小白菜種子機械物理特性試驗

劉海 杜錚 李旭 郭翔 涂建東 萬勇

摘要：為得到正負氣壓組合式排種器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，研究種子變異對氣力式排種器充種性能和投種準確性的影響，對10個不同品種小白菜種子的質(zhì)量、三軸尺寸、含水率、千粒重、休止角、滑動摩擦角等進行測試并對小白菜種子寬度及球度概率分布特性進行分析。試驗測得小白菜種子寬度分布集中在1.47～1.61 mm，占總體的80%以上，寬度平均值為1.53 mm；球度分布集中在85%～95%，占總體的85%以上，球度平均值為90.41%；滑動摩擦角在ABS材料上的平均值為13.75°。小白菜種子長度和寬度方向尺寸接近，種子尺寸分布集中在各方向的平均值附近，小白菜種子在外形上近似于球形，不同品種小白菜種子之間寬度有差異。小白菜種子的承壓載荷隨著破裂測試探頭位移的增加而增大，種子破裂時承壓載荷達到最大值9.6 N，其最終的曲線變化平緩。為正負氣壓組合式排種器的設(shè)計提供重要依據(jù)，確保小白菜精量直播的播種精度，滿足小白菜標準化株距和行距等農(nóng)藝要求，以提高小白菜機械化生產(chǎn)程度和機具利用率。

關(guān)鍵詞：小白菜種子；排種器；精量播種；物理特性

中圖分類號：S223.2+3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0088-06

Abstract： In order to obtain the best structural and working parameters of positive and negative air pressure combined seed metering device， the effects of seed variation on seed filling performance and seed feeding accuracy of pneumatic seed metering device were studied. The seed mass， triaxial size， water content， 1 000grain weight， angle of repose and angle of sliding friction of 10 different varieties of pakchoi seeds were tested， and the probability distribution characteristics of seed width and sphericity of pakchoi were analyzed. The results showed that the seed width distribution of pakchoi was concentrated in 1.47-1.61 mm， accounting for more than 80% of the total， the average width was 1.53 mm. The sphericity distribution was concentrated in 85%-95%， accounting for more than 85% of the total， the average sphericity was 90.41%. The average value of sliding friction angle on ABS was 13.75°. The length and width of pakchoi seeds were close to each other， and the seed size distribution was concentrated near the average value in all directions. The shape of pakchoi seeds was similar to spherical， and the width of different varieties of pakchoi seeds was different. The pressurebearing load of pakchoi seeds increased with the increase of the displacement of rupture test probe. As the seed breaks，the maximum value of pressurebearing load was 9.6 N， and its final curve changes was unobvious. It provides an important basis for the design of positive and negative air pressure combined seed metering device， ensures the sowing accuracy of precision direct seeding of pakchoi， meets the agronomic requirements of standardized plant spacing and row spacing of pakchoi， and improves the mechanized production degree of pakchoi and the utilization rate of machines and tools.

Keywords： pakchoi seed; metering device; precision seeding; mechanical and physical properties

0引言

小白菜又稱不結(jié)球白菜，是長江中下游地區(qū)種植面積最大的葉類菜，其種子為類球形小粒徑種子，屬于農(nóng)業(yè)離散顆粒物料［12］。針對小白菜氣力式精量排種器結(jié)構(gòu)，小白菜種子的物料特性參數(shù)在排種器充種、攜種、卸種、投種等環(huán)節(jié)的作業(yè)性能有著重要影響［34］。以種子物料特性為依據(jù)，探索顆粒種子在排種器中的運動已成為農(nóng)業(yè)裝備應用研究的主流發(fā)展趨勢［5］。

近年來國內(nèi)外研究者對農(nóng)業(yè)機械工程顆粒作業(yè)對象開展了研究［614］，如黃小毛等［15］建立了油菜種子與播種機排種器工作部件的碰撞模型，利用運動方程構(gòu)建了油菜種子物料參數(shù)的測定裝置。劉彩玲等［16］提出了一種基于三維激光掃描的種子離散元建模方法，通過對不同種子離散元建模條件下種子的自然休止角進行仿真，證明了該方法提高了離散元仿真精度。劉文政等［17］根據(jù)種子物料特性創(chuàng)建了離散元模型，研究了種子離散元仿真物料特性參數(shù)，并利用試驗結(jié)合仿真的方式對種子離散元參數(shù)進行標定和校準。李俊偉等［18］對不同顆粒進行參數(shù)標定，獲得了顆粒與其接觸部件互作機制的離散元仿真模擬參數(shù)。叢錦玲［19］通過對小粒徑種子機械物理特性的研究，設(shè)計了一種氣力式排種器。實際上多數(shù)小粒徑種子外形尺寸都是非規(guī)則的，對于依靠型孔攜種的氣力式排種器而言，其作用對象的輪廓形狀對作業(yè)過程會產(chǎn)生很大影響。

綜上所述，目前針對小白菜種子相配套種植機械的研究與設(shè)計較少，且針對小白菜種子的物理特性研究不多。本文以排種器作業(yè)過程中的小白菜種子為研究對象，通過對小白菜種子的幾何參數(shù)、物理參數(shù)的測定，為精量播種小白菜種子排種和分級方法的選擇與設(shè)計提供基本的試驗數(shù)據(jù)，同時也為小白菜、油菜等類球形小粒徑種子離散元模型的研究提供參考。

1材料與方法

1.1供試材料

小白菜種子為小粒徑類球形，其幾何尺寸和形狀都為隨機變量，它們直接影響種子從種箱口進入排種器內(nèi)腔的過程，以及小白菜種子在排種器內(nèi)腔中的分布狀態(tài)，進而影響了排種器的工作性能。排種器工作時的主要過程有充種過程、攜種過程和投種過程，其對應的工作性能為充種性能、攜種性能和投種性能。排種器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)種盤的型孔形式、型孔直徑、排種口的尺寸設(shè)計參數(shù)都與小白菜種子的幾何尺寸和形狀密切相關(guān)。為得到正負氣壓組合式排種器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，研究種子變異對氣力式排種器充種性能和投種準確性的影響，有必要對小白菜種子的機械物理特性進行試驗分析。

種子相關(guān)機械物理特性直接決定影響種子在排種器中的充種及排種能力，因此研究種子的機械物理特性是排種器設(shè)計研究的一個重要前提條件。本文用于測試及試驗的種子為小白菜種子，主要以長江中下游地區(qū)常見的10個不同品種小白菜種子為研究對象，購買10個品種密封袋裝小白菜種子，在同一溫度、濕度、光照環(huán)境下進行試驗，測定其質(zhì)量、三軸尺寸、含水率、千粒重、休止角、滑動摩擦角。

1.2測定方法

1.2.1小白菜種子三軸尺寸的測定

三軸尺寸是指小白菜種子的長度L、寬度W、高度H，三軸尺寸對排種器中排種盤和型孔的尺寸設(shè)計具有重要影響。隨機抽取各品種小白菜種子100粒，利用數(shù)顯游標卡尺測量種子的長度、寬度、高度。小白菜種子為類球形，其長度、寬度、高度定義沿三坐標方向，如圖1所示。根據(jù)種子的長度L、寬度W、高度H確定其當量直徑De和球度SP［20］。

1.2.2種子含水率的測定

種子的含水率是指供試種子所含的水分重量與種子重量的百分比，在同一溫度、濕度、光照環(huán)境下，將種子處理后測量各品種的含水率。采用數(shù)顯電熱恒溫鼓風干燥箱進行小白菜種子含水率的測定，種子樣品放入干燥箱恒溫區(qū)，溫度設(shè)置為105 ℃，持續(xù)烘干時間設(shè)置為12 h，取出冷卻至室溫再稱重即可得到種子含水率。

1.2.3千粒重的測定

顆粒狀種子的千粒重是指1 000粒種子干凈無損傷的完整種子的質(zhì)量。使用微電腦自動數(shù)粒儀，將各品種小白菜種子數(shù)1 000粒后，利用電子天平稱重，各組重復6次，取其平均值表示。

1.2.4種子容重的測定

種子的容重是氣力式精量排種器種箱及排種盤型孔設(shè)計的重要依據(jù)。種子的容重是指單位容積內(nèi)種子的絕對質(zhì)量，在同一溫度、濕度、光照環(huán)境下種子容重的大小受其他多種因素的影響，如種子大小、球度、接觸材料及種子生理特性影響。

挑選出完整的小白菜種子并清除雜質(zhì)，利用1 000 mL 的量筒內(nèi)裝滿種子，利用外在顫振和擠壓作用，使種子與種子之間的間隙達到最小。將量筒內(nèi)種子倒出，利用天平稱獲取其質(zhì)量，根據(jù)種子的質(zhì)量與體積計算出容重。各品種種子測試試驗數(shù)為6組，取其平均值表示。

1.2.5種子休止角的測定

種子休止角又稱為種子靜止摩擦角或堆積角，與種子的尺寸、形狀、濕度、密度等有關(guān)。利用休止角測定裝置使小白菜種子以一定高度自然下落堆積成種子堆錐體，測定錐體高度和錐體直徑，不同品種小白菜種子測試組休止角取平均值，休止角測定裝置如圖2所示。

1.2.6種子滑動摩擦角的測定

滑動摩擦角反映了種子與接觸表面的滾動摩擦特性。為獲取不同品種小白菜種子滑動摩擦角，利用滑動摩擦角測定裝置，采用斜面法，開展小白菜種子滑動摩擦角測定試驗。試驗時，將待測小白菜種子堆積在可調(diào)節(jié)斜面（ABS材料）上，通過調(diào)整斜面角度，待小白菜種子剛開始滾動時，斜面與水平面的角度即為小白菜種子的滑動摩擦角。重復測定6次取其平均值，測定裝置如圖3所示。

1.2.7種子最大硬度及承壓載荷的測定

抗壓強度是小白菜種子機械物理特性的重要參數(shù)之一，為避免種子破損導致出苗率低，應選擇抗壓強度較大的小白菜種子。采用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀對種子進行壓縮性試驗，每一品種的種子隨機選取30粒測定，取其平均值可獲取種子最大硬度及承壓載荷。試驗測試速度為5.00 mm/min，起始力為0.5 N，測試最大距離為1.00 mm，測定裝置如圖4所示。

2結(jié)果與分析

2.2小白菜種子物理特性分析

2.2.1小白菜種子形狀特性分析

由表1可知，小白菜種子的長度和寬度方向尺寸接近，其差值范圍為0.15～0.23 mm，而且長度尺寸相對較小，厚度尺寸相對較大，種子尺寸分布較集中在各方向的平均值附近。這種小白菜種子在外形上近似于球形，外形飽滿。由臺架試驗數(shù)據(jù)可知，正負氣壓組合式排種器對這類小白菜種子具有較好的適應性，采用該小白菜品種播種時，排種器的合格率較高，同時排種器的重播率、漏播率和株距變異系數(shù)均較小。

2.2.2小白菜種子寬度概率分布分析

小白菜種子的寬度是設(shè)計排種器排種盤型孔形狀和大小的重要依據(jù)，根據(jù)不同品種小白菜種子在同一作業(yè)環(huán)境下的分布規(guī)律進行排種盤型孔的分類，以滿足小白菜種子精量播種要求。小白菜種子寬度概率分布如圖5所示。

由圖5可知，10個不同品種小白菜種子的寬度呈近似正態(tài)分布。小白菜種子寬度分布集中在1.47～1.61 mm，占總體的80%以上，寬度平均值為1.53 mm，10個不同品種小白菜種子之間寬度有差異。

2.2.3小白菜種子球度分布分析

小白菜種子的球度是指種子接近球體的程度，與種子三軸尺寸密切相關(guān)，是設(shè)計影響排種器攜種過程的關(guān)鍵因素，根據(jù)不同品種小白菜種子在同一作業(yè)環(huán)境下的分布規(guī)律進行篩選，以滿足小白菜種子精量播種要求。小白菜種子球度概率分布如圖6所示。

由圖6可知，10個不同品種小白菜種子的球度分布集中在85%～95%，占總體的85%以上，球度平均值為90.41%，10個不同品種小白菜種子的球度較好。

2.2.4小白菜種子滑動摩擦角分析

由表1可知，10個不同品種小白菜種子的滑動摩擦角在ABS材料上的平均值為13.75°，各品種小白菜種子的滑動特性比較好。由表2可知，不同品種小白菜種子之間在ABS材料上的滑動摩擦角差異在P＜0.05和P＜0.01處均不顯著。

小白菜種子滑動摩擦角和種子與種子間、種子與接觸材料間的摩擦特性緊密相關(guān)，可由此確定排種器種箱與氣室的結(jié)構(gòu)形式，以優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)。

2.2.5小白菜種子最大硬度及承壓載荷分析

圖7為隨機選取的小白菜種子載荷與位移關(guān)系，由圖7可知，隨機放置種子時，種子的承壓載荷隨著位移的增加而增大，在0.41 mm時承壓載荷達到5.5 N，形成第1個峰值，此時種子接觸破裂測試探頭的部位受壓產(chǎn)生裂紋；位移繼續(xù)增加時，承壓載荷先降后升，在1.00 mm處承壓載荷達到最大值9.6 N，此時種子破裂；破裂測試探頭繼續(xù)下降，承壓載荷隨著位移的增加而減小，位移為1.00～1.28 mm時，承壓載荷由9.6 N 減小至0.1 N；隨著位移繼續(xù)增加，承壓載荷下降幅度較小，曲線變化平緩。小白菜種子最大硬度及承壓載荷與排種盤結(jié)構(gòu)參數(shù)及排種器氣室氣壓相關(guān)，為排種器的設(shè)計提供參考。

3結(jié)論

1）? 10個不同品種小白菜種子的寬度呈近似正態(tài)分布。小白菜種子寬度分布集中在1.47～1.61 mm，占總體的80%以上，寬度平均值為1.53 mm，10個不同品種小白菜種子之間寬度有差異。

2）? 10個不同品種小白菜種子的球度分布集中在85%～95%，占總體的85%以上，球度平均值為90.41%，10個不同品種小白菜種子的球度較好。

3）? 10個不同品種小白菜種子的滑動摩擦角在ABS材料上的平均值為13.75°，各品種小白菜種子的滑動特性比較好，不同品種小白菜種子之間在ABS材料上的滑動摩擦角差異在P＜0.05和P＜0.01處均不顯著。

4）? 小白菜種子的承壓載荷隨著位移的增加而增大，種子接觸破裂測試探頭的部位受壓產(chǎn)生裂紋，種子破裂時承壓載荷達到最大值9.6 N，隨后承壓載荷隨著破裂測試探頭位移的增加而減小，其最終的曲線變化平緩。

小白菜種子基本物理特性參數(shù)是影響排種器設(shè)計和排種性能的最主要因素。因此，應根據(jù)小白菜種子物理特性設(shè)計計算排種器各參數(shù)，滿足播種要求的同時使排種器盡可能適應同一品種的大多數(shù)種子，同時能滿足不同品種的小白菜種子。

參考文獻

［1］中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院無. 農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊： 下冊［M］. 北京： 中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社， 2007.

［2］Wang Lei， Liao Yitao， Liao Qingxi. Design and experiment of remote control precision planter for Chinese cabbage vegetable ［J］. International Journal of Robotics & Automation， 2018， 33（2）： 208-214.

［3］陳潤方， 章道元. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化果蔬機械分冊南方本［M］. 北京： 農(nóng)業(yè)出版社， 1980.

［4］王磊. 類球形蔬菜種子精量播種機設(shè)計與試驗［D］. 武漢： 華中農(nóng)業(yè)大學， 2015.

Wang Lei. Design and experiment of precision planter for quasispherical vegetable seed ［D］. Wuhan： Huazhong Agricultural University， 2015.

［5］馬征， 李耀明， 徐立章. 農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域顆粒運動研究綜述［J］. 農(nóng)業(yè)機械學報， 2013， 44（2）： 22-29.

Ma Zheng， Li Yaoming， Xu Lizhang. Summarize of particle movements research in agricultural engineering realm ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2013， 44（2）： 22-29.

［6］Johnson A A， Daniel K D， John O A. Retailers knowledge and practices on the storage and handling of certified vegetable seeds： A case study of the Ashanti Region， Ghana ［J］. Sustainable Futures， 2021， 3： 1-8.

［7］Ozturk I， Kara M， Uygan F， et al. Restitution coefficient of chick pea and lentil seeds ［J］. International Agrophysics， 2010， 24（2）： 209-211.

［8］Landry H， Lagu C， Roberge M. Discrete element representation of manure products ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2006， 51（1）： 17-34.

［9］Coetzee C J， Els D J. Calibration of discrete element parameters and the modelling of silo discharge and bucket filling ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2009， 65（2）： 198-212.

［10］Grima A P， Wypych P W. Development and validation of calibration methods for discrete element modelling ［J］. Granular Matter， 2011， 13（2）： 127-132.

［11］楊昌敏， 唐波， 徐一， 等. 蔬菜種子物理特性試驗研究［J］. 中國農(nóng)機化學報， 2018， 39（9）： 48-50.

Yang Changmin， Tang Bo， Xu Yi， et al. Experimental study on physical properties of vegetable seed ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2018， 39（9）： 48-50.

［12］徐朋飛， 廖結(jié)安， 張厚東， 等. 毛苕子種子壓縮特性試驗研究［J］. 中國農(nóng)機化學報， 2019， 40（8）： 77-81.

Xu Pengfei， Liao Jiean， Zhang Houdong， et al. Research and analysis of Vicia Villosa seed compression characteristics test ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（8）： 77-81.

［13］賈生濤， 牛長河， 王學農(nóng)， 等. 新疆大蒜物料及力學特性試驗研究［J］. 中國農(nóng)機化學報， 2021， 42（5）： 81-86.

Jia Shengtao， Niu Changhe， Wang Xuenong， et al. Research and experiment of Xinjiang garlic materials and mechanical properties ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（5）： 81-86.

［14］陳濤， 衣淑娟， 李衣菲， 等. 北方谷子物料特性的試驗研究［J］. 中國農(nóng)機化學報， 2021， 42（5）： 75-80.

Chen Tao， Yi Shujuan， Li Yifei， et al. Experimental study on the material characteristics of northern millet ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（5）： 75-80.

［15］黃小毛， 查顯濤， 潘海兵， 等. 油菜籽粒點面接觸碰撞中恢復系數(shù)的測定及分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2014， 30（24）： 22-29.

Huang Xiaomao， Zha Xiantao， Pan Haibing， et al. Measurement and analysis of rapeseeds restitution coefficient in pointtoplate collision model ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（24）： 22-29.

［16］劉彩玲， 王亞麗， 宋建農(nóng)， 等. 基于三維激光掃描的水稻種子離散元建模及試驗［J］. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2016， 32（15）： 294-300.

Liu Cailing， Wang Yali， Song Jiannong， et al. Experiment and discrete element model of rice seed based on 3D laser scanning ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（15）： 294-300.

［17］劉文政， 何進， 李洪文， 等. 基于離散元的微型馬鈴薯仿真參數(shù)標定［J］. 農(nóng)業(yè)機械學報， 2018， 49（5）： 125-135， 14.

Liu Wenzheng， He Jin， Li Hongwen， et al. Calibration of simulation parameters for potato minituber based on EDEM ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2018， 49（5）： 125-135， 14.

［18］李俊偉， 佟金， 胡斌， 等. 不同含水率黏重黑土與觸土部件互作的離散元仿真參數(shù)標定［J］. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2019， 35（6）： 130-140.

Li Junwei， Tong Jin， Hu Bin， et al. Calibration of parameters of interaction between clayey black soil with different moisture content and soilengaging component in Northeast China ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（6）： 130-140.

［19］叢錦玲. 油菜小麥兼用型氣力式精量排種系統(tǒng)及其機理研究［D］. 武漢： 華中農(nóng)業(yè)大學， 2014.

Cong Jinling. Study on seeding system and mechanism of pneumatic precision metering device for wheat & rapeseed ［D］. Wuhan： Huazhong Agricultural University， 2014.

［20］馬云海. 農(nóng)業(yè)物料學［M］. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2015.