鄭娟 廖宜濤 周啟凡 王都

摘要：西洋參是具有特殊治療價(jià)值的貴重補(bǔ)益藥品，國(guó)內(nèi)西洋參種植農(nóng)藝要求窄行距單粒密植，播種仍以人工壓穴點(diǎn)播為主，迫切需要研制西洋參單粒精密播種機(jī)。西洋參的物理機(jī)械特性是進(jìn)行西洋參精密排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重要參數(shù)依據(jù)。對(duì)催芽和未催芽西洋參種子的基本物理參數(shù)、摩擦學(xué)特性、壓縮力學(xué)特性和碰撞恢復(fù)系數(shù)等物理機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和對(duì)比分析。結(jié)果表明，未催芽種子含水率為13.85%，催芽種子含水率達(dá)到 45.29%;未催芽種子千粒質(zhì)量為33.320 g，催芽吸水后千粒質(zhì)量增加到53.261 g;未催芽種子容重為389.984 g/L，催芽后達(dá)到522650 g/L;西洋參種子為扁D狀異形種子，催芽前種子長(zhǎng)、寬、厚平均尺寸分別為6.20、4.92、2.91 mm，球度為7206%，催芽后出現(xiàn)膨脹增大，長(zhǎng)、寬、厚平均尺寸分別為6.24、5.04、3.35 mm，球度增加到75.69%;未催芽種子休止角和滑動(dòng)摩擦角分別為37.63°、33.34°，屈服力為45.535 N，應(yīng)變平均值為0.277，催芽后因籽粒吸水，種子間和種子表面粘附性較未催芽時(shí)增加，種皮變軟，休止角和滑動(dòng)摩擦角分別增加至38.45°、36.72°，屈服力降低為29.671 N，應(yīng)變平均值0.195;西洋參種子催芽前種皮堅(jiān)硬，且呈閉口狀態(tài)，測(cè)得其與鐵板的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.682;經(jīng)過(guò)浸泡催芽處理后，西洋參種皮纖維結(jié)構(gòu)變軟，且種胚膨脹呈裂口狀態(tài)，導(dǎo)致碰撞時(shí)變形量增大，較未催芽西洋參種子碰撞能量損失多，測(cè)得其與鐵板的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.206。該研究結(jié)果為西洋參精密播種機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了相關(guān)參數(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物理機(jī)械特性;測(cè)量分析;碰撞恢復(fù)系數(shù);西洋參種子;催芽和未催芽

中圖分類號(hào)：S223.2+6 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）10-0256-07

收稿日期：2019-04-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51975238、51875229）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2017YFD0700702）。

作者簡(jiǎn)介：鄭 娟（1992—），女，河南周口人，碩士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝置設(shè)計(jì)與測(cè)控研究。E-mail：1730217425@qq.com。

通信作者：廖宜濤，博士，副教授，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控研究。E-mail：liaoetao@mail.hzau.edu.cn。

西洋參是具有特殊治療價(jià)值的貴重補(bǔ)益藥品，種植經(jīng)濟(jì)效益顯著[1-2]。我國(guó)西洋參種植面積不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已成為世界西洋參第一消費(fèi)國(guó)和第三生產(chǎn)國(guó)，國(guó)內(nèi)西洋參種植農(nóng)藝要求窄行距單粒精密播種，仍以人力壓穴點(diǎn)播為主[3-4]，為降低生產(chǎn)成本、提高工作效率和播種質(zhì)量，生產(chǎn)實(shí)際中迫切需要適用的精密播種技術(shù)與裝備。種子是種植機(jī)械主要作業(yè)對(duì)象，其物理機(jī)械特性是設(shè)計(jì)種植機(jī)械的重要參數(shù)依據(jù)[5]。

西洋參種子形狀不規(guī)整，播種前需進(jìn)行裂口催芽處理，屬異形種子，異形種子物理機(jī)械特性研究隨著適用于異形種子種植機(jī)械的需求而增多，Shreekant等對(duì)大豆彈性模量、流變學(xué)性質(zhì)、靜壓機(jī)械特性等物理機(jī)械特性進(jìn)行了研究[6-9]。張勇等進(jìn)行了綠豆物理機(jī)械特性的測(cè)量，填補(bǔ)了綠豆重要特性參數(shù)研究的空白[10]。李雪珍等測(cè)量了干、濕、露白3種狀態(tài)下的雜交水稻播種特性和物理機(jī)械特性，為排種器型孔選型、運(yùn)動(dòng)形式選擇、運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定等提供了理論計(jì)算依據(jù)[11]。崔濤等借助高速攝影技術(shù)對(duì)玉米種子間及與不同材料間的滾筒摩擦特性進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量的休止角和EDEM仿真結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證，為籽粒物理機(jī)械特性測(cè)量提供了另一種思路方法[12]。辛明金等測(cè)量了浸泡時(shí)間對(duì)玉米種子、大蒜種瓣物理機(jī)械性質(zhì)的影響，為相應(yīng)播種工藝、排種機(jī)構(gòu)形式和參數(shù)提供參考[13-14]。目前，對(duì)參類種子的物理機(jī)械特性研究不多，本研究對(duì)西洋參種子進(jìn)行排種器設(shè)計(jì)相關(guān)特性參數(shù)測(cè)量，以期為后期西洋參氣力針式精密集排器設(shè)計(jì)提供相關(guān)參數(shù)依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用山東文登人工選育的催芽和未催芽西洋參種子（圖1），去除損傷、無(wú)籽空殼和其他雜質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)儀器

量程500 g、精度0.001 g的電子天平秤;500 mL 量筒;精度為0.02 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺;常壓恒溫烘箱;休止角測(cè)量裝置;自制斜面儀;以色列KAPRO開(kāi)普路992電子數(shù)顯量角器;美國(guó)FTC公司研制精度為±1%的TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀;自制碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)量裝置等。

2 結(jié)果與分析

2.1 西洋參種子基本物理參數(shù)測(cè)量

西洋參種子的基本物理機(jī)械特性包括種子的形狀、尺寸、千粒質(zhì)量、含水率、容重等，在進(jìn)行播種機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)首先要了解種子的基本物理參數(shù)。

2.1.1 形狀和尺寸 西洋參種子的形狀和尺寸影響其在排種器中的充填性、流動(dòng)性和接觸面直徑大小;進(jìn)行西洋參氣力針式集排器設(shè)計(jì)前需確定西洋參種子的形狀及尺寸，種子幾何尺寸包括種子長(zhǎng)度、寬度、高度，觀察西洋參種子形狀，呈扁平D型，初步確定其三軸方向，從催芽、未催芽種子堆中各隨機(jī)選取100粒西洋參種子，用精度為0.02 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺分別測(cè)量每粒種子的長(zhǎng)度、寬度、高度，并記錄數(shù)據(jù)，對(duì)2種狀態(tài)下的西洋參種子三軸尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其尺寸分布概率曲線見(jiàn)圖2。

對(duì)種子幾何平均寬度、球度等進(jìn)行計(jì)算：

2.1.1.1 種子三軸尺寸

L=∑（L1+L2+L3+…+L98+L99+L100）100;

（1）

W=∑（W1+W2+W3+…+W98+W99+W100100;

（2）

H=∑（H1+H2+H3+…+H98+H99+H100100。

（3）

式中：L為西洋參種子長(zhǎng)度均值，mm;W為西洋參種子寬度均值，mm;H為西洋參種子厚度均值，mm;L1、L2、L3、…、L98、L99、L100為100粒種子每粒的長(zhǎng)度值，mm;W1、W2、W3、…、W98、W99、W100為100粒種子每粒的寬度值，mm;H1、H2、H3、…、H98、H99、H100為100粒種子每粒的厚度值，mm。

2.1.1.2 種子幾何平均寬度 由Mohsenin公式可知[15]，幾何平均寬度由下式計(jì)算：

D=3LWH。

（4）

式中：D為種子幾何平均寬度，mm。

2.1.1.3 球度 球度體現(xiàn)了種子實(shí)際形狀與球體之間差異程度的大小，可用來(lái)判斷種子形狀是否規(guī)整，計(jì)算公式如下：

SP=DL×100%。

（5）

式中：SP為球度，%。

計(jì)算可得種子形狀和尺寸值分布見(jiàn)表1。

從圖2可知，催芽、未催芽西洋參種子的幾何分布符合正態(tài)分布曲線;從表1可以看出，西洋參種子在催芽、未催芽狀態(tài)下種子形狀略有差異，催芽西洋參種子三軸尺寸平均值為6.24 mm×5.04 mm×3.35 mm，幾何平均寬度為4.72 mm，球度為 75.69%，略大于未催芽西洋參種子三軸尺寸平均值 6.20 mm×4.92 mm×2.91 mm，幾何平均寬度 4.47 mm，球度72.06%，厚度變化明顯;原因是西洋參種子經(jīng)催芽處理后含水量大，胚芽發(fā)育沖破種皮呈破裂狀態(tài)。種子經(jīng)催芽處理后三軸尺寸變異系數(shù)較未催芽處理時(shí)大，球度較小，種子形狀極不規(guī)則，由催芽處理后種子胚芽發(fā)育不一致，種殼破裂位置不定引起。

根據(jù)以上計(jì)算可知，若采用氣吸式排種器，吸種型孔由以下公式計(jì)算：

d=kD。

（6）

式中：d為吸種型孔直徑，mm;k為系數(shù)，取0.64～0.66。

計(jì)算可得，氣吸式排種器吸種型孔d取值范圍為3.02～3.11 mm。

西洋參種子為扁平狀，若采用勺夾式排種器，保證夾種可靠的同時(shí)兼顧合格優(yōu)先，避免漏重播，種夾長(zhǎng)度、寬度取值需滿足：

L≤L≤W+12W

12W≤W≤W。

（7）

式中：L為種夾的長(zhǎng)度，mm;W為種夾的寬度，mm。

計(jì)算可得，勺夾式排種器種夾長(zhǎng)L取值范圍為6.24～7.56 mm，寬W取值為2.52～5.04 mm。

若采用窩眼輪式排種器，西洋參播種時(shí)要求單粒精密點(diǎn)播，則其型孔直徑d1和型孔深度h根據(jù)種子的最大尺寸而定，需滿足：

d1=lmax+（0.5～1.0）;

h=lmax-（0.5～1.0）。

（8）

式中：d1為型孔直徑，mm;h為種夾的寬度，mm;lmax為催芽西洋參種子的最大尺寸。

計(jì)算可得，窩眼輪式排種器的型孔直徑d1取值為6.74～7.24 mm，型孔深度h取值為 5.74～5.74 mm。

2.1.2 含水率 西洋參種子含水率是檢驗(yàn)種子質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，種子水分測(cè)定方法有烘干減重法、化學(xué)法和蒸餾法等[16]。本研究采用常壓恒溫烘干法進(jìn)行含水率測(cè)定，試驗(yàn)參照國(guó)標(biāo)GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，取試驗(yàn)用催芽、未催芽西洋參種子各500粒，分別平分為5組試驗(yàn)樣品，測(cè)其烘干前質(zhì)量m1，將試驗(yàn)樣品放入常壓恒溫烘箱中，在（103±2） ℃溫度下烘15 h至質(zhì)量不再發(fā)生變化，將試驗(yàn)樣品取出冷卻至室溫后測(cè)量其質(zhì)量m2，計(jì)算公式如下：

Mw=m1-m2m1。

（9）

式中：Mw為種子含水率，%;m1為西洋參種子烘干前質(zhì)量，g;m2為西洋參種子所含干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

計(jì)算可得催芽西洋參種子含水率為45.29%，未催芽西洋參種子含水率為13.85%。經(jīng)催芽處理后西洋參種子含水率高，不易儲(chǔ)存，易感染病原菌，且催芽種子易繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)芽，種子間和種子與充種室、排種針間的黏附力較未催芽西洋參種子大，會(huì)降低排種器排種精度，種子含水率過(guò)低時(shí)，又會(huì)影響種子的生理活性，因此進(jìn)行西洋參播種作業(yè)時(shí)需嚴(yán)格控制其催芽種子的含水率，盡量縮短播種作業(yè)時(shí)間。

2.1.3 千粒質(zhì)量 西洋參種子千粒質(zhì)量指1 000粒無(wú)雜質(zhì)、無(wú)損傷、顆粒飽滿西洋參種子的絕對(duì)質(zhì)量，受種子的品質(zhì)、含水量、形狀特征等因素影響[17]，千粒質(zhì)量大小對(duì)排種器吸種、攜種順利進(jìn)行所需吸附力和投種過(guò)程種子的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和軌跡影響較大。隨機(jī)取去除雜質(zhì)、空殼等的催芽、未催芽西洋參種子各1 000粒，用量程為500 g，精度為 0.001 g 的華中農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室電子天平秤測(cè)量其質(zhì)量，試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值為其千粒質(zhì)量值，測(cè)得催芽種子千粒質(zhì)量為53.261 g，未催芽種子千粒質(zhì)量為33.320 g。

2.1.4 容重 種子的容重指單位體積（包括籽粒間的孔隙）種子的質(zhì)量，西洋參種子的容重對(duì)西洋參氣力針式精密集排器的種箱和充種室結(jié)構(gòu)大小設(shè)計(jì)有很重要的參考價(jià)值，容重值受種子形狀大小、堆積或充填方式和含水率等影響。試驗(yàn)前測(cè)量量筒質(zhì)量ρa(bǔ)，取催芽、未催芽西洋參種子若干分別裝至量筒中，輕微給予振動(dòng)，使種子平面與量筒 500 mL 刻度線處重合，稱量量筒與種子總質(zhì)量ρb，試驗(yàn)重復(fù)5次，計(jì)算公式為：

ρ=ρb-ρa(bǔ)500×1 000。

（10）

式中：ρ為容重，g/L;ρb為量筒和西洋參總質(zhì)量，g;ρa(bǔ)為量筒質(zhì)量，g。

將5次試驗(yàn)測(cè)量所得數(shù)值代入計(jì)算可得，催芽西洋參種子的容重為522.650 g/L，未催芽西洋參種子容重為389.984 g/L，西洋參種子經(jīng)催芽處理后，吸水膨脹且質(zhì)量增大，容重較未催芽西洋參種子大。

2.2 種子摩擦學(xué)特性參數(shù)測(cè)量

散粒物料由于其具有的內(nèi)摩擦特性等摩擦學(xué)行為而呈現(xiàn)糧倉(cāng)效應(yīng)、自組織臨界效應(yīng)等，研究西洋參種子的摩擦學(xué)特性，為西洋參氣力針式精量集排器關(guān)鍵部件種箱、充種室、充種室隔板等設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)，同時(shí)也分析其對(duì)吸種和投種過(guò)程的影響，對(duì)反映種子間內(nèi)摩擦性質(zhì)的休止角和反映種子與接觸固體表面間摩擦性質(zhì)的滑動(dòng)摩擦角進(jìn)行測(cè)量[18]。

2.2.1 自然休止角測(cè)量 采用注入法[5]進(jìn)行休止角測(cè)定，試驗(yàn)采用的休止角測(cè)量裝置是根據(jù)GB/T 11986—1989《表面活性劑 粉體和顆粒休止角的測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制作，測(cè)定原理示意見(jiàn)圖3-a、圖3-b，實(shí)物見(jiàn)圖3-c，具體操作為用量筒分別取150 mL試驗(yàn)用催芽、未催芽西洋參種子，先將漏斗頸堵住，再倒入試驗(yàn)用西洋參種子，打開(kāi)漏斗頸讓西洋參種子流動(dòng)，用攪拌器慢慢攪拌，在流動(dòng)停止 2 min 后，測(cè)量西洋參種子的錐形高度。試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值為錐形高度結(jié)果，如結(jié)果偏差5%，則需重新測(cè)量。

西洋參種子休止角可表示為：

ψ=Arctan2h100。

（11）

式中：h為西洋參種子的錐形高度，mm;ψ為顆粒休止角，°。

測(cè)定結(jié)果表明，催芽、未催芽西洋參種子休止角為38.45°、37.63°，進(jìn)行排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮種子的流動(dòng)性，查閱資料可知西洋參休止角大于油菜、小麥作物種子休止角（分別為27.1°、29.6°），其流動(dòng)性較差。結(jié)合散粒體力學(xué)理論，為保證吸種可靠性，針對(duì)西洋參等流動(dòng)性較差的種子，需采用輔助供種裝置或針式吸嘴來(lái)保證排種效果[19-20]。

2.2.3 滑動(dòng)摩擦角測(cè)量 采用自制斜面儀對(duì)滑動(dòng)摩擦角進(jìn)行測(cè)定，原理見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明，催芽西洋參種子與鋼板的滑動(dòng)摩擦角為36.72°，略高于未催芽西洋參種子與鋼板的滑動(dòng)摩擦角33.34°，原因是西洋參種子經(jīng)催芽處理后含水率變大，種皮表面存在水分，黏附作用增加，使摩擦力增大。

2.3 種子壓縮力學(xué)特性

西洋參種子的壓縮力學(xué)特性反映了種子受力狀態(tài)，為排種器充種室隔板間距設(shè)計(jì)與種子破碎受力情況等研究提供理論依據(jù);試驗(yàn)采用美國(guó)FTC公司研制的檢測(cè)精度為±1%，最大檢測(cè)力為1 000 N，數(shù)據(jù)收集頻率為1 000 Hz的TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀和精度為0.02 mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺。

西洋參種子個(gè)體間差異較大，為避免由個(gè)體差異引起隨機(jī)誤差，根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)需要[21]，從催芽、未催芽西洋參種子堆中各取10粒個(gè)體差異較小的種子，測(cè)量其三軸尺寸并進(jìn)行記錄，對(duì)2種狀態(tài)下的西洋參種子進(jìn)行單次擠壓試驗(yàn)，將種子依次放在質(zhì)構(gòu)儀的承壓臺(tái)上，使用剛性平板壓頭進(jìn)行壓力加載，測(cè)試前速度為500 mm/min，加載速度為5 mm/min，

起始力為0.5 N，催芽西洋參種子測(cè)試最大距離設(shè)為1.8 mm，未催芽西洋參種子最大測(cè)試距離設(shè)為1.6 mm，均為所選西洋參種子厚度的50%～60%，可完整體現(xiàn)西洋參種子受擠壓力作用宏觀破裂的過(guò)程。典型催芽、未催芽種子2種變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5、圖6。因種子強(qiáng)度由能引起種子外傷、降低種子發(fā)芽率的載荷而不是由極限載荷或破壞載荷決定，因此對(duì)所選催芽、未催芽各10粒種子受擠壓后開(kāi)始破裂（即出現(xiàn)第1個(gè)破裂點(diǎn)）時(shí)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2）。

從圖5可以看出，催芽西洋參種子壓縮力-位移曲線可大致分為OD和od段，結(jié)合壓縮試驗(yàn)觀察得知，催芽西洋參種子在OA段時(shí)隨著壓縮力的增加，芽種變形量不斷增加，OA段變形主要以種子厚度方向的種皮發(fā)生裂紋為主，A、a點(diǎn)為種皮屈服點(diǎn)，從A、a點(diǎn)種皮開(kāi)始斷裂，所受壓縮力驟降，曲線呈下降趨勢(shì)，AB、ab段為種皮屈服段，到B、b點(diǎn)后出現(xiàn)2種情況：（1）種胚達(dá)到屈服點(diǎn)破裂，種芽驟然被擠出，曲線呈大幅下降趨勢(shì)，接著發(fā)生蠕動(dòng)性擠出，見(jiàn)圖5BD段;（2）種胚在所受壓縮力不斷增大后破裂，胚芽被擠出，但是種子未被壓實(shí)，所以種皮裂紋增大，胚芽從增大的裂口中不斷擠出，見(jiàn)圖5bd段。

從圖6可以看出，未催芽西洋參種子壓縮力-位移曲線大致分為ob和OC段，在oa下半段西洋參種子開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，隨著壓縮力變大，種子變形量逐漸增大，a點(diǎn)種皮開(kāi)始破裂，曲線大幅度下降，圖6ab段為屈服段，種子開(kāi)始破裂，形變量變小，被壓實(shí);圖6OA、圖6AB段與圖6oa、圖6ab相似，在b點(diǎn)種皮二次斷裂，出現(xiàn)較大裂縫，曲線出現(xiàn)第2次下降趨勢(shì)，bc段種子被壓實(shí)，形變量變小。

從表2可以看出，經(jīng)催芽處理的西洋參種子屈服力平均值為29.671 N，較未催芽西洋參種子屈服力平均值（45.535 N）小，因此，在設(shè)計(jì)充種裝置、排種針型孔參數(shù)、排種轉(zhuǎn)速等時(shí)，應(yīng)保證催芽西洋參種子所受載荷小于29.671 N;催芽西洋參種子受擠壓時(shí)到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)的應(yīng)變平均值為0.195，低于未催芽種子達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)應(yīng)變平均值（0.277），試驗(yàn)結(jié)果可知，西洋參種子經(jīng)催芽處理后呈裂口狀態(tài)，種胚外漏，厚度較未催芽種子增大，受擠壓時(shí)種皮破裂后種胚受力增加出現(xiàn)裂紋直至破裂芽種被擠出，所以壓縮力位移曲線中出現(xiàn)較多下降曲線段，而未催芽西洋參種子閉口，且種皮堅(jiān)硬，種皮破裂所需屈服力較催芽西洋參種子大，屈服應(yīng)變相對(duì)較大，同時(shí)結(jié)合催芽、未催芽種子屈服力和應(yīng)變平均值變異系數(shù)可知，種子個(gè)體差異對(duì)其受力破碎影響較大，催芽西洋參種子易破碎，且種子形狀大小不一，相較對(duì)種子形狀要求較高的窩眼輪、勺夾等機(jī)械式排種器，氣力式排種器更適用于西洋參排種。

2.4 種子碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)量

播種時(shí)西洋參種子在充種室內(nèi)和投種過(guò)程中會(huì)發(fā)生各種形式的碰撞，為探明催芽、未催芽西洋參種子發(fā)生碰撞后的形變恢復(fù)能力和能量損失大小，進(jìn)行西洋參種子的碰撞恢復(fù)研究很有必要，本研究基于運(yùn)動(dòng)學(xué)方程原理設(shè)計(jì)搭建了恢復(fù)系數(shù)測(cè)量裝置（圖7）。

從催芽西洋參種子堆中挑選形狀大小近似的種子30粒，試驗(yàn)時(shí)將種子從具有一定高度H的投料孔投下，自由落體后與傾角為45°的斜面發(fā)生碰撞，碰撞后反彈改變運(yùn)行軌跡做拋物線運(yùn)動(dòng)，最后落在墊高后距離地面為100 mm的平整沙盤中，測(cè)量種子運(yùn)動(dòng)水平距離s1和種子在斜面上的碰撞點(diǎn)到沙盤面的垂直距離h1，測(cè)量點(diǎn)為種子掉落點(diǎn)聚集性較好部分（>90%）的中心位置[22-23]，為得到拋物線的運(yùn)動(dòng)軌跡，將墊高盒去掉使沙盤放置在地面上，再挑選形狀大小近似的催芽西洋參種子30粒按照上述操作進(jìn)行試驗(yàn)，得到s2、h2。相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式如下：

種子進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)距離：

H′=H-h2。

（12）

種子碰撞前瞬時(shí)速度：

V0=2gH′。

（13）

種子碰撞后將速度分解為水平分速度vx和豎直分速度vy，若測(cè)量得到水平距離s和豎直位移h，則：

s=vxt

h=vyt+12gt2。

（14）

將測(cè)量所得s1和h1、s2和h2代入上式，可得：

vx=gs1s2（s1-s2）2（h1s2-h2s1）

vy=h1vxs1-gs12vx。

（15）

種子發(fā)生碰撞后種子速度可表示為：

vxy=v2x+v2y。

（16）

碰撞恢復(fù)系數(shù)Cr可由下式算出：

Cr=vxycos45°+arctanvyvxv0sin45°。

（17）

式中：H為投料孔距放置在地面的沙盤面高度，m;H為種子自由落體運(yùn)動(dòng)距離，m;g為重力加速度，9.8 m/s2;h1為種子碰撞點(diǎn)距墊高后沙盤面垂直高度，取0.46 m;h2為種子碰撞點(diǎn)距放置在地面的沙盤面垂直高度，取0.55 m;s1為種子散落點(diǎn)距墊高后沙盤面水平距離，m;s2為種子散落點(diǎn)距放置在地面的沙盤面水平距離，m;v0為種子碰撞前瞬時(shí)速度，m/s;vx為碰撞后種子水平分速度，m/s;vy為碰撞后種子豎直分速度，m/s;vxy為碰撞后種子速度，m/s;Cr為碰撞恢復(fù)系數(shù)。

計(jì)算可得，催芽西洋參種子在試驗(yàn)條件下與鐵板的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.206，小于未催芽西洋參種子相同條件下的碰撞恢復(fù)系數(shù)（0.682），原因是西洋參種子催芽前種皮堅(jiān)硬，且呈閉口狀態(tài)，經(jīng)過(guò)浸泡催芽處理后，西洋參種皮纖維結(jié)構(gòu)變軟，且種胚膨脹呈裂口狀態(tài)，導(dǎo)致碰撞時(shí)變形量增大，較未催芽西洋參種子碰撞能量損失多，彈性恢復(fù)能力較弱，因此進(jìn)行投種和入土裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免碰撞現(xiàn)象發(fā)生，并降低投種高度。

3 結(jié)論

以催芽、未催芽西洋參種子為研究對(duì)象，對(duì)影響西洋參播種的物理機(jī)械特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，催芽西洋參種子的三軸尺寸為6.24 mm×5.04 mm×3.35 mm，幾何平均寬度為4.72 mm，球度為75.69%，略大于未催芽西洋參種子三軸尺寸平均值6.20 mm×4.92 mm×2.91 mm，幾何平均寬度 4.47 mm，球度72.06%，且厚度變化明顯;催芽西洋參種子含水率為45.29%，千粒質(zhì)量為 53.261 g，容重為522.650 g/L;未催芽西洋參種子含水率為 13.85%，千粒質(zhì)量為33.320 g，容重為 389.984 g/L。

催芽處理后的西洋參種子含水率較高，其種子間和種子表面粘附性較未催芽時(shí)增加，摩擦力增大，流動(dòng)性差，其自然休止角為38.450，滑動(dòng)摩擦角為36.720，大于未催芽西洋參種子的自然休止角 37.630，滑動(dòng)摩擦角33.340。

催芽、未催芽西洋參種子的壓縮力學(xué)特性和碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)量可知，催芽西洋參種子屈服力平均值為29.671 N，未催芽西洋參種子屈服力平均值為45.535 N，因此在設(shè)計(jì)充種裝置、排種針型孔參數(shù)、排種轉(zhuǎn)速等時(shí)，應(yīng)保證催芽西洋參種子所受載荷小于29.671 N;且催芽西洋參種子受擠壓到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)的應(yīng)變平均值為0.195，低于未催芽種子達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)應(yīng)變平均值（0.277）。由催芽、未催芽西洋參種子的碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)量可知，催芽西洋參種子與鐵板的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.206，小于未催芽西洋參種子相同條件下的碰撞恢復(fù)系數(shù)（0.682）。

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