牧草种子基础物理和接触力学参数的确定

2022-07-28孙步功陈贰浩石林榕

干旱地区农业研究 2022年4期

孙步功，陈贰浩，石林榕

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃兰州 730070)

种子在长期的演化过程中为适应周围环境的变化，多数种子选择休眠。处于休眠状态下的种子新陈代谢缓慢，农业上在播种之前对种子进行破眠处理，促进种子的萌发。种子破眠的方法大体可分为物理、化学和生物破眠三类。了解种子发育成熟过程中休眠性的变化，有利于及时采集种子和播种前处理种子。

早在1946年，Johnson对美洲椴种子进行了预浸泡、硫酸酸化、种皮划伤、层积4种方法破眠处理，后来研究者采用硫脲浸泡、射线、变温、酒精浸泡等方式对休眠种子处理，均达到可观效果[1-4]；国内对种子的破眠处理已展开了基础性研究，可以通过物理、化学或者生物的方法对其破眠处理，解除种子的休眠状态。其中，物理方法常选用高温、低温和机械处理，高温处理可软化种皮，去除表面蜡质和油脂。李昆等[1]使用90℃热水浸泡黑荆树种子，明显提高了其发芽率。低温沙藏的方法一方面可以提高种子的渗透性，另一方面可以提高酶的活性，增强水解[5]。机械处理操作简单，实验表明针对不同种子通过机械破皮的办法可将种子发芽率提高30% ～65%；机械破眠的主要形式是通过手工形式或者简易的机械装置对种子进行研磨，从而达到破眠的目的，但是这种破眠方式容易损伤种子，影响种子出苗。马嘉毅等[6]为解决高寒地区牧草种子硬实问题设计了一种机械破眠装置，发芽率提高91.1%；张琴[7]以苜蓿种子作为研究对象借助传统碾压原理设计了一种碾压式破眠装置，处理后的苜蓿种子发芽率高达92%；潘光杰等[8]对豌豆脱皮技术原理与方法进行分析与研究，设计了一种揉搓式豌豆脱皮机。化学方法主要是用强酸性、强碱腐蚀性试剂或者激素浸泡种子达到破眠的效果，由于试剂具有强酸碱腐蚀性，可能会对种子和人造成不可逆的影响。陈镇等[9]使用100 mg·L-1赤霉素浸泡巨紫荆种子，种子第3天开始萌发，第7天发芽率可达90%以上。生物方法主要采用动物过腹胃肠消化种皮，但对激素处理所起作用的研究尚存在分歧。还可综合几种方法对种子破眠，李强等[10]提出利用生物与机械破眠技术结合解除紫花苜蓿的休眠方法，利用羊胃液和机械研磨系统结合，使紫花苜蓿的发芽率高达95%。

由于种子颗粒比较小，很难测定基础物理特性，导致其破眠机械的研究进展缓慢。在人工草地重建过程中，大部分播种者仍使用砂纸打磨等传统方法解除种子休眠，传统方法效率低、破损率高、操作难度大、参数不易控制等问题一直未得到解决，研制出高效、低损伤且可批量处理的智能破眠设备成为种子破眠研究的主要方向。本文通过实验和离散元仿真测定验证了红豆草、苜蓿、扁蓿豆、红三叶、大田百脉根、白三叶共6种常见牧草种子的基础物理特性和力学特性，以期为设计种子破眠机器提供理论计算依据。

1 牧草种子基础物理特性

设计牧草种子破眠机，需测定牧草种子的基础物理特性和力学特性[11]。试验材料选择三叶、红三叶、扁蓿豆、苜蓿、大田百脉根、红豆草6种牧草种子作为实验对象(图1)，分别测定6种不同牧草种子的基础物理特性(种皮厚度、种子密度、千粒重)和确定力学物理特性(堆积角、静摩擦系数、滚动摩擦系数、泊松比、弹性模量、剪切模量)。

图1 牧草种子Fig.1 Grass seed

1.1 种皮厚度

牧草种子的种皮厚度是设计牧草种子破眠机构重要的参考依据。种子在萌发时，胚需突破种皮的限制，长出胚芽和胚根[12]。测种皮厚度时，用薄刀片将种子从最中间切开，保证切割处是种子直径最大，取一半用少量白乳胶固定在载玻片上，用显微镜自带的测量工具对该类别种子的种皮厚度进行测量(图2)。

由图2可知，白三叶种子和大田百脉根种子的种皮较薄，仅为0.01 mm，其种皮与种子内部结构之间存在间隙；大田百脉根种子种皮与种子内部结构接触紧密；红三叶、扁蓿豆、苜蓿种子的种皮稍厚，特别是扁蓿豆种子，种皮厚度不规则，红豆草种子的种皮最厚，约为0.26 mm，种皮与种子内部结构之间存在空隙。6种牧草种子的种皮厚度见表1。

图2 牧草种子厚度测量Fig.2 Measurement of forage seed thickness

1.2 种子密度

种子密度是一定绝对体积的种子质量和同体积水的质量之比，即种子的绝对质量和它的绝对体积之比。不同类别的牧草种子，密度因形态构造、细胞组织的致密程度和化学成分的不同而有很大的差异。对于同一品种的种子，密度随成熟度和充实饱满度的不同而变化[13]。大多数的种子成熟越充分，内部积累的营养物质越多，则籽粒越充实，密度就越大，用排水法测量种子密度。具体步骤如下，选取精细刻度的5 mL量筒，内装适量的水，读取液体高度，记为V1；称取适量的待测种子，记其质量为m；将种子倒入装有水的量筒，再读取液体平面高度，记为V2；据式(1)计算种子密度；每个品种测5次，结果取平均值，测量结果见表1。

(1)

1.3 千粒重

千粒重是体现种子大小与饱满程度的一项指标，是检验种子质量和作物考种的内容，也是田间预测产量时的重要依据[14]。可以在种子破眠机构的设计中作为种子饱满程度的最初设计参考值，在后续的工作中，依据不同条件，不同饱满程度的牧草种子，对设计参数加以修正。取6种牧草种子各1 000粒，用精密天平(精度为0.001 g)进行测量，测量结果如表1所示。

由表1可知，除了红豆草以外，其他5种的密度相差不大。大田百脉根种子的千粒质量略大于红三叶种子的千粒质量，说明大田百脉根种子的饱满度大于红三叶种子。

表1 牧草种子物理参数测量结果Table 1 Measurement results of physical parameters of forage seeds

1.4 堆积角

堆积角反映了种子之间的内摩擦性能和散落性能，堆积角越大，则说明种子间内摩擦力越大，散落性越差，堆积角也称为休止角，是指颗粒自由堆积体形成的堆积坡面与水平面之间的最大夹角。测量堆积角方法较多，试验采用定漏斗法[15]。测量时，种子从漏斗流出，自由下落至底板堆积。漏斗中心与底盘中心的直线垂直于底盘，保证被测种子下落在底盘中心；对堆积的种子拍照。拍照时必须将镜头与底板表面对齐且水平拍摄，以保证所拍内容和水平面垂直，尽量减小误差；将所拍摄的照片导入绘图软件(实验中用的是CAXA电子图版)做辅助线；利用绘图软件测量该类别种子的堆积角(图3)。

图3 6种牧草种子堆积角Fig.3 Angle of repose of six forage seeds

6种牧草种子，红豆草的堆积角最大，为35.06°，苜蓿种子的堆积角最小，为30.06°(表2)，表明红豆草种子间的内摩擦力大于苜蓿种子，在箱体中的流动性也差于苜蓿种子。

表2 6种牧草种子堆积角测量结果Table 2 Measurement results of angle of repose of six forage seeds

1.5 静摩擦系数

采用斜面法测定静摩擦系数[16]。为了方便操作和实验，制作了一个结构简单的测量装置，其测定原理如图4所示。

图4 静摩擦系数测定原理Fig.4 Measurement principle of static friction coefficient

将待测种子均匀放在斜板的上端，通过驱动杆将斜板一端缓慢升起，为了测量种子与不同材料之间的静摩擦系数，斜板可以更换为不同的材料；种子刚开始滑动的瞬间，停止转动驱动杆，并且通过锁定装置锁定该位置，观看角度尺上的角度读数计为θ；通过公式计算静摩擦系数，静摩擦系数的计算为公式(2)，静摩擦系数测定结果如表3所示。

表3 6种牧草静摩擦系数Table 3 Static friction coefficient of six forage

f=arctanθ

(2)

1.6 滚动摩擦系数

从能量守恒的角度出发，进行滚动摩擦系数的测定[17]。将种子放置于斜面法测量装置的斜面上，缓慢转动装置，记录种子与仪器开始滚动时的角度，记为θ1，此时，种子在重力的作用下，沿着斜面滚动，由能量守恒定律可得：

E=Ep-Ek

(3)

式中，E为种子由于滚动消耗的能量，Ep为种子初始的重力势能，Ek为种子终了时刻的动能。

由于单个种子的质量非常小，很难测到其动能的变化，采用初始滚动时刻内近似能量守恒来获得滚动摩擦系数的预估值。对种子进行受力分析，当重力为G的种子在实验仪上滚动微小角度时，其在实验仪上滚动的距离为x，种子对斜板的正压力N=Gcosθ1，滚动摩擦力F=μ2N，重力势能Ep=Gxsinθ1。

种子在开始滚动的一个微小角度内，速度由0逐渐开始增加，假设种子的动能Ek=0，由以上分析可得到滚动摩擦系数：

μ2=tanθ1

(4)

经过多次试验，得到6种牧草种子的滚动摩擦系数如表4所示。

表4 6种牧草滚动摩擦系数Table 4 Dynamic friction coefficient of six forage

1.7 剪切模量

泊松比是重要的力学参数之一，本文采用定义法来测量种子的泊松比[18]，实验仪器采用质构仪，随机选取种子，用数显式游标卡尺测量其长度和厚度。将种子平放在平板上，对于红豆草和扁蓿豆两种比较大的种子，采用5 mm探头挤压，剩下4种比较小的种子，使用2 mm的探头挤压，设定加载速度位0.5 mm·s-1，加载时间为2 s后停机，利用游标卡尺测得加载后长度和厚度的变形量，通过式(5)计算泊松比：

(5)

式中，μ为泊松比，无量纲；εx为种子的横向应变，无量纲；Δl为种子的横向变形量，mm；εy是种子的纵向应变，无量纲；Δd是种子厚度的变化量，mm；l为种子的原长,mm；d为种子的原来厚度,mm。测量结果如表5所示。

表5 6种牧草种子泊松比Table 5 Poisson's ratio of six forage seeds

利用软件处理得到种子压缩试验过程中的位移-载荷数据，由式(6)计算出种子的弹性模量：

(6)

式中，E为弹性模量(MPa)，σ为最大压应力(Pa)，ε为线应变。

剪切模量(G)可用式(7)计算。

(7)

式中，E为弹性模量，μ为泊松比。试验结果如表6所示。

表6 6种牧草种子弹性模量和剪切模量Table 6 Elastic modulus and shear modulus of six forage seeds

2 仿真参数的标定

牧草种子的基本物理参数已经通过实验测定得到，测得各种子的三轴尺寸在三维软件里建立几何模型，将其保存为stl格式导入仿真软件EDEM中。为了兼顾仿真效率和仿真结果的真实性和可靠性，将形状不规则的种子边角处进行圆角化处理，在EDEM中用单球形颗粒对种子颗粒进行填充。堆积角测定模型如图5所示。在EDEM仿真实验中，将种子仿真实验堆积角测定模型导入绘图软件中进行测量(AutoCAD)，做辅助线进行测量[19]。在漏斗上方生成Polygon虚拟颗粒平面，用于生成种子颗粒，颗粒生成方式采用动态生成方式，仿真总时间为1 s。仿真时间步长的选择对仿真至关重要，过大会导致颗粒爆炸式发散，过小会使计算量成倍增加，选取时间步常为1.76×10-7s，共生成颗粒1 000个，生成速率为2 000个·s-1[20-22]。

1.漏斗 Funnel; 2.种子 Seed图5 堆积角测定模型Fig.5 Angle of repose measurement model

2.1 牧草种子模型建立

红豆草、大田百脉根、苜蓿、扁蓿豆、白三叶、红三叶种子建模和EDEM填充模型对比如图6所示。

图6 6种牧草种子建模对比Fig.6 Comparison of six forage seeds modeling

2.2 仿真角对比及结果分析

仿真几何模型材料设置为有机玻璃，其他输入参数使用上述试验测定值进行堆积角仿真，滚动摩擦系数在测量值±0.02变动，结果导入绘图软件中制作辅助线测量角度。

6种牧草种子堆积角仿真结果如图7、表7所示。

图7 6种牧草种子堆积角Fig.7 Seed accumulation angle of six forage

表7 6种牧草种子堆积角仿真结果Table 7 Simulation results of seed accumulation angle of six forage

为了保证滚动摩擦系数选取的科学性，对表9的数据进行拟合[23]，得到6种牧草种子的2次多项式拟合曲线如图8所示。

图8 6种牧草种子的二次多项式拟合曲线Fig.8 Quadratic polynomial fitting curves of six forage

其曲线方程分别为：

y=13750x2-126518x+29137

(8)

y=237500x2-190047x+38054

(9)

y=62500x2-55862x+12516

(10)

y=-75000x2+45805x-6961.8

(11)

y=-62500x2+31972x-4056.5

(12)

式中,决定系数(R2)分别为0.9987、0.9074、0.9931、0.9834、0.9997、0.9233，接近于1，说明拟合曲线的可靠度高。分析仿真结果，扁蓿豆种子在滚动摩擦系数为0.360时，形成堆积角平均值为33.60°，接近实际堆积角33.50°，相对误差为0.29%；红豆草种子在滚动摩擦系数为0.41时，形成堆积角平均值为35.00°，接近实际堆积角35.06°，相对误差为0.15%；红三叶种子在滚动摩擦系数为0.502时，形成堆积角平均值为34.65°，接近实际堆积角34.60°，相对误差为0.14%；白三叶种子在滚动摩擦系数为0.451时，形成堆积角平均值为34.45°，接近实际堆积角34.36°，相对误差为0.26%；大田百脉根种子在滚动摩擦系数为0.302时，形成堆积角平均值为31.00°，接近实际堆积角31.095°，相对误差为0.3%；苜蓿种子在滚动摩擦系数为0.25时，形成堆积角平均值为30.50°，接近实际堆积角30.06°，相对误差为0.14%。