我國南方兩種水稻脫出物物理特性測定與分析

原建博，吳崇友，李 驊，齊新丹，肖星星，施新新

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210031；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京 210031)

我國南方兩種水稻脫出物物理特性測定與分析

原建博1，吳崇友2，李 驊3，齊新丹1，肖星星1，施新新1

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210031；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京 210031)

水稻收獲時，脫粒后混合物主要包括谷粒、癟谷和短莖稈等，混合物的基礎(chǔ)物理特性直接影響其篩分和清選效果?；旌衔锏奈锢硖匦詳?shù)據(jù)為相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)器的數(shù)字化精確設(shè)計與數(shù)值計算提供了基本的理論參數(shù)。通過實驗方法，對我國南方中早39號早稻和C兩優(yōu)華占雜交晚稻收獲脫出物的含水率、千粒質(zhì)量、密度、三軸尺寸、靜摩擦因數(shù)及恢復(fù)系數(shù)等基本物理參數(shù)進(jìn)行測定，并進(jìn)行了統(tǒng)計分析與對比研究，得到了兩種水稻脫出物相關(guān)物理特性參數(shù)的具體值，確定了物料的三軸尺寸。研究表明：兩種水稻脫出物物理特性存在差異，主要是由于品種、收獲季節(jié)的差異性造成的，該研究還可為水稻脫出物顆粒流動及相關(guān)研究提供參考。

中早39號早稻 ；C兩優(yōu)華占雜交晚稻 ；物理特性；測定與分析

0 引言

水稻是我國主要糧食作物之一，種植面積約3 000萬hm2，約占世界水稻種植面積21%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的27.5%。其中，黑龍江、江蘇、安徽、湖北等水稻種植大省機(jī)收水平均超90%，湖南、廣東、廣西等水稻機(jī)收水平也都超過了70%[1]。水稻機(jī)械化收獲時，一次性完成稻谷切割、脫粒、清選分離工作，收獲后還需運輸、貯存，這些工作均需裝備完成；但現(xiàn)階段對于裝備的設(shè)計往往忽略不同水稻品種物理性能的差異性，導(dǎo)致國產(chǎn)農(nóng)業(yè)裝備的壽命及精確度往往不如國外機(jī)型[2-3]。為了設(shè)計出較為精確的水稻收獲及收獲后的相關(guān)作業(yè)裝備，必須對我國多品種、多時令的水稻收獲脫出物的千粒質(zhì)量、含水率、密度、各物料間的摩擦因數(shù)及恢復(fù)系數(shù)等物性參數(shù)進(jìn)行測定研究，以積累我國自己的有關(guān)水稻物性參數(shù)方面的數(shù)據(jù)，為我國水稻農(nóng)業(yè)機(jī)器的研究提供可靠的理論依據(jù)。

於海明[4]等對不同含水率的秈稻的物理特性參數(shù)進(jìn)行了實驗測定，通過實驗得出了特種稻谷(秈稻)的物理特性隨其含水率的變化普遍存在一定的規(guī)律性。李洪昌[5]等研究了水稻籽粒的有關(guān)物理特性，為有關(guān)水稻生產(chǎn)機(jī)械的設(shè)計提供合理和可靠的原始物理參數(shù)。劉艷艷[6]等研制了一種農(nóng)業(yè)物料懸浮速度測定試驗臺，測定了水稻收獲脫出物的懸浮速度，對水稻清選裝備的研究具有一定的指導(dǎo)意義。H.Tavakoli[7]等對伊朗種植的兩個品種水稻秸稈的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析對比后發(fā)現(xiàn)：兩種水稻在力學(xué)特性上有顯著差異，同一品種水稻的剪切強(qiáng)度和彈性模量都隨取樣高度的增加而減小。Tinghua Li[8]等通過兩架高速攝像機(jī)記錄不規(guī)則顆粒從不同角度下落撞擊鋼板并彈回過程的軌跡，通過軌跡計算碰撞前后的動量，從而間接得到不規(guī)則物體的恢復(fù)系數(shù)。Yang Ling[9]等對西南地區(qū)3種雜交水稻包衣稻種的容積密度、粒子密度、恢復(fù)系數(shù)和漂浮系數(shù)等物理特性進(jìn)行研究，得到了包衣稻種在不同影響因素和各因素不同水平條件下物理特性的具體數(shù)值。

前人研究表明：對于不同時令、不同水稻品種，其收獲脫出混合物物理特性表現(xiàn)出一定的差異性。我國南方部分地區(qū)多為泥腳田、種植雙季稻，因農(nóng)時需要，收獲時要求搶收搶種，對相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)器的要求更高，但是相關(guān)南方地區(qū)水稻品種的物理特性的研究報道不多。因此，本文選取南方兩種水稻品種，研究其脫出物物理特性，并進(jìn)行對比研究，以期為相關(guān)研究提供依據(jù)與參考。

1 試驗材料與物理特性測量方法

南方兩種水稻：①2016年7月23日7:00于浙江永康通過四方4LZ-1.5全喂入聯(lián)合收割機(jī)(割副1.5m)收獲中早39號早稻25m，共獲得水稻50kg，雜余2.6kg，產(chǎn)量13 320kg/hm2。②2016年11月17日13:00于江蘇南京通過雷沃谷神GERG40收割機(jī)(割副2m)收獲C兩優(yōu)華占雜交晚稻25m，共獲得水稻72.8kg，雜余4.8kg，產(chǎn)量15 375kg。

對兩種水稻脫出物的樣品經(jīng)四分法處理后，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械實驗條件測定方法的一般規(guī)定》[10]，對兩種水稻脫出物含水率與千粒質(zhì)量進(jìn)行取樣測定。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的密度測定方法，對兩種水稻脫出物密度進(jìn)行取樣測定。對兩種水稻脫出物經(jīng)四分法處理后分別隨機(jī)選取50個樣品,用精度0.01mm游標(biāo)卡尺對兩種水稻脫出物(谷粒、癟谷、短莖稈)三維坐標(biāo)進(jìn)行測量。其中，谷粒和癟谷測量長度、寬度和厚度，短莖稈測量長度和直徑。

1.1 靜摩擦系數(shù)測定

由庫倫定理得物料靜摩擦因數(shù)與靜摩擦角的關(guān)系式為

μ=tanθ

(1)

靜摩擦角通過自制簡易實驗臺求得，原理圖與實物圖如圖1、圖2所示。

1.鉸鏈(3處) 2.基座 3.斜板 4.物料 5.角度尺 6.支桿 7.調(diào)節(jié)滑塊 8.驅(qū)動桿 9.鎖定器 10.旋轉(zhuǎn)手柄圖1 靜摩擦測量示意圖Fig.1 Static friction measurement schematic diagram

1.物料 2.鋼板 3.支桿 4.底座 5.調(diào)節(jié)螺桿圖2 靜摩擦測量實物圖Fig.2 Static friction measuring physical figure

實驗中，分別用膠水將谷粒、癟谷、短莖稈緊密地粘貼在鐵板上，每種水稻用相同的方法制作3塊物料斜面，將每種物料分別放到斜面上，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)桿直至物料緩慢下滑，記錄傾斜角，并通過查表得到接觸表面間的靜摩擦因數(shù)，每組實驗重復(fù)7次。

1.2 簡恢復(fù)系數(shù)測定

農(nóng)業(yè)物料學(xué)[11]里，恢復(fù)系數(shù)定義為：碰撞后相互遠(yuǎn)離的兩物體質(zhì)心的速度模量與碰撞前兩者相互接近時的速度模量在兩表面接觸點的共同法線上的投影之比，表示為Cr，即

Cr=μn/Vn

(2)

式中μn—物料碰撞后的法向分速度(m/s)；

Vn—物料碰撞前的法向分速度(m/s)。

本文恢復(fù)系數(shù)測定采用文獻(xiàn)[12]測量方法，在實驗中分別用膠水將谷粒、癟谷、短莖稈緊密地粘貼在鐵板上，每種水稻用相同的方法制作3塊物料斜面，將每種物料分別放到碰撞板上，進(jìn)行不同物料間實驗測定，每組實驗重復(fù)7次。

2 測定結(jié)果與分析

1)根據(jù)第1章測定方法，得到兩種水稻脫出物含水率與千粒質(zhì)量及密度測量結(jié)果，如表1、表2所示。根據(jù)表1、表2測量結(jié)果可得：兩種水稻癟谷的含水率和千粒質(zhì)量、短莖稈的密度等參數(shù)存在一定差異性，谷粒、短莖稈的含水率和千粒質(zhì)量、谷粒和癟谷的密度等參數(shù)基本一致。

2)按照第1章中測量方法對兩種水稻脫出物三軸尺寸進(jìn)行測量，結(jié)果如表3所示。對兩種水稻物料三軸坐標(biāo)進(jìn)行對比分析表明，兩種水稻三軸尺寸存在很大差異性。其中，C兩優(yōu)華占雜交晚稻谷粒、癟谷較長較窄，短莖稈直徑較細(xì)且長度變化范圍較大；中早39號早稻谷粒、癟谷較短較寬，短莖稈直徑較粗。對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合(見圖3～圖5)，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：中早39號早稻正態(tài)分布情況優(yōu)于C兩優(yōu)華占雜交晚稻，最終確定中早39號早稻谷粒及癟谷平均長、寬、高尺寸分別為7.9、3.2、2.4mm和7.8、3.3、2.2mm；短莖稈平均長、直徑尺寸分別為48、3mm。C兩優(yōu)華占雜交晚稻谷粒及癟谷平均長、寬、高尺寸分別為9.2、2.3、2mm和9.2、2.7、1.1mm；短莖平均稈長、直徑尺寸分別為52、1.8mm。

3)按照1.1、1.2節(jié)的測定方法對兩種水稻脫出物物料間靜摩擦因數(shù)和恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行測定，測得結(jié)果如表5所示。分別對兩種水稻脫出物物料的靜摩擦因數(shù)、恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行對比分析，如圖6所示。結(jié)果表明：兩種水稻靜摩擦系數(shù)除谷粒與短莖稈、短莖稈與短莖稈之間的參數(shù)略有差異外，其他物料間參數(shù)基本一致。兩種水稻恢復(fù)系數(shù)除谷粒與谷粒、癟谷與短莖稈、短莖稈與短莖稈之間的參數(shù)略有差異外，其他物料間參數(shù)基本一致，如圖7所示。

表1 兩種水稻含水率與千粒質(zhì)量測定結(jié)果

表2 兩種水稻密度測定結(jié)果

表3 兩種水稻三軸尺寸測定結(jié)果

圖3 谷粒三軸尺寸正態(tài)分布分析結(jié)果Fig.3 Normal distribution analysis results of grain three axis

圖4 癟谷三軸尺寸正態(tài)分布分析結(jié)果Fig.4 Normal distribution analysis results of shriveled grain three axis

圖5 短莖桿三軸尺寸正態(tài)分布分析結(jié)果Fig.5 Normal distribution analysis results of short stalk three axis表4 兩種水稻三軸尺寸正態(tài)分布分析結(jié)果Table 4 Normal distribution analysis results of two kinds of rice three axis

測量對象測量項目一般尺寸/mm中早39號早稻C兩優(yōu)華占雜交晚稻分布概率/%中早39號早稻C兩優(yōu)華占雜交晚稻谷粒長7.75～8.508.50～9.757880寬3.10～3.602.20～2.509086厚2.10～2.601.80～2.057688癟谷長7.25～8.508.00～9.759282寬3.10～3.602.40～2.907280厚0.95～1.500.90～1.358492短莖稈長35.00～60.0020.00～45.008664直徑2.25～4.001.00～1.758074

表5 兩種水稻物料間靜摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)測定結(jié)果

續(xù)表5

圖6 兩種水稻靜摩擦系數(shù)對比分析Fig.6 The static friction coefficient analysis of two rice

圖7 兩種水稻恢復(fù)系數(shù)對比分析Fig.7 The recovery coefficient analysis of two rice

3 總結(jié)

1)兩種水稻癟谷的含水率和千粒質(zhì)量、短莖稈的密度等參數(shù)存在一定差異性，谷粒、短莖稈的含水率和千粒質(zhì)量、谷粒和癟谷的密度等參數(shù)基本一致。

2)兩種水稻三軸尺寸存在較大差異性，多樣本測量顯示，其尺寸呈正態(tài)分布，中早39號早稻正態(tài)分布情況優(yōu)于C兩優(yōu)華占雜交晚稻。中早39號早稻谷粒、癟谷平均長寬高分別為7.9、3.2、2.4mm和7.8、3.3、2.2mm；短莖稈平均長和直徑分別為48、3mm。C兩優(yōu)華占雜交晚稻谷粒、癟谷平均長寬高分別為9.2、2.3、2mm和9.2、2.7、1.1mm；短莖稈長和直徑平均值分別為52、1.8mm。

3)兩種水稻靜摩擦因數(shù)除谷粒與短莖稈、短莖稈與短莖稈之間的參數(shù)略有差異外，其他物料間參數(shù)基本一致；恢復(fù)系數(shù)除谷粒與谷粒、癟谷與短莖稈、短莖稈與短莖稈之間的參數(shù)略有差異外，其他物料間參數(shù)基本一致。

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Determination and Analysis of Two Kinds of Threshed Rice Physical Properties in South China

Yuan Jianbo1, Wu Chongyou2, Li Hua3, Qi Xindan1, Xiao Xingxing1, Shi Xinxin1

(1.Nanjing Tech University, Nanjing 211816,China; 2.NanJing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture,Nanjing 210031,China; 3.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

After the rice harvest, threshing mixture including grain、shriveled grain、short stalk etc., the basic physical properties of the mixture directly influence its sieving and cleaning performance. Physical properties of the mixture data provides the basic theory for related machine design and the numerical calculation parameter, lay a foundation for related digital precision design of farm machinery.we study threshed rice‘s physical properties including of Zhongzao 39 early rice and C Liangyouhuazhan late rice in southern China by the experimental measurement and theoretical analysis method. The basic physical properties parameters including moisture content, grain size, density, triaxial, static friction coefficient and recovery coefficient, shear modulus, etc.We get the exact value of the two kinds of rice related parameters, determined the materials of three axis.The results showed that different varieties of threshed rice physical characteristics were differences.The results of the study can provide reference for rice particle flow and related research.

zhongzao 39 early rice; c liangyouhuazhan cross-fertilize late rice;physical properties; determ ination and analysis

2017-01-05

農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室開放項目(201602004)；國家自然科學(xué)基金項目(51305182)

原建博(1992-),男(滿族),河北承德人，碩士研究生,(E-mail)335943408@qq.com。

齊新丹(1997-),女，山東德州人，副教授，碩士生導(dǎo)師,碩士，(E-mail) 1710863381@qq.com。

S225；S183

A

1003-188X(2018)02-0154-06