玉米籽粒物理机械特性及机械化收获适应性

2016-10-20侯明涛张红梅王万章

江苏农业科学 2016年7期

侯明涛　张红梅　王万章

摘要：针对黄淮海地区玉米收获时籽粒含水率高导致籽粒破碎较高的问题，探索河南省玉米籽粒物理机械特性及玉米籽粒机械化收获的适应性，在河南省某地开展试点研究，测试了机械化籽粒收获的11个试验品种的含水率、破碎率、含杂率、三维尺寸和体积等，并计算出等效压力，进行了籽粒正反面受力差异分析，并且分析不同玉米品种之间破碎率、体积和含水率三因素与等效压力之间的关系。结果表明：籽粒正反面的受力大小基本一致；不同玉米品种之间，玉米籽粒体积越大，等效压力越小；并提出适合玉米籽粒机械化收获的玉米籽粒特性和收获时期。

关键词：玉米籽粒；物理机械特性；等效压力；适应性；机械化收获

中图分类号： S513.04；S233.4 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0354-04

玉米是世界上最重要的粮食作物之一，同时也是我国的三大粮食作物之一[1]。2001年全世界的玉米播种面积为 13 965.9 万hm2，总产量达到5.99亿t，超过了水稻和小麦，成为世界第一大谷类作物[2]。黄淮海地区是我国夏播玉米的主要种植区，种植面积占39%左右[3]，目前的玉米收获主要是以人工或机械摘穗的分段收获为主，需要投入大量劳动力，提高了生产成本。影响玉米籽粒机械化收获实现的关键技术因素在于玉米籽粒的破碎，破碎掉的玉米很容易发霉变质、感染虫害并产生毒素。2014年，我国玉米产量为2.156 7亿t[4]，增加1%的破碎就代表很大的经济损失，所以研究玉米籽粒破碎的关键影响因素具有重要的现实意义。2012年河南省开始出现个别品种玉米籽粒机械化收获尝试。2013年政府予以高度关注，并进行一定范围的对比试验。2014年河南省成立玉米全程机械化生产模式攻关专家组分别在3个地级市进行试点，开展试验对比。

玉米品质鉴定对玉米产业的发展非常重要，玉米籽粒物理机械特性的研究不仅对机械损伤的分析有着重要意义，而且可以作为玉米品质鉴定的指标之一[5]。适宜的收获期是提高玉米品质和产量的保障，黄淮海地区一般收获偏早，导致玉米的质量和产量下降[6]。近几年关于玉米最佳收获期、玉米籽粒物理机械特性和脱粒性能的相关研究文献较多，李心平等利用LDS微机控制电子拉压试验机对种子玉米籽粒果柄断裂机理进行了试验研究[7]；杨玉芬等利用微机控制的电子拉压试验机对玉米籽粒进行了静压破损试验，结果表明含水率、压缩位置对玉米籽粒静压破损特性有明显的影响[8]；张永丽等利用微机控制电子拉压试验机对玉米籽粒剪切破碎进行了试验研究，得出含水率不同时，剪切破碎载荷也不同[9]；李心平等也分别利用跌落式冲击试验台和LDS微机控制电子拉压试验机对不同品种的玉米籽粒进行了冲击破碎试验和静态压缩试验，结果表明籽粒破碎的最大冲击力随含水率的增加而降低，同一含水率下，腹面承受的冲击力最大[10，11]。高连兴等对不同含水率下的玉米种子籽粒破损强度、果柄强度和脱粒作用力等进行试验，结果表明随着含水率的下降，玉米种子籽粒破损强度显著提高[12]。张烨等通过万能试验机压缩试验测得不同含水率下3个品种玉米籽粒的最大破碎力和对应应变值，结果表明随着含水率的增加，最大破碎力和应变值呈线性关系上升[13]。陈孝海等采用ANSYS有限元分析软件对玉米单个籽粒、多个籽粒相互支撑时按照顶面、腹面和侧面受载等情况进行分析，结果表明腹面加载优于侧面加载，支撑籽粒数目对于腹面和侧面加载影响较大，对于顶面加载影响较小[14]；刘耀广等为了确定夏玉米最佳收获期和探索玉米增产潜力进行了晚收试验，结果表明在河南省小麦、玉米一年两熟种植制度下，玉米最佳收获期应比常规收获期晚10 d，此时产量会更高[15]。刘京宝等对48个玉米新品种进行了夏玉米最佳收获期研究，结果表明当籽粒黑层形成时，果穗苞叶完全变干，彻底松散，可作为收获期标准[6]。目前关于研究玉米籽粒机械化收获适应性的文献还比较少，几乎也没有关于玉米籽粒体积与承受压力之间关系的研究。本研究旨在通过测得玉米籽粒的物理机械特性，找出影响玉米籽粒破碎的关键因素，为育种提供研究方向，以达到农机农艺融合，实现高产高效玉米籽粒机械化收获的目的。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究选取了在河南省内具有代表性的11个玉米籽粒样本，所选用的玉米均为同一天种植，出苗前后相差5 d，采用统一的田间管理措施，均为籽粒机械化收获，从播种到收获共计121 d。采集样本后在实验室进行了玉米籽粒物理机械特性检测。利用PM-8188New谷物水分测量仪进行含水率测定，其玉米含水率测量范围为6%～40%；利用游标卡尺测得玉米籽粒三维尺寸，游标卡尺精度0.05 mm；利用微机控制电子万能试验机测得籽粒3个面的受力大小，最大试验力10 kN，负荷精度≤±1%。

1.2 试验方法

玉米籽粒机械化收获后，在出粮口接取玉米籽粒，采样 2 000 g，拣出有明显裂纹、破皮及肉眼能观察到微裂纹的籽粒，再选出玉米轴芯碎屑和苞叶等杂质，称出破损籽粒质量、完好籽粒质量和杂质质量，按式（1）计算籽粒破碎率，

2 结果与分析

2.1 含水率、破碎率和含杂率测量结果

去杂后，玉米籽粒采用PM-8188New谷物水分测量仪进行含水率测定。由图1可以看出，破碎率最高的品种为YM-7，含杂率最高的品种为YM-7，含水率最高的品种为 YM-10，并且含水率都高于28%，破碎率都大于5%，根据GB/T 21962—2008《玉米收获机械技术条件》，目前还没有达到玉米籽粒机械化收获国家技术标准。

2.2 玉米籽粒的主要破碎形式

在保证机收效率的情况下，玉米籽粒收获机械质量的优劣主要是通过机收籽粒破碎率来衡量的，破碎率甚至成为评价机械装备优劣的唯一指标。将每种玉米适量采样，分拣出破碎籽粒，观察分类破损玉米籽粒的受损形式，分析得出5种主要受损形式，如图2所示。

以每种破损形式的质量与破碎籽粒总质量的比值衡量，玉米籽粒常见的破碎形式所占百分比如图3示。由图3可以看出，玉米籽粒腹面竖向破裂最多，说明籽粒中间胚部是籽粒最薄弱的区域。

2.3 玉米籽粒三维尺寸、体积测量结果

各玉米品种籽粒的三维尺寸及体积测量数据如表1示，品种编号顺序按照体积从小到大的顺序进行排列。

2.4 玉米籽粒正反面受力测定

玉米籽粒的2个腹面因有无胚乳而不同，为验证正反面的受力差异，随机选取3种样品进行验证试验，每个品种选取100粒具有代表性的籽粒，50粒正面施压，50粒反面施压，取平均值比较，3个品种正反面的受力差异均在5%以内，其结果如图4示，可以看出籽粒正反面受力效果基本一致，其他试验均不考虑正反面受力差异。

2.5 玉米籽粒抗压强度、等效压力分析

籽粒抗压强度是影响籽粒破损率的一个重要因素。式中：P为籽粒抗压强度，MPa；F为籽粒的破坏压力，N；S为籽粒受力面积，mm2。其中以Pd、Pc、Pf分别表示籽粒顶面、侧面和腹面的抗压强度；以Fd、Fc、Ff分别表示籽粒顶面、侧面和腹面的受力；以Sd、Sc、Sf分别表示籽粒顶面、侧面和腹面的估算面积。

籽粒的受力可以通过微机控制电子万能试验机测得，在每个玉米样品中挑选具有代表性的籽粒100粒，分别对3个面进行压力试验，以籽粒破坏时的受力为准，取平均值。由于籽粒几何形状不规则，其真实受压面积很难精确求出，为了统一计算精度，每个玉米品种3个方向的面积统一用几何长度来计算，即顶面面积为籽粒宽、厚之积，侧面面积为籽粒长、厚之积，腹面面积为籽粒长、宽之积，其受力大小、受力面面积及压力计算数据如表2所示。

为对玉米籽粒的强度做进一步深入分析，有必要对籽粒在3个面上的受力做统一折算，分析籽粒的5种破坏形式，籽粒腹面破坏归结为腹面受力，顶部破损归结为顶部受力，侧面破损归结为侧面受力，对于籽粒中部或根部横断的有可能是腹面、顶面或侧面受力造成的，该部分比例由腹面、顶面和侧面平分。因此，经折算腹面受力的比例为47.17%，顶面受力的比例为32.47%，侧面受力的比例为20.36%，以此作为系数对籽粒受力按式（4）进行等效折算，

式中：ρx为籽粒等效压力，MPa；ρf为籽粒腹面压力，MPa；ρd为籽粒顶面压力，MPa；ρc为籽粒侧面压力，MPa；α、β、γ分别为籽粒腹面、顶面和侧面压力系数，分别取值47.17%、3247%、20.36%。计算结果如表2所示，在刚收获时籽粒等效压力最大的为YM-1，是2.34 MPa；最小的为YM-10，是1.67 MPa。

对籽粒破碎率和等效压力之间的关系做分析，绘制点分布图并分别拟合函数曲线，其结果（图5）表明，随着破碎率的升高，等效压力呈下降趋势；对籽粒含水率和等效压力之间的关系做分析，绘制点分布图并分别拟合函数曲线，其结果（图6）表明，随着含水率的升高，等效压力呈下降趋势；对籽粒体积和等效压力之间的关系做分析，绘制点分布图并分别拟合函数曲线，其结果（图7）表明，随着籽粒体积的增大，等效压力呈减小趋势。

3 结论

（1）通过对玉米籽粒正、反面施压，测得玉米籽粒正反面的受力数据，从数据可以看出，在玉米籽粒平放的情况下，玉米籽粒正、反面受力效果基本一致。（2）通过试验方法，给出了玉米籽粒等效应力的计算办法，使不同玉米品种之间的强度对比有了统一的标准。（3）数据分析结果表明，不同品种玉米籽粒之间，破碎率的高低和等效应力的大小呈反比例关系，破碎率高的籽粒，其能承受的等效应力相对较小。（4）不同品种玉米籽粒之间，随着含水率的升高，等效压力呈递减趋势，因玉米品种之间存在差异，所以在含水率相同或相近的情况下，玉米籽粒所承受的等效压力也不一样。（5）数据分析结果表明，不同玉米品种籽粒之间，其体积越大，则等效压力越小。

通过试验观察发现，黄淮海地区玉米收获时，还存在青叶，秸秆含水率也比较高，籽粒乳线还没有完全消失，正处于灌浆期，没有完全成熟，机械化收获后的玉米籽粒破碎严重，部分出现染色情况，籽粒色泽和品相较差，玉米产量和质量受到影响。在目前的机械收获条件下，鼓励适时晚收，等到玉米苞叶完全变干并松散，秸秆几乎不存在青叶，籽粒含水率在28%以下时，可尝试玉米籽粒机械化收获。在黄淮海地区种植模式的影响下，适合机械化收获的玉米品种应当具有早熟、生长周期短、胶质胚乳含量高、籽粒硬度高、成熟后期快速脱水的特性。

参考文献：

[1]白人朴. 我国玉米生产机械化进入了快速发展期[J]. 农业技术与装备，2008（7）：6-7.

[2]朱玉双. 试论玉米的生态价值[J]. 现代化农业，2012（5）：16-18.

[3]曲宏杰. 籽粒型玉米收获机适应性的试验与研究[D]. 淄博：山东理工大学，2013.

[4]国家统计局.国家统计局关于2014年粮食产量的公告[R]. 北京：中华人民共和国国家统计局，2014-12-04.

[5]牛海华，赵武云，史增录. 玉米籽粒力学特性的研究进展及应用[J]. 中国农机化，2011（2）：101-104.

[6]刘京宝，房志勇，赵霞，等. 河南省夏玉米最佳收获期研究[J]. 河南农业科学，2011，40（6）：46-48.

[7]李心平，高连兴. 种子玉米籽粒果柄断裂机理试验研究[J]. 农业工程学报，2007，23（11）：47-51.

[8]杨玉芬，张永丽，张本华，等. 典型玉米种子籽粒的静压破损试验研究[J]. 农机化研究，2008（7）：149-151.

[9]张永丽，高连兴，刘红力，等. 玉米籽粒剪切破碎的试验研究[J]. 农机化研究，2011（5）：136-138.

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