徐 陶，宋井玲，崔志超，李 寧，蔡善儒，孫 倩，馬偉童

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

我國(guó)是大蒜生產(chǎn)大國(guó)，大蒜產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70% 以上[1]，2015年全國(guó)大蒜種植面積約40萬(wàn)hm2[2]。大蒜種植主要產(chǎn)地集中在山東、河南、江蘇、河北及安徽5省。山東是我國(guó)第一大蒜產(chǎn)區(qū)，山東金鄉(xiāng)縣是大蒜生產(chǎn)加工和出口的重要基地,是全國(guó)著名的大蒜之鄉(xiāng)；蘭陵縣蒼山大蒜走出一條“大蒜農(nóng)業(yè)”向“大蒜工業(yè)”轉(zhuǎn)化的路子，叫響了“天下第一蒜”。河南杞縣種植歷史悠久，氣候條件優(yōu)越，是“全國(guó)園藝產(chǎn)品出口示范區(qū)”。

隨著人們對(duì)大蒜需求量的不斷增加，大蒜種植面積呈逐年遞增趨勢(shì)[3]。目前，大蒜播種主要靠人工進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；而機(jī)械化播種具有效率高，作業(yè)成本低，用工少等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。蒜種單?；遣シN機(jī)械化的關(guān)鍵之一，大蒜種子形狀復(fù)雜且不規(guī)則，不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械單粒排種，通常要先對(duì)蒜種進(jìn)行分級(jí)處理以提高大蒜播種機(jī)的單粒率。

目前，對(duì)農(nóng)作物種子物理特性的研究[7-8]主要有玉米、麥粒、花生等，對(duì)于大蒜種子物理特性的研究較少。為此，以較為典型的山東蒼山大蒜、金鄉(xiāng)大蒜和河南杞縣大蒜為研究對(duì)象，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析研究大蒜種子與機(jī)械播種相關(guān)的物理特性，以期為大蒜種子清選、分級(jí)及播種等機(jī)械化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 蒜種的選擇

大蒜蒜瓣大小不同，有大瓣種和小瓣種之分，如山東的蒼山大蒜屬于大瓣種，金鄉(xiāng)大蒜、杞縣大蒜屬于小瓣種，如圖1所示。根據(jù)栽培農(nóng)藝要求，用作蒜種的大蒜蒜瓣必須皮色純正，形狀規(guī)范，個(gè)頭飽滿(mǎn)，外皮完整[9-10]。

本文選擇較為典型的大瓣種蒼山大蒜和小瓣種金鄉(xiāng)大蒜、杞縣大蒜，單粒蒜瓣質(zhì)量3g以上的種子為研究對(duì)象。

1.蒼山大蒜 2.金鄉(xiāng)大蒜 3.杞縣大蒜圖1 不同品種的大蒜Fig.1 Different kinds of garlic

2 大蒜種子物理特性研究

2.1 大蒜種子外形尺寸的測(cè)量及分析

2.1.1 大蒜種子外形尺寸的測(cè)量

大蒜種子形狀復(fù)雜，可用蒜種的長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)尺寸來(lái)描述蒜種的幾何特征，如圖2所示。隨機(jī)選取3個(gè)品種的大蒜種子各300粒，平均分成3組，每組100粒，分別對(duì)每組大蒜種子長(zhǎng)、寬、厚尺寸進(jìn)行測(cè)量。統(tǒng)計(jì)分析大蒜種子的尺寸特征及尺寸分布情況。

圖2 種子外形尺寸示意圖Fig.2 The picture of size of outline dimension of garlic seeds

2.1.2 大蒜種子外形尺寸的分析

大蒜種子的長(zhǎng)、寬、厚尺寸分布如圖3所示。由圖3可以看出：①長(zhǎng)度尺寸，蒼山大蒜和杞縣大蒜種子分別集中分布在29～31mm，金鄉(xiāng)大蒜28～30mm，各約占48%、46%、36%；②寬度尺寸，蒼山大蒜集中分布在22～24mm, 杞縣大蒜和金鄉(xiāng)大蒜集中分布在20～23mm，各約占50%、66%、63%；③厚度尺寸，蒼山大蒜、金鄉(xiāng)大蒜、杞縣大蒜種子尺寸均集中分布在17～19mm，各約占41%、38%、42%。

(a)

(b)

(c)圖3 大蒜種子外形尺寸分布圖Fig.3 The distribution of outline dimension of garlic seeds

尺寸測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：蒼山大蒜的長(zhǎng)、寬、厚尺寸、均值及最大值均大于金鄉(xiāng)大蒜與杞縣大蒜，大瓣種比小瓣種在外形尺寸上均大9%左右；從方差上來(lái)看，金鄉(xiāng)大蒜與杞縣大蒜種子的長(zhǎng)、寬、厚尺寸方差都高于于蒼山大蒜，說(shuō)明小瓣種的外形尺寸波動(dòng)大，同一外形尺寸差異大于大瓣種；各品種蒜種長(zhǎng)度尺寸的方差最小，厚度尺寸的方差最大。這說(shuō)明大蒜種子長(zhǎng)度尺寸波動(dòng)最小，厚度尺寸波動(dòng)最大；對(duì)于指夾式、勺鏈?zhǔn)降扰欧N器，為提高單粒率對(duì)蒜種進(jìn)行分級(jí)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先按種子厚度進(jìn)行分級(jí)。

表1 大蒜種子外形尺寸

2.2 大蒜種子的懸浮速度

懸浮速度是農(nóng)業(yè)物料的一個(gè)重要特性參數(shù)。物料的懸浮速度又稱(chēng)臨界速度，是指物料自由下落時(shí)，在自身重力與受到的氣流作用下達(dá)到臨界平衡狀態(tài)時(shí)的氣流速度，物料在該狀態(tài)下受力平衡，絕對(duì)速度為零[11]。

為提高大蒜種子氣力式排種器的單粒率，需對(duì)大蒜種子的懸浮特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用氣流對(duì)大蒜種子進(jìn)行清選，也與大蒜種子的懸浮特性有關(guān)。

2.2.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

測(cè)量大蒜種子懸浮速度的裝置主要有黑龍江農(nóng)業(yè)儀器設(shè)備修造生產(chǎn)的型號(hào)PS-20谷物漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

1.風(fēng)機(jī) 2.大蒜種子 3.觀察口 4.機(jī)架圖4 PS-20型谷物漂浮速度試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagram of grain floating speed test stand of PS-20 type

采用等面積法[11]選擇3個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試氣壓差，讀取蒜種平衡位置刻度L。蒜種的懸浮速度的計(jì)算方法為

Pd=(Pd0+Pd1+Pd2)/3

Vp=V0/K

式中Pd—3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均氣壓差；

Pd0、Pd1、Pd2—3個(gè)測(cè)試點(diǎn)處的氣壓差。

V0—測(cè)試點(diǎn)風(fēng)速；

Vp—物料懸浮速度；

K—蒜種平衡位置刻度L對(duì)應(yīng)的系數(shù)，通過(guò)L-K曲線(xiàn)圖獲得。

對(duì)不同含水率下蒼山大蒜、金鄉(xiāng)大蒜和杞縣大蒜種子的懸浮速度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，每組試驗(yàn)100粒，共12組。

2.2.2 大蒜種子懸浮速度結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)大蒜種子懸浮速度試驗(yàn)結(jié)果整理與分析，得出大蒜種子懸浮速度與含水率的變化關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知：3個(gè)品種的大蒜種子在含水率為45.61%～59.60%時(shí)，懸浮速度分布在12～15.4m/s之間，懸浮速度隨含水率的上升而增加；同一含水率下，大蒜種子的懸浮速度從小到大依次為蒼山大蒜、杞縣大蒜、金鄉(xiāng)大蒜，且金鄉(xiāng)大蒜與杞縣大蒜差異較小。這主要是因?yàn)樵谕缓氏?，蒼山大蒜種子屬于大瓣種，其質(zhì)量大于小瓣種，因此種子在懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)通風(fēng)管道中時(shí)，需受到更大的風(fēng)力作用才能達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖5 懸浮速度與含水率的變化Fig.5 Relationship between suspended velocity and water content

利用氣力對(duì)大蒜種子進(jìn)行清選、排種時(shí)，為保證大蒜種子清選率及單粒率，需結(jié)合大蒜種子在不同含水率下的懸浮速度合理控制空氣流速。以蒼山大蒜種子含水率為54.7%為例，為實(shí)現(xiàn)單粒排種，其空氣流速至少應(yīng)大于種子在該含水率下的懸浮速度，即14.65m/s。

2.3 大蒜種子的抗壓破壞性試驗(yàn)及分析

大蒜種子在運(yùn)輸及播種等機(jī)械的作用過(guò)程中不可避免地要受到壓力和沖擊力，若種子受到損傷，其生長(zhǎng)能力將受到嚴(yán)重影響，出苗率降低，造成減產(chǎn)。蒜種的機(jī)械破損率是衡量蒜種運(yùn)送和播種等機(jī)械工作性能的重要指標(biāo)，因此有必要對(duì)大蒜種子的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，測(cè)試大蒜種子在不同含水率下的抗破壞力，為大蒜播種機(jī)相關(guān)部件的設(shè)計(jì)提供力學(xué)數(shù)據(jù)參考。

2.3.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)利用南京航空航天大學(xué)研制的KB-1開(kāi)口薄壁梁實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖6)，測(cè)量大蒜種子受壓應(yīng)力作用下遭到破壞的最大壓力，用壓碎力表示，單位N。

大蒜種子通常有3個(gè)面，包括一個(gè)弧面和兩個(gè)非弧面，受到同等力的作用時(shí)與壓頭的接觸面不同，受破壞程度存在差異，因此對(duì)含水率為45%、50%、55%、60%的大蒜種子弧面及非弧面進(jìn)行抗壓破壞性試驗(yàn)，分別測(cè)試大蒜種子在兩種狀態(tài)下壓碎力與含水率的變化關(guān)系。取直徑14mm的壓頭，加載速度為5mm/min，邊加載邊觀察示數(shù)；當(dāng)示數(shù)驟停時(shí)表示大蒜種子已受到破壞，記錄數(shù)值，每組100粒，共24組。

1.力值顯示器 2.加力手輪 3.力傳感器 4.壓頭 5.大蒜種子 6. 機(jī)架圖6 大蒜種子壓應(yīng)力破壞試驗(yàn)Fig.6 Damaged test of pressure for garlic seeds

2.3.2 大蒜種子抗壓破壞性試驗(yàn)結(jié)果分析

大蒜種子的壓碎力隨含水率的變化，如圖7所示。

由圖7可知：大蒜種子在兩種狀態(tài)下的壓碎力均與含水率成反比，說(shuō)明含水率是種子壓碎力的影響因素?；∶娉聲r(shí)的壓碎力低于非弧面朝下的壓碎力，這與種子與底面的接觸面積有關(guān)。弧面近似為點(diǎn)接觸，同等壓力下所承受的壓應(yīng)力大，導(dǎo)致種子更易受到破壞。隨含水率降低，蒼山大蒜種子的壓碎力與金鄉(xiāng)大蒜和杞縣大蒜差距逐漸加大，蒼山大蒜的壓碎力低于金鄉(xiāng)大蒜和杞縣大蒜。這主要是因?yàn)樯n山大蒜種子外形飽滿(mǎn)，同一含水率同等載荷下受到的壓強(qiáng)更大，說(shuō)明品種是種子壓碎力的又一影響因素。

通過(guò)以上分析得出結(jié)論：在播種及運(yùn)輸過(guò)程中為避免種子受到損傷，首先應(yīng)考慮種子弧面的壓碎力。以含水率為60%的蒼山大蒜種子為例，播種機(jī)排種器采用指夾式取種時(shí)，應(yīng)使夾緊力不大于弧面能承受的壓力，即50.3N。

3 結(jié)論

1)大瓣種比小瓣種在外形尺寸上大9%左右；小瓣種同一方向的尺寸差異大，大蒜種子長(zhǎng)度尺寸波動(dòng)最小，厚度尺寸波動(dòng)最大；對(duì)于指夾式、勺鏈?zhǔn)降扰欧N器，為提高單粒率對(duì)蒜種進(jìn)行分級(jí)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先按種子厚度進(jìn)行分級(jí)。

2)大蒜種子在含水率為45.61%～59.60%時(shí)，懸浮速度在12～15.4m/s之間。利用氣力對(duì)大蒜種子進(jìn)行清選、排種時(shí)，需結(jié)合大蒜種子在不同含水率下的懸浮速度合理控制空氣流速，以保證大蒜種子清選率及單粒排種。

3)在含水率、載荷一定的情況下，大瓣種更易受到破壞；大蒜種子弧面最易受到破壞。采用指夾式取種及在種子運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)使種子受到的力低于種子弧面能承受的壓碎力。

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