玉米種子與排種器接觸參數(shù)的測定

栗霞飛，劉 飛，趙滿全，張 濤，李鳳麗，張 勇

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018 )

0 引言

玉米是我國北方地區(qū)主要種植的農(nóng)作物之一，隨著高產(chǎn)、抗逆的優(yōu)良玉米雜交種不斷選育成功與推廣，水利設(shè)施的不斷完善，化肥農(nóng)藥施用水平的提高[1]，以及各行各業(yè)需求的拉動，我國的玉米種植面積迅速增大，產(chǎn)量增長較快。玉米不管是食用、飼用還是工業(yè)用，在人們的生產(chǎn)生活中都起著不可替代的作用，所以研究玉米種子的各種特性參數(shù)是非常有必要的。

離散元法的研究對象主要是非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為，是把離散體看作有限個離散單元的組合，包括顆粒和塊體兩大系統(tǒng)。每個系統(tǒng)又作為一個單元，根據(jù)每個系統(tǒng)間的作用和牛頓運動定律的交替迭代預(yù)測散體群的行為[2-4]。已有研究應(yīng)用顆粒離散元法模擬了顆粒二維堆積問題，采用有級配的粒度分布的圓球顆粒群分析了顆粒摩擦因數(shù)、密度及粒度對堆積休止角的影響[5]。董玉秀采用混合正交試驗方案研究了碰撞材料、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(fù)系數(shù)的影響[6]。喬振先測定了水稻籽粒的含水率及水稻品種、水稻籽粒對不同滑板動摩擦特性的影響[7]。汪志城從摩擦學(xué)觀點對滾動摩擦機理進(jìn)行了探討，認(rèn)為滾動摩擦因數(shù)還需靠實測來確定[8]。S.M. Shafaei采用統(tǒng)計分析方法對小麥靜態(tài)和動態(tài)摩擦因數(shù)進(jìn)行了綜合調(diào)查[9]。

本研究測定了玉米種子與排種盤、攪種輪、有機玻璃殼體的碰撞恢復(fù)系數(shù)和靜摩擦因數(shù)，再以測定數(shù)值為調(diào)整依據(jù)，標(biāo)定EDEM離散元軟件仿真需要輸入接觸參數(shù)，以期為玉米秸稈離散元仿真輸入?yún)?shù)的設(shè)置提供依據(jù)。離散元方法作為散粒物料計算機數(shù)值模擬的一種方法，廣泛應(yīng)用于播種機作業(yè)的計算機數(shù)值模擬。實踐證明，較為準(zhǔn)確的仿真輸入?yún)?shù)能夠提高模擬結(jié)果的精度[10-11]。

1 玉米種子本征參數(shù)測定

1.1 種子介紹

測量玉米種子的品種為赤峰市翁牛特旗玉龍種子有限公司培育的玉龍9號原種，種子純度不低于96.0%，凈度不低于99.0%，發(fā)芽率不低于92%，含水率不高于15.0%。該種子采用滿適金、氟蟲腈、苯醚甲環(huán)唑作為包衣材料進(jìn)行藥劑的處理。該品種株型半緊湊，生育期短，出籽率高，籽粒飽滿，后期脫水快；植株保綠性好，中抗大斑病，高抗絲黑穗病、莖腐病，抗玉米螟，適合內(nèi)蒙古自治區(qū)活動積溫2 650°以上地區(qū)種植[12]。

1.2 三軸尺寸測量

應(yīng)用精度為0.01mm外徑千分尺測量250粒玉米種子的長、寬、高等3個尺寸，方法如圖1所示。通過計算可得：玉米種子的長、寬、高的平均值分別為8.079、5.360、10.218mm，方差分別為0.420 9、0.393 6、0.611 5。玉米種子長、寬、高三軸尺寸的測量位置如圖2所示。

圖1 長、寬、厚測試方法

l、w、 h分別為玉米種子的長、寬、高。圖2 玉米種子三軸尺寸測量位置

1.3 玉米種子質(zhì)量與密度測定

選用精度為0.01g的電子天平測量1 000粒玉米種子質(zhì)量(見圖3)，重復(fù)10次試驗取平均值，平均值為288.48g。

圖3 玉米種子稱重

應(yīng)用精度為1mL的量筒測量30粒玉米種子體積(見圖4)，重復(fù)5次試驗。

密度的計算公式為

ρ=M/(v1-v0)

(1)

式中M——20粒種子的質(zhì)量；

v0——未加種子時的體積；

v1——加種子后的體積。

測得5次試驗平均值為222mL；計算得到1粒玉米種子的質(zhì)量為0.288 48g，體積為0.222 mL；玉米種子的密度為1 298.35kg/m3。

圖4 玉米種子體積測量

1.4 自然休止角測定

休止角反映了散粒物料的內(nèi)摩擦特性和散落性能。休止角越大，內(nèi)摩擦力越大，散落性越差，種子在箱體內(nèi)越難流動，排種器排種不容易[13]。

試驗測定采用的是上虞市探礦儀器廠生產(chǎn)的FT-104B型休止角測定儀，如圖5所示。

圖5 休止角測定儀

FT-104B型休止角測定儀是根據(jù)GB/T 11986——1989《表面活性劑 粉體和顆粒休止角的測量》規(guī)定設(shè)計制作，滿足IS04324-1977要求[14-15]。FT-104B型休止角測定儀技術(shù)參數(shù)為：口徑長度28 mm，漏斗下口內(nèi)徑10 mm，透明圓盤直徑100 mm、高度25 mm，標(biāo)尺最大行程150mm(精度為1 mm)。休止角(α)計算公式為

(2)

式中h——當(dāng)平行標(biāo)尺剛碰到試樣錐體頂端時，枝干刻度尺上的度數(shù)即錐尖到基板的高度(mm)；

L——透明容器上端面底端離基板的高度(mm)；

R——透明容器內(nèi)徑(mm)。

其中，L、R是固定值,L=25mm，R=50mm。α測量10次，由公式(2)計算后取平均值，計算結(jié)果為30.84°

2 玉米種子與排種器接觸參數(shù)測定

2.1 氣吸式排種器結(jié)構(gòu)分析

氣吸式排種器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.排鐘盤 2.攪種輪 3.真空室 4.排種器前殼體 5.吸氣管 6.刮種裝置 7.排種室

2.2 氣吸式排種器工作原理

氣吸式排種裝置由真空室和排種室兩部分構(gòu)成。真空室的作用是利用真空室產(chǎn)生的負(fù)壓作業(yè)，將種子吸附到吸孔上，當(dāng)負(fù)壓作用消失時，玉米種子由排種管落入排種室進(jìn)行排種作業(yè)。攪種裝置可增加種子的流動性，防止種子出現(xiàn)架空現(xiàn)象。刮種裝置的安裝保證了每個吸孔吸附種子的數(shù)量[16-18]。

本研究測定玉米種子與排種盤、攪種輪、排種器前殼體的最大靜摩擦因數(shù)和碰撞恢復(fù)系數(shù)。

2.3 靜摩擦因數(shù)的測定

靜摩擦因數(shù)測定應(yīng)用為 CNY-1 型號斜面儀[19]，如圖7所示。應(yīng)用水平儀調(diào)節(jié)斜面儀水平度，分別將排種盤、攪種輪和有機玻璃作為被測物體固定在斜面儀上，緩慢提升斜面儀一端；當(dāng)玉米種子在被測平面上開始發(fā)生滑動時，記錄玉米種子滑動時斜面儀指示的角度α，通過計算公式(6)計算得到玉米種子與排種盤、攪種輪、有機玻璃接觸時的最大靜摩擦因數(shù)。斜面法測量最大靜摩擦因數(shù)μ的裝置及方法如圖8所示。

根據(jù)公式得

f=F=mgsina

N=mgcosa

(4)

f=μN

(5)

將式(3)、式(4)代入式(5)中可得

(6)

每粒玉米試驗6次，共試驗20次，取平均值。通過測定得到單粒玉米與排種盤、攪種輪、有機玻璃接觸時最大靜摩擦角分別為29.2°、27.15°、21.95°；利用公式(6)經(jīng)計算后得到玉米種子與排種盤、攪種輪、有機玻璃接觸時的最大靜摩擦因數(shù)分別為0.563、0.517、0.399，依次減小。

圖7 斜面儀

圖8 測試原理圖

2.4 恢復(fù)系數(shù)的測定

兩物體碰撞后的分離速度與碰撞前的接近速度成正比，這個比值稱為恢復(fù)系數(shù)[20]。玉米種子與排種盤、攪種輪、有機玻璃、玉米種子之間的碰撞為非彈性碰撞，恢復(fù)系數(shù)小于1，不滿足機械能守恒，部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。恢復(fù)系數(shù)是衡量兩個物體碰撞后恢復(fù)到原來形狀能力的參數(shù)，恢復(fù)系數(shù)越大，說明被碰撞的物體恢復(fù)初始狀態(tài)的能力就越強，彈性就越好。被測物體靜止時，碰撞恢復(fù)系數(shù)e的公式為

e=|v2|/|v1|

(7)

其中，v1、v2分別為碰撞被測物體前、后玉米種子的絕對速度。碰撞前玉米種子做自由落體運動，接觸被測物體時其速度表達(dá)式為

碰撞后玉米種子離開被測物件時速度為

其中，H1為玉米種子下落的起始高度；H2為玉米種子碰撞后彈起的高度。根據(jù)玉米種子下落高度與碰撞后彈起高度可計算可得碰撞恢復(fù)系數(shù)e，則

(10)

采用高度尺測量玉米種子與被測物體碰撞后彈起的高度，應(yīng)用相機記錄種子下落彈起的過程，分別將排種盤、攪種輪和有機玻璃固定在高度尺正下方，使得種子下落時正好落入排種盤、攪種輪和有機玻璃上[21-22]。恢復(fù)系數(shù)測定裝置如圖9所示。

1．高度尺 2．被測物體(分別為排種盤、攪種輪和有機玻璃) 3．相機圖9 恢復(fù)系數(shù)測定裝置

為了提高試驗的準(zhǔn)確性，試驗時種子由固定高度H2處自由下落(H2=400mm)，與盤種盤、攪種輪和有機玻璃平面碰撞后彈起，由相機對彈起的種子錄像[23]。試驗結(jié)束后，用電腦視頻軟件對錄像視頻0.1倍慢放，選取彈跳效果好的玉米種子，記錄其彈起的高度H2，分別測試40次玉米種子與排種盤、攪種輪、有機玻璃正碰撞時彈起的高度，根據(jù)碰撞恢復(fù)系數(shù)公式可計算出玉米種子與排種盤、攪種輪、有機玻璃的碰撞恢復(fù)系數(shù)分別為0.230，0.133，0.161。可見，玉米種子與排種盤碰撞的恢復(fù)系數(shù)最大，說明排種盤的恢復(fù)初始狀態(tài)的能力很強，彈性也越好；相反，攪種輪的碰撞的恢復(fù)系數(shù)最小，說明攪種輪的恢復(fù)初始狀態(tài)的能力弱，彈性也越差。

3 結(jié)論

1)通過使用千分尺、電子天平、斜面儀和休止角測定儀，經(jīng)過多次測量、試驗求取平均值，獲得了玉米種子的本征參數(shù)和接觸參數(shù)。

2)本征參數(shù)測試結(jié)果為：玉米種子的長、寬、高分別為8.079、10.218、5.360mm，休止角為30.22°，單粒玉米質(zhì)量0.288 48g，密度為1 298.35kg/m3；

3)玉米種子的接觸參數(shù)測試結(jié)果為：玉米種子與排種盤的碰撞恢復(fù)系數(shù)、最大靜摩擦系數(shù)分別為0.230、0.563。，玉米種子與攪種輪的碰撞恢復(fù)系數(shù)、最大靜摩擦因數(shù)分別為0.133、0.517，玉米種子與有機玻璃的碰撞恢復(fù)系數(shù)、最大靜摩擦因數(shù)分別為0.161、0.399。

4)下一步工作中將測定的本征參數(shù)和接觸參數(shù)作為依據(jù)，標(biāo)定EDEM離散元軟件仿真需要輸入的接觸參數(shù)，以期為玉米種子離散元仿真輸入?yún)?shù)的設(shè)置提供依據(jù)。