小籽粒種子排種物理機(jī)械特性參數(shù)的測(cè)量

張燕青，崔清亮，王豐，李紅波

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

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小籽粒種子排種物理機(jī)械特性參數(shù)的測(cè)量

張燕青，崔清亮*，王豐，李紅波

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：小籽粒種子的排種物理機(jī)械特性參數(shù)是排種方法和原理選擇、排種器結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文對(duì)谷子、苜蓿、油菜等小籽粒種子的千粒重、密度、外形尺寸、硬度、摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明：所測(cè)種子千粒重、密度范圍分別為1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3；三軸尺寸長(zhǎng)、寬、高范圍分別為1.80～3.50 mm、1.69～2.23 mm、1.14～2.00 mm；硬度范圍為11.04～41.76 N；對(duì)鋼材的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)最小，范圍為0.488～0.627、0.377～0.565。小籽粒種子排種物理機(jī)械特性參數(shù)的測(cè)量為排種原理方法的選擇、排種器結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：小籽粒種子；排種；物理機(jī)械特性；測(cè)量

小籽粒種子的粒徑較小，主要有谷子、苜蓿、芥菜等，且多數(shù)種植于我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)，地形以山地丘陵為主[1]。小籽粒種子用傳統(tǒng)的耬播與機(jī)械式條播播種量大，播種均勻性差，后續(xù)間苗、定苗工作量大，且易出現(xiàn)“苗弱、苗荒”現(xiàn)象[2]，因此，小籽粒種子的精少量或免間苗播種十分重要[3]。精少量播種質(zhì)量主要取決于排種裝置的性能，研究小籽粒種子的排種物理機(jī)械特性，為小籽粒精少量排種裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)不同種子的物理機(jī)械特性進(jìn)行了研究。任闖等[4～6]運(yùn)用機(jī)械接觸法采用游標(biāo)卡尺、千分尺測(cè)量了三七、西瓜、辣椒種子的三軸尺寸，為其排種裝置的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參數(shù)。該測(cè)量方法定位不準(zhǔn)，有誤差，操作繁瑣。Yang Ling等[7]為設(shè)計(jì)播種機(jī)對(duì)水稻包衣種子的物理特性進(jìn)行了研究。辛明金等[8]為玉米流體穴播以及濕種播種機(jī)具的設(shè)計(jì)測(cè)量了浸泡后玉米種子的三軸尺寸、摩擦角等。Razavi等[9]測(cè)量了不同種西瓜籽種子的摩擦系數(shù)。

小籽粒種子種類(lèi)多、粒徑小，針對(duì)小籽粒種子排種物理機(jī)械特性參數(shù)的專(zhuān)門(mén)研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本課題組針對(duì)小籽粒種子的排種物理機(jī)械特性，測(cè)量了小籽粒種子的三軸尺寸、摩擦系數(shù)和硬度等參數(shù)。

1材料與儀器

1.1材料

選取沁州黃、晉谷21號(hào)、噸谷3種谷子品種以及苜蓿、芥菜、白菜、油菜和芝麻種子。

1.2儀器

測(cè)量?jī)x器主要包括：電子天平，量程500 g，精度0.01 g；量筒，量程100 mL，精度1 mL；CMM-15E系列多用途投影顯微鏡，上海長(zhǎng)方光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；MXD-01型摩擦系數(shù)儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)；GWJ-Ⅱ型谷物硬度計(jì)，浙江托普有限公司生產(chǎn)。DHG-9023A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，無(wú)錫三鑫精工電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

2含水率、千粒重和密度測(cè)量

種子含水率大小對(duì)排種物理機(jī)械特性有直接影響，千粒重和密度對(duì)排種方法與原理的選擇以及排種器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有重要影響。比如，研制氣力式排種器時(shí)需要研究種子的空氣動(dòng)力學(xué)特性，在液體排種技術(shù)中，種子與液體的配制均與種子的千粒重和密度有密切關(guān)系。

2.1測(cè)量方法與步驟

采用烘干減重法[14]測(cè)量種子含水率。用電子天平、量筒測(cè)量小籽粒種子的千粒重和密度，每種種子重復(fù)測(cè)量5次，取平均值作為最終結(jié)果。

2.2測(cè)量結(jié)果

小籽粒種子含水率、千粒重、密度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　種子含水率、千粒重、密度參數(shù)

由表1可知，8種小籽粒種子的千粒重、密度相差不大。其范圍分別在1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3。其中沁州黃種子的千粒重最大，白菜種子的密度最大。

3外形尺寸測(cè)量

種子的三軸尺寸是指種子的三個(gè)軸向尺寸大小次序排列，分別定義為長(zhǎng)度、寬度和高度[10]。小籽粒種子三軸尺寸直接影響到小籽粒種子在排種器內(nèi)的流動(dòng)性與充填性等[11]，是確定排種器結(jié)構(gòu)形狀和充種原件的結(jié)構(gòu)時(shí)首先考慮的基本參數(shù)，三軸尺寸越相近，越有利于排種器的設(shè)計(jì)。采用千分尺、游標(biāo)卡尺等直接測(cè)量對(duì)種子的軸向定位不準(zhǔn)確，而且測(cè)量?jī)x器與種子直接接觸造成傷種[12]。采用投影法測(cè)量小籽粒種子的尺寸，操作簡(jiǎn)便，精度高。

3.1測(cè)量方法與步驟

每種種子隨機(jī)取出50粒，觀察小籽粒種子的形狀，初步確定其三軸方向。然后將其依次粘于涂有凡士林的載波片上進(jìn)行定位，利用投影顯微鏡測(cè)量種子的尺寸，將目鏡上的零刻度線與所測(cè)種子的邊緣重合，測(cè)量其中兩軸尺寸，再將載玻片垂直與載物臺(tái)，測(cè)量其另外一軸尺寸，如圖1所示。記錄數(shù)據(jù)時(shí)，比較三軸尺寸大小，確定其長(zhǎng)度、寬度與高度值。

圖1　投影法測(cè)量種子三軸尺寸圖Fig.1　Projection method for measurement of three axis dimension

3.2測(cè)量結(jié)果

小籽粒種子形態(tài)不一，測(cè)量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，根據(jù)斯特·杰斯(Sturges)給出的正態(tài)分布等距分組公式(1)、(2)計(jì)算組數(shù)與組距[13]。以種子的尺寸為橫坐標(biāo)，種子粒數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制頻數(shù)直方圖，得出小籽粒種子的三軸尺寸分布情況。

n=1+3.322lgN

(1)

a=R/n

(2)

式中：n——組數(shù)；

N——單位數(shù)/50粒；

a——組距/mm；

R——全距/mm。

以沁州黃種子為例，算得其長(zhǎng)組距、寬組距和高組距分別為0.20 mm、0.07 mm和0.09 mm，其尺寸頻數(shù)直方圖如圖2所示。由圖可知，98%種子長(zhǎng)度范圍、寬度范圍和高度范圍分別在2.14～3.14 mm、 1.63～2.05 mm和1.18～1.72 mm。沁州黃種子尺寸長(zhǎng)、寬、高的95%置信區(qū)間為2.14～3.14 mm、1.63～2.05 mm、1.18～1.72 mm。

本文共測(cè)量了8種小籽粒種子的三軸尺寸參數(shù)如表2所示。表中a、b、c分別代表小籽粒種子的長(zhǎng)度、寬度和高度。

圖2　沁州黃種子三軸尺寸分布圖Fig.2　Three axis size distribution of seeds of Qinzhouhuang

表2　種子三軸尺寸參數(shù)

根據(jù)三個(gè)軸向尺寸的不同，種子分為不同形狀。當(dāng)a>b>c，即三個(gè)軸向尺寸不等時(shí)，種子呈扁長(zhǎng)型；當(dāng)a>b=c，即寬度和厚度相等，但小于長(zhǎng)度時(shí)，種子呈圓柱型；當(dāng)a=b>c，即長(zhǎng)度和寬度相等但大于厚度時(shí)，種子呈扁圓型；當(dāng)a=b=c，即三個(gè)軸向尺寸相等時(shí)，種子呈球型。由表2可知，噸谷、芝麻、晉谷21號(hào)、苜蓿和沁州黃種子呈扁長(zhǎng)型；白菜種子呈扁圓型；芥菜、油菜種子呈球型。

4硬度測(cè)量

種子的硬度反映種子最大抗擠壓能力，它為排種部件間隙設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4.1測(cè)量方法與步驟

采用機(jī)械擠壓法，每種種子隨機(jī)取出50粒，調(diào)試谷物硬度計(jì)為測(cè)試狀態(tài)，待儀器穩(wěn)定后，調(diào)試儀器向被測(cè)種子施加壓力，硬度計(jì)示數(shù)逐漸增大，當(dāng)被測(cè)種子被擠壓破碎時(shí)，硬度計(jì)示數(shù)最大并被系統(tǒng)鎖定，儀器內(nèi)部蜂鳴器開(kāi)始連續(xù)鳴響，此時(shí)硬度計(jì)顯示數(shù)值為該被測(cè)種子的硬度值，記錄數(shù)據(jù)。

4.2測(cè)量結(jié)果

種子的硬度值如表3所示。

由表3可知，小籽粒種子硬度范圍為11.04～41.76 N,其中硬度最大的是苜蓿種子，最小的是油菜種子。

表3　種子硬度

5摩擦系數(shù)測(cè)量

在排種過(guò)程中，種子與排種器部件直接接觸，其摩擦系數(shù)對(duì)種子的流動(dòng)性與排種質(zhì)量有重要影響。同時(shí)，測(cè)量摩擦系數(shù)為排種器材料的選擇，以及種箱、輸種管位置角度的選擇提供理論依據(jù)。

5.1測(cè)量方法與步驟

該測(cè)量采用的方法為直接接觸法。每種種子隨機(jī)取出一些，將其均勻地灑在粘有502膠的硬紙板上，然后將粘有不同接觸材料的滑塊依次放于硬紙板上。開(kāi)動(dòng)摩擦系數(shù)儀，使滑塊在種子上滑動(dòng)，重復(fù)測(cè)量5次，以平均值作為最終結(jié)果。

5.2測(cè)量結(jié)果

小籽粒種子對(duì)不同材料的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)見(jiàn)表4。表中m、n分別代表該種子在某一材料下的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)。

表4　種子摩擦系數(shù)

由表4可知絕大多數(shù)小籽粒種子對(duì)鋼材的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)最小，其范圍分別為0.488～0.627、0.377～0.565。其次是塑料和鑄鐵。

6結(jié)論

通過(guò)測(cè)量，得出小籽粒種子主要的排種物理機(jī)械特性參數(shù) ：

(1)小籽粒種子千粒重、密度范圍為1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3，其測(cè)量為機(jī)械式排種器種箱的設(shè)計(jì)；氣力式排種器氣壓、室容積的確定；液體排種中液體懸浮液的配制提供了依據(jù)。

(2)小籽粒種子三軸尺寸長(zhǎng)、寬和高范圍分別為1.80～3.50 mm、1.69～2.23 mm和1.14～2.00 mm，其測(cè)量為機(jī)械式排種器型孔、型槽的形狀與尺寸，液體式排種器排種管的選擇提供數(shù)據(jù)支持。

(3)小籽粒種子對(duì)鋼材的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)最小，范圍為0.488～0.627、0.377～0.565，摩擦系數(shù)的測(cè)量為排種器材料的選擇，排種器傾斜角度以及種子在排種器中的運(yùn)動(dòng)速度的確定、運(yùn)動(dòng)形式的選擇提供了計(jì)算依據(jù)。

(4)小籽粒種子硬度范圍為11.04～41.76 N，其測(cè)量可知小籽粒種子的最大抗擠壓破環(huán)能力，為排種部件間隙尺寸提供了技術(shù)參數(shù)。

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(編輯：李曉斌)

Measurement of physical and mechanical parameters for the small seed seeding

Zhang Yanqing, Cui Qingliang*, Wang Feng， Li Hongbo

(CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，Shanxi)

Abstract:The physical and mechanical characteristics of the seed of small grain are the important basis for the selection of the method and principle, the structure and performance of the device. In this article the weight, density, shape, hardness and friction coefficient of the seed of millet, alfalfa, rape, etc. were measured. The results were: the weight and density of the seeds were 1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3；the three axis length、width、and height ranged of 1.80～3.50 mm, 1.69～2.23 mm、1.14～2.00 mm；The hardness range was 11.04～41.76 N；the friction coefficient of the steel was minimum, the range was 0.488～0.627, 0.377～0.565. The measurement of physical mechanical parameters for small seed provided the data support for principle method of choice, the metering performance and structure of the design.

Key words:The small seeds; Seeding; Physical and mechanical character; Measurement

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)03-0224-05

基金項(xiàng)目：山西省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(20120311035)

作者簡(jiǎn)介：張燕青(1990-)，男(漢)，山西晉中人，碩士研究生，研究方向：旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)及裝備。*通訊作者：崔清亮，教授，博士生導(dǎo)師。 Tel:13903446657 Email:QLcui@126.com

收稿日期：2015-12-07修回日期：2015-01-06