馬少騰,朱興亮,2,張學軍,2,于蒙杰,2,靳 偉,2,張寶安,白圣賀

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室重點實驗室,烏魯木齊 830052)

0 引言

油葵作為位列大豆、油菜和花生之后的我國第四大油料源作物,在農(nóng)作物中占據(jù)著重要地位,播種面積達到80萬hm2,超過總面積的60%,原因是由于油葵具有較強的耐鹽堿性、抗旱性及適應性。油葵適合我國的新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江、山東、河北等相對干旱、鹽堿性大的地區(qū)大面積播種,其他省區(qū)也有小部分種植[1]。

影響油葵產(chǎn)量大小的決定性因素之一是機械化收獲的效率。對于油葵收獲機械裝備而言,脫粒裝置是不可缺少的。目前,我國農(nóng)業(yè)機械中脫粒方式多種多樣,但從脫粒裝置的形式特點來看,可分為切流式脫粒滾筒和軸流式脫粒滾筒。其工作原理均是采用凹板篩與脫粒滾筒之間相對運動對農(nóng)作物產(chǎn)生外力進行搓擦、碾壓、撞擊,從而達到脫粒的目的。雖然這種方式可以達到脫粒的效果,但同時也成為了油葵籽粒發(fā)生破碎、破損的主要因素;而損傷的油葵籽粒會滋生霉菌,影響收獲產(chǎn)量及葵花油的品質(zhì),甚至影響了下一年油葵的播種[2]。為此,進行了油葵籽粒的物理特性測定,旨在為農(nóng)業(yè)機械裝備提供合理可靠的設計依據(jù)。

1 油葵籽粒的物理特性

1.1 油葵品種及基礎特性

油葵S31號在新疆普遍種植,選擇新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州吉木薩爾縣油葵種植地作為試驗對象,如圖1所示。

圖1 油葵種植地Fig.1 Oil-sunflower planting ground。

該種植地的種植時間為2018年4月26日,成熟日期為2018年9月11日。采用的種植模式為一膜三行,油葵的株距為20cm。為避免機械損傷油葵,采收方式選擇為人工采收。采用的方法為五點取樣法(GB/T 5262-2008):在四方形的試驗區(qū)域內(nèi)找到兩條對角線,兩條對角線產(chǎn)生的交點作為1個取樣點,之后在兩對角線上距4個頂點距離域為對角線長1/4處取另外4點作為取樣點,每點為2.5m×2.5m,選取每個取樣點中的所有植株進行測量。

對最后采收下來的油葵盤進行物理特性的測定。葵盤的基本物理特性測定如下:葵盤直徑為180～220mm,葵盤厚度為25～30mm,單個葵盤的質(zhì)量為300～380g。根據(jù)含水率的測量[3-4],得出油葵盤的含水率為29.59%,如表1所示。

表1 油葵盤的含水率測定Table 1 Determination of moisture content in oil sunflower pan。

1.2 籽粒的三維幾何尺寸及含水率

油葵籽粒主要包括籽粒殼和籽粒仁兩個部分。籽粒殼由外果皮、中果皮、內(nèi)果皮組成;籽粒仁即油葵的種子部分,由胚、子葉及種皮組成,如圖2所示。油葵籽粒的含油量為65%～75%,且籽粒仁占整個油葵籽粒含油量的45%～60%。但現(xiàn)存的榨油技術不需要將殼仁分離,脫粒過程中保證油葵籽粒的完整性,防止其破損及發(fā)生霉化,影響品質(zhì)。

1.外果皮 2.中果皮 3.內(nèi)果皮 4.種皮 5.胚 6.子葉圖2 油葵籽粒圖Fig.2 Oil sunflower seed map。

根據(jù)圖形比較法,油葵籽粒可以看做成錐體形狀,靠近尖端為頭,靠近圓大頭部分為底。籽粒最大長度為a,最大寬度為b,最大高度為h。測量時,選擇游標卡尺測量,精確度為0.01mm。為了保證試驗的準確性,在確定每個被測數(shù)據(jù)時,均采用3次測量求平均值,得到實測數(shù)。油葵籽粒三維數(shù)據(jù)的定義,長度a為6.2mm,寬度b為3.74mm,高度h為12.58mm,如圖3所示。

圖3 油葵籽粒三維定義圖Fig.3 Three-dimensional definition of oil sunflower seeds。

根據(jù)油葵籽粒試驗組選擇上海一恒科技有限公司的電熱恒溫鼓風干燥箱對油葵籽粒進行干燥稱重,如圖4所示。油葵籽粒的平均含水率[5]為21.54%,如表2所示。

圖4 電熱恒溫鼓風干燥箱Fig.4 Electric heating constant-temperature blast drying box。

表2 油葵籽粒的含水率測定Table 2 Determination of moisture content of oil sunflower seeds。

同樣,通過5點法對5個區(qū)域內(nèi)進行統(tǒng)計,結果表明:單個區(qū)域內(nèi)的油葵植株數(shù)為14～16株;單個區(qū)域內(nèi)所有籽粒的總質(zhì)量為986.5g～1880.6g不等;最后,隨機抽取100粒油葵籽粒,統(tǒng)計籽粒數(shù)目,計算油葵籽粒的百粒質(zhì)量,重復3次求平均值;最后得出每個區(qū)域內(nèi)油葵籽粒的百粒質(zhì)量分別為6.1～8.6g。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

表3 油葵籽粒百粒重測定表Table 3 Determination of 100 kernel weight of oil sunflower seeds。

將5個區(qū)域中的所有油葵株數(shù)進行分別統(tǒng)計,然后采用人工脫粒,測得每個區(qū)域內(nèi)籽粒的總質(zhì)量,最后將內(nèi)個區(qū)域充分攪拌混合,隨機抽取100顆油葵籽粒測得百粒質(zhì)量。為了保證試驗的可靠性,所有百粒重試驗重復3次,求平均值,最終測定表如表3所示。

1.3 籽粒密度

測量籽粒需測籽粒質(zhì)量與體積。體積的測量方式采用埋沙法測量:首先,將事先準備好的量筒倒入一定量的細沙,輕微搖晃量筒,使沙平面平整,讀出體積為V0;然后,將油葵百粒籽粒埋入量筒中,繼續(xù)輕微搖晃量筒,再一次使沙平面平整,讀出體積為V1。此時,油葵籽粒的體積V為V=V1-V0。重復上述試驗,得出油葵體積的范圍在9.023～10.334cm3。

質(zhì)量可直接測量,其百粒質(zhì)量的油葵籽粒范圍為10.1～12.6g。最后,根據(jù)密度公式可得油葵籽粒的密度為1.119～1.221g/cm3。

1.4 籽粒內(nèi)摩擦角

油葵籽粒的內(nèi)摩擦角反映出油葵在脫粒過程中散落在物料箱內(nèi)籽粒之間的摩擦特性和抗剪強度。根據(jù)內(nèi)摩擦角參數(shù),確定物料箱強度、材料等相關設計參數(shù)。自然休止角反映出的是單個籽粒在物料堆上的滾落能力,因此籽粒的內(nèi)摩擦角可以用自然休止角表示[6]。

自然休止角為油葵籽粒在一定的高度下持續(xù)性散落到平面上,自然堆成的圓錐體,底平面與該圓錐體的母線所形成的夾角,也稱為錐底角[7]。其測定方法一般采用注入法、排出法和傾斜法。由于試驗儀器不同,測得的休止角也略有不同,但屬于正常值波動范圍內(nèi),常采用的方法為注入法。

注入法采用儀器為鐵架臺、試驗漏斗和底板,如圖5所示。油葵籽粒從漏斗落下到底板上,形成圓錐體,錐底角為休止角θ,即

1.鐵架臺 2.底板 3.漏斗圖5 注入法Fig.5 Injection method。

式中H—圓錐體的高;

R—圓錐體的底圓半徑。

經(jīng)過多次測量,油葵籽粒休止角θ的范圍在44.3°～48.5°之間。

1.5 油葵籽粒與金屬之間的滑動摩擦角的測定

油葵籽粒在脫粒后會進入清選、運輸?shù)搅蟼}的過程當中,散落的油葵籽粒會發(fā)生相對運動。因此,油葵籽粒運動就會存在克服其運動的摩擦力,即油葵籽粒所受到的滑動摩擦力。根據(jù)摩擦理論可知:物料的滑動摩擦力與物料實際接觸面積成正相關,且與物料的摩擦特性有關。

滑動摩擦角表示油葵籽粒與所接觸的放置平板產(chǎn)生相對滑動時,放置平面與水平面間的夾角,屬油葵籽粒的摩擦特性。

試驗采用儀器為COF-P01摩擦系數(shù)測定儀,如圖6所示。將油葵籽粒用粘著劑粘合在一起,附在測定儀的配重塊;測定儀的牽引裝置與配重塊相連,且做勻速運動。此時,斜面摩擦因數(shù)測定儀顯示所需的牽引力與滑動摩擦因數(shù),而金屬板所形成的的斜面與水平面的夾角為滑動摩擦角。

圖6 COF-P01斜面摩擦系數(shù)測定儀Fig.6 COF-P01 instrument for measuring oblique friction coefficient。

經(jīng)過多次測量,油葵籽粒的滑動摩擦角為26°～29°之間,與金屬板的之間的動摩擦因數(shù)為0.48～0.55之間。

1.6 油葵籽粒懸浮速度的測定

油葵籽粒的懸浮速度是在籽粒進行運輸、清選等過程中所需要的一個基本計算參數(shù),也是籽粒物料的流體動力學基本性質(zhì)和設計依據(jù)[8-9]。如果油葵籽粒在某一垂直氣流下處于懸浮狀態(tài),則該垂直氣流的速度即為油葵籽粒的懸浮速度,如圖7所示。

圖7 油葵籽粒懸浮受力分析圖Fig.7 Analytical diagram of suspended stress of oil sunflower seeds。

顯然,由于重力作用及所處的流體環(huán)境為空氣,當油葵籽粒自身的重力大于油葵籽粒所受到垂直流體的阻力與空氣中所受到的浮力之和[10]時,油葵籽粒向下運動;當油葵籽粒自身的重力小于油葵籽粒所受到垂直流體的阻力與空氣中所受到的浮力之和時,油葵籽粒向上運動;當油葵籽粒所受到垂直流體的阻力與空氣中所受到的浮力之和等于油葵籽粒自身的重力時,則

Fg=Fb+Fr

式中Fg—油葵籽粒所受到的重力;

Fb—油葵籽粒所受到的浮力;

FR—油葵籽粒所受到垂直流體的阻力。

油葵籽粒所受到的重力Fg為

Fg=mg

油葵籽粒所受到的浮力Fb為

油葵籽粒所受到垂直流體的阻力Fr為

此時,油葵籽粒處于懸浮狀態(tài),vt為懸浮速度,則

式中vt—油葵籽粒的懸浮速度;

m—油葵籽粒的質(zhì)量;

ρs—油葵籽粒的密度;

ρs—空氣的密度;

A—油葵籽粒在豎直面所投射的面積(與流體速度相互垂直);

C—阻力系數(shù)。

經(jīng)過多次試驗測量,測得油葵籽粒的懸浮速度為7.45～9.23m/s。

2 結論

油葵葵盤直徑為180～220mm,葵盤厚度為25～30mm,單個葵盤的質(zhì)量為300～380g;油葵盤的含水率為29.59%;油葵籽粒長度為6.2mm,寬度為3.74mm,高度為12.58mm;油葵籽粒的含水率為21.54%,百粒質(zhì)量為10.1～12.6g之間;油葵體積的范圍在9.023～10.334cm3之間,密度為1.119～1.221g/cm3之間。油葵籽粒的自然休止角θ的范圍在39.3°～43.5°之間。油葵籽粒的滑動摩擦角為26°～29°之間,與金屬板的之間的動摩擦因數(shù)為0.48～0.55之間。油葵籽粒的懸浮速度為7.45～9.23m/s。