西北旱區(qū)玉米籽粒堆積和過(guò)篩試驗(yàn)

摘 要 為了探究西北旱區(qū)主要種植玉米品種的堆積和過(guò)篩性能，設(shè)計(jì)及優(yōu)化了玉米播種和收獲裝置，對(duì)4個(gè)玉米品種（‘三保黃金糯’‘東單509’‘大成168’‘鐵桿噸玉’）進(jìn)行參數(shù)測(cè)定、堆積和過(guò)篩試驗(yàn)。堆積試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米在亞克力板上形成的堆積角基本處于14～19°，在鐵板上形成的堆積角基本處于18～21°；同一品種玉米在鐵板上形成的堆積角比大于亞克力板。玉米過(guò)篩試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米過(guò)篩率的大小與孔的大小呈正相關(guān)，‘三保黃金糯’玉米品種的過(guò)篩率最大，其次是‘東單509’‘大成168’和‘鐵桿噸玉’。篩孔同尺寸條件下玉米籽粒在方孔篩板上過(guò)篩率要高于比圓孔；1號(hào)收集盒種子質(zhì)量占比較大，為60%～80%。部分種子掉落2號(hào)收集盒，較少種子掉入3號(hào)收集盒，極少到進(jìn)入4號(hào)收集盒。

關(guān)鍵詞 玉米；特征尺寸；堆積角；透篩率

玉米作為中國(guó)第一大糧食作物，在國(guó)民生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用［1-3］。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)糧食需求不斷提高［4］。在玉米播種、收獲、脫粒、分離清選、加工和倉(cāng)儲(chǔ)等過(guò)程中，始終存在著玉米籽粒與機(jī)械部件的接觸作用［5-6］。玉米品種對(duì)其物理特性產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響與其互作的機(jī)械部件。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了大量研究。李飛翔等［7］對(duì)‘鄭單958’玉米包衣種子進(jìn)行了堆積角試驗(yàn)和仿真。陳國(guó)強(qiáng)等［8］研究了玉米顆粒形狀、顆粒濕度對(duì)顆粒堆積形態(tài)的影響，結(jié)果表明顆粒形狀對(duì)顆粒堆積形態(tài)的影響要小于顆粒濕度對(duì)顆粒堆積形態(tài)的影響。王立軍等［9］探究貯存過(guò)程中不同形狀玉米顆粒與鍍鋅鋼板間滾動(dòng)摩擦因數(shù)對(duì)顆粒堆基底接觸力分布的影響，結(jié)果顯示隨玉米顆粒與鍍鋅鋼板間滾動(dòng)摩擦系數(shù)增加，玉米顆粒與基底間法向和切向接觸力平均值均先增大后趨于穩(wěn)定，且模擬試驗(yàn)得玉米顆粒與基底法向接觸力分布規(guī)律與物理試驗(yàn)結(jié)果基本一致。馮鑫等［10］基于曲柄-雙搖桿設(shè)計(jì)了一種波浪篩機(jī)構(gòu)，結(jié)果表明在玉米脫出物喂入量高達(dá)7 kg/s時(shí)，波浪篩清選裝置籽粒的清潔率和損失率分別為99.12%和0.45%，篩分21 kg玉米脫出物時(shí)間為6.86 s。王力軍等［11］探究基于蚯蚓運(yùn)動(dòng)特征的仿生篩上玉米脫出物的運(yùn)動(dòng)特性。Chen等［12］通過(guò)分析比較仿真和試驗(yàn)的體積密度、堆積角和“自流篩選”的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)玉米種子模型的大小和形狀對(duì)仿真結(jié)果影響較大。何團(tuán)擁等［13］對(duì)全株玉米青貯樣品，按賓州篩操作規(guī)程，并分檢了賓州篩上三層各層籽粒，對(duì)各篩層滯留物、檢出籽粒進(jìn)行了干物質(zhì)測(cè)定。張偉等［14］設(shè)計(jì)出玉米籽粒雙層魚鱗篩網(wǎng)組合式清選裝置。譚燕華等［15］使用篩網(wǎng)作為隔離措施，研究南繁地區(qū)轉(zhuǎn)基因玉米基因漂移距離的控制條件。由此可見，玉米堆積和篩分特性與多種因素相關(guān)，然而無(wú)相關(guān)玉米品種對(duì)堆積和篩分特性的研究。

本試驗(yàn)以西北旱區(qū)４個(gè)品種玉米籽粒為研究對(duì)象，對(duì)玉米籽粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)堆積試驗(yàn)和篩分試驗(yàn)，可為相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用‘三保黃金糯’‘東單509’‘大成168’‘鐵桿噸玉’4個(gè)品種。‘三保黃金糯’是酒泉三保種業(yè)有限公司培育出糯玉米品種，適宜在西北，東北，華北，內(nèi)蒙等地鮮食玉米種植區(qū)域種植。‘東單509’品種是張掖市東亞種業(yè)有限責(zé)任公司培育，適宜在黃淮海夏玉米區(qū)種植。‘大成168’品種由寶豐縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所培育，適宜在河南、山東、河北保定及以南地區(qū)、陜西關(guān)中灌區(qū)等地種植。‘鐵桿噸玉’品種是甘肅省武威市家樂種業(yè)有限公司培育，適宜在北京、天津、河北、河南、山東、山西、江蘇北部、安徽北部夏玉米區(qū)種植。4種玉米品種見圖1。

1.2 測(cè)定方法與儀器

采用游標(biāo)卡尺（精度為0.01 mm）測(cè)量玉米特征尺寸，每個(gè)品種測(cè)定500粒，篩選出其中所有的楔形和球錐形玉米種子，玉米特征尺寸分別為長(zhǎng)X1、上寬Y1、下寬Y2、厚Z。玉米特征尺寸見圖2。

玉米過(guò)篩試驗(yàn)通過(guò)自研的玉米過(guò)篩儀器完成，于2024年1月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院排種實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

為分析玉米品種、接觸材料對(duì)堆積角大小的影響，采用單因素方差分析方法對(duì)玉米堆積角試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析。為分析玉米品種、過(guò)篩孔類型、大小對(duì)過(guò)篩率的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米品種與籽粒特征

根據(jù)對(duì)每個(gè)品種500粒玉米的測(cè)定，‘大成168’品種玉米含水率為9.83%，特征尺寸分別為：長(zhǎng)10.83 mm，上寬5.86 mm，下寬8.98 mm，厚7.52 mm，上寬最小，上寬與其他尺寸之間的關(guān)系見圖3。‘鐵桿噸玉’品種玉米含水率為" 11.24%，特征尺寸分別為：長(zhǎng)10.62 mm，上寬" 5.67 mm，下寬8.50 mm，厚6.14 mm，上寬最小，上寬與其他尺寸之間的關(guān)系見圖4。‘東單509’品種玉米含水率10.45%，玉米特征尺寸為：長(zhǎng)12.92 mm，上寬5.30 mm，下寬7.90 mm，厚5.89 mm，上寬最小，上寬與其他尺寸之間的關(guān)系見圖5。‘三保黃金糯’品種玉米含水率9.75%，玉米特征尺寸為：長(zhǎng)8.94 mm，上寬5.53 mm，下寬8.11 mm，厚5.02 mm，厚度最小，厚度與其他尺寸之間的關(guān)系見圖6。

由圖3可知，‘大成168’品種上寬與其他尺寸之間有線性關(guān)系，其中長(zhǎng)與上寬比其他兩個(gè)尺寸線性明顯。同時(shí)，特征尺寸越大，與上寬線性越" 明顯。

由圖4可知，‘鐵桿噸玉’品種上寬與其他尺寸之間存在線性關(guān)系，其中長(zhǎng)與上寬比其他兩個(gè)尺寸線性明顯。同時(shí)，特征尺寸越大，與上寬線性越明顯。

由圖5可知，‘東單509’品種上寬與其他尺寸之間存在線性關(guān)系，其中長(zhǎng)與上寬比其他兩個(gè)尺寸線性明顯。同時(shí)，特征尺寸越大，與上寬線性越明顯。

由圖6可知，‘三保黃金糯’品種上寬與其他尺寸之間存在線性關(guān)系，其中下寬Y2與上寬Y1線性明顯，其次為長(zhǎng)X與上寬Y1。

2.2 不同玉米品種堆積角特征分析

每個(gè)品種隨機(jī)選取50 g，并分別在亞克力板上和鐵板上進(jìn)行堆積角試驗(yàn)。玉米堆積角形成后，堆積錐體的最高點(diǎn)與左低點(diǎn)形成的直線與水平面之間夾角作為堆積角，同理測(cè)定其他玉米品種，每個(gè)品種共測(cè)10次，并取平均值。由圖7和表1可知，玉米品種在亞克力板上形成的堆積角范圍為14°～19°，其最小與最大值相差3.55°，相比鐵板來(lái)說(shuō)較大。在鐵板上形成的玉米堆積角范圍為18°～21°。同一品種玉米在鐵板上形成的堆積角要大于亞克力板上上的，說(shuō)明接觸材料對(duì)玉米堆積角形成有一定的影響。

為進(jìn)一步研究玉米品種、接觸材料對(duì)堆積角的影響規(guī)律，對(duì)表1的結(jié)果進(jìn)行方差分析，接觸材料對(duì)堆積角的影響方差分析（表2）可見，‘東單509’‘大成168’玉米品種分別在鐵板、亞克力板上形成的堆積角差異顯著。‘鐵桿噸玉’分別在鐵板、亞克力板上形成的堆積角差異極顯著。‘三保黃金糯’在兩種接觸材料上形成的堆積角不顯著，表明接觸材料和玉米品種對(duì)堆積角具有一定" 影響。

品種對(duì)堆積角影響的方差分析見表3。由表3可見，4種玉米在鐵板形成的堆積角差異不顯著，而在亞克力板上顯著。說(shuō)明玉米品種對(duì)堆積角具有影響。

2.3 不同玉米品種的自過(guò)篩率特征分析

通過(guò)玉米自過(guò)篩率也可以作為標(biāo)定玉米外形的一種方法。過(guò)篩率的定義是在給定的時(shí)間內(nèi)物料通過(guò)篩子的質(zhì)量。具體為讓種子以剛滑動(dòng)的速度在篩網(wǎng)上運(yùn)動(dòng)，將能夠透過(guò)篩網(wǎng)的種子測(cè)重后與種子總質(zhì)量對(duì)比，得到自過(guò)篩率。采用方孔和圓孔四種尺寸鋼網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，鋼網(wǎng)尺寸為500 mm×300 mm，厚度1 mm，孔分別為9 mm×" 9 mm和10 mm×10 mm的方孔鋼板，及直徑為10 mm和12 mm的圓孔，見圖8。測(cè)量時(shí)，用夾緊工具夾緊鋼板，隨機(jī)選取質(zhì)量為350 g的玉米種子，自鋼板的最上端，盡量以0.1 kg/s的傾倒速率使種子保持全部都一樣的初速度，為了使種子在鋼板上以均速運(yùn)動(dòng)下滑，將鋼板與水平面呈一個(gè)18°左右的夾角，這個(gè)角度正好能使4種種子做到勻速下滑。

2.3.1 玉米過(guò)篩率的大小與圓孔的相關(guān)分析 由表4可知，玉米過(guò)篩率的大小與圓孔的大小是正相關(guān)。同一條件下4種玉米過(guò)篩率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，‘三保黃金糯’玉米品種的過(guò)篩率最大，究其原因與種子的大小、形狀有關(guān)，‘三保黃金糯’外形尺寸最小。‘東單509’過(guò)篩率其次，最后是‘大成168’和‘鐵桿噸玉’。玉米品種‘東單509’‘大成168’‘鐵桿噸玉’在圓孔直徑10 mm的過(guò)篩率相差不明顯，而‘三保黃金糯’有明顯差異。對(duì)于圓孔直徑12 mm，‘三保黃金糯’品種基本全部通過(guò)。

2.3.2 玉米過(guò)篩率的大小與方孔的相關(guān)分析 由表5可知，玉米過(guò)篩率的大小與方孔的大小是正相關(guān)。同一條件下4種玉米過(guò)篩率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，‘三保黃金糯’玉米品種的過(guò)篩率最大，‘東單509’過(guò)篩率其次，最后是‘大成168’和‘鐵桿噸玉’。玉米品種‘東單509’‘大成168’‘鐵桿噸玉’在方孔9×9 mm的過(guò)篩率相差不明顯，而‘三保黃金糯’有明顯差異。對(duì)比方孔10×10 mm與圓孔直徑10 mm的過(guò)篩濾，前者遠(yuǎn)大于后者。由于方孔對(duì)角線處可達(dá)到14 mm，4個(gè)品種玉米長(zhǎng)沒有超過(guò)，因此玉米種子在方孔篩板上過(guò)篩率要高于比圓孔。

由表6可見，玉米品種在4種不同孔條件下過(guò)篩率差異極顯著，顯著性從小到大以此排序分別為方孔9 mm×9 mm、方孔10 mm×10 mm、圓孔10 mm×10 mm和方孔9 mm×9 mm。

由表7可見，通過(guò)4種不同孔條件下玉米過(guò)篩率差異極顯著，顯著性從小到大以此排序分別為‘大成168’‘三保黃金糯’‘鐵桿噸玉’和‘東單509’。

4個(gè)品種玉米通過(guò)篩網(wǎng)圓孔直徑10 mm、圓孔直徑12 mm、方孔9×9 mm、方孔1 010 mm后，在4個(gè)收集區(qū)域的質(zhì)量分布，見圖9。由圖9可知，1號(hào)收集盒種子質(zhì)量占比較大，處于60%～80%之間。部分種子掉落2號(hào)收集盒，較少種子掉入3號(hào)收集盒，極少進(jìn)入4號(hào)收集盒。

3 討論與結(jié)論

3.1 討" 論

本研究對(duì)甘肅4種主要種植品種（‘三保黃金糯’‘東單509’‘大成168’‘鐵桿噸玉’）進(jìn)行了堆積角試驗(yàn)，玉米在亞克力板上形成的堆積角基本處于14～19°，在鐵板上形成的堆積角基本處于18～21°；同一品種玉米在鐵板上形成的堆積角比大于亞克力板。

在對(duì)4個(gè)品種玉米開展了玉米過(guò)篩試驗(yàn)后，對(duì)比同一條件下4種玉米過(guò)篩率發(fā)現(xiàn)，‘三保黃金糯’玉米品種的過(guò)篩率最大，‘東單509’過(guò)篩率其次，最后是‘大成168’和‘鐵桿噸玉’。玉米品種‘東單509’‘大成168’‘鐵桿噸玉’在圓孔直徑" 10 mm的過(guò)篩率相差不明顯，而‘三保黃金糯’有明顯差異。由方差分析可知玉米品種在4種不同孔條件下過(guò)篩率差異極顯著，顯著性從小到大以此排序分別為方孔9 mm×9 mm、方孔10 mm×10 mm、圓孔10 mm×10 mm和方孔9 mm×" 9 mm。通過(guò)4種不同孔條件下玉米過(guò)篩率差異極顯著，顯著性從小到大以此排序分別為‘大成168’‘三保黃金糯’‘鐵桿噸玉’和‘東單509’。篩孔同尺寸條件下玉米籽粒在方孔篩板上過(guò)篩率要高于比圓孔。1號(hào)收集盒種子質(zhì)量占比較大，處于60～80%之間。部分種子掉落2號(hào)收集盒，較少種子掉入3號(hào)收集盒，極少進(jìn)入4號(hào)收集盒。以期為玉米相關(guān)裝備設(shè)計(jì)提供參考。

3.2 結(jié)" 論

由堆積角試驗(yàn)結(jié)果可知，‘東單509’‘大成168’玉米品種分別在鐵板、亞克力板上形成的堆積角差異顯著。‘鐵桿噸玉’分別在鐵板、亞克力板上形成的堆積角差異極顯著。‘三保黃金糯’在兩種接觸材料上形成的堆積角不顯著。由此可見，玉米品種、接觸材料對(duì)堆積角形成產(chǎn)生一定影響。由過(guò)篩試驗(yàn)結(jié)果可知，玉米品種、篩孔形狀及大小對(duì)種子過(guò)篩率產(chǎn)生一定影響。

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Experimental Study on Maize Kernel Piling and Sieving in Northwestern Arid Region of China

HAN Jinyao1 and" SHI" Linrong2

（1.Liangzhou District Agricultural Mechanization Technology Extension Station， Wuwei Gansu 733000，China;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China ）

Abstract To investigate the piling and sieving performance of the major maize varieties cultivated in the Northwestern arid region， the maize sowing and harvesting devices were designed and optimized，followed by parameter determination， piling and sieving tests using four maize varieties （‘Sambao Huangjinnuo’‘Dongdan 509’‘Dacheng 168’ and ‘Tiegandunyu’）.The piling results showed that maize formed a piling angle ranging from 14-19° on the acrylic plate and 18-21° on iron plates.Moreover， the piling angle on the iron plate was generally greater than on acrylic plates for the same maize variety.Regarding the maize sieving this study found a positive correlation between maize kernel size and hole size， with ‘Sanbao Huangjinnuo’ exhibting the highest sieving rate， followed by ‘Dongdan 509’ ‘Dacheng 168’ and ‘Tiegandunyu’.Maize kernels also showed higher sieving rate on square-hole sieve plates compared to plates with round hole of the same size; The seeds in collection box No.1 accounted for a significant proportion， ranging between 60% and 80% of the total weight.Part of the seeds droped into collection box No.2 ， fewer seeds into collection box No.3 ， very few into" collection box No.4.This study provides a reference for the design of maize-related equipment.

Key words Maize; Characteristic size; Stacking angle; Sieving rate

Received "2024-05-23 """Returned 2024-07-08

Foundation item National Natural Science Foundation of China （No.52065004， No.52365030）; Lanzhou Municipal Young Talents Innovation Project （No.2023-QN-146）;Major Cultivation Projects for Colleges and Universities’" Scientific Research and Innovation Platforms of Gansu Provincial Department of Education （No.2024CXPT-15）; Gansu Province Science and Technology Commissioner Special Project （No.23CXGA0066）; The 2023 Gansu Province Integrated Pilot Project for Research， Development， Manufacturing， and Extension of Agricultural Machinery （No.3-3）.

First author HAN Jinyao， male， undergraduate， senior engineer.Research area：agricultural mechanization design，manufacturing，demonstration and extension.E-mail：896234925@qq.com

Corresponding"" author SHI Linrong，male，Ph.D， associate" professor.Research area：precision and intelligent seeding technology and engineering in northwestern arid region of China.E-mail：shilr@gsau.edu.cn

（責(zé)任編輯：成 敏 Responsible editor：CHENG" Min）