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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