小白菜種子機械物理特性試驗

劉海 杜錚 李旭 郭翔 涂建東 萬勇

摘要：為得到正負氣壓組合式排種器的最佳結構參數和工作參數，研究種子變異對氣力式排種器充種性能和投種準確性的影響，對10個不同品種小白菜種子的質量、三軸尺寸、含水率、千粒重、休止角、滑動摩擦角等進行測試并對小白菜種子寬度及球度概率分布特性進行分析。試驗測得小白菜種子寬度分布集中在1.47～1.61 mm，占總體的80%以上，寬度平均值為1.53 mm；球度分布集中在85%～95%，占總體的85%以上，球度平均值為90.41%；滑動摩擦角在ABS材料上的平均值為13.75°。小白菜種子長度和寬度方向尺寸接近，種子尺寸分布集中在各方向的平均值附近，小白菜種子在外形上近似于球形，不同品種小白菜種子之間寬度有差異。小白菜種子的承壓載荷隨著破裂測試探頭位移的增加而增大，種子破裂時承壓載荷達到最大值9.6 N，其最終的曲線變化平緩。為正負氣壓組合式排種器的設計提供重要依據，確保小白菜精量直播的播種精度，滿足小白菜標準化株距和行距等農藝要求，以提高小白菜機械化生產程度和機具利用率。

關鍵詞：小白菜種子；排種器；精量播種；物理特性

中圖分類號：S223.2+3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0088-06

Abstract： In order to obtain the best structural and working parameters of positive and negative air pressure combined seed metering device， the effects of seed variation on seed filling performance and seed feeding accuracy of pneumatic seed metering device were studied. The seed mass， triaxial size， water content， 1 000grain weight， angle of repose and angle of sliding friction of 10 different varieties of pakchoi seeds were tested， and the probability distribution characteristics of seed width and sphericity of pakchoi were analyzed. The results showed that the seed width distribution of pakchoi was concentrated in 1.47-1.61 mm， accounting for more than 80% of the total， the average width was 1.53 mm. The sphericity distribution was concentrated in 85%-95%， accounting for more than 85% of the total， the average sphericity was 90.41%. The average value of sliding friction angle on ABS was 13.75°. The length and width of pakchoi seeds were close to each other， and the seed size distribution was concentrated near the average value in all directions. The shape of pakchoi seeds was similar to spherical， and the width of different varieties of pakchoi seeds was different. The pressurebearing load of pakchoi seeds increased with the increase of the displacement of rupture test probe. As the seed breaks，the maximum value of pressurebearing load was 9.6 N， and its final curve changes was unobvious. It provides an important basis for the design of positive and negative air pressure combined seed metering device， ensures the sowing accuracy of precision direct seeding of pakchoi， meets the agronomic requirements of standardized plant spacing and row spacing of pakchoi， and improves the mechanized production degree of pakchoi and the utilization rate of machines and tools.

Keywords： pakchoi seed; metering device; precision seeding; mechanical and physical properties

0引言

小白菜又稱不結球白菜，是長江中下游地區種植面積最大的葉類菜，其種子為類球形小粒徑種子，屬于農業離散顆粒物料［12］。針對小白菜氣力式精量排種器結構，小白菜種子的物料特性參數在排種器充種、攜種、卸種、投種等環節的作業性能有著重要影響［34］。以種子物料特性為依據，探索顆粒種子在排種器中的運動已成為農業裝備應用研究的主流發展趨勢［5］。

近年來國內外研究者對農業機械工程顆粒作業對象開展了研究［614］，如黃小毛等［15］建立了油菜種子與播種機排種器工作部件的碰撞模型，利用運動方程構建了油菜種子物料參數的測定裝置。劉彩玲等［16］提出了一種基于三維激光掃描的種子離散元建模方法，通過對不同種子離散元建模條件下種子的自然休止角進行仿真，證明了該方法提高了離散元仿真精度。劉文政等［17］根據種子物料特性創建了離散元模型，研究了種子離散元仿真物料特性參數，并利用試驗結合仿真的方式對種子離散元參數進行標定和校準。李俊偉等［18］對不同顆粒進行參數標定，獲得了顆粒與其接觸部件互作機制的離散元仿真模擬參數。叢錦玲［19］通過對小粒徑種子機械物理特性的研究，設計了一種氣力式排種器。實際上多數小粒徑種子外形尺寸都是非規則的，對于依靠型孔攜種的氣力式排種器而言，其作用對象的輪廓形狀對作業過程會產生很大影響。

綜上所述，目前針對小白菜種子相配套種植機械的研究與設計較少，且針對小白菜種子的物理特性研究不多。本文以排種器作業過程中的小白菜種子為研究對象，通過對小白菜種子的幾何參數、物理參數的測定，為精量播種小白菜種子排種和分級方法的選擇與設計提供基本的試驗數據，同時也為小白菜、油菜等類球形小粒徑種子離散元模型的研究提供參考。

1材料與方法

1.1供試材料

小白菜種子為小粒徑類球形，其幾何尺寸和形狀都為隨機變量，它們直接影響種子從種箱口進入排種器內腔的過程，以及小白菜種子在排種器內腔中的分布狀態，進而影響了排種器的工作性能。排種器工作時的主要過程有充種過程、攜種過程和投種過程，其對應的工作性能為充種性能、攜種性能和投種性能。排種器的主要結構參數種盤的型孔形式、型孔直徑、排種口的尺寸設計參數都與小白菜種子的幾何尺寸和形狀密切相關。為得到正負氣壓組合式排種器的最佳結構參數和工作參數，研究種子變異對氣力式排種器充種性能和投種準確性的影響，有必要對小白菜種子的機械物理特性進行試驗分析。

種子相關機械物理特性直接決定影響種子在排種器中的充種及排種能力，因此研究種子的機械物理特性是排種器設計研究的一個重要前提條件。本文用于測試及試驗的種子為小白菜種子，主要以長江中下游地區常見的10個不同品種小白菜種子為研究對象，購買10個品種密封袋裝小白菜種子，在同一溫度、濕度、光照環境下進行試驗，測定其質量、三軸尺寸、含水率、千粒重、休止角、滑動摩擦角。

1.2測定方法

1.2.1小白菜種子三軸尺寸的測定

三軸尺寸是指小白菜種子的長度L、寬度W、高度H，三軸尺寸對排種器中排種盤和型孔的尺寸設計具有重要影響。隨機抽取各品種小白菜種子100粒，利用數顯游標卡尺測量種子的長度、寬度、高度。小白菜種子為類球形，其長度、寬度、高度定義沿三坐標方向，如圖1所示。根據種子的長度L、寬度W、高度H確定其當量直徑De和球度SP［20］。

1.2.2種子含水率的測定

種子的含水率是指供試種子所含的水分重量與種子重量的百分比，在同一溫度、濕度、光照環境下，將種子處理后測量各品種的含水率。采用數顯電熱恒溫鼓風干燥箱進行小白菜種子含水率的測定，種子樣品放入干燥箱恒溫區，溫度設置為105 ℃，持續烘干時間設置為12 h，取出冷卻至室溫再稱重即可得到種子含水率。

1.2.3千粒重的測定

顆粒狀種子的千粒重是指1 000粒種子干凈無損傷的完整種子的質量。使用微電腦自動數粒儀，將各品種小白菜種子數1 000粒后，利用電子天平稱重，各組重復6次，取其平均值表示。

1.2.4種子容重的測定

種子的容重是氣力式精量排種器種箱及排種盤型孔設計的重要依據。種子的容重是指單位容積內種子的絕對質量，在同一溫度、濕度、光照環境下種子容重的大小受其他多種因素的影響，如種子大小、球度、接觸材料及種子生理特性影響。

挑選出完整的小白菜種子并清除雜質，利用1 000 mL 的量筒內裝滿種子，利用外在顫振和擠壓作用，使種子與種子之間的間隙達到最小。將量筒內種子倒出，利用天平稱獲取其質量，根據種子的質量與體積計算出容重。各品種種子測試試驗數為6組，取其平均值表示。

1.2.5種子休止角的測定

種子休止角又稱為種子靜止摩擦角或堆積角，與種子的尺寸、形狀、濕度、密度等有關。利用休止角測定裝置使小白菜種子以一定高度自然下落堆積成種子堆錐體，測定錐體高度和錐體直徑，不同品種小白菜種子測試組休止角取平均值，休止角測定裝置如圖2所示。

1.2.6種子滑動摩擦角的測定

滑動摩擦角反映了種子與接觸表面的滾動摩擦特性。為獲取不同品種小白菜種子滑動摩擦角，利用滑動摩擦角測定裝置，采用斜面法，開展小白菜種子滑動摩擦角測定試驗。試驗時，將待測小白菜種子堆積在可調節斜面（ABS材料）上，通過調整斜面角度，待小白菜種子剛開始滾動時，斜面與水平面的角度即為小白菜種子的滑動摩擦角。重復測定6次取其平均值，測定裝置如圖3所示。

1.2.7種子最大硬度及承壓載荷的測定

抗壓強度是小白菜種子機械物理特性的重要參數之一，為避免種子破損導致出苗率低，應選擇抗壓強度較大的小白菜種子。采用TMS-PRO質構儀對種子進行壓縮性試驗，每一品種的種子隨機選取30粒測定，取其平均值可獲取種子最大硬度及承壓載荷。試驗測試速度為5.00 mm/min，起始力為0.5 N，測試最大距離為1.00 mm，測定裝置如圖4所示。

2結果與分析

2.2小白菜種子物理特性分析

2.2.1小白菜種子形狀特性分析

由表1可知，小白菜種子的長度和寬度方向尺寸接近，其差值范圍為0.15～0.23 mm，而且長度尺寸相對較小，厚度尺寸相對較大，種子尺寸分布較集中在各方向的平均值附近。這種小白菜種子在外形上近似于球形，外形飽滿。由臺架試驗數據可知，正負氣壓組合式排種器對這類小白菜種子具有較好的適應性，采用該小白菜品種播種時，排種器的合格率較高，同時排種器的重播率、漏播率和株距變異系數均較小。

2.2.2小白菜種子寬度概率分布分析

小白菜種子的寬度是設計排種器排種盤型孔形狀和大小的重要依據，根據不同品種小白菜種子在同一作業環境下的分布規律進行排種盤型孔的分類，以滿足小白菜種子精量播種要求。小白菜種子寬度概率分布如圖5所示。

由圖5可知，10個不同品種小白菜種子的寬度呈近似正態分布。小白菜種子寬度分布集中在1.47～1.61 mm，占總體的80%以上，寬度平均值為1.53 mm，10個不同品種小白菜種子之間寬度有差異。

2.2.3小白菜種子球度分布分析

小白菜種子的球度是指種子接近球體的程度，與種子三軸尺寸密切相關，是設計影響排種器攜種過程的關鍵因素，根據不同品種小白菜種子在同一作業環境下的分布規律進行篩選，以滿足小白菜種子精量播種要求。小白菜種子球度概率分布如圖6所示。

由圖6可知，10個不同品種小白菜種子的球度分布集中在85%～95%，占總體的85%以上，球度平均值為90.41%，10個不同品種小白菜種子的球度較好。

2.2.4小白菜種子滑動摩擦角分析

由表1可知，10個不同品種小白菜種子的滑動摩擦角在ABS材料上的平均值為13.75°，各品種小白菜種子的滑動特性比較好。由表2可知，不同品種小白菜種子之間在ABS材料上的滑動摩擦角差異在P＜0.05和P＜0.01處均不顯著。

小白菜種子滑動摩擦角和種子與種子間、種子與接觸材料間的摩擦特性緊密相關，可由此確定排種器種箱與氣室的結構形式，以優化排種器結構。

2.2.5小白菜種子最大硬度及承壓載荷分析

圖7為隨機選取的小白菜種子載荷與位移關系，由圖7可知，隨機放置種子時，種子的承壓載荷隨著位移的增加而增大，在0.41 mm時承壓載荷達到5.5 N，形成第1個峰值，此時種子接觸破裂測試探頭的部位受壓產生裂紋；位移繼續增加時，承壓載荷先降后升，在1.00 mm處承壓載荷達到最大值9.6 N，此時種子破裂；破裂測試探頭繼續下降，承壓載荷隨著位移的增加而減小，位移為1.00～1.28 mm時，承壓載荷由9.6 N 減小至0.1 N；隨著位移繼續增加，承壓載荷下降幅度較小，曲線變化平緩。小白菜種子最大硬度及承壓載荷與排種盤結構參數及排種器氣室氣壓相關，為排種器的設計提供參考。

3結論

1）? 10個不同品種小白菜種子的寬度呈近似正態分布。小白菜種子寬度分布集中在1.47～1.61 mm，占總體的80%以上，寬度平均值為1.53 mm，10個不同品種小白菜種子之間寬度有差異。

2）? 10個不同品種小白菜種子的球度分布集中在85%～95%，占總體的85%以上，球度平均值為90.41%，10個不同品種小白菜種子的球度較好。

3）? 10個不同品種小白菜種子的滑動摩擦角在ABS材料上的平均值為13.75°，各品種小白菜種子的滑動特性比較好，不同品種小白菜種子之間在ABS材料上的滑動摩擦角差異在P＜0.05和P＜0.01處均不顯著。

4）? 小白菜種子的承壓載荷隨著位移的增加而增大，種子接觸破裂測試探頭的部位受壓產生裂紋，種子破裂時承壓載荷達到最大值9.6 N，隨后承壓載荷隨著破裂測試探頭位移的增加而減小，其最終的曲線變化平緩。

小白菜種子基本物理特性參數是影響排種器設計和排種性能的最主要因素。因此，應根據小白菜種子物理特性設計計算排種器各參數，滿足播種要求的同時使排種器盡可能適應同一品種的大多數種子，同時能滿足不同品種的小白菜種子。

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