綠豆物理機械特性參數(shù)的試驗研究

張 勇，劉 飛，趙滿全

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

綠豆物理機械特性參數(shù)的試驗研究

張 勇，劉 飛，趙滿全

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

綠豆的精量播種是解決我國綠豆產(chǎn)業(yè)栽培技術落后、產(chǎn)量及品質(zhì)較低等問題的關鍵因素之一，而氣吸式精量播種是目前精量播種方法中應用很廣的一種方法，因此通過實驗對綠豆種子的重要特性參數(shù)進行了研究，得到了長寬厚平均尺寸分別為5.72、4.38、4.42mm，球形度為83.95%，千粒質(zhì)量為86.02g，孔隙率為0.507 6，休止角為24.33°，并對種子與不同材料間的滑動摩擦角和摩擦因數(shù)、碰撞恢復系數(shù)、漂浮速度和漂浮系數(shù)進行了研究。該研究填補了綠豆重要特性參數(shù)研究的空白，為后續(xù)設計改進氣吸式精量播種機使之適合綠豆種子播種要求提供了重要的理論依據(jù)。

綠豆種子；氣吸式精量播種；物理特性；氣力特性

0 引言

綠豆在我國已有2000年多的歷史，全國多個地方均有種植，是我國主要的食用豆類作物，其產(chǎn)量和出口量均居世界首位[1]。其具有較高的營養(yǎng)與保健價值，被譽為“食中要物”“清熱解暑良藥”[2]。2014年，我國綠豆播種面積為54.01萬hm2，產(chǎn)量約為68.90萬t[3]。長時間以來，綠豆一直被視作小宗農(nóng)作物，雖然經(jīng)濟價值高，但尚未得到農(nóng)民的充分重視，國家和地方政府對綠豆的生產(chǎn)和發(fā)展沒有具體的規(guī)劃，且對綠豆生產(chǎn)、機械化播種等方面重視不夠，使我國綠豆產(chǎn)業(yè)長期處于一種自由發(fā)展的狀態(tài)[4]。受自然條件、種植習慣和傳統(tǒng)作業(yè)方式的限制，我國綠豆多種植在干旱、半干旱的貧瘠地，管理粗放，基本沒有投資，加之播種、中耕除草、采摘全部由人工完成，勞動強度大，產(chǎn)量和效益極低[5]。多數(shù)地區(qū)播種主要利用小麥播種機或播種耬，以最小播量進行條播，為控制播量，還可在種子中加入炒熟的綠豆籽粒[6-7]。以上這些因素極大地制約了我國綠豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，導致始終不能形成大規(guī)模的機械化生產(chǎn)。近年來，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整，我國一些綠豆主產(chǎn)區(qū)正向區(qū)域化布局、規(guī)?；N植的方向發(fā)展[8]，再加上人民生活水平的提高及對健康的追求，綠豆以其特有的經(jīng)濟價值日益受到重視，其需求量呈現(xiàn)逐年遞增的態(tài)勢[6]。因此，亟需研究探索出適合綠豆機械化生產(chǎn)的技術，從而為我國綠豆的大規(guī)?；a(chǎn)提供理論基礎和技術指導。本文通過實驗研究測定了綠豆種子的形狀及尺寸、千粒質(zhì)量、孔隙率、休止角等物理特性，并對其氣力特性做了研究，測定了綠豆種子的漂浮速度，為設計改進氣吸式精量播種裝置和工作參數(shù)，使之適合綠豆種子的播種要求及綠豆大規(guī)模機械化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 綠豆種子的物理特性

1.1 實驗材料

天山明綠牌綠豆種子，產(chǎn)地為通遼，純度≥99.0%，凈度≥99.0%，發(fā)芽率≥90.0%，水分≤13.0%。

精度為0.02mm的游標卡尺；精度為0.01g的電子天平；摩擦角測量儀；休止角測定儀；農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗臺；DT-8880型風速儀；100mL量筒。

1.2 綠豆種子的形狀及尺寸

綠豆種子的形狀用球形度來表示，尺寸用長、寬、厚來表示，種子的形狀和尺寸對于種子在播種裝置中的流動性和充填性有很大的影響，可以為排種盤孔型結構的設計提供尺寸依據(jù)[9]。

分別隨機取200粒綠豆種子，用游標卡尺(精度為0.02mm)對它們的三軸尺寸(長、寬、厚)進行測量，得到200粒種子的三軸尺寸均值分別為：綠豆種子長度均值5.72mm，寬度均值4.38mm，厚度均值4.42mm。其三軸尺寸的概率分布及均值如圖1所示。

圖1 綠豆種子的三軸尺寸分布直方圖Fig.1 Histogram of three axis size distribution of mung bean seeds

綠豆種子的形狀指數(shù)選擇用球形度來描述，球形度的定義為

(1)

(2)

式中Φ—綠豆種子的球形度；

Dg—綠豆種子的幾何平均直徑；

L—綠豆種子的長度平均值；

W—綠豆種子的寬度平均值；

T—綠豆種子的厚度平均值。

計算得綠豆種子的幾何平均直徑為4.802mm，球形度為83.95%。

1.3 綠豆種子的千粒質(zhì)量

種子的千粒質(zhì)量與種子的品種、形狀、尺寸等因素有關，對種子的氣力特性有很大的影響，通常也用來確定種室的結構尺寸。

本研究在農(nóng)機實驗室進行了綠豆種子千粒質(zhì)量的測量。隨機選取n=100粒綠豆種子，取10組，用精度為0.01g的電子天平分別測量每組的質(zhì)量，并取10組平均值，記為m，則綠豆種子的千粒質(zhì)量G為

(3)

測量計算結果：綠豆種子的千粒質(zhì)量為86.02g。

1.4 綠豆種子的孔隙率

種子的孔隙率與其形狀、堆積或充填方式、尺寸及含水率等因素有關，同時對排種器種箱容積的確定也有一定的影響。

種子容積密度的測量方法：將綠豆種子裝入已知容量為100mL的量筒內(nèi) ，將綠豆種子倒出，測量種子的質(zhì)量后除以量筒的容積，即可得到綠豆種子的容積密度。

粒子密度的測量方法：用精度為0.01g的電子天平事先稱量10g的綠豆種子，采用排水法進行測量，在量筒內(nèi)注入40mL的水，將種子放入量筒得到種子的實際體積，計算可得綠豆種子的粒子密度。

綠豆種子的孔隙率為

(4)

式中η—綠豆種子的孔隙率；

ρa—綠豆種子的容積密度；

ρb—綠豆種子的粒子密度。

計算得到：綠豆種子的容積密度為0.714 3g/cm3，粒子密度為1.449 3g/cm3，孔隙率為0.507 6。

1.5 綠豆種子的休止角

種子的休止角反映了種子的內(nèi)摩擦特性及散落性能，與其形狀、尺寸、質(zhì)量、含水率等因素有關。休止角越大，即種子的內(nèi)摩擦力越大，散落性能越小[10]。本文休止角采用注入法[11]測定，所使用的休止角測試儀如圖2所示。

種子自漏斗自然跌落成堆，測量種子堆底面直徑D及種子堆高度H，則種子休止角為

(5)

式中Ψ—綠豆種子的休止角；

H—種子堆的高度；

D—種子堆底面直徑。

測量計算結果：綠豆種子的休止角為24.33°。

1.漏斗 2.種子堆 3.刻度尺 4.支架圖2 休止角測定儀示意圖Fig. 2 Repose angle measurement schematic

1.6 綠豆種子的滑動摩擦角及摩擦因數(shù)

種子的滑動摩擦角即種子在與其它材料接觸的表面上發(fā)生相對滑動時的角度，表示種子與接觸面之間的摩擦特性[12]?；瑒幽Σ烈驍?shù)為滑動摩擦角的正切值，是判別種子在種箱中散落性及流動性的重要指標。鑒于一般氣吸式精量排種器上種箱外殼大都采用有機塑料板制作，排種盤采用鋼板，攪種輪采用橡膠制作，因此本文測定了綠豆種子與鋼板、有機塑料板以及橡膠之間的滑動摩擦角?及滑動摩擦因數(shù)κ。

隨機取綠豆種子分成10組，每組各30粒，將其均勻放置在摩擦角測量儀上，通過更換鋼板、有機塑料板來進行不同材料接觸面上綠豆種子的滑動摩擦角。輕推斜面，每次當大多數(shù)種子滑落時讀取刻度盤上的角度，最終取平均值。所使用的摩擦角測量儀如圖3所示。

1.斜面 2.刻度盤 3.指針 4.支架 5.底座圖3 摩擦角測量儀示意圖Fig.3 Friction angle measurement schematic

滑動摩擦因數(shù)通過下式計算，即

κ=tan?

(6)

式中 ?—綠豆種子的滑動摩擦角；

κ—綠豆種子的滑動摩擦因數(shù)。

測量計算結果如表1所示。

表1 綠豆種子滑動摩擦角及滑動摩擦因數(shù)

Table1Slidingfrictionangleandslidingfrictioncoefficientofmungbeanseeds

種子接觸面滑動摩擦角?/(°)滑動摩擦因數(shù)/κ綠豆鋼板17.30.31有機塑料板16.80.30橡膠21.40.39

2 綠豆種子碰撞恢復系數(shù)的測量

種子的碰撞恢復系數(shù)反映了種子在發(fā)生碰撞變形之后恢復到初始狀態(tài)的能力，數(shù)值越大，表明種子碰撞之后恢復變形的能力越強[13]。碰撞恢復系數(shù)是種子重要物理特性的一部分，是作物精密播種及高性能收獲機具相關部件的設計和性能分析的基本參數(shù)[14]。另外，在播種時，綠豆種子在排種室內(nèi)及投種過程中會發(fā)生各種形態(tài)的偶鞥裝，因此研究綠豆種子的碰撞恢復系數(shù)對氣吸式精密播種機工作部件的設計和改進具有重大意義。

本文基于運動學方程原理設計搭建了一種測定種子恢復系數(shù)的裝置，如圖4所示。

1.種子基準面 2.桌面 3.45°三角尺 4.碰撞板 5.地面 6.底座 7.支柱 8.刻度板 9.種子圖4 碰撞恢復系數(shù)測量原理圖Fig.4 Crash recovery coefficient measuring principle diagram

測試原理：綠豆種子從高度H處自由下落，與水平面夾角為45°的碰撞材料發(fā)生碰撞，由運動學公式可得種子碰撞前的瞬時速度，即

(7)

將種子碰撞后的速度分解為水平方向分速度Vx和豎直方向分速度Vy，種子經(jīng)反彈做拋物線運動后落到刻度板上，通過測量碰撞后種子的水平位移Sn及豎直位移Hn，亦可通過運動學公式分別計算出水平方向分速度Vx和豎直方向分速度Vy。

最終根據(jù)碰撞恢復系數(shù)定義推導出下列公式，用以計算綠豆種子的碰撞恢復系數(shù)，即

(8)

式中Cr—碰撞恢復系數(shù)；

Vn—種子碰撞前的法向分速度；

Von—種子碰撞后的法向分速度；

Vx--種子碰撞后水平方向分速度；

Vy—種子碰撞后豎直方向分速度；

Vo—種子碰撞前的最大瞬時速度。

最終得到綠豆種子與不同材料進行碰撞的碰撞恢復系數(shù)如表2所示。

表2 綠豆種子不同碰撞面的碰撞恢復系數(shù)

Table 2 Collision recovery coefficient of different collision surfaces of mung bean seeds

種子碰撞面碰撞恢復系數(shù)Cr綠豆鋼板0.6187有機塑料板0.4876像膠0.5621

3 綠豆種子的氣力特性

種子的氣力特性即種子的空氣動力學特性，表示種子在垂直氣流體作用下，氣流對種子的作用力等于該種子本身的重力，使得種子保持平衡狀態(tài)時的氣流速度，是影響氣吸式精量播種的重要因素之一[15]。種子的氣力特性直接影響了氣吸式精量排種裝置氣動參數(shù)的選擇，同時對排種器的取種精度也有著很大的影響。

3.1 綠豆種子氣力特性理論分析

當綠豆種子在向上的氣流中處于漂浮狀態(tài)，此時共受到垂直向上的空氣阻力Fa、氣流對其向上的浮力Fb，及綠豆種子自身垂直向下的重力G，此時3力達到平衡，則

Fa+Fb=G

(9)

綠豆種子在垂直向上的氣流中處于漂浮狀態(tài)時受力如圖5所示。

此時，空氣阻力Fa為

(10)

氣流對綠豆種子向上的浮力Fb為

(11)

綠豆種子自身重力G為

G=mg

(12)

綠豆種子在氣流中處于漂浮狀態(tài)的漂浮速度為

(13)

式中V—綠豆種子的漂浮速度；

m—綠豆種子的質(zhì)量；

ρs—綠豆種子的密度；

ρf--流體(空氣)的密度；

A—垂直于流體方向的綠豆種子投影面積；

C—阻力系數(shù)，與種子的形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)等有關，無量綱。

由于農(nóng)業(yè)物料的形狀一般都不規(guī)則，在氣流中處于隨機漂浮方位，漂浮速度計算不易，因此對綠豆種子的漂浮速度不做計算[16]。

圖5 綠豆種子處于漂浮狀態(tài)的受力圖Fig.5 In the floating state of mung bean seeds

3.2 綠豆種子漂浮速度的測定

在農(nóng)機實驗室利用農(nóng)業(yè)物料漂浮速度試驗臺及DT-8880型風速儀(精度0.1m/s)進行綠豆種子漂浮速度的測量。農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗臺原理如圖6所示。

按照綠豆種子的長度尺寸將種子分為3組，分別測量其漂浮速度。通過放料口將種子均勻置于篩網(wǎng)之上，開啟風機，通過變頻器調(diào)節(jié)風機轉速，將上升氣流速度由小到大逐步提升。由于觀察筒內(nèi)橫截面上各點風速不一致，再加上綠豆種子外形幾何尺寸的不規(guī)則，因此綠豆種子不能穩(wěn)定在觀察筒內(nèi)的某一位置，而是上下浮動。

通過有機塑料觀察筒觀察，當所有種子都離開篩網(wǎng)并在觀察筒處上下浮動時，因筒徑大于種子的粒徑，故可認為此時觀察筒內(nèi)氣流速度即等于綠豆種子的漂浮速度[17]。拔掉風速測試孔塞子，將風速儀伸進，并重新堵住測試孔進行觀察筒內(nèi)風速的測量，采用等面積圓環(huán)法選擇5個測量點[18]，待風速測試儀讀數(shù)穩(wěn)定之后，此時的筒內(nèi)風速即為綠豆種子的漂浮速度，測出的漂浮速度為范圍值。

1.風機 2.上穩(wěn)流筒 3.有機塑料觀察筒 4.放料口 5.篩網(wǎng) 6.下穩(wěn)流筒 7.進氣口 8.風速測試孔圖6 農(nóng)業(yè)物料懸浮速度試驗臺示意圖Fig.6 Agricultural material suspension speed test bench schematic

試驗測得的綠豆種子的漂浮速度及漂浮系數(shù)如表3所示。

表3 綠豆種子漂浮速度及漂浮系數(shù)

3.3 綠豆種子在氣流中的受力及漂浮系數(shù)

由于綠豆種子的物理特性存在著差異，種子在氣流中運動時存在著顆粒之間的碰撞、擠壓及種子自身的翻滾，這些作用都無法用函數(shù)準確地進行表達[19]。為了便于推導，忽略種子之間相互的碰撞及翻滾，并認為作用在種子上的氣流速度和方向及種子的漂浮系數(shù)保持不變。

當種子在向上的氣流中處于穩(wěn)定的漂浮狀態(tài)時，此時氣流的速度即為種子的漂浮速度，即

(14)

式中μ—綠豆種子的漂浮系數(shù)。

取g=9.8m/s2，最終計算出的不同長度尺寸的綠豆種子的漂浮系數(shù)。

4 結論

1)測定天山明綠牌綠豆種子的三軸尺寸長、寬、厚平均值分別為5.72、4.38、4.42mm，球形度為83.95%，千粒質(zhì)量為86.02g，孔隙率為0.507 6，休止角為24.33°，在鋼板、有機塑料板、橡膠上的滑動摩擦角分別為17.3°、16.8°、21.4°，滑動摩擦因數(shù)分別為0.31、0.30、0.39，碰撞恢復系數(shù)分別為0.618 7、0.487 6、0.5621，不同長度尺寸的漂浮速度分別為10.44～11.35m/s、10.92～12.57m/s、11.73～12.89m/s，漂浮系數(shù)分別為0.076 1～0.089 9、0.062 0～0.082 2、0.059 0～0.071 2。

2)通過實驗測定了綠豆種子的重要特性參數(shù)，研究結果彌補了綠豆種子特性參數(shù)研究方面的空白。

3)根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，氣吸式精量播種裝置在播種綠豆時應將排種盤吸孔更換為4mm孔徑。其運動速度的設定及運動形式的選擇可根據(jù)綠豆種子的摩擦特性來確定；氣流速度可根據(jù)綠豆種子的漂浮速度來選用；在氣吸式精量播種裝置滿足工作要求的同時，還要使之能滿足綠豆種子播種的農(nóng)藝要求。

4)本文雖然只是測定了一種綠豆種子的物理特性及氣力特性參數(shù)，但對于同類種子或其它類型種子參數(shù)的測量均可采用此方法。所得參數(shù)不僅可以為氣吸式綠豆精量播種裝置的設計和改進提供一定的理論依據(jù)，也可作為以綠豆為作業(yè)對象的各類機械設計的參考依據(jù)。

5)本文得到的結果有一定的局限性，今后還需進一步研究不同漂浮系數(shù)的綠豆種子對氣吸式綠豆精量播種裝置排種性能的影響。

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Experimental Study on Physical and Mechanical Properties of Mung Bean

Zhang Yong, Liu Fei, Zhao Manquan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China )

Precision sowing mung beans is one of the key factors to solve our industrial mung bean cultivation techniques behind, lower yield and quality and other issues. The air-suction precision seeding is a method for precision seeding process a very wide application. Therefore, the important characteristic parameters test of mung bean seeds was studied, the average size of generous length were 5.72mm, 4.38mm, 4.42mm, spherical degree is 83.95%, the 1000 grain weight was 86.02g, the porosity is 0.5076, repose angle of 24.33 degrees, and the coefficient of restitution of seed with different material between the angle of sliding friction and the coefficient of friction, collision and floating velocity and drag coefficient were studied. Fill the blank in the research of the important characteristic parameters of mung bean, mung bean seeds to fit and provides an important theoretical basis for the following design requirements of improved air suction precision seeder.

mung bean seeds; air-suction precision sowing; physical properties; aerodynamic characteristics

2016-10-20

國家自然科學基金項目(51365034)；中國博士后科學基金項目(2014M552532XB)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學科技創(chuàng)新團隊項目(NDTD2013-6)

張 勇(1989-)，男，山西運城人，碩士研究生，(E-mail)zyde613@163.com。

趙滿全(1955-)，男，內(nèi)蒙古土右旗人，教授，博士生導師， (E-mail)nmgzhaomq@163.com。

S183；S522

A

1003-188X(2017)12-0119-06