小籽粒種子排種物理機械特性參數的測量

張燕青，崔清亮，王豐，李紅波

(山西農業大學 工學院，山西 太谷 030801)

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小籽粒種子排種物理機械特性參數的測量

張燕青，崔清亮*，王豐，李紅波

(山西農業大學 工學院，山西 太谷 030801)

摘要：小籽粒種子的排種物理機械特性參數是排種方法和原理選擇、排種器結構和性能設計的重要依據。本文對谷子、苜蓿、油菜等小籽粒種子的千粒重、密度、外形尺寸、硬度、摩擦系數進行了測量。結果表明：所測種子千粒重、密度范圍分別為1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3；三軸尺寸長、寬、高范圍分別為1.80～3.50 mm、1.69～2.23 mm、1.14～2.00 mm；硬度范圍為11.04～41.76 N；對鋼材的靜、動摩擦系數最小，范圍為0.488～0.627、0.377～0.565。小籽粒種子排種物理機械特性參數的測量為排種原理方法的選擇、排種器結構性能的設計提供了理論依據。

關鍵詞：小籽粒種子；排種；物理機械特性；測量

小籽粒種子的粒徑較小，主要有谷子、苜蓿、芥菜等，且多數種植于我國北方干旱、半干旱地區，地形以山地丘陵為主[1]。小籽粒種子用傳統的耬播與機械式條播播種量大，播種均勻性差，后續間苗、定苗工作量大，且易出現“苗弱、苗荒”現象[2]，因此，小籽粒種子的精少量或免間苗播種十分重要[3]。精少量播種質量主要取決于排種裝置的性能，研究小籽粒種子的排種物理機械特性，為小籽粒精少量排種裝置的設計提供依據。

國內外很多學者對不同種子的物理機械特性進行了研究。任闖等[4～6]運用機械接觸法采用游標卡尺、千分尺測量了三七、西瓜、辣椒種子的三軸尺寸，為其排種裝置的設計提供了技術參數。該測量方法定位不準，有誤差，操作繁瑣。Yang Ling等[7]為設計播種機對水稻包衣種子的物理特性進行了研究。辛明金等[8]為玉米流體穴播以及濕種播種機具的設計測量了浸泡后玉米種子的三軸尺寸、摩擦角等。Razavi等[9]測量了不同種西瓜籽種子的摩擦系數。

小籽粒種子種類多、粒徑小，針對小籽粒種子排種物理機械特性參數的專門研究還鮮見報道。本課題組針對小籽粒種子的排種物理機械特性，測量了小籽粒種子的三軸尺寸、摩擦系數和硬度等參數。

1材料與儀器

1.1材料

選取沁州黃、晉谷21號、噸谷3種谷子品種以及苜蓿、芥菜、白菜、油菜和芝麻種子。

1.2儀器

測量儀器主要包括：電子天平，量程500 g，精度0.01 g；量筒，量程100 mL，精度1 mL；CMM-15E系列多用途投影顯微鏡，上海長方光學儀器有限公司生產；MXD-01型摩擦系數儀，濟南蘭光機電技術有限公司生產；GWJ-Ⅱ型谷物硬度計，浙江托普有限公司生產。DHG-9023A型電熱恒溫鼓風干燥箱，無錫三鑫精工電氣設備有限公司生產。

2含水率、千粒重和密度測量

種子含水率大小對排種物理機械特性有直接影響，千粒重和密度對排種方法與原理的選擇以及排種器結構的設計也有重要影響。比如，研制氣力式排種器時需要研究種子的空氣動力學特性，在液體排種技術中，種子與液體的配制均與種子的千粒重和密度有密切關系。

2.1測量方法與步驟

采用烘干減重法[14]測量種子含水率。用電子天平、量筒測量小籽粒種子的千粒重和密度，每種種子重復測量5次，取平均值作為最終結果。

2.2測量結果

小籽粒種子含水率、千粒重、密度測量結果見表1。

表1　種子含水率、千粒重、密度參數

由表1可知，8種小籽粒種子的千粒重、密度相差不大。其范圍分別在1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3。其中沁州黃種子的千粒重最大，白菜種子的密度最大。

3外形尺寸測量

種子的三軸尺寸是指種子的三個軸向尺寸大小次序排列，分別定義為長度、寬度和高度[10]。小籽粒種子三軸尺寸直接影響到小籽粒種子在排種器內的流動性與充填性等[11]，是確定排種器結構形狀和充種原件的結構時首先考慮的基本參數，三軸尺寸越相近，越有利于排種器的設計。采用千分尺、游標卡尺等直接測量對種子的軸向定位不準確，而且測量儀器與種子直接接觸造成傷種[12]。采用投影法測量小籽粒種子的尺寸，操作簡便，精度高。

3.1測量方法與步驟

每種種子隨機取出50粒，觀察小籽粒種子的形狀，初步確定其三軸方向。然后將其依次粘于涂有凡士林的載波片上進行定位，利用投影顯微鏡測量種子的尺寸，將目鏡上的零刻度線與所測種子的邊緣重合，測量其中兩軸尺寸，再將載玻片垂直與載物臺，測量其另外一軸尺寸，如圖1所示。記錄數據時，比較三軸尺寸大小，確定其長度、寬度與高度值。

圖1　投影法測量種子三軸尺寸圖Fig.1　Projection method for measurement of three axis dimension

3.2測量結果

小籽粒種子形態不一，測量數據服從正態分布，根據斯特·杰斯(Sturges)給出的正態分布等距分組公式(1)、(2)計算組數與組距[13]。以種子的尺寸為橫坐標，種子粒數為縱坐標，繪制頻數直方圖，得出小籽粒種子的三軸尺寸分布情況。

n=1+3.322lgN

(1)

a=R/n

(2)

式中：n——組數；

N——單位數/50粒；

a——組距/mm；

R——全距/mm。

以沁州黃種子為例，算得其長組距、寬組距和高組距分別為0.20 mm、0.07 mm和0.09 mm，其尺寸頻數直方圖如圖2所示。由圖可知，98%種子長度范圍、寬度范圍和高度范圍分別在2.14～3.14 mm、 1.63～2.05 mm和1.18～1.72 mm。沁州黃種子尺寸長、寬、高的95%置信區間為2.14～3.14 mm、1.63～2.05 mm、1.18～1.72 mm。

本文共測量了8種小籽粒種子的三軸尺寸參數如表2所示。表中a、b、c分別代表小籽粒種子的長度、寬度和高度。

圖2　沁州黃種子三軸尺寸分布圖Fig.2　Three axis size distribution of seeds of Qinzhouhuang

表2　種子三軸尺寸參數

根據三個軸向尺寸的不同，種子分為不同形狀。當a>b>c，即三個軸向尺寸不等時，種子呈扁長型；當a>b=c，即寬度和厚度相等，但小于長度時，種子呈圓柱型；當a=b>c，即長度和寬度相等但大于厚度時，種子呈扁圓型；當a=b=c，即三個軸向尺寸相等時，種子呈球型。由表2可知，噸谷、芝麻、晉谷21號、苜蓿和沁州黃種子呈扁長型；白菜種子呈扁圓型；芥菜、油菜種子呈球型。

4硬度測量

種子的硬度反映種子最大抗擠壓能力，它為排種部件間隙設計提供依據。

4.1測量方法與步驟

采用機械擠壓法，每種種子隨機取出50粒，調試谷物硬度計為測試狀態，待儀器穩定后，調試儀器向被測種子施加壓力，硬度計示數逐漸增大，當被測種子被擠壓破碎時，硬度計示數最大并被系統鎖定，儀器內部蜂鳴器開始連續鳴響，此時硬度計顯示數值為該被測種子的硬度值，記錄數據。

4.2測量結果

種子的硬度值如表3所示。

由表3可知，小籽粒種子硬度范圍為11.04～41.76 N,其中硬度最大的是苜蓿種子，最小的是油菜種子。

表3　種子硬度

5摩擦系數測量

在排種過程中，種子與排種器部件直接接觸，其摩擦系數對種子的流動性與排種質量有重要影響。同時，測量摩擦系數為排種器材料的選擇，以及種箱、輸種管位置角度的選擇提供理論依據。

5.1測量方法與步驟

該測量采用的方法為直接接觸法。每種種子隨機取出一些，將其均勻地灑在粘有502膠的硬紙板上，然后將粘有不同接觸材料的滑塊依次放于硬紙板上。開動摩擦系數儀，使滑塊在種子上滑動，重復測量5次，以平均值作為最終結果。

5.2測量結果

小籽粒種子對不同材料的靜、動摩擦系數見表4。表中m、n分別代表該種子在某一材料下的靜、動摩擦系數。

表4　種子摩擦系數

由表4可知絕大多數小籽粒種子對鋼材的靜、動摩擦系數最小，其范圍分別為0.488～0.627、0.377～0.565。其次是塑料和鑄鐵。

6結論

通過測量，得出小籽粒種子主要的排種物理機械特性參數 ：

(1)小籽粒種子千粒重、密度范圍為1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3，其測量為機械式排種器種箱的設計；氣力式排種器氣壓、室容積的確定；液體排種中液體懸浮液的配制提供了依據。

(2)小籽粒種子三軸尺寸長、寬和高范圍分別為1.80～3.50 mm、1.69～2.23 mm和1.14～2.00 mm，其測量為機械式排種器型孔、型槽的形狀與尺寸，液體式排種器排種管的選擇提供數據支持。

(3)小籽粒種子對鋼材的靜、動摩擦系數最小，范圍為0.488～0.627、0.377～0.565，摩擦系數的測量為排種器材料的選擇，排種器傾斜角度以及種子在排種器中的運動速度的確定、運動形式的選擇提供了計算依據。

(4)小籽粒種子硬度范圍為11.04～41.76 N，其測量可知小籽粒種子的最大抗擠壓破環能力，為排種部件間隙尺寸提供了技術參數。

參考文獻

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(編輯：李曉斌)

Measurement of physical and mechanical parameters for the small seed seeding

Zhang Yanqing, Cui Qingliang*, Wang Feng， Li Hongbo

(CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，Shanxi)

Abstract:The physical and mechanical characteristics of the seed of small grain are the important basis for the selection of the method and principle, the structure and performance of the device. In this article the weight, density, shape, hardness and friction coefficient of the seed of millet, alfalfa, rape, etc. were measured. The results were: the weight and density of the seeds were 1.98～3.30 g、0.55～0.68 g·cm-3；the three axis length、width、and height ranged of 1.80～3.50 mm, 1.69～2.23 mm、1.14～2.00 mm；The hardness range was 11.04～41.76 N；the friction coefficient of the steel was minimum, the range was 0.488～0.627, 0.377～0.565. The measurement of physical mechanical parameters for small seed provided the data support for principle method of choice, the metering performance and structure of the design.

Key words:The small seeds; Seeding; Physical and mechanical character; Measurement

中圖分類號：S223.2+3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-8151(2016)03-0224-05

基金項目：山西省科技攻關重點項目(20120311035)

作者簡介：張燕青(1990-)，男(漢)，山西晉中人，碩士研究生，研究方向：旱作農業機械化關鍵技術及裝備。*通訊作者：崔清亮，教授，博士生導師。 Tel:13903446657 Email:QLcui@126.com

收稿日期：2015-12-07修回日期：2015-01-06