn)曲線，分析其平放、立放、側(cè)放下力-位移曲線的變化規(guī)律。

2.1.1不同放置方式單個(gè)玉米芽種的壓縮特性分析

圖4為德美亞1號(hào)芽種芽長為1 mm、含水率為35.7%平放、側(cè)放、立放時(shí)的載荷-位移關(guān)系圖，可以看出，平放、側(cè)放、立放時(shí)的壓縮載荷整體隨壓縮位移的增加而增大，芽種平放時(shí)所能承受的壓縮載荷遠(yuǎn)大于芽種側(cè)放與立放時(shí)，且至芽種破裂時(shí)，平放所需壓縮位移最小，側(cè)放次之，立放最大。

芽種平放時(shí)，壓縮位移在0.37 mm前，曲線增長緩慢，壓縮載荷有小部分增長，變化范圍為0～15.28 N;之后，隨著壓縮位移的繼續(xù)增加，壓縮載荷快速增加，壓縮載荷增加幅度較均勻，在1.52 mm處，壓縮載荷達(dá)到最大值，為227.48 N，籽粒被壓碎，壓縮位移與壓縮載荷的變化近似成正比。芽種側(cè)放時(shí)，隨著壓縮位移的增加，壓縮載荷逐漸增加，載荷增加幅度較均勻，在2.45 mm處，壓縮載荷達(dá)到最大值，為67.06 N，籽粒破碎，此壓縮載荷是芽種側(cè)放時(shí)所能承受的最大載荷;隨著位移的繼續(xù)增加，載荷快速下降。芽種立放時(shí)，在達(dá)到最大力前，曲線呈凹函數(shù)式增長，沒有波動(dòng)點(diǎn)，壓縮位移為 3.47 mm 時(shí)，壓縮載荷最大，為29.02 N;壓縮載荷最大處為芽種斷裂分界點(diǎn)，壓縮位移≥3.47 mm時(shí)，芽種斷裂。將上述試驗(yàn)各重復(fù)20次，得到平放時(shí)芽種破損最大載荷平均值為206.36 N，側(cè)放時(shí)為65.20 N，立放時(shí)為31.29 N。

2.2破壞能等壓縮特性分析

2.2.1破壞能、抗壓強(qiáng)度壓縮特性指標(biāo)定義

2.2.1.1破壞能

破壞能是物料在壓縮載荷作用下，變形試驗(yàn)曲線上的破壞力點(diǎn)以前的曲線與變形軸所圍成的面積。表示方式為W=∫ΔDF0FdD。（1）

式中：W為破壞能，J;F為試驗(yàn)破壞點(diǎn)處作用力值，N;∫ΔDF0為試驗(yàn)載荷變化范圍;dD為試驗(yàn)載荷變化范圍微分，即試驗(yàn)相鄰采集點(diǎn)處變形差。

2.2.1.2抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是外力施壓時(shí)的強(qiáng)度極限。

p=F1/A。（2）

式中：p為抗壓強(qiáng)度，MPa;F1為壓力，N;A為剖面面積，mm2。

2.2.2含水率對(duì)壓縮力學(xué)指標(biāo)的影響

本研究分析平放、立放與側(cè)放玉米芽種在靜壓力試驗(yàn)條件下，壓縮載荷隨含水率的變化規(guī)律及含水率對(duì)破壞能等壓縮特性的影響，進(jìn)而比較芽種在不同受力部位下破損的難易程度。

2.2.2.1芽種平放時(shí)含水率對(duì)壓縮力學(xué)指標(biāo)的影響

在不同含水率、同一芽長條件下，以德美亞1號(hào)為例進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到在平放條件下，壓縮載荷與壓縮位移的關(guān)系曲線。由圖5可知，在平放條件下，隨著壓縮位移的增加，壓縮載荷增加，但是增加的幅度不同，在低含水率時(shí)，壓縮載荷的增加幅度略大于高含水率。當(dāng)含水率為15.2%時(shí)，芽種在壓縮位移在 1.23 mm 處籽粒破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為216.49 N;當(dāng)含水率為25.6%時(shí)，芽種在壓縮位移為1.59 mm處籽粒破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為212.18 N;當(dāng)含水率為35.7%時(shí)，芽種在壓縮位移為1.68 mm處籽粒破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為195.14 N?？梢?，在一定芽長條件下，芽種承受載荷的能力隨含水率的增加而降低，破碎需要的時(shí)間隨壓縮位移的增大而加長，表明含水率較大時(shí)芽種的韌性較大。

通過對(duì)同一芽長的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到芽種含水率對(duì)破壞能、抗壓強(qiáng)度的影響（圖6、圖7）。

利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)曲線進(jìn)行回歸，由表1可得，含水率對(duì)破壞能和抗壓強(qiáng)度均有影響，二者均在一定范圍內(nèi)隨含水率的增加而減小，采用多項(xiàng)式回歸擬合的決定系數(shù)大于0.98，說明回歸方程擬合較好，破壞能與抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系具有規(guī)律，可進(jìn)行常規(guī)判斷。由圖6、圖7可大致得到，芽種的含水率<25%時(shí)，破壞能數(shù)值變化較小，為 7 N·mm 左右;芽種的含水率≥25%時(shí)，破壞能數(shù)值變化增大，變化量為30 N·mm左右。隨著芽種含水率的變化，抗壓強(qiáng)度數(shù)值變化基本一致，為0.5 MPa左右。

2.2.2.2芽種側(cè)放時(shí)含水率對(duì)壓縮力學(xué)指標(biāo)的影響

在不同含水率、同一芽長條件下，以德美亞1號(hào)為例進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到側(cè)放條件下，壓縮載荷與壓縮位移關(guān)系曲線。由圖8可知，在側(cè)放條件下，隨著壓縮位移的增加，壓縮載荷先增加后減小，但是增加與減小的幅度不同，在低含水率時(shí)，壓縮載荷的增加幅度略大于高含水率。當(dāng)含水率為15.2%時(shí)，芽種在壓縮位移為1.99 mm處破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為96.56 N;當(dāng)含水率為25.6%時(shí)，芽種在壓縮位移為2.34 mm處破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為82.64 N;在含水率為35.7%時(shí)，芽種在壓縮位移為2.45 mm處破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為67.06 N?？梢?，在一定芽長條件下，芽種承受載荷的能力隨著含水率的增加而降低，破碎需要的時(shí)間隨著壓縮位移的增大而延長，表明含水率較大時(shí)芽種的韌性較大。3種含水率芽種破碎后，其所受載荷迅速減小，變化趨勢基本一致。

通過對(duì)同一芽長的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到芽種含水率對(duì)破摔能、抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響（圖9、圖10）。

利用Excel數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行回歸，由表2可知，含水率對(duì)破壞能和抗壓強(qiáng)度的影響很大，曲線變化明顯，且在一定范圍內(nèi)隨著含水率的增加二者均減小。采用多項(xiàng)式回歸擬合的決定系數(shù)均大于0.99，說明回歸方程擬合較好，破壞能與抗壓強(qiáng)度隨含水率變化關(guān)系具有規(guī)律，可進(jìn)行常規(guī)判斷。

其中抗壓強(qiáng)度為多項(xiàng)式回歸，變化范圍為1.84～2.40 MPa，變化量為 0.56 MPa，破壞能的回歸模型為線性回歸，變化范圍為 164.30～192.04 N·mm，變化量為27.74 N·mm。

2.2.2.3芽種立放時(shí)含水率對(duì)壓縮力學(xué)指標(biāo)的影響

在不同含水率、同一芽長條件下，以德美亞1號(hào)芽種為例，分析立放條件下壓縮載荷與壓縮位移的關(guān)系。由圖11可知，在立放條件下，隨著壓縮位移的增加，壓縮載荷先增加后減小，但是增加的幅度不同，在低含水率時(shí)，壓縮載荷的整體增加幅度大于高含水率。當(dāng)含水率為15.2%時(shí)，芽種在壓縮位移為 3.19 mm 處破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為69.19 N;當(dāng)含水率為 25.6% 時(shí)，芽種在壓縮位移為2.80 mm處破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為47.37 N;當(dāng)含水率為35.7%時(shí)，芽種在壓縮位移為 3.72 mm 處破碎，對(duì)應(yīng)壓縮載荷為31.58 N。可見，在一定芽長條件下，芽種承受載荷的能力隨著含水率的增加而降低，破碎需要的時(shí)間隨著壓縮位移的增大而延長，表明含水率較大時(shí)芽種的韌性較大。立放時(shí)，含水率較低的芽種承受載荷能力大于高含水率芽種。

通過對(duì)同一芽長的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到芽種含水率對(duì)破壞能、抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響（圖12、圖13）。

利用Excel數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)曲線進(jìn)行回歸，由表3可知，含水率對(duì)破壞能和抗壓強(qiáng)度的影響很大，曲線變化明顯。采用多項(xiàng)式回歸擬合的決定系數(shù)均大于0.96，說明回歸方程擬合較好，破壞能與抗壓強(qiáng)度數(shù)值隨含水率變化具有規(guī)律，可進(jìn)行常規(guī)判斷，但抗壓強(qiáng)度的回歸決定系數(shù)高于破壞能，說明抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律性更強(qiáng)。由圖12、圖13可知，破壞能與抗壓[CM（25]強(qiáng)度均在一定范圍內(nèi)隨著含水率的增加而減小，其中破壞能隨著含水率呈凹函數(shù)式變化，變化范圍為117.48～220.74 N·mm，變化量為 103.26 N·mm;抗壓強(qiáng)度隨含水率呈凸函數(shù)式變化，變化范圍為1.62～2.17 MPa，變化量為 0.55 MPa。

3結(jié)論

相同含水率的德美亞1號(hào)芽種在平放、立放條件下，壓縮載荷均隨著壓縮位移增加而增大;在側(cè)放條件下，壓縮載荷隨著壓縮位移的增加先增加后減小。至芽種破裂時(shí)，平放所能承受的壓縮載荷最大，側(cè)放次之，立放最小。芽長相同的德美亞1號(hào)芽種在平放、側(cè)放、立放條件下，所能承受的最大壓縮載荷隨著含水率的增加而減小。平放、側(cè)放、立放條件下的德美亞1號(hào)芽種的破壞能、抗壓強(qiáng)度均隨著含水率的增加而減小，且決定系數(shù)均大于0.96。

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