小籽粒种子排种物理机械特性参数的测量

张燕青，崔清亮，王丰，李红波

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)



小籽粒种子排种物理机械特性参数的测量

张燕青，崔清亮*，王丰，李红波

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

摘要：小籽粒种子的排种物理机械特性参数是排种方法和原理选择、排种器结构和性能设计的重要依据。本文对谷子、苜蓿、油菜等小籽粒种子的千粒重、密度、外形尺寸、硬度、摩擦系数进行了测量。结果表明：所测种子千粒重、密度范围分别为1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3；三轴尺寸长、宽、高范围分别为1.80～3.50 mm、1.69～2.23 mm、1.14～2.00 mm；硬度范围为11.04～41.76 N；对钢材的静、动摩擦系数最小，范围为0.488～0.627、0.377～0.565。小籽粒种子排种物理机械特性参数的测量为排种原理方法的选择、排种器结构性能的设计提供了理论依据。

关键词：小籽粒种子；排种；物理机械特性；测量

小籽粒种子的粒径较小，主要有谷子、苜蓿、芥菜等，且多数种植于我国北方干旱、半干旱地区，地形以山地丘陵为主[1]。小籽粒种子用传统的耧播与机械式条播播种量大，播种均匀性差，后续间苗、定苗工作量大，且易出现“苗弱、苗荒”现象[2]，因此，小籽粒种子的精少量或免间苗播种十分重要[3]。精少量播种质量主要取决于排种装置的性能，研究小籽粒种子的排种物理机械特性，为小籽粒精少量排种装置的设计提供依据。

国内外很多学者对不同种子的物理机械特性进行了研究。任闯等[4～6]运用机械接触法采用游标卡尺、千分尺测量了三七、西瓜、辣椒种子的三轴尺寸，为其排种装置的设计提供了技术参数。该测量方法定位不准，有误差，操作繁琐。Yang Ling等[7]为设计播种机对水稻包衣种子的物理特性进行了研究。辛明金等[8]为玉米流体穴播以及湿种播种机具的设计测量了浸泡后玉米种子的三轴尺寸、摩擦角等。Razavi等[9]测量了不同种西瓜籽种子的摩擦系数。

小籽粒种子种类多、粒径小，针对小籽粒种子排种物理机械特性参数的专门研究还鲜见报道。本课题组针对小籽粒种子的排种物理机械特性，测量了小籽粒种子的三轴尺寸、摩擦系数和硬度等参数。

1材料与仪器

1.1材料

选取沁州黄、晋谷21号、吨谷3种谷子品种以及苜蓿、芥菜、白菜、油菜和芝麻种子。

1.2仪器

测量仪器主要包括：电子天平，量程500 g，精度0.01 g；量筒，量程100 mL，精度1 mL；CMM-15E系列多用途投影显微镜，上海长方光学仪器有限公司生产；MXD-01型摩擦系数仪，济南兰光机电技术有限公司生产；GWJ-Ⅱ型谷物硬度计，浙江托普有限公司生产。DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱，无锡三鑫精工电气设备有限公司生产。

2含水率、千粒重和密度测量

种子含水率大小对排种物理机械特性有直接影响，千粒重和密度对排种方法与原理的选择以及排种器结构的设计也有重要影响。比如，研制气力式排种器时需要研究种子的空气动力学特性，在液体排种技术中，种子与液体的配制均与种子的千粒重和密度有密切关系。

2.1测量方法与步骤

采用烘干减重法[14]测量种子含水率。用电子天平、量筒测量小籽粒种子的千粒重和密度，每种种子重复测量5次，取平均值作为最终结果。

2.2测量结果

小籽粒种子含水率、千粒重、密度测量结果见表1。

表1　种子含水率、千粒重、密度参数

由表1可知，8种小籽粒种子的千粒重、密度相差不大。其范围分别在1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3。其中沁州黄种子的千粒重最大，白菜种子的密度最大。

3外形尺寸测量

种子的三轴尺寸是指种子的三个轴向尺寸大小次序排列，分别定义为长度、宽度和高度[10]。小籽粒种子三轴尺寸直接影响到小籽粒种子在排种器内的流动性与充填性等[11]，是确定排种器结构形状和充种原件的结构时首先考虑的基本参数，三轴尺寸越相近，越有利于排种器的设计。采用千分尺、游标卡尺等直接测量对种子的轴向定位不准确，而且测量仪器与种子直接接触造成伤种[12]。采用投影法测量小籽粒种子的尺寸，操作简便，精度高。

3.1测量方法与步骤

每种种子随机取出50粒，观察小籽粒种子的形状，初步确定其三轴方向。然后将其依次粘于涂有凡士林的载波片上进行定位，利用投影显微镜测量种子的尺寸，将目镜上的零刻度线与所测种子的边缘重合，测量其中两轴尺寸，再将载玻片垂直与载物台，测量其另外一轴尺寸，如图1所示。记录数据时，比较三轴尺寸大小，确定其长度、宽度与高度值。

图1　投影法测量种子三轴尺寸图Fig.1　Projection method for measurement of three axis dimension

3.2测量结果

小籽粒种子形态不一，测量数据服从正态分布，根据斯特·杰斯(Sturges)给出的正态分布等距分组公式(1)、(2)计算组数与组距[13]。以种子的尺寸为横坐标，种子粒数为纵坐标，绘制频数直方图，得出小籽粒种子的三轴尺寸分布情况。

n=1+3.322lgN

(1)

a=R/n

(2)

式中：n——组数；

N——单位数/50粒；

a——组距/mm；

R——全距/mm。

以沁州黄种子为例，算得其长组距、宽组距和高组距分别为0.20 mm、0.07 mm和0.09 mm，其尺寸频数直方图如图2所示。由图可知，98%种子长度范围、宽度范围和高度范围分别在2.14～3.14 mm、 1.63～2.05 mm和1.18～1.72 mm。沁州黄种子尺寸长、宽、高的95%置信区间为2.14～3.14 mm、1.63～2.05 mm、1.18～1.72 mm。

本文共测量了8种小籽粒种子的三轴尺寸参数如表2所示。表中a、b、c分别代表小籽粒种子的长度、宽度和高度。

图2　沁州黄种子三轴尺寸分布图Fig.2　Three axis size distribution of seeds of Qinzhouhuang

表2　种子三轴尺寸参数

根据三个轴向尺寸的不同，种子分为不同形状。当a>b>c，即三个轴向尺寸不等时，种子呈扁长型；当a>b=c，即宽度和厚度相等，但小于长度时，种子呈圆柱型；当a=b>c，即长度和宽度相等但大于厚度时，种子呈扁圆型；当a=b=c，即三个轴向尺寸相等时，种子呈球型。由表2可知，吨谷、芝麻、晋谷21号、苜蓿和沁州黄种子呈扁长型；白菜种子呈扁圆型；芥菜、油菜种子呈球型。

4硬度测量

种子的硬度反映种子最大抗挤压能力，它为排种部件间隙设计提供依据。

4.1测量方法与步骤

采用机械挤压法，每种种子随机取出50粒，调试谷物硬度计为测试状态，待仪器稳定后，调试仪器向被测种子施加压力，硬度计示数逐渐增大，当被测种子被挤压破碎时，硬度计示数最大并被系统锁定，仪器内部蜂鸣器开始连续鸣响，此时硬度计显示数值为该被测种子的硬度值，记录数据。

4.2测量结果

种子的硬度值如表3所示。

由表3可知，小籽粒种子硬度范围为11.04～41.76 N,其中硬度最大的是苜蓿种子，最小的是油菜种子。

表3　种子硬度

5摩擦系数测量

在排种过程中，种子与排种器部件直接接触，其摩擦系数对种子的流动性与排种质量有重要影响。同时，测量摩擦系数为排种器材料的选择，以及种箱、输种管位置角度的选择提供理论依据。

5.1测量方法与步骤

该测量采用的方法为直接接触法。每种种子随机取出一些，将其均匀地洒在粘有502胶的硬纸板上，然后将粘有不同接触材料的滑块依次放于硬纸板上。开动摩擦系数仪，使滑块在种子上滑动，重复测量5次，以平均值作为最终结果。

5.2测量结果

小籽粒种子对不同材料的静、动摩擦系数见表4。表中m、n分别代表该种子在某一材料下的静、动摩擦系数。

表4　种子摩擦系数

由表4可知绝大多数小籽粒种子对钢材的静、动摩擦系数最小，其范围分别为0.488～0.627、0.377～0.565。其次是塑料和铸铁。

6结论

通过测量，得出小籽粒种子主要的排种物理机械特性参数 ：

(1)小籽粒种子千粒重、密度范围为1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3，其测量为机械式排种器种箱的设计；气力式排种器气压、室容积的确定；液体排种中液体悬浮液的配制提供了依据。

(2)小籽粒种子三轴尺寸长、宽和高范围分别为1.80～3.50 mm、1.69～2.23 mm和1.14～2.00 mm，其测量为机械式排种器型孔、型槽的形状与尺寸，液体式排种器排种管的选择提供数据支持。

(3)小籽粒种子对钢材的静、动摩擦系数最小，范围为0.488～0.627、0.377～0.565，摩擦系数的测量为排种器材料的选择，排种器倾斜角度以及种子在排种器中的运动速度的确定、运动形式的选择提供了计算依据。

(4)小籽粒种子硬度范围为11.04～41.76 N，其测量可知小籽粒种子的最大抗挤压破环能力，为排种部件间隙尺寸提供了技术参数。

参考文献

[1]张东光，郭玉明，郑德聪，等.2BX-10型小籽粒精少量播种机的研制[J].山西农业大学学报(自然科学版),2010，30(5):459-463.

[2]任丽敏.基于农机农艺结合的谷子少(免)间苗播种试验研究[D].太谷：山西农业大学，2014：1-52.

[3]孙静鑫，郭玉明，杨作梅。不同型式小籽粒精少量排种器排种性能比较分析[J].山西农业大学学报(自然科学版)，2016,36(1)：65-71.

[4]任闯，高筱钧，苏微，等.三七种子物理机械特性试验[J].湖南农业大学学报(自然科学版)，2015，41(1)：109-112.

[5]戴思慧，李明，姚军，等.三倍体西瓜种子重要物理特性测定及应用[J].农机化研究，2011(9)：165-168.

[6]徐东，宋玉秋，辛明金，等.蔬菜种子物理特性和空气动力学特性试验研究[J].农机化研究，2007(4)：112-114.

[7]Yang Ling，Yang Mingjin，Li Qingdong，et al．Experimental study on physical properties of coated rice seed[J]．Transactions of the CSAE，2005，21(9):7-11．

[8]辛明金，宋玉秋，白晓虎，等.玉米流体穴播种子物理机械特性的研究[J].中国农机化，2011(4)：45-48.

[9]Razavi S M A，Milani E．Some physical properties of the watermelon seeds[J]．African J Agric Res,2006，1(3):65-69.

[10]周祖愕，汪裕安，曹崇文，等.种子尺寸分选特性的研究[J].北京农业工程大学学报，1988，8(1)：61-75.

[11]田聪.气吸式谷子精量播种机的研究[D].保定：河北农业大学，2013：1-59.

[12]李岩.小籽粒流体排种的试验研究[D].太谷：山西农业大学,2013：1-47.

[13]贾振声，骆永菊，徐文权.关于正太分布的等距分组[J].数学的实践与认识，2010，40(20)：238-244.

[14]郝晓莉,张本华,王建忠.种子含水率快速检测方法比较分析[J].中国种业，2006(1)：11-12.

(编辑：李晓斌)

Measurement of physical and mechanical parameters for the small seed seeding

Zhang Yanqing, Cui Qingliang*, Wang Feng， Li Hongbo

(CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，Shanxi)

Abstract:The physical and mechanical characteristics of the seed of small grain are the important basis for the selection of the method and principle, the structure and performance of the device. In this article the weight, density, shape, hardness and friction coefficient of the seed of millet, alfalfa, rape, etc. were measured. The results were: the weight and density of the seeds were 1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3；the three axis length、width、and height ranged of 1.80～3.50 mm, 1.69～2.23 mm、1.14～2.00 mm；The hardness range was 11.04～41.76 N；the friction coefficient of the steel was minimum, the range was 0.488～0.627, 0.377～0.565. The measurement of physical mechanical parameters for small seed provided the data support for principle method of choice, the metering performance and structure of the design.

Key words:The small seeds; Seeding; Physical and mechanical character; Measurement

中图分类号：S223.2+3

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)03-0224-05

基金项目：山西省科技攻关重点项目(20120311035)

作者简介：张燕青(1990-)，男(汉)，山西晋中人，硕士研究生，研究方向：旱作农业机械化关键技术及装备。*通讯作者：崔清亮，教授，博士生导师。 Tel:13903446657 Email:QLcui@126.com

收稿日期：2015-12-07修回日期：2015-01-06