兩種油菜收獲脫出物的物理機械特性及空氣動力學特性測定與分析

施新新,吳崇友,李 驊，齊新丹*，原建博,梅占艦,胡 童

(1.南京工業大學,江蘇 南京 211816;2.江蘇省高等學校智能化農業裝備重點實驗室,江蘇 南京 210031;3.農業部 南京農業機械化研究所,江蘇 南京 210014;4.南京農業大學 工學院,江蘇 南京 210031)

0 引言

油菜是我國一種重要的油料作物,且種植面積廣、產量高。油菜的農藝和生物學特性制約了油菜機械化發展,目前大部分油菜收獲作業采用人工的方法[1-2]。隨著水稻、小麥等谷物聯合收獲機的不斷普及,一些國內外企業在原有谷物聯合收獲機的基礎上改型成油菜聯合收獲機,但是作業效果較差,出現較高損失率、高含雜率等問題[3]。因此，設計具有低損失率、低含雜率的油菜聯合收獲裝備成為促進油菜作業機械化發展的重要課題。明確油菜收獲脫出物的物理特性、空氣動力學特性可以為設計油菜收獲機具提供基礎數據資料,不少學者進行了相關的研究，例如：黃小毛等[4]研究了碰撞材料、碰撞材料厚度、自由下落高度和含水率等因素對油菜籽粒恢復系數的影響規律,為油菜精密播種設備和油菜收獲機的設計及性能分析提供了基礎數據；馬征等[5]研究了油菜收獲脫出物懸浮速度的差異性,并設計出具有低摩擦、疏水疏油等特性的新型清選篩面；Bilanski W K等[6]對不同國家、不同油菜品種的莢殼和種子的物理特性進行了試驗研究,并利用工藝值對品種進行了評價；Hazbavi I等[7]和Baran M F等[8]對不同品種油菜籽粒的平均直徑、球度、表面積、孔隙度和摩擦系數等物理特性進行了研究,表明籽粒的物理特性與品種有直接關系；Molenda M等[9]研究了油菜種子單軸向的應力-應變關系,并建立了一種應力-應變的本構模型來描述顆粒群體的力學行為,并得到油菜籽粒的泊松比為0.10～0.24,彈性模量為6.6～9.0 MPa；Boac J M等[10]綜述了油菜等谷物在離散元數值計算中所需要的物理特性及相互接觸特性的基礎數據,表明采用數值計算方法可以節約谷物流動特性的試驗成本和時間。

但是前人只對單一且較老油菜品種的物理特性進行了研究,鮮有對油菜脫出物相互之間的作用進行研究,以及針對不同油菜品種的差異性研究也沒有涉及。因此本文對灃油737和中農油6號這兩種長江中下游地區主要油菜品種的收獲脫出物的物理特性及空氣動力學特性進行了測定與分析,以期為油菜聯合收獲裝備的數值計算及試驗研究提供合理可靠的原始物理參數。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試油菜品種為灃油737和中農油6號。對灃油737采用洋馬4LZ-2.8全喂入聯合收割機進行聯合式收割;對中農油6號則采用4LZ-1.0改進型聯合收割機進行分段式機械收割。將收集的兩種油菜脫出物經四分法,隨機選取一定樣品進行物理特性和空氣動力學特性的測定。

1.2 試驗測量方法

1.2.1 物理特性

1.2.1.1 材料特性 隨機取50個樣品,用精度0.01 mm的游標卡尺對兩種油菜脫出物(籽粒、莢殼、短莖稈)的三軸尺寸進行測量。取一定量(油菜籽粒取1 g,莢殼和短莖稈取5 g)的樣品進行千粒重、密度、含水率測定,實驗重復7次,其中根據GB/T 5519─2008谷物與豆類千粒重的測定方法[11]測定千粒重,采用容積法[12]測定密度,根據GB 5009.3─2016食品中水分的測定法[13]測定含水率。

1.2.1.2 物料相互接觸特性 依據文獻[14]中的斜面儀法測量靜摩擦系數,根據庫倫定理有靜摩擦系數μ=tanθ,式中θ為靜摩擦角,即斜面傾角。在不同物料組合的靜摩擦系數試驗中,用膠水將籽粒、莢殼、短莖稈分別緊密粘在3塊鐵片上,再用同樣的方法制作3塊斜面板,將每種物料鐵片分別放在不同物料斜面上,緩慢地調節角度直至物料下滑(記錄傾斜角θ),每組試驗測量7次。

依據文獻[15]中的方法測量恢復系數,在試驗中用膠水將籽粒、莢殼、短莖稈分別緊密粘在3塊碰撞板上,從投料口依次投入不同物料來進行不同物料之間的實驗測定,每組試驗測量7次。

依據文獻[12,16]中的方法測量剪切模量,取單個樣品(籽粒、莢殼、短莖稈)利用TMS-PRO質構儀進行力與變形量關系的測定,再根據以下公式進行計算,每次試驗重復7次。

(1)

式(1)中：F為施加的力(N);A為無物料被壓橫截面的面積;L為在F作用下的變形;L為各成分初始厚度;為泊松比。

1.2.2 空氣動力學特性 根據文獻[17]中的方法測量懸浮速度。將待測脫出物放入放料口中,保證觀察管中脫出物在風流的作用下處于懸浮狀態,同時利用數字測風儀在測風口測出觀察管底部小孔的氣流速度V0,記錄脫出物在觀察管中懸浮的最大高度L1和最小高度L2,每次試驗重復7次。懸浮速度的計算公式如下:

(2)

式(2)中:D0為觀察管底部直徑(m);L1為脫出物在觀察管中懸浮的最大高度(m);L2為脫出物在觀察管中懸浮的最小高度(m);V0為觀察管底部氣流速度(m/s);Vi為觀察管任一截面的氣流速度(m/s);θ為觀察管的錐度(°)。

2 結果與分析

2.1 兩個油菜品種脫出物的物理特性

2.1.1 油菜收獲脫出物的三軸尺寸 兩種油菜脫出物的三軸尺寸測量結果見表1。對比分析結果表明:兩種油菜脫出物之間存在較大的差異性。其中灃油737的籽粒平均直徑與中農油6號的基本一致,灃油737的莢殼較短較窄且長度范圍較大,短莖稈較短較細;中農油6號的莢殼較長較寬,短莖稈直徑較大,且長度和直徑的范圍也較大。對不同油菜收獲脫出物的測量數據進行正態分布擬合,如圖1～圖3所示,結果表明中農油6號的正態分布擬合結果優于灃油737的。

2.1.2 油菜脫出物的千粒重、密度和含水率 從表2可以看出:灃油737和中農油6號籽粒的含水率、千粒重和密度基本一致;兩種油菜莢殼的含水率、密度和千粒重都存在明顯的差異性;兩種油菜短莖稈的千粒重有較大的差異性,其余參數基本一致。

表1 兩種油菜脫出物三軸尺寸的測定結果 mm

圖1 油菜莢殼三軸尺寸的正態分布圖

2.1.3 兩個油菜品種脫出物的相互接觸特性 由表3可知：兩種油菜籽粒的恢復系數差異較大,其他參數基本一致,同時中農油6號的各脫出物的恢復系數普遍高于灃油737的;就靜摩擦系數而言，在篩板與籽粒、莢殼、短莖稈三者之間，以及短莖稈與籽粒、莢殼之間都存在差異。由表4可見，兩種油菜收獲脫出物的剪切模量差異較大,其中灃油737各脫出物的剪切模量大于中農油6號的。

2.2 兩個油菜品種脫出物的懸浮速度

由表5可知：兩種油菜籽粒和短莖稈的懸浮速度基本接近,而莢殼與其他脫出物的懸浮速度有顯著的差別。由于油菜籽粒與短莖稈的懸浮速度幾乎相同,表明僅靠氣流難以將莢殼與其他脫出物實現分離,故

在清選時還需要借助振動篩或者圓筒篩來達到篩分的目的。

圖2 油菜籽粒平均直徑的正態分布圖

圖3 油菜短莖稈三軸尺寸的正態分布圖

3 小結與討論

灃油737和中農油6號兩種油菜收獲脫出物的三軸尺寸存在較大的差異,其中中農油6號的三軸尺寸正態分布優于灃油737的。灃油737的籽粒直徑為2.00 mm,莢殼長、寬、高分別為20.79、2.39、0.34 mm,短莖稈的直徑、長度分別為26.60、1.97 mm;中農油6號的籽粒直徑為1.98 mm,莢殼長、寬、高分別為51.94、2.95、0.30 mm,短莖稈的直徑、長度分別為68.35、4.26 mm。

表2 兩種油菜脫出物的含水率、千粒重和密度

表3 兩種油菜脫出物的恢復系數

表4 兩種油菜脫出物的剪切模量 MPa

表5 兩種油菜脫出物的懸浮速度 m/s

兩種油菜籽粒的含水率、千粒重和密度基本一致;莢殼的千粒重、含水率、密度和短莖稈的千粒重存在一定差異。兩種油菜籽粒的恢復系數存在差異,其他參數基本一致,同時中農油6號脫出物的恢復系數普遍高于灃油737的;在篩板與籽粒、莢殼、短莖稈之間，以及短莖稈與籽粒、莢殼之間靜摩擦系數都存在差異;兩種油菜籽粒和莢殼的剪切模量都有明顯差異。兩種油菜收獲脫出物各成分的懸浮速度基本一致,表明清選不同品種油菜時可以不考慮氣流參數的調整。

對比分析結果表明油菜品種對籽粒、莢殼和短莖稈的物理特性有直接的影響。本文對油菜莢殼在脫粒和清選過程中的運動規律及其與其他脫出物之間相互作用的研究填補了該方面的空白。本文研究結果可以為油菜收獲清選裝備的數值計算和試驗研究提供基礎數據。

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