種用大白菜植株物料的物理與懸浮特性

韓瑞 王升升 孫成龍

關鍵詞：種用大白菜植株;物料特性;基本物理參數;懸浮速度;含水率;清選

大白菜[Brassica pekinensis （Lour.） Rupr.]又名“結球白菜”，屬蕓薹屬，原產于中國北方，后引種于南方，與油菜及甘藍等都是十字花科的常見蔬菜品種，為異花傳粉的作物，高40～80 cm不等。大白菜具有生長速度快、生育期短、產量高等特點，其播種面積約267萬hm2/年，約占全國總蔬菜播種面積的15%，產值高達600億元/年以上[1]。人們雖然經常食用大白菜，可對于種用大白菜植株的了解并不多。種子作為重要的農業生產必備資料，其品質不但影響農作物的產量，同樣還影響農作物的品質[2]。

種用大白菜植株通常在每年的5月至6月初收獲，其果實為長角果，種子成熟后角果極易開裂，收獲時機一旦延誤，就會造成種量的損失。每個角果約有24粒種子，籽粒幾何尺寸小，千粒質量一般在1.9～4.0 g，通常在種莢泛黃即種株黃莢期時剝開角果，籽粒與角皮自動脫離，色澤由綠色轉為黃褐色時為成熟，即可開始采收。

種用大白菜植株的物料的物理與懸浮特性參數是播種機械和收獲機械在研究、設計過程中所需要的基本理論參數。以測得的基本參數為基礎設計出的機械，能更有效地滿足該作物所需的農藝要求，從而在收獲過程中減少浪費，有效降低人工成本，最終在實現機械化收獲的同時能夠有效達到省時、省力的目的。

1 種用大白菜植株的基本物理參數

本研究重點測定影響種用大白菜植株的物理特性參數，主要有形狀特征、三軸尺寸、千粒質量、滑動摩擦角以及休止角等。

1.1 試驗材料

以河南省濟源市王屋鎮柏木洼大白菜育種基地提供的豐抗50為試驗品種，進行種用大白菜植株脫出物的特定參數測量。種用大白菜植株脫出物的主要成分為長莖稈、短莖稈、角果、輕雜物以及大白菜籽粒[3]。

1.2 種用大白菜植株的組成

種用大白菜植株（圖1）的長角果剝開后，中間有1層薄薄的分隔膜，兩側均勻分布24粒左右的籽粒，未成熟的籽粒為青綠色（圖2），成熟的籽粒則為深紅棕色（圖3），大白菜籽粒極小，角果殼脆弱極易破裂;角果層的直徑大，籽粒分散。

種用大白菜植株的主莖稈比較堅韌、粗壯，從根部2～10 cm處開始分枝，且其分枝數會隨著植株高度的增加而變多。由于它特殊的生長特性，收獲期植株的倒伏現象比較嚴重，會出現左右植株貼向地面、相互纏繞的現象。

1.3 參數的測量

種用大白菜植株的參數直接影響收獲機械的設計。本試驗使用精度為0.01 mm的游標卡尺等工具測得植株的基礎參數，結果見表1。種用大白菜植株的主莖稈相對較粗，因此要求在對收獲機具撥禾輪的設計過程中把作業的范圍加大;同時，由于其分枝較高且數量較多，會增加喂入機具的莖稈數量，使在進行清選時變得十分困難;要注意的是角果層直徑非常大，甚至遠遠超過植株的行距與株距的寬度，使兩側植株相互疊壓在一起，那么在收獲種用大白菜植株過程中，撥禾輪在作業時若強行將種用大白菜植株撥開，則無法避免兩側植株由于牽扯而造成的損失[4]。

1.4 大白菜種子的千粒質量

試驗使用精度為0.01 g的WT1002型號的電子精準小型秤，在同一室溫下，用取樣器隨機抽取5組物料，然后依次稱質量，將測量得到的結果進行平均值計算，再通過公式計算得大白菜植株千粒質量，為295 g。

1.5 種用大白菜植株的休止角

不論是在對種用大白菜植株，還是任何一種物料的試驗研究中，休止角都是一項必不可少的測量項目。休止角指物料自測量高度自由散落后，由其自然重力原因堆積而成的圓錐體的物料堆，其錐體的母線與其底部平面的夾角（圖4）。通過對待測物料休止角的測量，可以有效且直觀反映出離散物料的散落以及內摩擦性能，物料的散落性隨休止角的增大而變小，內摩擦力則剛好相反，隨其增大而變大;待測物料的籽粒愈近似球形，其內摩擦力便愈小，那么休止角便會愈小[5]。

本試驗采用國標FBS-104粉末及顆粒休止角測試儀，在無風、室溫穩定的前提下用注入法進行試驗。休止角Э的公式如下：

試驗時，水平放置休止角測試儀，確保漏斗的中心線與底板中心保持一致[6]。分別取等量的大白菜籽粒、角果以及輕雜物，重復5次，經計算得到平均值并將測量結果代入休止角公式計算得到：大白菜籽粒休止角Э1=21.7°，角果休止角Э2=441°，輕雜物休止角Э3=36.5°。

1.6 種用大白菜植株的滑動摩擦角

當被測物料與機具的板面接觸時會產生滑動摩擦力，它的正切值即為滑動摩擦系數[7]。滑動摩擦角θ的測定（圖5）是判斷待測物料在機具內散落性能的必要指標。

在種用大白菜植株相關機械的設計運用過程中，尤其是在機械設計清選系統運作時，大白菜籽粒會通過清選篩面掉落在接料箱中，主要是植株分離物料的雜余同篩面等鋼制板面之間會產生摩擦力，所以本試驗僅將種用大白菜植株雜余與鋼制板面的滑動摩擦角作為研究對象。

采用試驗儀器測量摩擦角。在同溫同壓的試驗環境下，分別取分量相同的5組數據，通過同一物料的幾組數據對比，測得種用大白菜植株脫出物雜余與清選篩面的摩擦系數，得到的數值如表2所示，種用大白菜植株脫出物雜余同鋼制板面之間的滑動摩擦角約為34°。

2 種用大白菜植株物料的懸浮特性

懸浮速度是影響種用大白菜植株脫出物在收獲機械的風箱中，物料在氣流清選的狀態下，表征其空氣動力特性的重要指標。物料懸浮速度是指氣流的流體速度，待測物料在輸送管道內，通過調節輸送風量，使物料受氣流的影響而上升或下沉，從而找到合適的風力。使物料始終在某一個特定高度，不再上升或下降，而是始終保持水平擺動的相對平衡狀態（其受力狀態見圖6），即達成試驗。

2.1 試驗物料的準備

本試驗所采用的種用大白菜植株物料，在自然成熟、人工收割后投入到自制橫軸流式種用大白菜植株脫粒分離裝置上進行脫粒，所得到的脫出物，經過人工篩選得到大白菜籽粒（圖7）、角果（圖8）、短莖稈（圖9）與輕雜物（圖10），輕雜物中包含植株各組分碎屑、細小海綿體與角果內隔膜等，共分為4組試驗物料。隨機選取部分待試驗的4種物料，分別放入等量的水中浸泡相同時間，待含水率接近飽和狀態時取出分裝，再放入烘箱中，分別在10～30 min 的間隔時段內分5次取出不同烘干程度中所呈現不同含水率的物料樣品進行試驗， 待所有物料含水率趨于穩定，測得其含水率分別為23.3%、18.6%、15.0%、12.8%、9.6%。重點研究含水率與物料懸浮速度的關系，同時每次每組試驗時間不超過2 min，以避免試驗過久產生結果誤差。

2.2 物料懸浮特性測定裝置及方法

懸浮速度試驗儀器（圖11）主要由風機（圖12）、智能壓力風速儀、透明玻璃錐形管、變頻控制柜（圖13）與穩壓筒等組成[9]。其中，錐形管配備有度量儀，以便觀察物料漂浮高度，穩壓筒用于穩定氣流，通過風速儀對氣流進行測量。

試驗時，將待測物料放置于錐形管內的石棉網置物臺上，關閉出風口，同時使用變頻控制柜啟動電源，打開風機，實時觀測物料的懸浮情況并即時調節風速，以使錐形管內的物料達到相對理想的漂浮狀態。大白菜籽粒極小且為球形，擺動幅度非常細微，易于推算出較為精準的懸浮速度;非球形的角果及輕雜物等物料則在氣流中旋轉并上下擺動，相較于籽粒物料來說，其懸浮位置沒有那么穩定。

2.3 不同含水率下的物料懸浮速度

從試驗準備材料中選取出5組試樣，試驗中的物料含水率在9.6%～23.3%，其中每份試樣的籽粒質量2 g，角果質量5 g，輕雜物質量1 g，莖稈質量10 g，以此進行試驗，在不同含水率條件下種用大白菜植株各組分物料的懸浮速度見表3。通過圖14和表3可見，隨著含水率的變化，大白菜植株各組分物料的懸浮速度會發生改變，角果與輕雜物懸浮速度的趨勢比較相似，即隨含水率增加，懸浮速度增幅變大;大白菜籽粒與短莖稈的懸浮速度隨含水率增加，增幅相對變小。在物料含水率為22%左右時，各組分物料懸浮速度極為接近，通過氣流來進行清選，難度會增加，不容易達到理想的清選效果。由圖14可以看出，當含水率大概在 9.5%、11.0%、12.8%、18.6%時，部分物料的懸浮速度出現重疊，這表明可能會造成氣流清選困難;含水率在12.8%～18.6%，尤其在16%左右時，清選效果最佳，不易出現由于物料黏連而造成的物料清選夾帶損失。籽粒物料懸浮速度在5.4～6.5 m/s 時，試驗效果最佳;角果殼物料懸浮速度在4.9～5.5 m/s時，試驗效果最佳;短莖稈物料懸浮速度在6.8～7.2 m/s時，試驗效果最佳;輕雜物物料懸浮速度在3.0～34 m/s時，試驗效果最佳;但總體來說，單純通過氣流風選，很難使種用大白菜植株各組脫出物高效率地分開。

本試驗結果反映了種用大白菜植株各組分脫出物在氣流清選過程中不同含水率狀態下的運動變化規律，為種用大白菜植株收獲機械的清選部分的相關設計提供有效的建議，可以大大提升種用大白菜植株收獲機械在實際中的應用效果，避免因對物料的不了解而造成不必要的浪費，合理規避設計風險。

3 結論

本試驗測定了種用大白菜品種豐抗50植株的基本參數，結果顯示，大白菜籽粒千粒質量為 2.95 g，籽粒休止角為21.7°，角果休止角為44.1°，輕雜物休止角為 36.5°，種用大白菜植株脫出物雜余同鋼制板面之間的滑動摩擦角約為34°。本試驗重點對種用大白菜植株各組分脫出物在物料不同含水率條件下的懸浮速度進行研究，并確定在物料含水率為22%左右時，各組分物料懸浮速度接近重疊，會增加清選難度，在含水率為16%左右時，清選效果最佳，不易出現物料黏連。同時給出不同物料試驗效果的最佳區間范圍，以便于在實際機械設計中提升效率和避免物料的浪費。但是，單純依靠風選對種用大白菜植株物料進行清選，很難達到理想效果，須要采用多種清選方式方能達到最優效果。

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