玉米種子基本物性及機(jī)械損傷規(guī)律研究

張 濤，梁 濤，李 平，劉開生，張先鋒，唐興隆，李 英

(1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329；2.重慶市經(jīng)貿(mào)中等專業(yè)學(xué)校，重慶 402160)

我國(guó)作為玉米生產(chǎn)大國(guó)，在南方丘陵山區(qū)由于氣候潮濕、地形復(fù)雜等因素，玉米生產(chǎn)機(jī)械化程度較低，新技術(shù)匱乏，需具有針對(duì)性的研究玉米資源及高效生產(chǎn)裝備。玉米種子品質(zhì)變化會(huì)直接影響貯存時(shí)間、種子活性、用途、價(jià)格等[1-4]，而改變品質(zhì)的因素很多，包括自身和外界條件，其中主要來自播種、收獲、管理、加工等環(huán)節(jié)中各種機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)種子產(chǎn)生的靜載、振動(dòng)、擠壓、碰撞、沖擊等作用，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀或宏觀改變[5-7]。因此，研究西南丘陵山地玉米種子物性參數(shù)可對(duì)相關(guān)機(jī)械裝備研發(fā)提供依據(jù)，避免機(jī)械損傷造成的品質(zhì)改變。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小麥、蕎麥、玉米、豆類等谷物籽粒壓縮、剪切、摩擦等力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究[8-12]，周峰等[13]對(duì)植物種子生物力學(xué)進(jìn)行了概述，重點(diǎn)討論了種子萌發(fā)時(shí)生物力學(xué)的調(diào)控機(jī)制；董朋飛等[14]系統(tǒng)總結(jié)了玉米耐碎性評(píng)價(jià)方法及影響因素；高連興等[15]深入探索了含水率對(duì)玉米脫粒的影響機(jī)理，得到了破損強(qiáng)度和脫粒作用力與含水率之間的關(guān)系；Balastreire等[16]通過試驗(yàn)得到了玉米的斷裂韌度臨界值；而關(guān)于丘陵山地具有代表性玉米種子的物性參數(shù)及機(jī)械損傷規(guī)律鮮見報(bào)道。因此本研究選擇西南丘陵山地廣泛種植的玉米品種，測(cè)定其三維尺寸、質(zhì)心、體積等基本物性參數(shù)，并進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，分析不同損傷程度下，含水率對(duì)損傷臨界狀態(tài)下變形量、載荷及變形能的影響規(guī)律，并利用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行擬合回歸分析，旨在深入、系統(tǒng)地研究谷物力學(xué)性能，以期為揭示機(jī)械宏觀損傷與種子微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性之間的作用機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試樣制備

本試驗(yàn)選擇重慶市主推玉米品種渝豪單2號(hào)、新中玉801、先玉1171籽粒為研究對(duì)象，這3個(gè)品種分別由重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院、重慶中一種業(yè)有限公司、鐵嶺先鋒種子研究有限公司選育。選取籽粒均勻、飽滿，無病蟲害、無裂紋及無損傷的籽粒用于試驗(yàn)，確保結(jié)構(gòu)完整。渝豪單2號(hào)、新中玉801、先玉1171玉米籽粒初始含水率分別為15.62%、13.28%、18.65%，為研究水分對(duì)玉米籽粒機(jī)械損傷程度的影響，采用晾干法或加濕法制備不同含水率試樣，即當(dāng)預(yù)定含水率低于初始含水率時(shí)，將試樣在自然通風(fēng)條件下晾曬，每隔30 min測(cè)定一次；當(dāng)預(yù)定含水率高于初始含水率時(shí)，對(duì)籽粒表面噴灑定量(通過公式(1)計(jì)算出的重量)純凈水，并置于低溫密封環(huán)境中2 d以上[17]。

(1)

式中：w為加水質(zhì)量(g)；m為玉米籽粒質(zhì)量(g)；P0為玉米籽粒初始含水率(%)；P1為玉米籽粒預(yù)定含水率(%)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)采用半自動(dòng)三坐標(biāo)檢測(cè)儀TANG 0564；掃描電子顯微鏡；電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)WDW-05 D，最大載荷力500 N，位移分辨率為0.01 mm，力分辨率為0.01 N，無級(jí)調(diào)速；快速水分測(cè)定儀DHS 20-A(精度0.01%)、數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)、電子分析天平PA 2004 N(精度0.1 mg)等工具。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1基本物性參數(shù)試驗(yàn)方法

千粒質(zhì)量作為評(píng)價(jià)玉米種子品質(zhì)的重要指標(biāo)，隨機(jī)選取3個(gè)品種各1 000粒，用電子天平稱重，重復(fù)3次求平均值。密度可直接反映玉米種子的結(jié)構(gòu)緊密度，采用排水法，選取10粒試樣，用電子天平稱重后放入盛水的量筒中，讀取浸入水前后量筒液面值，并用密度公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：ρ為玉米種子密度(g·mL-1)；m為籽粒質(zhì)量(g)；V1為浸入籽粒后量筒內(nèi)液體體積(mL)；V0為浸入籽粒前量筒中水的體積(mL)。

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x主要是在六面體空間內(nèi)測(cè)量物體幾何形狀、輪廓及圓周分度等的儀器，具有各種物體的逆向掃描、檢測(cè)功能。本試驗(yàn)利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x探測(cè)針頭獲取玉米籽粒三維尺寸中所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)空間坐標(biāo)，并通過空間坐標(biāo)計(jì)算方法得到三維尺寸(圖1)，玉米籽粒上底寬(a1)、下底寬(a2)、上底厚(b1)、下底厚(b2)、高(h)量化尺寸的數(shù)據(jù)，選取20粒求平均值。

圖1 玉米種子三維尺寸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three dimensional structure of corn seed

假設(shè)玉米種子形狀規(guī)則、均勻，接近正四棱臺(tái)，則借助正四棱臺(tái)體積計(jì)算公式(3)及最小二乘法擬合原理，建立玉米種子體積估算模型，利用三維尺寸對(duì)種子體積或品質(zhì)進(jìn)行快速評(píng)估。

(3)

式中：V為正四棱臺(tái)體積(mm3)；S1為上底面積(mm2)；S2為下底面積(mm2)；h為正四棱臺(tái)高(mm)。

由正四棱臺(tái)體積公式推導(dǎo)，玉米種子體積預(yù)估模型設(shè)定為公式(4)，選擇20粒玉米籽粒測(cè)定得到其三維尺寸，并通過MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合系數(shù)λ，利用排水法對(duì)玉米種子體積預(yù)估模型進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算得到實(shí)測(cè)體積和預(yù)估體積的相關(guān)誤差。

(4)

式中：V1為玉米種子預(yù)估體積(mm3)；a1為上底寬(mm)；a2為下底寬(mm)；b1為上底厚(mm)；b2為下底厚(mm)；h為高(mm)。

利用虛擬軟件模擬玉米種子受力或運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，需忽略其復(fù)雜形狀，可通過確定其質(zhì)心進(jìn)行簡(jiǎn)化。本試驗(yàn)通過稱重法研究玉米種子質(zhì)心位置，首先稱量單粒玉米種子質(zhì)量，并在籽粒兩端用萬能膠粘上鋼針，使兩端鋼針在同一中心線上，底端(鈍端)鋼針固定在支撐架上，頂端(銳端)放在電子天平上，確保中心線水平后，讀取支撐點(diǎn)質(zhì)量，具體如圖2所示，則質(zhì)心至底端距離為公式(5)，選取20粒，取平均值。

圖2 玉米種子質(zhì)心測(cè)定示意圖Fig.2 Schematic diagram of determination of corn seed centroid

(5)

式中：C為質(zhì)心至玉米種子底端(鈍端)距離(mm)；L為玉米種子總長(zhǎng)度(mm)；m1為頂端(銳端)支撐點(diǎn)質(zhì)量(g)。

1.3.2三軸壓縮試驗(yàn)方法

首先在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)中選取壓縮模式，采用圓柱平板壓頭，為了防止壓縮過程中籽粒側(cè)滑，用膠水將其固定在下壓板上，上壓頭以5 mm·min-1的恒定速度進(jìn)行加載，當(dāng)平板壓頭接觸玉米種子時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)采集并在顯示屏上顯示變形-載荷曲線，當(dāng)載荷驟減時(shí)，玉米籽粒破裂，試驗(yàn)自動(dòng)停止加載，用鑷子取出并放在顯微鏡中觀察拍照。本試驗(yàn)選擇品種、含水率、受壓位置為試驗(yàn)因素，其中含水率設(shè)置5個(gè)水平(分別為9.8%、15.6%、18.6%、23.5%、30.2%)，受壓位置3個(gè)水平(分別為腹面、背面、頂面)，具體如圖3所示。根據(jù)全因子試驗(yàn)方法，共45組試驗(yàn)，每組重復(fù)3次，選擇極限受壓載荷、變形能、破壞能、抗壓強(qiáng)度、表觀彈性模量為響應(yīng)指標(biāo)，其中破壞能是指種子在壓縮直至破裂時(shí)，變形能達(dá)到極限，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，可由變形量和力曲線所圍成的面積表示，公式為：

圖3 受壓位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of compression position

(6)

式中：W為破壞能(N.mm)；δ為破裂時(shí)變形量(mm)；F為破裂時(shí)作用力值(N)。

抗壓強(qiáng)度是指玉米種子表面單位面積所能承受的最大載荷，即外力施壓時(shí)的強(qiáng)度極限，公式為：

P=F/A

(7)

式中：P為抗壓強(qiáng)度(單位：MPa)；A為剖面面積(單位：mm2)。

1.3.3損傷等級(jí)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)得到，玉米種子變形量-力曲線可分為兩段，具體如圖4所示。首先壓縮力隨著變形量的增加而緩慢增加，之后則呈急劇線性增加，當(dāng)達(dá)到裂變臨界點(diǎn)B時(shí)，損傷能的累積增加，產(chǎn)生塑性變形，玉米籽粒表面在顯微鏡觀察下微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生錯(cuò)位，并出現(xiàn)單條或龜形裂紋，因此，認(rèn)為玉米籽粒的裂變臨界點(diǎn)是出現(xiàn)顯著損傷的分界點(diǎn)。當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，裂紋逐漸延伸、擴(kuò)展，直至載荷達(dá)到峰值Q點(diǎn)時(shí)，為破裂點(diǎn)，籽粒宏觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，種子完全破裂。因此本試驗(yàn)以裂變臨界點(diǎn)和破裂點(diǎn)處的變形量、力、變形能為應(yīng)變量，含水率為變量，建立不同受壓部位下玉米種子產(chǎn)生擠壓損傷的量化評(píng)價(jià)模型。

圖4 玉米種子變形量-壓縮力曲線Fig.4 Curve of maize seed deformation-compression force

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米種子基本物性參數(shù)

物性參數(shù)測(cè)定結(jié)果如表1所示，以品種為變量，對(duì)各物性指標(biāo)進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如表2所示。新中玉801、先玉1171、渝豪單2號(hào)的千粒質(zhì)量為307.71～334.63 g，平均值為321.36 g，品種對(duì)千粒質(zhì)量的影響達(dá)到顯著水平(p<0.05)，說明玉米品種之間籽粒內(nèi)部的均勻性和飽滿性均有所差異；密度為1.17～1.49 g·cm-3，平均值為1.29 g·cm-3，品種之間密度差異未達(dá)到顯著水平(p>0.05)；質(zhì)心至玉米籽粒底端(鈍端)的距離為3.59～4.26 mm，平均值為3.83 mm，而且品種對(duì)質(zhì)心有極顯著影響(p<0.01)；渝豪單2號(hào)種子外形結(jié)構(gòu)為馬齒型，新中玉801和先玉1171為方圓形，品種之間上底寬、上底厚、下底厚和高均達(dá)到了極顯著差異(p<0.01)，品種間下底寬接近一致，上底寬、下底寬、上底厚、下底厚、高的平均值分別為7.13 mm、8.00 mm、6.02 mm、6.33 mm、9.11 mm，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)建模仿真時(shí)，可將玉米種子模型簡(jiǎn)化為楔形四棱體。

表1 不同品種玉米種子的基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of maize seeds of different varieties

表2 玉米種子基本物性參數(shù)方差分析Table 2 Variance analysis of basic physical parameters of maize seed

本試驗(yàn)利用正四棱體體積公式和數(shù)據(jù)擬合原理，建立玉米種子體積估算模型，擬合系數(shù)如表3所示。得到新中玉801、先玉1171、渝豪單2號(hào)的體積估算公式系數(shù)λ為0.176、0.181、0.322，而3個(gè)品種整體擬合系數(shù)為0.207，該估算方式的相關(guān)系數(shù)均大于0.9。每個(gè)品種隨機(jī)選取10粒，測(cè)其三維尺寸和實(shí)際體積，用該估算模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表4所示，得到4個(gè)估算模型估算均值與實(shí)測(cè)均值的相對(duì)誤差為2.57%～8.39%，其中先玉1171的誤差最小，整體估算模型誤差最大，但其值小于10%，可用作玉米種子大小檢測(cè)或評(píng)估。

表3 玉米種子的體積預(yù)估模型Table 3 Volume prediction model of maize seed

表4 體積預(yù)估模型驗(yàn)證Table 4 Validation of volume prediction model

2.2 玉米種子壓縮特性

本試驗(yàn)對(duì)玉米種子進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表5和表6所示。試驗(yàn)過程中品種、含水率和受壓位置是造成各指標(biāo)差異的重要原因，對(duì)其進(jìn)行方差分析。由表7可知，3個(gè)因素均對(duì)極限受壓載荷、變形量、表觀彈性模量、破壞能和抗壓強(qiáng)度有極顯著影響(p<0.01)，除了品種與含水率的交互作用對(duì)表觀彈性模量未達(dá)到顯著影響(p>0.05)外，其余均達(dá)到了顯著水平，說明每個(gè)因素對(duì)指標(biāo)產(chǎn)生的效應(yīng)同時(shí)依賴另外兩個(gè)因素的水平程度。參照F值可見，對(duì)以上指標(biāo)影響從大到小依次為含水率、受壓位置、品種，由此說明含水率決定了玉米種子的力學(xué)特性，進(jìn)而影響機(jī)械損傷程度，因此在機(jī)收或加工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮籽粒含水率。

表5 玉米種子壓縮試驗(yàn)Table 5 Results of maize seed compression test

表6 玉米種子壓縮表觀彈性模量、破壞能和抗壓強(qiáng)度Table 6 Apparent elastic modulus, failure energy and compressive strength of maize seed

表7 玉米種子壓縮特性方差分析Table 7 Variance analysis of compression characteristics of maize seeds

2.2.1不同品種壓縮特性分析

同一含水率下，腹面、背面、頂面的極限受壓載荷、表觀彈性模量、破壞能、抗壓強(qiáng)度從大到小為新中玉801、渝豪單2號(hào)、先玉1171，變形量則與之相反，且渝豪單2號(hào)與先玉1171的壓縮力學(xué)特性較為接近，說明新中玉801的抗擠壓破碎的能力最強(qiáng)，而且產(chǎn)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)變化量較小。由于品種差異，造成玉米種子內(nèi)部成分、微觀結(jié)構(gòu)和三維尺寸也不盡相同，同一位置壓縮時(shí)，品種的千粒質(zhì)量和籽粒尺寸越大，其抗擠壓能力也就越強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)相關(guān)機(jī)械或品種選育時(shí)，應(yīng)考慮品種之間的力學(xué)特性差異，且種植適宜機(jī)收的品種。

2.2.2不同受壓部位壓縮特性分析

玉米種子在受到壓縮時(shí)，腹面的極限受壓載荷、變形量、破壞能、表觀彈性模量、抗壓強(qiáng)度的值為80.38～338.72 N、0.207～0.513 mm、231.9～417.5 N.mm、22.8～46.9 MPa、4.1～13.8 MPa，背面其值為71.00～171.92 N、0.211～0.548 mm、202.4～389.2 N.mm、16.9～39.4 MPa、1.5～11.8 MPa，頂面其值為50.60～140.32 N、0.214～0.588 mm、92.3～288.3 N.mm、12.7～30.8 MPa、1.5～7.4 MPa；破壞能、抗壓強(qiáng)度、表觀彈性模量、極限受壓載荷值均為腹面>背面>頂面，而變形量則與之相反，說明玉米種子的尖冠處(頂面)抗壓性最弱，主要是因?yàn)榱鸭y的起始點(diǎn)位于該處，之后則沿著背面和腹面裂紋延伸、擴(kuò)展，而且頂面和背面在壓縮時(shí)，接觸面積小，容易發(fā)生應(yīng)力集中，而腹面接觸面積大、腹面兩側(cè)主要成分是胚乳，抗壓性強(qiáng)。

2.2.3含水率對(duì)壓縮特性的影響

同一品種和受壓位置條件下，含水率從9.8%至30.2%，極限受壓載荷為71.51～338.72 N，隨含水率增大逐漸減小，主要是由于含水率越低，種子的硬度越高，所需的壓縮載荷越大，其抗壓性就越好；壓縮變形量反而隨著含水率的增大而增加，其值為0.207～0.588 mm，當(dāng)含水率在9.8%～15.6%時(shí)，變形量變化范圍較小，大于15.6%時(shí)，變形量則急劇增加。分析認(rèn)為，隨著含水率的增加，內(nèi)部組織軟化，塑性變形能力增強(qiáng)，尤其含水率為15.6%時(shí)，種子各組織具有顯著軟化現(xiàn)象。表觀彈性模量是反映材料的彈塑性變形能力的指標(biāo)，其值為12.7～46.9 MPa，隨著含水率增加而減小，即種子在相同載荷作用下，含水率越高，產(chǎn)生的彈塑性變形越大，更加證實(shí)了種子在吸水后，內(nèi)部組織發(fā)生了軟化現(xiàn)象；破壞能是指玉米籽粒發(fā)生破裂所需最小的能量，其值為92.3～417.5 N.mm，隨著含水率增加而減小，主要由于水分增加，受到的極限受壓載荷減小，說明種子內(nèi)部軟化的同時(shí)其抗擠壓的能力也隨之減小，更易破裂；抗壓強(qiáng)度值為1.5～13.8 MPa，含水率增加，破碎的強(qiáng)度極限則降低，含水率達(dá)到23.5%以后，籽粒韌性增強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度變平緩。

2.3 玉米種子損傷等級(jí)預(yù)估模型

對(duì)3個(gè)玉米品種裂變臨界點(diǎn)和破裂點(diǎn)處同一含水率的變形量、力、變形能求平均值，得到玉米籽粒損傷臨界力學(xué)值與含水率之間的變化規(guī)律，具體如圖5所示。由圖可看出，隨著種子含水率增加，腹面、背面和頂面裂變臨界點(diǎn)和破裂點(diǎn)處的變形量不斷增加，而力和變形能則逐漸降低，當(dāng)含水率從9.8%升到30.2%時(shí)，腹面裂變臨界點(diǎn)的變形量變化范圍分別為0.168～0.367 mm、增幅為1.18倍，力變化范圍為116.9～181.1 N、降幅為0.35倍，變形能變化范圍為128.5～203.0 N.mm，降幅為0.37倍；背面裂變臨界點(diǎn)的變形量變化范圍分別為0.179～0.393 mm、增幅為1.20倍，力變化范圍為55.2～101.8 N、降幅為0.46倍，變形能變化范圍為109.9～183.0 N.mm，降幅為0.40倍；頂面裂變臨界點(diǎn)的變形量變化范圍分別為0.181～0.410 mm、增幅為1.27倍，力變化范圍為41.4～80.8 N、降幅為0.49倍，變形能變化范圍為57.4～135.5 N.mm，降幅為0.58倍；破裂點(diǎn)的力學(xué)特性變化幅度與裂變臨界點(diǎn)的相近。

圖5 不同含水率與裂變臨界點(diǎn)和破裂點(diǎn)處力學(xué)特性曲線Fig.5 Mechanical properties curves at different water content and fission critical point and rupture point

以含水率為變量，得到玉米種子不同損傷程度處力學(xué)特性值的一元二次回歸方程，具體如表8所示。

表8 裂變臨界點(diǎn)和破裂點(diǎn)處力學(xué)特性與含水率之間回歸方程Table 8 Regression equation between mechanical properties and water content at fission critical point and fracture point

通過分析得到各回歸方程決定系數(shù)均大于0.9，說明其擬合程度極高。通過回歸方程的二次項(xiàng)系數(shù)可知，含水率對(duì)變形量和變形能的影響從大到小依次為頂面、背面、腹面，對(duì)力的影響從大到小依次為腹面、背面、頂面。

3 結(jié) 論

1) 針對(duì)西南丘陵山區(qū)主要玉米種子物理特性進(jìn)行了測(cè)定，得到千粒質(zhì)量、密度、質(zhì)心至鈍端的距離平均值分別為321.36 g、1.29 g·cm-3、3.83 mm，除了密度和下底寬之外，不同品種間的物性參數(shù)差異顯著。

2) 玉米種子正四棱臺(tái)體積預(yù)估模型擬合系數(shù)為0.207，模型估算均值與實(shí)測(cè)均值的相對(duì)誤差為8.39%，可以快速檢測(cè)和評(píng)估玉米種子品質(zhì)。

3) 產(chǎn)生損傷的主要因子依次是含水率、受壓位置、品種，且均達(dá)到了顯著性影響；玉米種子抗壓性能為腹面>背面>頂面，玉米籽粒的尖冠處(頂面)抗壓性最弱。

4) 玉米籽粒在裂變臨界點(diǎn)和破裂點(diǎn)處的變形量隨含水率增加而增加，力和變形能則與之相反，并得到玉米籽粒不同損傷程度處力學(xué)特性值與含水率的一元二次回歸方程，其決定系數(shù)均大于0.9，因此可根據(jù)含水率較準(zhǔn)確地預(yù)估玉米種子產(chǎn)生機(jī)械損傷的極限載荷。