小白菜种子机械物理特性试验

刘海 杜铮 李旭 郭翔 涂建东 万勇

摘要：为得到正负气压组合式排种器的最佳结构参数和工作参数，研究种子变异对气力式排种器充种性能和投种准确性的影响，对10个不同品种小白菜种子的质量、三轴尺寸、含水率、千粒重、休止角、滑动摩擦角等进行测试并对小白菜种子宽度及球度概率分布特性进行分析。试验测得小白菜种子宽度分布集中在1.47～1.61 mm，占总体的80%以上，宽度平均值为1.53 mm；球度分布集中在85%～95%，占总体的85%以上，球度平均值为90.41%；滑动摩擦角在ABS材料上的平均值为13.75°。小白菜种子长度和宽度方向尺寸接近，种子尺寸分布集中在各方向的平均值附近，小白菜种子在外形上近似于球形，不同品种小白菜种子之间宽度有差异。小白菜种子的承压载荷随着破裂测试探头位移的增加而增大，种子破裂时承压载荷达到最大值9.6 N，其最终的曲线变化平缓。为正负气压组合式排种器的设计提供重要依据，确保小白菜精量直播的播种精度，满足小白菜标准化株距和行距等农艺要求，以提高小白菜机械化生产程度和机具利用率。

关键词：小白菜种子；排种器；精量播种；物理特性

中图分类号：S223.2+3

文献标识码：A

文章编号：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

小白菜又稱不结球白菜，是长江中下游地区种植面积最大的叶类菜，其种子为类球形小粒径种子，属于农业离散颗粒物料［12］。针对小白菜气力式精量排种器结构，小白菜种子的物料特性参数在排种器充种、携种、卸种、投种等环节的作业性能有着重要影响［34］。以种子物料特性为依据，探索颗粒种子在排种器中的运动已成为农业装备应用研究的主流发展趋势［5］。

近年来国内外研究者对农业机械工程颗粒作业对象开展了研究［614］，如黄小毛等［15］建立了油菜种子与播种机排种器工作部件的碰撞模型，利用运动方程构建了油菜种子物料参数的测定装置。刘彩玲等［16］提出了一种基于三维激光扫描的种子离散元建模方法，通过对不同种子离散元建模条件下种子的自然休止角进行仿真，证明了该方法提高了离散元仿真精度。刘文政等［17］根据种子物料特性创建了离散元模型，研究了种子离散元仿真物料特性参数，并利用试验结合仿真的方式对种子离散元参数进行标定和校准。李俊伟等［18］对不同颗粒进行参数标定，获得了颗粒与其接触部件互作机制的离散元仿真模拟参数。丛锦玲［19］通过对小粒径种子机械物理特性的研究，设计了一种气力式排种器。实际上多数小粒径种子外形尺寸都是非规则的，对于依靠型孔携种的气力式排种器而言，其作用对象的轮廓形状对作业过程会产生很大影响。

综上所述，目前针对小白菜种子相配套种植机械的研究与设计较少，且针对小白菜种子的物理特性研究不多。本文以排种器作业过程中的小白菜种子为研究对象，通过对小白菜种子的几何参数、物理参数的测定，为精量播种小白菜种子排种和分级方法的选择与设计提供基本的试验数据，同时也为小白菜、油菜等类球形小粒径种子离散元模型的研究提供参考。

1材料与方法

1.1供试材料

小白菜种子为小粒径类球形，其几何尺寸和形状都为随机变量，它们直接影响种子从种箱口进入排种器内腔的过程，以及小白菜种子在排种器内腔中的分布状态，进而影响了排种器的工作性能。排种器工作时的主要过程有充种过程、携种过程和投种过程，其对应的工作性能为充种性能、携种性能和投种性能。排种器的主要结构参数种盘的型孔形式、型孔直径、排种口的尺寸设计参数都与小白菜种子的几何尺寸和形状密切相关。为得到正负气压组合式排种器的最佳结构参数和工作参数，研究种子变异对气力式排种器充种性能和投种准确性的影响，有必要对小白菜种子的机械物理特性进行试验分析。

种子相关机械物理特性直接决定影响种子在排种器中的充种及排种能力，因此研究种子的机械物理特性是排种器设计研究的一个重要前提条件。本文用于测试及试验的种子为小白菜种子，主要以长江中下游地区常见的10个不同品种小白菜种子为研究对象，购买10个品种密封袋装小白菜种子，在同一温度、湿度、光照环境下进行试验，测定其质量、三轴尺寸、含水率、千粒重、休止角、滑动摩擦角。

1.2测定方法

1.2.1小白菜种子三轴尺寸的测定

三轴尺寸是指小白菜种子的长度L、宽度W、高度H，三轴尺寸对排种器中排种盘和型孔的尺寸设计具有重要影响。随机抽取各品种小白菜种子100粒，利用数显游标卡尺测量种子的长度、宽度、高度。小白菜种子为类球形，其长度、宽度、高度定义沿三坐标方向，如图1所示。根据种子的长度L、宽度W、高度H确定其当量直径De和球度SP［20］。

1.2.2种子含水率的测定

种子的含水率是指供试种子所含的水分重量与种子重量的百分比，在同一温度、湿度、光照环境下，将种子处理后测量各品种的含水率。采用数显电热恒温鼓风干燥箱进行小白菜种子含水率的测定，种子样品放入干燥箱恒温区，温度设置为105 ℃，持续烘干时间设置为12 h，取出冷却至室温再称重即可得到种子含水率。

1.2.3千粒重的测定

颗粒状种子的千粒重是指1 000粒种子干净无损伤的完整种子的质量。使用微电脑自动数粒仪，将各品种小白菜种子数1 000粒后，利用电子天平称重，各组重复6次，取其平均值表示。

1.2.4种子容重的测定

种子的容重是气力式精量排种器种箱及排种盘型孔设计的重要依据。种子的容重是指单位容积内种子的绝对质量，在同一温度、湿度、光照环境下种子容重的大小受其他多种因素的影响，如种子大小、球度、接触材料及种子生理特性影响。

挑选出完整的小白菜种子并清除杂质，利用1 000 mL 的量筒内装满种子，利用外在颤振和挤压作用，使种子与种子之间的间隙达到最小。将量筒内种子倒出，利用天平称获取其质量，根据种子的质量与体积计算出容重。各品种种子测试试验数为6组，取其平均值表示。

1.2.5种子休止角的测定

种子休止角又称为种子静止摩擦角或堆积角，与种子的尺寸、形状、湿度、密度等有关。利用休止角测定装置使小白菜种子以一定高度自然下落堆积成种子堆锥体，测定锥体高度和锥体直径，不同品种小白菜種子测试组休止角取平均值，休止角测定装置如图2所示。

1.2.6种子滑动摩擦角的测定

滑动摩擦角反映了种子与接触表面的滚动摩擦特性。为获取不同品种小白菜种子滑动摩擦角，利用滑动摩擦角测定装置，采用斜面法，开展小白菜种子滑动摩擦角测定试验。试验时，将待测小白菜种子堆积在可调节斜面（ABS材料）上，通过调整斜面角度，待小白菜种子刚开始滚动时，斜面与水平面的角度即为小白菜种子的滑动摩擦角。重复测定6次取其平均值，测定装置如图3所示。

1.2.7种子最大硬度及承压载荷的测定

抗压强度是小白菜种子机械物理特性的重要参数之一，为避免种子破损导致出苗率低，应选择抗压强度较大的小白菜种子。采用TMS-PRO质构仪对种子进行压缩性试验，每一品种的种子随机选取30粒测定，取其平均值可获取种子最大硬度及承压载荷。试验测试速度为5.00 mm/min，起始力为0.5 N，测试最大距离为1.00 mm，测定装置如图4所示。

2结果与分析

2.2小白菜种子物理特性分析

2.2.1小白菜种子形状特性分析

由表1可知，小白菜种子的长度和宽度方向尺寸接近，其差值范围为0.15～0.23 mm，而且长度尺寸相对较小，厚度尺寸相对较大，种子尺寸分布较集中在各方向的平均值附近。这种小白菜种子在外形上近似于球形，外形饱满。由台架试验数据可知，正负气压组合式排种器对这类小白菜种子具有较好的适应性，采用该小白菜品种播种时，排种器的合格率较高，同时排种器的重播率、漏播率和株距变异系数均较小。

2.2.2小白菜种子宽度概率分布分析

小白菜种子的宽度是设计排种器排种盘型孔形状和大小的重要依据，根据不同品种小白菜种子在同一作业环境下的分布规律进行排种盘型孔的分类，以满足小白菜种子精量播种要求。小白菜种子宽度概率分布如图5所示。

由图5可知，10个不同品种小白菜种子的宽度呈近似正态分布。小白菜种子宽度分布集中在1.47～1.61 mm，占总体的80%以上，宽度平均值为1.53 mm，10个不同品种小白菜种子之间宽度有差异。

2.2.3小白菜种子球度分布分析

小白菜种子的球度是指种子接近球体的程度，与种子三轴尺寸密切相关，是设计影响排种器携种过程的关键因素，根据不同品种小白菜种子在同一作业环境下的分布规律进行筛选，以满足小白菜种子精量播种要求。小白菜种子球度概率分布如图6所示。

由图6可知，10个不同品种小白菜种子的球度分布集中在85%～95%，占总体的85%以上，球度平均值为90.41%，10个不同品种小白菜种子的球度较好。

2.2.4小白菜种子滑动摩擦角分析

由表1可知，10个不同品种小白菜种子的滑动摩擦角在ABS材料上的平均值为13.75°，各品种小白菜种子的滑动特性比较好。由表2可知，不同品种小白菜种子之间在ABS材料上的滑动摩擦角差异在P＜0.05和P＜0.01处均不显著。

小白菜种子滑动摩擦角和种子与种子间、种子与接触材料间的摩擦特性紧密相关，可由此确定排种器种箱与气室的结构形式，以优化排种器结构。

2.2.5小白菜种子最大硬度及承压载荷分析

图7为随机选取的小白菜种子载荷与位移关系，由图7可知，随机放置种子时，种子的承压载荷随着位移的增加而增大，在0.41 mm时承压载荷达到5.5 N，形成第1个峰值，此时种子接触破裂测试探头的部位受压产生裂纹；位移继续增加时，承压载荷先降后升，在1.00 mm处承压载荷达到最大值9.6 N，此时种子破裂；破裂测试探头继续下降，承压载荷随着位移的增加而减小，位移为1.00～1.28 mm时，承压载荷由9.6 N 减小至0.1 N；随着位移继续增加，承压载荷下降幅度较小，曲线变化平缓。小白菜种子最大硬度及承压载荷与排种盘结構参数及排种器气室气压相关，为排种器的设计提供参考。

3结论

1）  10个不同品种小白菜种子的宽度呈近似正态分布。小白菜种子宽度分布集中在1.47～1.61 mm，占总体的80%以上，宽度平均值为1.53 mm，10个不同品种小白菜种子之间宽度有差异。

2）  10个不同品种小白菜种子的球度分布集中在85%～95%，占总体的85%以上，球度平均值为90.41%，10个不同品种小白菜种子的球度较好。

3）  10个不同品种小白菜种子的滑动摩擦角在ABS材料上的平均值为13.75°，各品种小白菜种子的滑动特性比较好，不同品种小白菜种子之间在ABS材料上的滑动摩擦角差异在P＜0.05和P＜0.01处均不显著。

4）  小白菜种子的承压载荷随着位移的增加而增大，种子接触破裂测试探头的部位受压产生裂纹，种子破裂时承压载荷达到最大值9.6 N，随后承压载荷随着破裂测试探头位移的增加而减小，其最终的曲线变化平缓。

小白菜种子基本物理特性参数是影响排种器设计和排种性能的最主要因素。因此，应根据小白菜种子物理特性设计计算排种器各参数，满足播种要求的同时使排种器尽可能适应同一品种的大多数种子，同时能满足不同品种的小白菜种子。

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