參種靜摩擦系數剛度系數測量

文正彪+劉楓+張蘇+張亮+王新陽

摘 要：為了深入探討振動—氣吸式人參播種機播種的運動情況，通過離散元軟件建立播種模型，需測出人參種的力學參數：種子摩擦系數、種剛度系數、彈性模量、碰撞恢復系數等，以及建立模型加以仿真，導出工作過程，以期為氣吸式人參播種機的運動情況提供借鑒。本文選取東北長白山地區參農常種植的人參樣本主要是：西洋參、林下參、園參的參數測量試驗。

關鍵詞： 摩擦系數；剛度系數；人參種

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132002

引言

農作物種子的摩擦系數、剛度系數在種子的儲存、運輸等許多環節中都是一個至關重要的參數。無論是土壤耕作機械、作物收獲機械還是粉碎機械等，影響其工藝過程發生變化的要素之一就是被加工物料在這些機械工作部件摩擦表面上的運動。因此，物料在工作部件之間的摩擦特性以及剛度對確定和選擇工作表面的參數，使之有效地完成預定加工工藝是十分重要的；本文決定對振動氣吸式人參播種機做參數優化性處理提前做貢獻。

1 靜摩擦系數的測量

1.1 實驗設備

鐵板、硬質塑料板、玻璃板、鋼板尺、自制可調節傾斜試驗臺。

1.2 試驗方法

在平整的桌面上放好自制實驗臺，調節好底板的水平度。用尺子測出豎直支架和傾斜支架的長度。取少許品種放在傾斜板上，讓樣本在不同的材料上由水平向下緩慢傾斜，直到樣本滑出材料，測出支架兩端的高度原理如圖 2 所示。根據三角公式即可求出傾斜支架的角度。按照不同的人參品種分別于鐵板、有機玻璃、硬質塑料板進行靜摩擦試驗，每組20次，最后取平均值作為參數。

對傾斜工作臺上的人參種進行受力分析，畫出動力學分析圖，工作原理如圖3所示。當種子在斜面上靜止時，如果忽略空氣阻力，它所受的力包括重力mg，支持力N，靜摩擦力f與重力mg垂直于斜面的分力之比為靜摩擦系數。

需要測量種子與某種板材的靜摩擦系數時，把樣品板放在傾斜支架進行固定，種子放在水平支架上然后緩慢放下傾斜支架，直到種子瞬間滑落，在人參種子滑落瞬間根據動力原理有：

f=F=mgsin；

N=mgcos；

F=μN；

所以，靜摩擦系數μ=f/N=mgsin/mgcos=tan

根據原理圖，只要測出試驗臺的H1、H2的高度，就能間接算出h1的高度，然后測量h1的高度，并且利用公式計算得到靜摩擦系數。

1.3 試驗結果

1.4 結論

選用的3種材料都是具有代表性，都是在做種箱時用到的材料。對于鐵板而言西洋參的平均靜摩擦系數最大，然后是園參。對于有機玻璃而言也是同樣的結論，但對于塑料來說林下參的最大，然后是元參。整體而言有機玻璃、鐵板、硬質塑料的靜摩擦系數呈均勻性增加趨勢。

2 剛度系數的測定

剛度是指材料、構件或結構在載荷作用下抵抗變形的能力，材料所受載荷與在載荷作用下產生的變形比值即為剛度系數。各向同性材料的剛度取決于它的拉壓彈性模量 E和剪切彈性模量 G。結構的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關。農作物種子屬于多相、非均勻、各向異性的材料，研究它的剛度完全用理論分析和計算的方法是比較困難的，一般均采用試驗的方法來進行。在離散元法中，需要知道種子的法向剛度系數和切向剛度系數，限于試驗條件，本文進行了3種不同品種不同放置方向剛度系數的測試。

2.1 實驗設備

型號為RTC-3020D物性分析儀、 動態信號分析系統軟件。

2.2 試驗方法

人參的種子可近似為扁平立狀的圖形，不同品種其形態結構復雜，因此對其3軸都進行壓縮試驗人參種子進行軸向壓縮試驗時要求施加的載荷方向與壓縮軸是同軸的不能使種子產生彎曲應力，其種子可按正放、立放、側放3種不同形式進行壓縮。

將物性分析儀器與電腦連接，打開電腦上動態信號分析軟件。調整連接好儀器，在物性分析儀開始工作的時候用小鑷子夾住人參種子按下動態信號分析儀軟件的開始鍵，物性分析儀上對種子的壓縮力隨時間的關系將會在動態信號分析系統上以圖形的形式呈現。

任意選取人參種子15～20粒，每種品種的含水率不同。設置壓縮速度為2cm/min，分別對每種品種，不同方向進行壓縮試驗，測出數據，每種測量5次左右，在整個試驗的過程中，物性分析儀會自動實時記錄下作用在人參種子上的載荷、人參種子的形變和載荷作用的時間，還會以曲線的形式直觀地在電腦上顯示出載荷量Fn、作用時間 t 之間的關系。根據加載速率和作用時間算出種子變形量。最后將算果剔除特異數值后取平均值。然后根據公式：

分別算出林下參、園參、西洋參的剛度系數。

2.3 結論

種子的放置方式不同剛度系數不一樣，不論品種都是正放時的剛度系數最大，立放時剛度系數最小。這可能是因為小麥種子正放時，種子與測試板接觸面積最大，抵抗變形的能力較強；種子立放時，種子與測試板接觸面積最小，且由于端部較細比較容易產生變形。

3 總結

對于同一種材料而言，林下參、園參、西洋參的靜摩擦系數相差不大，不同的的材料摩擦系數有差別，硬質塑料的摩擦系數最大，普通鐵板的靜摩擦系數最小。

不同的人參品種在同樣條件下的剛度系數也有明顯的區別，說明種子品種的不同對剛度系數也會有一定影響。種子正放時剛度系數最大，因為受壓面面積遠大于側面放置和立放，承受抵抗變形的能力最強，因此正放時剛度系數最大，其次是側放，最后是立放。

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