小麥種子物理特性參數(shù)測定及在播種機排種器設(shè)計中的應(yīng)用

王 勇，李建東，楊 薇，郝 超，石紹濱

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.中機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]測量了小麥種子的休止角與靜滑動摩擦角；魏麗娟[2]測量了6種小麥種子的長軸和短軸尺寸；田曉紅等[3]測量了小麥種子的休止角；時偉芳等[4]測量了小麥種子的千粒質(zhì)量、長度和寬度。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)測量不全面等問題。

作為排種器和自動供種裝置的工作對象，小麥種子與上述裝置有直接接觸。在設(shè)計排種器最大真空度、吸種孔直徑、進(jìn)種管傾角，以及供種裝置儲種盒容積和材料選擇時，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，選取了測量對象并測量了種子能夠影響零部件參數(shù)設(shè)計的物理特性值，以確定接觸零部件的最佳設(shè)計參數(shù)、分析種子物理特性對零部件設(shè)計的影響。

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作為測量對象。

圖1 小麥種子千粒質(zhì)量統(tǒng)計

圖2 小麥種子容重統(tǒng)計

1.2 儀器

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

(2)DHS16-A型紅外水分測定儀(測量千粒質(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(測量三軸尺寸)，精度0.02 mm。

(5)FT-104B型休止角測定儀(測定休止角)，重復(fù)性誤差3%。

2 物理特性參數(shù)測量

2.1 測量方法

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)，是種子的一項重要指標(biāo)。測量時用SLY-C型微電腦自動數(shù)粒儀從樣本中隨機計數(shù)出5組小麥籽粒，每組1 000粒并標(biāo)明組號，然后用DHS16-A型紅外水分測定儀測量出5組種子的質(zhì)量并記錄，測量過程如圖3所示。

圖3 千粒質(zhì)量測量過程

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。測量時用量筒量取出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，測量重復(fù)5次取均值。

圖4 容重測量過程

2.1.3 三軸尺寸

三軸尺寸是指種子在X軸、Y軸和Z軸3個方向的數(shù)值，即種子的長度、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，采用機械接觸法測量種子的三軸尺寸。為使測量結(jié)果更趨近于濟(jì)麥22的實際值，采取增加樣本容量的方法隨機選取200粒種子(通常只選取100粒或者150粒)，然后用游標(biāo)卡尺測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 機械接觸法測量種子三軸尺寸

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性——休止角越小，種子流動性越強[3，6]。

圖6 FT-104B型休止角測定儀及測定步驟

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)生相對運動時的摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)越大、種子在接觸材料上運動越困難。

采用斜面法測量種子的靜摩擦系數(shù)，如圖7所示。調(diào)整好測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，添加測量對象，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，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，同時種子還受摩擦力f和支持力n。在種子即將運動但尚未運動的臨界狀態(tài)時，由式(1)～(3)可推導(dǎo)出式(4)，代入測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

(3)

(4)

2.2 測量結(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)量與容重數(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

測量結(jié)果如表2所示，長軸范圍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[6]。

表3 休止角測量結(jié)果

2.2.4 靜摩擦系數(shù)

靜摩擦系數(shù)測量結(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)計排種器負(fù)壓時需要考慮的重要因素，因為要把通過千粒質(zhì)量得出的單粒種子質(zhì)量m代入式(7)才能計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)計供種裝置儲種盒容積時，需要獲取種子的容重，按照以下步驟進(jìn)行計算。

(1)根據(jù)式(8)計算出單個小區(qū)種子播種量。

(8)

式中N——單個小區(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，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)，可計算出所播種子的體積V(單位：mm3)，而儲種盒的容積需大于等于該值。

(10)

但計算出的儲種盒容積是在理想狀態(tài)下，實際值還需要考慮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，所以擬定試驗時排種盤吸種孔直徑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性，三軸尺寸均值差距越大、種子流動性越小[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)計排種器進(jìn)種管傾斜角度時，要對種子進(jìn)行受力分析(圖9)，而且計算出的數(shù)值需要大于種子的休止角，該處才不會存留種子[12]。

圖9 受力分析

分析時將流入傾角處的全部種子視作一個整體，在整體重心處建立平面直角坐標(biāo)系XOY，其中X軸正方向為種子即將流動方向，Y軸正方向為種子所受到的進(jìn)種管支持力方向，當(dāng)種子處在即將運動還未運動的臨界狀態(tài)時，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)種管對種子的摩擦力，N

θ——進(jìn)種管傾角，(°)

Fn——進(jìn)種管對種子的支持力，N

其中，進(jìn)種管對種子的摩擦力f可由式(14)求出。

f=μFn=Gcosθ

(14)

式中μ——進(jìn)種管對種子的靜摩擦系數(shù)

要使種子向下滑動，F(xiàn)x>0即θ>arctanμ，同時排種器進(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)行以下計算。

(1)進(jìn)種管傾角計算。

(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)，但是供種裝置的儲種盒綜合考慮摩擦系數(shù)、材料價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)壓值的計算提供了可靠數(shù)據(jù)。同時為了實現(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，為儲種盒容積的確定提供了數(shù)據(jù)支撐。計算可得，理想狀態(tài)時儲種盒容積99 646 mm3，考慮到3%的重播率和一定的播種余量，擬定儲種盒容積116 500 mm3。

(3)種子三軸尺寸范圍分別是長軸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)合公式可計算出試驗時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)，但儲種盒材料選擇時考慮到材料價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。