玉米籽粒物理機械特性及機械化收獲適應性

侯明濤　張紅梅　王萬章

摘要：針對黃淮海地區玉米收獲時籽粒含水率高導致籽粒破碎較高的問題，探索河南省玉米籽粒物理機械特性及玉米籽粒機械化收獲的適應性，在河南省某地開展試點研究，測試了機械化籽粒收獲的11個試驗品種的含水率、破碎率、含雜率、三維尺寸和體積等，并計算出等效壓力，進行了籽粒正反面受力差異分析，并且分析不同玉米品種之間破碎率、體積和含水率三因素與等效壓力之間的關系。結果表明：籽粒正反面的受力大小基本一致；不同玉米品種之間，玉米籽粒體積越大，等效壓力越??；并提出適合玉米籽粒機械化收獲的玉米籽粒特性和收獲時期。

關鍵詞：玉米籽粒；物理機械特性；等效壓力；適應性；機械化收獲

中圖分類號： S513.04；S233.4 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0354-04

玉米是世界上最重要的糧食作物之一，同時也是我國的三大糧食作物之一[1]。2001年全世界的玉米播種面積為 13 965.9 萬hm2，總產量達到5.99億t，超過了水稻和小麥，成為世界第一大谷類作物[2]。黃淮海地區是我國夏播玉米的主要種植區，種植面積占39%左右[3]，目前的玉米收獲主要是以人工或機械摘穗的分段收獲為主，需要投入大量勞動力，提高了生產成本。影響玉米籽粒機械化收獲實現的關鍵技術因素在于玉米籽粒的破碎，破碎掉的玉米很容易發霉變質、感染蟲害并產生毒素。2014年，我國玉米產量為2.156 7億t[4]，增加1%的破碎就代表很大的經濟損失，所以研究玉米籽粒破碎的關鍵影響因素具有重要的現實意義。2012年河南省開始出現個別品種玉米籽粒機械化收獲嘗試。2013年政府予以高度關注，并進行一定范圍的對比試驗。2014年河南省成立玉米全程機械化生產模式攻關專家組分別在3個地級市進行試點，開展試驗對比。

玉米品質鑒定對玉米產業的發展非常重要，玉米籽粒物理機械特性的研究不僅對機械損傷的分析有著重要意義，而且可以作為玉米品質鑒定的指標之一[5]。適宜的收獲期是提高玉米品質和產量的保障，黃淮海地區一般收獲偏早，導致玉米的質量和產量下降[6]。近幾年關于玉米最佳收獲期、玉米籽粒物理機械特性和脫粒性能的相關研究文獻較多，李心平等利用LDS微機控制電子拉壓試驗機對種子玉米籽粒果柄斷裂機理進行了試驗研究[7]；楊玉芬等利用微機控制的電子拉壓試驗機對玉米籽粒進行了靜壓破損試驗，結果表明含水率、壓縮位置對玉米籽粒靜壓破損特性有明顯的影響[8]；張永麗等利用微機控制電子拉壓試驗機對玉米籽粒剪切破碎進行了試驗研究，得出含水率不同時，剪切破碎載荷也不同[9]；李心平等也分別利用跌落式沖擊試驗臺和LDS微機控制電子拉壓試驗機對不同品種的玉米籽粒進行了沖擊破碎試驗和靜態壓縮試驗，結果表明籽粒破碎的最大沖擊力隨含水率的增加而降低，同一含水率下，腹面承受的沖擊力最大[10，11]。高連興等對不同含水率下的玉米種子籽粒破損強度、果柄強度和脫粒作用力等進行試驗，結果表明隨著含水率的下降，玉米種子籽粒破損強度顯著提高[12]。張燁等通過萬能試驗機壓縮試驗測得不同含水率下3個品種玉米籽粒的最大破碎力和對應應變值，結果表明隨著含水率的增加，最大破碎力和應變值呈線性關系上升[13]。陳孝海等采用ANSYS有限元分析軟件對玉米單個籽粒、多個籽粒相互支撐時按照頂面、腹面和側面受載等情況進行分析，結果表明腹面加載優于側面加載，支撐籽粒數目對于腹面和側面加載影響較大，對于頂面加載影響較小[14]；劉耀廣等為了確定夏玉米最佳收獲期和探索玉米增產潛力進行了晚收試驗，結果表明在河南省小麥、玉米一年兩熟種植制度下，玉米最佳收獲期應比常規收獲期晚10 d，此時產量會更高[15]。劉京寶等對48個玉米新品種進行了夏玉米最佳收獲期研究，結果表明當籽粒黑層形成時，果穗苞葉完全變干，徹底松散，可作為收獲期標準[6]。目前關于研究玉米籽粒機械化收獲適應性的文獻還比較少，幾乎也沒有關于玉米籽粒體積與承受壓力之間關系的研究。本研究旨在通過測得玉米籽粒的物理機械特性，找出影響玉米籽粒破碎的關鍵因素，為育種提供研究方向，以達到農機農藝融合，實現高產高效玉米籽粒機械化收獲的目的。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選取了在河南省內具有代表性的11個玉米籽粒樣本，所選用的玉米均為同一天種植，出苗前后相差5 d，采用統一的田間管理措施，均為籽粒機械化收獲，從播種到收獲共計121 d。采集樣本后在實驗室進行了玉米籽粒物理機械特性檢測。利用PM-8188New谷物水分測量儀進行含水率測定，其玉米含水率測量范圍為6%～40%；利用游標卡尺測得玉米籽粒三維尺寸，游標卡尺精度0.05 mm；利用微機控制電子萬能試驗機測得籽粒3個面的受力大小，最大試驗力10 kN，負荷精度≤±1%。

1.2 試驗方法

玉米籽粒機械化收獲后，在出糧口接取玉米籽粒，采樣 2 000 g，揀出有明顯裂紋、破皮及肉眼能觀察到微裂紋的籽粒，再選出玉米軸芯碎屑和苞葉等雜質，稱出破損籽粒質量、完好籽粒質量和雜質質量，按式（1）計算籽粒破碎率，

2 結果與分析

2.1 含水率、破碎率和含雜率測量結果

去雜后，玉米籽粒采用PM-8188New谷物水分測量儀進行含水率測定。由圖1可以看出，破碎率最高的品種為YM-7，含雜率最高的品種為YM-7，含水率最高的品種為 YM-10，并且含水率都高于28%，破碎率都大于5%，根據GB/T 21962—2008《玉米收獲機械技術條件》，目前還沒有達到玉米籽粒機械化收獲國家技術標準。

2.2 玉米籽粒的主要破碎形式

在保證機收效率的情況下，玉米籽粒收獲機械質量的優劣主要是通過機收籽粒破碎率來衡量的，破碎率甚至成為評價機械裝備優劣的唯一指標。將每種玉米適量采樣，分揀出破碎籽粒，觀察分類破損玉米籽粒的受損形式，分析得出5種主要受損形式，如圖2所示。

以每種破損形式的質量與破碎籽?？傎|量的比值衡量，玉米籽粒常見的破碎形式所占百分比如圖3示。由圖3可以看出，玉米籽粒腹面豎向破裂最多，說明籽粒中間胚部是籽粒最薄弱的區域。

2.3 玉米籽粒三維尺寸、體積測量結果

各玉米品種籽粒的三維尺寸及體積測量數據如表1示，品種編號順序按照體積從小到大的順序進行排列。

2.4 玉米籽粒正反面受力測定

玉米籽粒的2個腹面因有無胚乳而不同，為驗證正反面的受力差異，隨機選取3種樣品進行驗證試驗，每個品種選取100粒具有代表性的籽粒，50粒正面施壓，50粒反面施壓，取平均值比較，3個品種正反面的受力差異均在5%以內，其結果如圖4示，可以看出籽粒正反面受力效果基本一致，其他試驗均不考慮正反面受力差異。

2.5 玉米籽粒抗壓強度、等效壓力分析

籽?？箟簭姸仁怯绊懽蚜Ｆ茡p率的一個重要因素。式中：P為籽?？箟簭姸?，MPa；F為籽粒的破壞壓力，N；S為籽粒受力面積，mm2。其中以Pd、Pc、Pf分別表示籽粒頂面、側面和腹面的抗壓強度；以Fd、Fc、Ff分別表示籽粒頂面、側面和腹面的受力；以Sd、Sc、Sf分別表示籽粒頂面、側面和腹面的估算面積。

籽粒的受力可以通過微機控制電子萬能試驗機測得，在每個玉米樣品中挑選具有代表性的籽粒100粒，分別對3個面進行壓力試驗，以籽粒破壞時的受力為準，取平均值。由于籽粒幾何形狀不規則，其真實受壓面積很難精確求出，為了統一計算精度，每個玉米品種3個方向的面積統一用幾何長度來計算，即頂面面積為籽粒寬、厚之積，側面面積為籽粒長、厚之積，腹面面積為籽粒長、寬之積，其受力大小、受力面面積及壓力計算數據如表2所示。

為對玉米籽粒的強度做進一步深入分析，有必要對籽粒在3個面上的受力做統一折算，分析籽粒的5種破壞形式，籽粒腹面破壞歸結為腹面受力，頂部破損歸結為頂部受力，側面破損歸結為側面受力，對于籽粒中部或根部橫斷的有可能是腹面、頂面或側面受力造成的，該部分比例由腹面、頂面和側面平分。因此，經折算腹面受力的比例為47.17%，頂面受力的比例為32.47%，側面受力的比例為20.36%，以此作為系數對籽粒受力按式（4）進行等效折算，

式中：ρx為籽粒等效壓力，MPa；ρf為籽粒腹面壓力，MPa；ρd為籽粒頂面壓力，MPa；ρc為籽粒側面壓力，MPa；α、β、γ分別為籽粒腹面、頂面和側面壓力系數，分別取值47.17%、3247%、20.36%。計算結果如表2所示，在剛收獲時籽粒等效壓力最大的為YM-1，是2.34 MPa；最小的為YM-10，是1.67 MPa。

對籽粒破碎率和等效壓力之間的關系做分析，繪制點分布圖并分別擬合函數曲線，其結果（圖5）表明，隨著破碎率的升高，等效壓力呈下降趨勢；對籽粒含水率和等效壓力之間的關系做分析，繪制點分布圖并分別擬合函數曲線，其結果（圖6）表明，隨著含水率的升高，等效壓力呈下降趨勢；對籽粒體積和等效壓力之間的關系做分析，繪制點分布圖并分別擬合函數曲線，其結果（圖7）表明，隨著籽粒體積的增大，等效壓力呈減小趨勢。

3 結論

（1） 通過對玉米籽粒正、反面施壓，測得玉米籽粒正反面的受力數據，從數據可以看出，在玉米籽粒平放的情況下，玉米籽粒正、反面受力效果基本一致。（2） 通過試驗方法，給出了玉米籽粒等效應力的計算辦法，使不同玉米品種之間的強度對比有了統一的標準。（3） 數據分析結果表明，不同品種玉米籽粒之間，破碎率的高低和等效應力的大小呈反比例關系，破碎率高的籽粒，其能承受的等效應力相對較小。（4） 不同品種玉米籽粒之間，隨著含水率的升高，等效壓力呈遞減趨勢，因玉米品種之間存在差異，所以在含水率相同或相近的情況下，玉米籽粒所承受的等效壓力也不一樣。（5） 數據分析結果表明，不同玉米品種籽粒之間，其體積越大，則等效壓力越小。

通過試驗觀察發現，黃淮海地區玉米收獲時，還存在青葉，秸稈含水率也比較高，籽粒乳線還沒有完全消失，正處于灌漿期，沒有完全成熟，機械化收獲后的玉米籽粒破碎嚴重，部分出現染色情況，籽粒色澤和品相較差，玉米產量和質量受到影響。在目前的機械收獲條件下，鼓勵適時晚收，等到玉米苞葉完全變干并松散，秸稈幾乎不存在青葉，籽粒含水率在28%以下時，可嘗試玉米籽粒機械化收獲。在黃淮海地區種植模式的影響下，適合機械化收獲的玉米品種應當具有早熟、生長周期短、膠質胚乳含量高、籽粒硬度高、成熟后期快速脫水的特性。

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