兩種油菜收獲脫出物的物理機(jī)械特性及空氣動力學(xué)特性測定與分析

施新新,吳崇友,李 驊，齊新丹*，原建博,梅占艦,胡 童

(1.南京工業(yè)大學(xué),江蘇 南京 211816;2.江蘇省高等學(xué)校智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,江蘇 南京 210031;3.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,江蘇 南京 210014;4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,江蘇 南京 210031)

0 引言

油菜是我國一種重要的油料作物,且種植面積廣、產(chǎn)量高。油菜的農(nóng)藝和生物學(xué)特性制約了油菜機(jī)械化發(fā)展,目前大部分油菜收獲作業(yè)采用人工的方法[1-2]。隨著水稻、小麥等谷物聯(lián)合收獲機(jī)的不斷普及,一些國內(nèi)外企業(yè)在原有谷物聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上改型成油菜聯(lián)合收獲機(jī),但是作業(yè)效果較差,出現(xiàn)較高損失率、高含雜率等問題[3]。因此，設(shè)計具有低損失率、低含雜率的油菜聯(lián)合收獲裝備成為促進(jìn)油菜作業(yè)機(jī)械化發(fā)展的重要課題。明確油菜收獲脫出物的物理特性、空氣動力學(xué)特性可以為設(shè)計油菜收獲機(jī)具提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料,不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，例如：黃小毛等[4]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?；謴?fù)系數(shù)的影響規(guī)律,為油菜精密播種設(shè)備和油菜收獲機(jī)的設(shè)計及性能分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；馬征等[5]研究了油菜收獲脫出物懸浮速度的差異性,并設(shè)計出具有低摩擦、疏水疏油等特性的新型清選篩面；Bilanski W K等[6]對不同國家、不同油菜品種的莢殼和種子的物理特性進(jìn)行了試驗研究,并利用工藝值對品種進(jìn)行了評價；Hazbavi I等[7]和Baran M F等[8]對不同品種油菜籽粒的平均直徑、球度、表面積、孔隙度和摩擦系數(shù)等物理特性進(jìn)行了研究,表明籽粒的物理特性與品種有直接關(guān)系；Molenda M等[9]研究了油菜種子單軸向的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,并建立了一種應(yīng)力-應(yīng)變的本構(gòu)模型來描述顆粒群體的力學(xué)行為,并得到油菜籽粒的泊松比為0.10～0.24,彈性模量為6.6～9.0 MPa；Boac J M等[10]綜述了油菜等谷物在離散元數(shù)值計算中所需要的物理特性及相互接觸特性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),表明采用數(shù)值計算方法可以節(jié)約谷物流動特性的試驗成本和時間。

但是前人只對單一且較老油菜品種的物理特性進(jìn)行了研究,鮮有對油菜脫出物相互之間的作用進(jìn)行研究,以及針對不同油菜品種的差異性研究也沒有涉及。因此本文對灃油737和中農(nóng)油6號這兩種長江中下游地區(qū)主要油菜品種的收獲脫出物的物理特性及空氣動力學(xué)特性進(jìn)行了測定與分析,以期為油菜聯(lián)合收獲裝備的數(shù)值計算及試驗研究提供合理可靠的原始物理參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試油菜品種為灃油737和中農(nóng)油6號。對灃油737采用洋馬4LZ-2.8全喂入聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行聯(lián)合式收割;對中農(nóng)油6號則采用4LZ-1.0改進(jìn)型聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行分段式機(jī)械收割。將收集的兩種油菜脫出物經(jīng)四分法,隨機(jī)選取一定樣品進(jìn)行物理特性和空氣動力學(xué)特性的測定。

1.2 試驗測量方法

1.2.1 物理特性

1.2.1.1 材料特性 隨機(jī)取50個樣品,用精度0.01 mm的游標(biāo)卡尺對兩種油菜脫出物(籽粒、莢殼、短莖稈)的三軸尺寸進(jìn)行測量。取一定量(油菜籽粒取1 g,莢殼和短莖稈取5 g)的樣品進(jìn)行千粒重、密度、含水率測定,實驗重復(fù)7次,其中根據(jù)GB/T 5519─2008谷物與豆類千粒重的測定方法[11]測定千粒重,采用容積法[12]測定密度,根據(jù)GB 5009.3─2016食品中水分的測定法[13]測定含水率。

1.2.1.2 物料相互接觸特性 依據(jù)文獻(xiàn)[14]中的斜面儀法測量靜摩擦系數(shù),根據(jù)庫倫定理有靜摩擦系數(shù)μ=tanθ,式中θ為靜摩擦角,即斜面傾角。在不同物料組合的靜摩擦系數(shù)試驗中,用膠水將籽粒、莢殼、短莖稈分別緊密粘在3塊鐵片上,再用同樣的方法制作3塊斜面板,將每種物料鐵片分別放在不同物料斜面上,緩慢地調(diào)節(jié)角度直至物料下滑(記錄傾斜角θ),每組試驗測量7次。

依據(jù)文獻(xiàn)[15]中的方法測量恢復(fù)系數(shù),在試驗中用膠水將籽粒、莢殼、短莖稈分別緊密粘在3塊碰撞板上,從投料口依次投入不同物料來進(jìn)行不同物料之間的實驗測定,每組試驗測量7次。

依據(jù)文獻(xiàn)[12,16]中的方法測量剪切模量,取單個樣品(籽粒、莢殼、短莖稈)利用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行力與變形量關(guān)系的測定,再根據(jù)以下公式進(jìn)行計算,每次試驗重復(fù)7次。

(1)

式(1)中：F為施加的力(N);A為無物料被壓橫截面的面積;L為在F作用下的變形;L為各成分初始厚度;為泊松比。

1.2.2 空氣動力學(xué)特性 根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的方法測量懸浮速度。將待測脫出物放入放料口中,保證觀察管中脫出物在風(fēng)流的作用下處于懸浮狀態(tài),同時利用數(shù)字測風(fēng)儀在測風(fēng)口測出觀察管底部小孔的氣流速度V0,記錄脫出物在觀察管中懸浮的最大高度L1和最小高度L2,每次試驗重復(fù)7次。懸浮速度的計算公式如下:

(2)

式(2)中:D0為觀察管底部直徑(m);L1為脫出物在觀察管中懸浮的最大高度(m);L2為脫出物在觀察管中懸浮的最小高度(m);V0為觀察管底部氣流速度(m/s);Vi為觀察管任一截面的氣流速度(m/s);θ為觀察管的錐度(°)。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩個油菜品種脫出物的物理特性

2.1.1 油菜收獲脫出物的三軸尺寸 兩種油菜脫出物的三軸尺寸測量結(jié)果見表1。對比分析結(jié)果表明:兩種油菜脫出物之間存在較大的差異性。其中灃油737的籽粒平均直徑與中農(nóng)油6號的基本一致,灃油737的莢殼較短較窄且長度范圍較大,短莖稈較短較細(xì);中農(nóng)油6號的莢殼較長較寬,短莖稈直徑較大,且長度和直徑的范圍也較大。對不同油菜收獲脫出物的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合,如圖1～圖3所示,結(jié)果表明中農(nóng)油6號的正態(tài)分布擬合結(jié)果優(yōu)于灃油737的。

2.1.2 油菜脫出物的千粒重、密度和含水率 從表2可以看出:灃油737和中農(nóng)油6號籽粒的含水率、千粒重和密度基本一致;兩種油菜莢殼的含水率、密度和千粒重都存在明顯的差異性;兩種油菜短莖稈的千粒重有較大的差異性,其余參數(shù)基本一致。

表1 兩種油菜脫出物三軸尺寸的測定結(jié)果 mm

圖1 油菜莢殼三軸尺寸的正態(tài)分布圖

2.1.3 兩個油菜品種脫出物的相互接觸特性 由表3可知：兩種油菜籽粒的恢復(fù)系數(shù)差異較大,其他參數(shù)基本一致,同時中農(nóng)油6號的各脫出物的恢復(fù)系數(shù)普遍高于灃油737的;就靜摩擦系數(shù)而言，在篩板與籽粒、莢殼、短莖稈三者之間，以及短莖稈與籽粒、莢殼之間都存在差異。由表4可見，兩種油菜收獲脫出物的剪切模量差異較大,其中灃油737各脫出物的剪切模量大于中農(nóng)油6號的。

2.2 兩個油菜品種脫出物的懸浮速度

由表5可知：兩種油菜籽粒和短莖稈的懸浮速度基本接近,而莢殼與其他脫出物的懸浮速度有顯著的差別。由于油菜籽粒與短莖稈的懸浮速度幾乎相同,表明僅靠氣流難以將莢殼與其他脫出物實現(xiàn)分離,故

在清選時還需要借助振動篩或者圓筒篩來達(dá)到篩分的目的。

圖2 油菜籽粒平均直徑的正態(tài)分布圖

圖3 油菜短莖稈三軸尺寸的正態(tài)分布圖

3 小結(jié)與討論

灃油737和中農(nóng)油6號兩種油菜收獲脫出物的三軸尺寸存在較大的差異,其中中農(nóng)油6號的三軸尺寸正態(tài)分布優(yōu)于灃油737的。灃油737的籽粒直徑為2.00 mm,莢殼長、寬、高分別為20.79、2.39、0.34 mm,短莖稈的直徑、長度分別為26.60、1.97 mm;中農(nóng)油6號的籽粒直徑為1.98 mm,莢殼長、寬、高分別為51.94、2.95、0.30 mm,短莖稈的直徑、長度分別為68.35、4.26 mm。

表2 兩種油菜脫出物的含水率、千粒重和密度

表3 兩種油菜脫出物的恢復(fù)系數(shù)

表4 兩種油菜脫出物的剪切模量 MPa

表5 兩種油菜脫出物的懸浮速度 m/s

兩種油菜籽粒的含水率、千粒重和密度基本一致;莢殼的千粒重、含水率、密度和短莖稈的千粒重存在一定差異。兩種油菜籽粒的恢復(fù)系數(shù)存在差異,其他參數(shù)基本一致,同時中農(nóng)油6號脫出物的恢復(fù)系數(shù)普遍高于灃油737的;在篩板與籽粒、莢殼、短莖稈之間，以及短莖稈與籽粒、莢殼之間靜摩擦系數(shù)都存在差異;兩種油菜籽粒和莢殼的剪切模量都有明顯差異。兩種油菜收獲脫出物各成分的懸浮速度基本一致,表明清選不同品種油菜時可以不考慮氣流參數(shù)的調(diào)整。

對比分析結(jié)果表明油菜品種對籽粒、莢殼和短莖稈的物理特性有直接的影響。本文對油菜莢殼在脫粒和清選過程中的運(yùn)動規(guī)律及其與其他脫出物之間相互作用的研究填補(bǔ)了該方面的空白。本文研究結(jié)果可以為油菜收獲清選裝備的數(shù)值計算和試驗研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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