鄒奇睿，張偉

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶163319）

玉米芽種物理特性試驗研究

鄒奇睿，張偉

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶163319）

為提高北方芽種播種機播種精度，減小對種子的損傷，需深入了解玉米芽種物料特性。對黑龍江省墾區(qū)常用的2種玉米品種興墾3號與德美亞1號的幾何尺寸、彈性模量、恢復系數進行測量。結果表明：玉米種子三軸尺寸隨含水量呈線性變化，芽種彈性模量范圍為0.08～0.25 GPa，恢復系數分別為0.516、0.453。為玉米精密播種機的設計與種子運動規(guī)律的探究提供參考。

玉米；芽種；物理特性；試驗

玉米是我國種植面積最大的旱田作物，是我國重要的糧食、飼料作物和工業(yè)原材料之一［1］。其中黑龍江省玉米種植面積超過9 000萬hm2居全國之首，黑龍江省玉米生產的機械化、標準化、規(guī)?；芾硭饺珖I先［2］。黑龍江省地處高寒區(qū)受北方寒地氣候影響，為提高種子出苗能力，延長生長周期，玉米移栽技術已逐漸成為發(fā)展趨勢。因此，為提高缽育全程機械化程度，學者們展開了對芽種精密播種技術的研究。江蘇大學對水稻、番茄、油菜包衣種子進行物理特性研究測得包衣種子的幾何特性、力學特性及流動特性，為仿真物料種群在磁吸式滾筒排種器震動種箱內的種子運動規(guī)律提供理論依據［3］；中國農業(yè)大學的于恩中對水稻芽種基礎物料的特性進行試驗與研究并由此確定了氣吸式播種機種盤的吸孔尺寸以及種子在播種過程中的受力情況［4-5］；我?？蒲袌F隊對黑龍江省常用的幾種水稻進行不同含水率下的水稻芽種物理特性試驗研究，得到不同含水率的幾何尺寸、休止角、自流角的變化趨勢［6-7］。然而以上研究均是對包衣種子或水稻芽種進行試驗研究，目前針對玉米芽種物理特性的相關研究較少。

為此，針對黑龍江省墾區(qū)常用的2個玉米品種的物理特性進行試驗研究，得到玉米芽種的幾何特性、彈性模量、恢復系數的取值范圍，為玉米精量播種裝置的優(yōu)化以及精密排種器工作過程中玉米種子顆粒運動規(guī)律的仿真研究提供理論依據。

1 試驗材料

研究選用黑龍江省墾區(qū)常用的玉米品種：興墾3號、德美亞1號為研究對象。為確保試驗的準確性，試驗前先對種子進行篩選除去干癟種子，選擇飽滿均勻的籽粒作為研究對象。將種子浸泡水分達到飽和，在25℃左右溫度下進行催芽，催芽約36 h，待種子露白，取芽長2～3 mm的種子作為實驗對象［8］。

2 物理特性研究

2.1 幾何特性

玉米播種機精密排種器與種子直接接觸，因此種子的幾何尺寸直接影響了排種器的結構參數，研究種子幾何特性便于分析種子在排種器內的各種狀態(tài)。種子的三維坐標如圖1所示。

圖1 種子三維坐標系Fig.1Seed dimensional coordinate system

2.1.1 試驗方法

隨機選取2種種子的干種和芽種各100粒，在長、寬、厚3個方向上，用游標卡尺進行測量，每次試驗重復3次，取平均值。

2.1.2 實驗數據結果分析

玉米催芽播種時含水率范圍通常在23%～25%，以25%含水率的玉米芽種和干玉米種子同時進行研究。

（1）干種子幾何尺寸分布

由圖2、3可知，2種種子的長、寬、高度都服從正態(tài)分布。種子長度主要分布在9.5～10.5 mm間，其余向兩邊遞減，種子長度分布范圍為7.5～12.5 mm。其中興墾3號種子寬度主要分布在8.5～9.5 mm之間，種子寬度分布范圍為5.9～11.5 mm。德美亞1號種子寬度主要分布在8～8.5 mm之間，種子寬度分布范圍為6.2～10.8 mm。種子厚度主要分布在5～6 mm之間，種子厚度分布范圍為3.5～8.8 mm。

圖2 興墾3號干種尺寸分布Fig.2Size distribution of Xingken No.3 dry seeds

圖3 德美亞1號干種尺寸分布Fig.3Size distribution of Demeiya No.1 dry seeds

（2）芽種幾何尺寸分布

由圖4、5可知，2種芽種在長、寬、高度上的分布服從正態(tài)分布，芽種長度主要分布在11.5～12.5 mm之間，其余分布向兩邊遞減，芽種長度分布范圍為9.8～14.5 mm。興墾3號芽種寬度主要分布在10～11 mm之間，芽種寬度分布范圍為7.5～12.5 mm。德美亞1號芽種寬度主要分布在8.5～9.5 mm之間，芽種寬度分布范圍為7～12.5 mm。芽種在厚度上分布服從正態(tài)分布，芽種厚度主要分布在5.5～6.5 mm之間，芽種厚度分布范圍為4～9 mm。

圖4 興墾3號芽種尺寸分布Fig.4Size distribution of Xingken No.3 germination seeds

圖5 德美亞1號芽種尺寸分布Fig.5Size distribution of Demeiya No.1germination seeds

（3）干種子與芽種尺寸變化

干種催芽后其尺寸變化如圖6、7所示，2種種子浸種后長、寬、厚度增長比例基本一致，干種子與浸種催芽后的芽種的尺寸呈線性相關（其中相關系數：興墾3號R2=0.923 5，德美亞1號R2=0.975 9），興墾3號和德美亞1號關系式分別為：

圖6 興墾3號干種子與芽種尺寸比較Fig.6Size comparison of Xingken No.3seeds and germination seeds

圖7 德美亞1號干種子與芽種尺寸比較Fig.7Size comparison of Demeiya No.1 seeds and germination seeds

2.2 彈性膜量

種群隨排種器運動時，種子間、種子與排種器間存在相互作用力。種子由于運動而受到擠壓損傷，損傷的種子充種后直接影響出苗率。因此，為提高出苗率避免種子在排種器中擠壓損傷，需確定種子彈性模量的范圍。彈性模量是反應彈性顆粒剛度的一個重要力學指標，它反映了種子受力時應力和應變之間的關系［9］。

2.2.1 試驗方法

試驗采用WDW-200型微控電子萬能試驗機對玉米種子的彈性模量進行測量，試驗機構如圖8。

圖8 WDW-200E型微控電子萬能試驗機Fig.8WDW-200E Micro-controlled electronic universal testing machine

試驗選取兩種型號種子的干種和芽種各20粒，將種子分別放在試驗機底座中央，在壓頭與種子還有一定距離時選用50 mm·min-1的加載速度，在壓頭距離種子10 mm左右時暫停機器，將加載速度調為為5 mm·min-1向下運動，直到壓頭接觸種子并進行按壓，此時要觀察電腦顯示的試驗力-變形曲線，當曲線超過種子的屈服強度后，按停止鍵。將壓頭升起結束加載。

2.2.2 實驗數據結果分析

不同品種種子因種子形狀、品質的差異，其試驗力-變形曲線也有所區(qū)別。以玉米干種子與含水率為25%的玉米芽種為例。選取典型的種子的試驗力-變形曲線分別如圖9～10所示。

由圖可知，曲線主要分為AB、BC、CD、DE四個階段。在AB階段時，可以看出力與位移呈線性關系，此時種子處于彈性形變階段。BC階段是種子的破碎階段，在B點種子開始出現破損，隨著變形量的增大種子開始屈服變形，達到C時種子破碎。CD階段破碎的種子逐漸被壓扁，DE階段隨著力的不斷施加，種子被壓扁直至粉末。由于種子間的個體差異，因此每粒種子其試驗力-變形曲線也有所不同，通過試驗測得干種的屈服點對應的彈性模量在1.10～2.12 GPa之間，B點彈性模量為1.24 Gpa，含水率在25%芽種對應的彈性模量在0.08～0.25 GPa之間，B點彈性模量為0.11 Gpa，降低幅度為1.13 Gpa。

由圖11可知，隨著含水率的增加彈性模量呈減小趨勢。

圖9 干種試驗力-變形曲線Fig.9Test force-deformation curve of dry seeds

圖10 芽種試驗力-變形曲線Fig.10Test force-deformation curve of germination seeds

圖11 彈性模量隨含水率變化關系Fig.11The variation between elastic modulus and water content

2.3 恢復系數

播種時，不論充種、清種還是投種過程，種子會與相鄰種子或與排種器壁發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞后的種子運動軌跡會發(fā)生改變，影響充種和投種率。因此為探究種群在排種器中的運動規(guī)律需確定種子的恢復系數。農業(yè)物料學里，將恢復系數定義為：碰撞后相互遠離的兩物體質心的速度模量與碰撞前兩者相互接近時的速度模量在兩表面接觸點的共同法線上的投影之比，表示為Cr［10］。即，

μn-顆粒物料碰撞后的法向分速度（m·s-1）

υn-顆粒物料碰撞后的方向分速度（m·s-1）

2.3.1 試驗方法

關于彈性物體恢復系數的測量方法，前人做了大量的研究，試驗采用一種基于運動學方程原理的測試方法［11］，測試裝置如圖12所示。碰撞板與水平成45°角，碰撞板的高度可以自由調節(jié)，顆粒從投料口投下，投料高度也可調節(jié)。

圖12 測試裝置Fig.12Testing device

使顆粒從A點無初速度下落，經過時間t，與碰撞板相碰撞。設顆粒碰撞前垂直速度為v0，碰撞后的水平分量為ux，垂直分量uy，碰撞后下落h1段的時間為t1，顆粒到底板表面的水平平均測量距離為S1，下落高度若為h2，則對應時間為t2水平平均測量距離為S2。根據運動學原理，有

其中g-重力加速度（m·s-2）

由（1）可得，顆粒在碰撞點處碰撞前的速度

由（2）可得，顆粒在碰撞點處碰撞后的速度，

由（4）得，顆粒物料碰撞后的法向分速度，）

由于碰撞板與水平成45°角，因此顆粒物料碰撞前的法向分速度，

因此顆粒的恢復系數可表示為

試驗選取大小均勻的干種、芽種各10粒，調節(jié)測試設備高度使A點距碰撞板的高度H為200 mm，第一次碰撞高度h1為300 mm，第二次碰撞高度h2為260 mm。對種子碰撞后的水平距離進行測量，每次試驗重復3次，取平均值。

2.3.2 實驗數據結果分析

測量所得的種子水平距離和計算的種子恢復系數如表1、2所示。興墾3號的恢復系數為0.547，芽種恢復系數為0.516，變化率為5.66%；德美亞1號的恢復系數為0.475，芽種恢復系數為0.453，變化率為4.6%，變化率很小。

表1 德美亞1號恢復系數Table 1Coefficient of restitution of corn DeMeiya No.1

表2 興墾3號恢復系數Table 2Coefficient of corn XingKen No.3

3 結論

對黑龍江省常墾區(qū)用的兩種玉米種子及其芽種進行了物理特性的試驗研究，測得了一定含水率下的玉米芽種幾何特性及力學特性。結果如下：

（1）干種子與芽種的幾何尺寸成正態(tài)分布，不同品種間的玉米種子尺寸差異不大，不同品種玉米干種子的長寬厚度分布范圍基本一致，但不同品種種子寬度存在一定差異。干種子浸種催芽后尺寸增加，且?guī)缀纬叽绯删€性相關。其中興墾3號干、芽種三軸尺寸線性關系為y=0.691 4x+1.987，德美亞1號干、芽種三軸尺寸線性關系為y=1.119 8x+0.162 1，因此在芽種育秧播種機型孔設計中，應充分考慮芽種尺寸的變化。

（2）干種子的彈性膜量范圍在1.10～2.12 GPa之間。在一定含水率下，芽種的彈性膜量范圍在0.08～0.25 GPa之間。與干種子相比芽種彈性模量降低，承載壓力能力下降，在排種裝置設計過程中，要充分考慮型孔尺寸、型孔輪轉速等因素改變后造成種子間壓力對芽種的損傷。

（3）受種子形狀、品質的影響，不同品種種子的恢復系數略有不同。興墾3號芽種的恢復系數為0.516，德美亞1號芽種的恢復系數為0.453，相對其干種恢復系數的變化率都很小，在排種裝置設計時，暫不考慮芽種碰撞系數對排種器充種角度和投種高度的影響。

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Experimental Study on the Physical Characteristics of Corn Germination

Zou Qirui，Zhang Wei
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To improve the accuracy of the North bud seed planting，reduce the damage of seed，the material properties of corn bud seed were required to study deeply.The geometry size，elastic modulus and coefficient of two kinds of common corn，Xingken No.3 and Demerya No.1 in Heilongjiang reclamation were tested.The results showed that the size of maize seed three axis changed linearly with water content，the range of bud for elastic modulus was 0.08～0.25 GPa，recovery coefficient were 0.516，0.453 respectively.It would provide reference for the design of precision seeding machine and the motion rule of corn seed.

corn；germination seeds；physical characteristics；test

S223.2+6

A

1002-2090（2016）04-0079-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.018

2015-03-18

教育部高校博士點基金（玉米植質缽育移栽機械關鍵裝置的理論研究與試驗：20092305110002）。

鄒奇睿（1990-），女，黑龍江八一農墾大學工程學院2012級碩士研究生。

張偉，男，教授，博士研究生導師，E-mail：zhang66wei@126.com。