王 勇，李建東，楊 薇，郝 超，石紹濱

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

小麥種子形狀不規(guī)則，品種多樣且不同品種的物理特性差異較大。為探究小麥種子的物理特性，張民等[1]測(cè)量了小麥種子的休止角與靜滑動(dòng)摩擦角；魏麗娟[2]測(cè)量了6種小麥種子的長(zhǎng)軸和短軸尺寸；田曉紅等[3]測(cè)量了小麥種子的休止角；時(shí)偉芳等[4]測(cè)量了小麥種子的千粒質(zhì)量、長(zhǎng)度和寬度。但是，上述研究存在小麥品種或選擇原因不明確、物理特性參數(shù)測(cè)量不全面等問題。

作為排種器和自動(dòng)供種裝置的工作對(duì)象，小麥種子與上述裝置有直接接觸。在設(shè)計(jì)排種器最大真空度、吸種孔直徑、進(jìn)種管傾角，以及供種裝置儲(chǔ)種盒容積和材料選擇時(shí)，需要獲取小麥種子的千粒質(zhì)量、三軸尺寸、休止角、容重和靜摩擦系數(shù)等物理特性值。因此，選取了測(cè)量對(duì)象并測(cè)量了種子能夠影響零部件參數(shù)設(shè)計(jì)的物理特性值，以確定接觸零部件的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)、分析種子物理特性對(duì)零部件設(shè)計(jì)的影響。

1 材料與儀器

1.1 材料

為提高排種器和供種裝置對(duì)小麥品種的適用性，從種業(yè)商務(wù)網(wǎng)查閱了100種小麥種子審定時(shí)的千粒質(zhì)量、容重信息，如圖1～2所示。小麥各品種的千粒質(zhì)量范圍36.8～49.4 g、均值43.1 g，容重范圍761.0～832.0 g/L、均值799.3 g/L。其中，濟(jì)麥22千粒質(zhì)量43.2 g、容重828.0 g/L，最接近均值，因此選取濟(jì)麥22作為測(cè)量對(duì)象。

圖1 小麥種子千粒質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

圖2 小麥種子容重統(tǒng)計(jì)

1.2 儀器

(1)SLY-C型微電腦自動(dòng)數(shù)粒儀(數(shù)粒)，小籽粒種子計(jì)數(shù)精度2/1000。

(2)DHS16-A型紅外水分測(cè)定儀(測(cè)量千粒質(zhì)量)，精度0.001 g，重復(fù)性0.2%。

(3)量筒和YP1002N型電子天平(測(cè)量容重)，其中量筒量程0.5 L、精度10 mL，電子天平精度0.01 g、重復(fù)性誤差±0.01g。

(4)MNT-150型游標(biāo)卡尺(測(cè)量三軸尺寸)，精度0.02 mm。

(5)FT-104B型休止角測(cè)定儀(測(cè)定休止角)，重復(fù)性誤差3%。

2 物理特性參數(shù)測(cè)量

2.1 測(cè)量方法

2.1.1 千粒質(zhì)量

千粒質(zhì)量可反映出籽粒的飽滿狀態(tài)，是種子的一項(xiàng)重要指標(biāo)。測(cè)量時(shí)用SLY-C型微電腦自動(dòng)數(shù)粒儀從樣本中隨機(jī)計(jì)數(shù)出5組小麥籽粒，每組1 000粒并標(biāo)明組號(hào)，然后用DHS16-A型紅外水分測(cè)定儀測(cè)量出5組種子的質(zhì)量并記錄，測(cè)量過程如圖3所示。

圖3 千粒質(zhì)量測(cè)量過程

2.1.2 容重

容重是指單位容積內(nèi)種子的質(zhì)量，常用單位g/L。測(cè)量時(shí)用量筒量取出0.5 L容積的小麥種子，然后用YP1002N型電子天平稱量出小麥的質(zhì)量，如圖4所示。天平示數(shù)的兩倍就是濟(jì)麥22的容重，測(cè)量重復(fù)5次取均值。

圖4 容重測(cè)量過程

2.1.3 三軸尺寸

三軸尺寸是指種子在X軸、Y軸和Z軸3個(gè)方向的數(shù)值，即種子的長(zhǎng)度、寬度和高度。在提高軸向定位精度和減少種子破損的前提下，采用機(jī)械接觸法測(cè)量種子的三軸尺寸。為使測(cè)量結(jié)果更趨近于濟(jì)麥22的實(shí)際值，采取增加樣本容量的方法隨機(jī)選取200粒種子(通常只選取100?；蛘?50粒)，然后用游標(biāo)卡尺測(cè)量每粒種子的三軸尺寸，如圖5所示，并記錄數(shù)據(jù)[4-5]。

圖5 機(jī)械接觸法測(cè)量種子三軸尺寸

2.1.4 休止角

種子的休止角是指種子從高處落到平面時(shí)堆積成的圓錐體斜邊與底邊半徑之間的夾角，可反映出種子的流動(dòng)性——休止角越小，種子流動(dòng)性越強(qiáng)[3，6]。

圖6 FT-104B型休止角測(cè)定儀及測(cè)定步驟

2.1.5 靜摩擦系數(shù)

種子的靜摩擦系數(shù)是指種子與接觸面即將發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)越大、種子在接觸材料上運(yùn)動(dòng)越困難。

采用斜面法測(cè)量種子的靜摩擦系數(shù)，如圖7所示。調(diào)整好測(cè)量裝置后將不銹鋼板、鋁板、鐵板和硬質(zhì)PVC板依次固定到儀器上，添加測(cè)量對(duì)象，然后緩慢提升裝置使種子與水平面的夾角θ逐漸增大，當(dāng)種子向下滑落時(shí)，記錄當(dāng)前θ角數(shù)值，每種材料重復(fù)6次取均值然后更換材料重復(fù)上述步驟。

圖7 靜摩擦系數(shù)測(cè)量過程

種子在斜面上的受力分析如圖7a所示，種子的重力可分解為垂直斜面的力N和與斜面平行的力F，同時(shí)種子還受摩擦力f和支持力n。在種子即將運(yùn)動(dòng)但尚未運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，由式(1)～(3)可推導(dǎo)出式(4)，代入測(cè)量值后即可求出種子在不同材質(zhì)上的靜摩擦系數(shù)。

f=F=mgsinθ

(1)

N=mgcosθ

(2)

f=μN(yùn)

(3)

(4)

2.2 測(cè)量結(jié)果

2.2.1 千粒質(zhì)量與容重

濟(jì)麥22種子千粒質(zhì)量與容重測(cè)量結(jié)果如表1所示。濟(jì)麥22種子的千粒質(zhì)量范圍是45.02～47.72 g、均值46.02 g，容重范圍是820.94～844.96 g/L、均值831.30 g/L。千粒質(zhì)量與容重?cái)?shù)值較其他小麥品種大，說明濟(jì)麥22胚乳含量高、皮層含量少，是優(yōu)質(zhì)品種，但增加了排種器吸種孔將種子吸起的難度。

表1 千粒質(zhì)量與容重測(cè)量結(jié)果

2.2.2 三軸尺寸

濟(jì)麥22種子形態(tài)各異，但三軸尺寸數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。為直觀反映種子三軸尺寸分布情況，可根據(jù)等距分組式(5)～(6)求出組距與組數(shù)，以尺寸區(qū)間為橫坐標(biāo)、小麥粒數(shù)為縱坐標(biāo)繪制三組直方圖，如圖8所示。

圖8 濟(jì)麥22三軸尺寸分布

n=1+3.322lgN

(5)

a=R/N

(6)

式中n——組數(shù)

N——單位數(shù)，N=200粒

a——組距，mm

R——全距，mm

測(cè)量結(jié)果如表2所示，長(zhǎng)軸范圍5.36～7.56 mm、中軸范圍2.86～3.91 mm、短軸范圍2.53～3.72 mm，三軸尺寸均值分別是長(zhǎng)軸6.47 mm、中軸3.42 mm、短軸3.08 mm。其中，95%的置信區(qū)間分別為長(zhǎng)軸5.74～7.20 mm，中軸3.04～3.80 mm，短軸2.67～3.50 mm，種子呈扁長(zhǎng)型[7]。此外，各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和方差較小，說明數(shù)據(jù)離散性小即測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度較高。

表2 濟(jì)麥22三軸尺寸參數(shù)

2.2.3 休止角

休止角測(cè)量結(jié)果如表3所示，濟(jì)麥22種子休止角范圍是27.47°～30.11°，均值28.9°，說明小麥籽粒間比較容易發(fā)生流動(dòng)[6]。

表3 休止角測(cè)量結(jié)果

2.2.4 靜摩擦系數(shù)

靜摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果如表4所示，濟(jì)麥22種子與不銹鋼板之間的靜摩擦系數(shù)最小，其次是硬質(zhì)PVC板，然后是鋁板。

表4 靜摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果

3 物理特性參數(shù)的應(yīng)用

3.1 千粒質(zhì)量

千粒質(zhì)量是設(shè)計(jì)排種器負(fù)壓時(shí)需要考慮的重要因素，因?yàn)橐淹ㄟ^千粒質(zhì)量得出的單粒種子質(zhì)量m代入式(7)才能計(jì)算出排種器的最大真空度Hcmax[8]。

(7)

式中d——吸孔直徑，mm

c——吸種盤與吸附在其上種子之間的距離，mm

m——單粒種子質(zhì)量，g

Vp——吸孔上正中心的線速度，m/s

r——吸孔處轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm

g——重力加速度，取g=9.8 m/s2

λ——種子相互摩擦產(chǎn)生阻力的綜合系數(shù)，λ=(6～10)tgα，α為休止角

K1——吸種的可靠性能系數(shù)，一般取值1.8～2.0

K2——外界條件的系數(shù)，K2=1.6～2.0，千粒質(zhì)量較大時(shí)K2選大值

由式(7)可看出，Hcmax值的大小受包括千粒質(zhì)量、休止角在內(nèi)的種子物理特性、吸孔直徑和吸孔正中心的線速度等因素的影響，其中千粒質(zhì)量與Hcmax的值呈正相關(guān)性[9]。為實(shí)現(xiàn)良好的吸種效果，排種器內(nèi)的負(fù)壓值需大于Hcmax。

3.2 容重

在設(shè)計(jì)供種裝置儲(chǔ)種盒容積時(shí)，需要獲取種子的容重，按照以下步驟進(jìn)行計(jì)算。

(1)根據(jù)式(8)計(jì)算出單個(gè)小區(qū)種子播種量。

(8)

式中N——單個(gè)小區(qū)種子播種量，粒

N行數(shù)——小區(qū)行數(shù)，一般為6行

L——小區(qū)行長(zhǎng)，L=9 m

L1——株距，L1=0.03 m

(2)把千粒質(zhì)量(M1000)代入式(9)，求出所播種子的質(zhì)量m(單位：g)。

(9)

(3)將容重(M容重)代入式(10)，可計(jì)算出所播種子的體積V(單位：mm3)，而儲(chǔ)種盒的容積需大于等于該值。

(10)

但計(jì)算出的儲(chǔ)種盒容積是在理想狀態(tài)下，實(shí)際值還需要考慮3%的重播率和一定的播種余量，所以擬定儲(chǔ)種盒容積為116 500 mm3。

3.3 三軸尺寸

(1)排種盤吸種孔直徑需要測(cè)量出種子的三軸尺寸，由式(11)得出[8]。

d=(0.64～0.66)b

(11)

式中b——種子的平均寬度，mm

由測(cè)量可知，種子平均寬度b=3.42 mm，但種子寬度范圍2.86～3.91 mm，所以擬定試驗(yàn)時(shí)排種盤吸種孔直徑d范圍為1.8～2.6 mm。

(2)三軸尺寸還影響種子在排種器中的流動(dòng)性，三軸尺寸均值差距越大、種子流動(dòng)性越小[10]。

(3)三軸尺寸可為后續(xù)排種器離散元仿真分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[11]。

3.4 休止角

在設(shè)計(jì)排種器進(jìn)種管傾斜角度時(shí)，要對(duì)種子進(jìn)行受力分析(圖9)，而且計(jì)算出的數(shù)值需要大于種子的休止角，該處才不會(huì)存留種子[12]。

圖9 受力分析

分析時(shí)將流入傾角處的全部種子視作一個(gè)整體，在整體重心處建立平面直角坐標(biāo)系XOY，其中X軸正方向?yàn)榉N子即將流動(dòng)方向，Y軸正方向?yàn)榉N子所受到的進(jìn)種管支持力方向，當(dāng)種子處在即將運(yùn)動(dòng)還未運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，X軸和Y軸上存在著兩組受力平衡，如式(12)～(13)所示。

Fx=Gsinθ-f=0

(12)

Fy=Fn-Gcosθ=0

(13)

式中G——種子重力，N

f——進(jìn)種管對(duì)種子的摩擦力，N

θ——進(jìn)種管傾角，(°)

Fn——進(jìn)種管對(duì)種子的支持力，N

其中，進(jìn)種管對(duì)種子的摩擦力f可由式(14)求出。

f=μFn=Gcosθ

(14)

式中μ——進(jìn)種管對(duì)種子的靜摩擦系數(shù)

要使種子向下滑動(dòng)，F(xiàn)x>0即θ>arctanμ，同時(shí)排種器進(jìn)種管傾角θ還要大于種子的最大休止角，即大于30.11°，此處才不會(huì)殘留種子。

3.5 靜摩擦系數(shù)

靜摩擦系數(shù)可進(jìn)行以下計(jì)算。

(1)進(jìn)種管傾角計(jì)算。

(2)選擇與種子有接觸的零部件材料：為降低摩擦力和減少排種器內(nèi)的負(fù)壓損失，排種盤宜選用不銹鋼材質(zhì)，但是供種裝置的儲(chǔ)種盒綜合考慮摩擦系數(shù)、材料價(jià)格和制造成本等因素后選擇硬質(zhì)PVC材料。

(3)根據(jù)式(15)計(jì)算排種器風(fēng)壓大小[13]。

(15)

式中P1——風(fēng)壓大小，kPa

S——吸種口面積，mm2

μ1——種子在排種盤上的最大靜摩擦系數(shù)

4 結(jié)論

濟(jì)麥22種子物理特性參數(shù)測(cè)量值及應(yīng)用如下。

(1)種子千粒質(zhì)量范圍為45.02～47.72 g、均值46.02 g，為排種器負(fù)壓值的計(jì)算提供了可靠數(shù)據(jù)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)良好的吸種效果，排種器內(nèi)的負(fù)壓值需大于Hcmax。

(2)種子容重范圍為820.94～844.96 g/L、均值831.30g/L，為儲(chǔ)種盒容積的確定提供了數(shù)據(jù)支撐。計(jì)算可得，理想狀態(tài)時(shí)儲(chǔ)種盒容積99 646 mm3，考慮到3%的重播率和一定的播種余量，擬定儲(chǔ)種盒容積116 500 mm3。

(3)種子三軸尺寸范圍分別是長(zhǎng)軸5.36～7.56 mm、中軸2.86～3.91 mm、短軸2.53～3.72 mm，均值分別為6.47、3.42和3.08 mm。根據(jù)中軸尺寸范圍，結(jié)合公式可計(jì)算出試驗(yàn)時(shí)排種器吸種孔直徑范圍為1.8～2.6 mm。

(4)種子休止角范圍為27.47°～30.11°，均值28.9°。為使進(jìn)種管傾角處不殘留種子，進(jìn)種管傾角除了要滿足種子受力分析推論還需要大于30.11°。

(5)種子與不銹鋼板之間的靜摩擦系數(shù)最小，其次是硬質(zhì)PVC板和鋁板。為減少負(fù)壓損失排種盤宜選用不銹鋼材質(zhì)，但儲(chǔ)種盒材料選擇時(shí)考慮到材料價(jià)格和制造成本后選用硬質(zhì)PVC材質(zhì)。此外，靜摩擦系數(shù)也影響排種器風(fēng)壓和進(jìn)種管傾角的大小。