豆類(lèi)雜糧作物種子物性參數(shù)的試驗(yàn)研究

韓丹丹，陳 攀，黃金路，黃與霞，何 彬，童順利，呂小榮

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，雅安 625014)

豆類(lèi)雜糧在我國(guó)具有悠久的食用歷史，種類(lèi)繁多，富含多酚、糖醇等功能活性成分，具有優(yōu)質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。其中，大豆蛋白質(zhì)含量約為45%，其他豆類(lèi)作物也均在25%左右，是植物蛋白的主要來(lái)源，因此，豆類(lèi)作物在我國(guó)飲食結(jié)構(gòu)中具有重要地位，是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)作物[1]。2019 年四川省豆類(lèi)雜糧的種植面積約5 598 km2，產(chǎn)量約129.9 萬(wàn)t[2]。豆類(lèi)雜糧作為小宗農(nóng)作物，雖然經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，但是受自然條件、種植習(xí)慣和傳統(tǒng)作業(yè)方式的限制，播種、中耕除草施肥、收獲等作業(yè)全部由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)量和效益低[3-4]。四川多數(shù)地區(qū)播種主要利用手推式滾輪點(diǎn)播機(jī)或者人工播種，作業(yè)效率低，為提高豆類(lèi)雜糧生產(chǎn)機(jī)械化程度，實(shí)現(xiàn)豆類(lèi)雜糧的精量播種，需設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足豆類(lèi)雜糧播種農(nóng)藝要求的排種器。離散元法作為一種新興的散料顆粒分析方法，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)與分析中，因此需對(duì)豆類(lèi)雜糧種子的物理特性參數(shù)及力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。張濤等測(cè)量并標(biāo)定了大豆種子的本征參數(shù)及大豆種子與排種器接觸物理參數(shù)，為大豆排種過(guò)程的離散元仿真參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)[5]；李玉環(huán)等為確定排種盤(pán)攜種孔尺寸，采用EDEM 軟件進(jìn)行分析，對(duì)綠豆種子物性參數(shù)及綠豆種子與排種器接觸物理參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量與標(biāo)定[6]；黃鵬飛為研究排種盤(pán)型孔大小與種子尺寸的適應(yīng)性，對(duì)紅豆、大豆等作物的物理特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定[7]；Kiani 等研究Goil和Akhtar 兩種品種紅豆的楊氏彈性模量與泊松比隨水分和加載速率的變化規(guī)律[8]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于豆類(lèi)雜糧物性參數(shù)及力學(xué)特性的研究較少。

為研究探索出適合豆類(lèi)雜糧播種作業(yè)的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)，為我國(guó)豆類(lèi)雜糧的規(guī)模化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)，本文以大豆、綠豆、豌豆、紅豆和蠶豆5 種四川丘陵地區(qū)典型的豆類(lèi)雜糧為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究其幾何尺寸、千粒重、密度、含水率、休止角、堆積角、摩擦系數(shù)及碰撞恢復(fù)系數(shù)等物性參數(shù)，以期為研制適用的豆類(lèi)雜糧精量播種機(jī)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物育種栽培研究所、南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位提供，包括大豆（品種：中黃57）、綠豆（品種：川渝綠1 號(hào)）、豌豆（品種：朱砂豌）、紅豆（品種：綠寶紅小豆）和蠶豆（品種：北斗七星）5 種典型豆類(lèi)雜糧種子（圖1）。

圖1 豆類(lèi)雜糧種子Figure 1 Legumes seeds

1.1.2 試驗(yàn)儀器 DL 911550 型數(shù)顯游標(biāo)卡尺，寧波得力工具有限公司；OHAUS-AR 522 CN 型電子精密天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司；DHG-9035 A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；JZC-B 2 型多功能坡度測(cè)量?jī)x，溫州南方建筑儀器廠；WDW-05 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司；FASTCAM Mini UX 100 型高速攝像機(jī)，日本Photron 公司。其中，幾種主要試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 WDW-05 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 WDW-05 type microcomputer-controlled electronic universal testing machine main technical indicators

表2 FASTCAM Mini UX 100 型高速攝像機(jī)產(chǎn)品規(guī)格Table 2 Product specifications of FASTCAM Mini UX 100 high-speed camera

1.2 方法

1.2.1 種子幾何尺寸測(cè)定 豆類(lèi)雜糧作物的種子幾何尺寸用三軸尺寸來(lái)表示，指種子的長(zhǎng)度、寬度及厚度[9]。種子三軸尺寸是豆類(lèi)播種機(jī)核心部件排種器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，應(yīng)確保種子在排種時(shí)具有良好的流動(dòng)性和充種效果。

種子三軸尺寸測(cè)定方法：隨機(jī)選取5 種豆類(lèi)作物種子各500 粒，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度為 ± 0.01 mm）分別測(cè)量種子的長(zhǎng)度、寬度和厚度三軸尺寸參數(shù)并記錄。以大豆種子為例，測(cè)量方式如圖2 所示，利用式（1）（2）求出各個(gè)參數(shù)多次測(cè)量的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

圖2 大豆種子三軸尺寸測(cè)量位置Figure 2 Soybean seed three-axis size measurement position

豆類(lèi)雜糧作物種子的形狀指數(shù)用球形度來(lái)描述，假設(shè)種子用長(zhǎng)（l）、寬（w）、厚（t）3 個(gè)方向的尺寸所表示的橢球形來(lái)等效，則外接圓的最大直徑就是長(zhǎng)度方向的值，球形度可以用式（3）來(lái)計(jì)算[10]：

式（3）中：l為種子長(zhǎng)度尺寸，mm；w為種子寬度尺寸，mm；t為種子厚度尺寸，mm；sp為種子的球形度，無(wú)量綱。

對(duì)500 粒試樣完成球形度的計(jì)算后，可依據(jù)公式（1）（2）計(jì)算出種子球形度的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2.2 種子千粒重測(cè)定 千粒重是反映豆類(lèi)雜糧種子飽滿(mǎn)程度的標(biāo)志，生產(chǎn)中通過(guò)千粒重來(lái)預(yù)估種子的播種量[11]。豆類(lèi)雜糧作物種子千粒重的測(cè)定試驗(yàn)按照《谷物與豆類(lèi)千粒重的測(cè)定（GB/T 5519-2018）》[12]方法進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)每種豆類(lèi)隨機(jī)選取500 粒種子作為試樣，并對(duì)試樣中的完整粒稱(chēng)量（mt）并計(jì)數(shù)（N），用完整粒的質(zhì)量除以粒數(shù)，以1 000 粒的質(zhì)量表示結(jié)果，如式（4）所示：

式（4）中：m為千粒重，g；mt為完整粒的質(zhì)量，g；N為質(zhì)量中完整粒的粒數(shù)，無(wú)量綱。每種豆類(lèi)千粒重的測(cè)量重復(fù)5 次求平均值。

1.2.3 種子含水率測(cè)定 種子含水率大小對(duì)種子物理機(jī)械特性及排種性能有直接影響，豆類(lèi)雜糧作物含水率的測(cè)定試驗(yàn)按照《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程水分測(cè)定（GB/T 3543.6—1995）》[13]方法進(jìn)行測(cè)量，利用式（5）計(jì)算種子的含水率，每個(gè)豆類(lèi)雜糧作物的含水率測(cè)定試驗(yàn)重復(fù)5 次求平均值。

式（5）中：m1為試樣的烘前重量，g；m2為試樣的烘后重量，g。

1.2.4 種子密度測(cè)定 密度對(duì)排種方法與原理的選擇以及排種器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要影響。比如，研制氣力式排種器時(shí)需要研究種子的空氣動(dòng)力學(xué)特性。豆類(lèi)雜糧作物密度的測(cè)定試驗(yàn)按照《糧油檢驗(yàn) 糧食、油料相對(duì)密度的測(cè)定（GB/T 5518—2008）[14]所示的量筒法進(jìn)行測(cè)量：在室溫下，向25 mL 量筒中注入20%乙醇10 mL，然后放入試樣約5 g（精確至0.001 g），稍加搖動(dòng)，逐出氣泡，待液面平穩(wěn)后，立即讀出液體上升的體積數(shù)，并利用式（6）計(jì)算種子的密度，每個(gè)豆類(lèi)雜糧作物的密度測(cè)定試驗(yàn)重復(fù)5 次求平均值。

式（6）中：ρ為種子密度，g·cm-3；m1為種子試樣的質(zhì)量，g；m2為與種子試樣同體積的水的質(zhì)量（m2=V·ρ水，ρ水≈ 1 g·mL-1），g；V為種子試樣的體積，mL。

1.2.5 種子摩擦系數(shù)測(cè)定 在排種過(guò)程中，種子與排種器部件直接接觸，其摩擦系數(shù)對(duì)種子的流動(dòng)性與排種質(zhì)量有重要影響；同時(shí)，測(cè)量摩擦系數(shù)為排種器材料的選擇提供理論依據(jù)。其中，物體與接觸表面間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力與法向壓力的比值即為靜摩擦系數(shù)[15]，通常采用斜面法測(cè)量物體的靜摩擦系數(shù)，測(cè)量原理圖如圖3 所示。

圖3 靜摩擦系數(shù)測(cè)量原理圖Figure 3 Principle diagram of static friction coefficient measurement

滾動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)量主要基于能量守恒原理，借助高速攝像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量[16]，考慮到排種器在設(shè)計(jì)加工時(shí)所用到的材料，本文分別對(duì)雜糧種子與PVC 板、尼龍、鋼板、鋁板以及種子板的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)量10 次取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，其中種子板形狀如圖4 所示。

圖4 雜豆種子板Figure 4 Legumes seeds board

動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)如圖5 所示：裝置由4根角鋼通過(guò)螺栓連接構(gòu)成，通過(guò)改變傾斜角鋼的相對(duì)位置即可改變傾角。試驗(yàn)時(shí)，將材料板固定在傾斜角鋼上，取一粒種子置于斜面頂端，使其從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始沿斜面向下滾動(dòng)，直至離開(kāi)斜面。試驗(yàn)過(guò)程中，由于種子重量較輕，在材料板上滾動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生彈跳，因此，需剔除不屬于滾動(dòng)摩擦的部分。

圖5 滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)過(guò)程Figure 5 Rolling friction test process

高速攝像機(jī)拍攝完成后，測(cè)量圖中尺寸與丁字尺標(biāo)定的實(shí)際尺寸，計(jì)算出實(shí)際尺寸與圖片尺寸的對(duì)應(yīng)比例關(guān)系：L實(shí)際:L圖=k: 1。分別記錄種子初始位置（第0 幀）坐標(biāo)（x0，y0）和連續(xù)滾動(dòng)過(guò)程的結(jié)束幀（第n 幀）種子中心的坐標(biāo)（xn，yn），可用公式（7）計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)的距離l：

記錄第n-1 幀的坐標(biāo)（xn-1，yn-1）、第n幀的坐標(biāo)（xn，yn）和n+1 幀的坐標(biāo)（xn+1，yn+1），已知兩幀時(shí)間間隔Δt= 0.1 s，可由式（8）求得第n幀種子中心速度的絕對(duì)值vs（m·s-1）：

式（9）中：m為種子質(zhì)量，g；vs為第n幀種子中心速度的絕對(duì)值，m·s-1；Ek為動(dòng)能，J。當(dāng)種子從斜面滾下時(shí)，重力勢(shì)能U為：

式（10）中：m為種子質(zhì)量，g；g為重力加速度，m·s-2；L為斜面長(zhǎng)，m；θ為斜面與水平面之間的夾角，°。

則滾動(dòng)摩擦所造成的能量損失占總能量的比例Cf由式（11）可得：

式（11）中：r/d為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，無(wú)量綱。

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不同角度下各材料的Cf，并在Excel中用直線擬合其與cotθ之間的線性關(guān)系。以測(cè)量大豆種子與尼龍材料之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為例，如圖6 為用直線擬合大豆與cotθ之間的線性關(guān)系圖，由線性回歸得到擬合直線：大豆與尼龍間y=0.074x+ 0.283 6，R2= 0.868 9，方程的斜率0.074即為大豆種子與尼龍板之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖6 大豆種子與尼龍材料間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)Figure 6 Rolling friction coefficients between soybean seed and nylon material

1.2.6 種子碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)定 種子在排種器的各工作環(huán)節(jié)都有可能與種群或其他部件發(fā)成碰撞，碰撞恢復(fù)系數(shù)能夠反映種子在發(fā)生碰撞變形之后恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力，數(shù)值越大，表明種子碰撞之后恢復(fù)變形的能力越強(qiáng)[17]。測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)原理如圖7所示，將種子從高度H處?kù)o止釋放，種子做自由落體運(yùn)動(dòng)并與碰撞表面相碰，用高速攝像系統(tǒng)記錄種子彈起過(guò)程，最高處的彈起高度用h表示，碰撞恢復(fù)系數(shù)用公式（12）計(jì)算[18]：

圖7 碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)量臺(tái)架Figure 7 Collision recovery coefficient measuring bench

式（12）中：g為重力加速度，m·s-2。

對(duì)每一種碰撞接觸材料將種子分別從100、150、200、250 和300 mm 5 個(gè)高度處落下，每個(gè)高度的落種試驗(yàn)重復(fù)10 次分別計(jì)算碰撞恢復(fù)系數(shù)Cr，種子與某一種材料的碰撞恢復(fù)系數(shù)為從5 個(gè)高度處落下求得的碰撞恢復(fù)系數(shù)的均值。

1.2.7 種子休止角、堆積角測(cè)定 休止角和堆積角是表征顆粒物料流動(dòng)、摩擦等特性的宏觀參數(shù)，休止角越大，種子間內(nèi)摩擦力越大，散落性能越小[19]。休止角、堆積角通過(guò)落種試驗(yàn)測(cè)得，落種試驗(yàn)裝置如圖8 所示。該裝置由種箱、擋板和圓盤(pán)組成，以大豆種子為例，在種箱內(nèi)加入占種箱容積2/3 的種子，盡可能保證種子層上表面水平，將擋板快速打開(kāi)，大豆種子在重力作用下落入圓盤(pán)，種箱內(nèi)兩側(cè)形成梯形種堆，休止角θ和堆積角φ分別如圖8 所示。

圖8 休止角測(cè)定原理圖Figure 8 Principle diagram of angle of repose measurement

為盡量減少人為因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差，利用MATLAB 軟件對(duì)采集到的休止角和堆積角圖像依次進(jìn)行灰度處理、邊緣處理及二值化處理，提取種堆邊界點(diǎn)，邊界點(diǎn)上的連線即為種堆的邊界曲線，然后采用最小二乘法對(duì)邊界點(diǎn)進(jìn)行擬合所得直線的斜率即為種子實(shí)際休止角和堆積角的正切值（圖9）。每組試驗(yàn)重復(fù)5 次，取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。

圖9 MATLAB 處理過(guò)程Figure 9 MATLAB process

1.2.8 種子剛度系數(shù)及破碎力測(cè)定 剛度系數(shù)是指使種子在載荷作用點(diǎn)、沿載荷方向產(chǎn)生單位位移所需的力，剛度系數(shù)的大小反映受外力作用的種子抵抗變形的能力[20]；破碎力反映種子最大抗擠壓能力，它們都為排種部件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過(guò)WDW-05型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)種子樣品進(jìn)行擠壓來(lái)測(cè)量種子的法向剛度系數(shù)和破碎力。

以大豆種子為例，圖10 為大豆擠壓過(guò)程中載荷與位移關(guān)系曲線，可分為OA、AB 和BC 3 段。OA段為彈性變形階段，隨著載荷的增加，大豆的變形呈線性增加；大豆在AB 段開(kāi)始破碎，A 點(diǎn)的力即為破碎力，BC 段載荷繼續(xù)增加，大豆種子逐漸被壓扁。將OA 段數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB 得出OA 段載荷與位移的關(guān)系圖，對(duì)該段曲線用最小二乘法進(jìn)行線性擬合（圖10），擬合直線的斜率即為被測(cè)大豆的法向剛度系數(shù)。

圖10 載荷F 與位移D 的關(guān)系圖及擬合曲線圖Figure 10 Relation diagram and fitting curve diagram of load F and displacement D

1.2.9 種子彈性模量的測(cè)定 物料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比關(guān)系，即符合胡克定律，其比例系數(shù)為彈性模量，也稱(chēng)楊氏模量，一般用字母E表示。彈性模量可視為衡量種子產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，種子發(fā)生一定彈性變形所需要的應(yīng)力也越大[21]。

目前一般采用ASAE 標(biāo)準(zhǔn)[22]中給出的通過(guò)擠壓試驗(yàn)來(lái)測(cè)定大豆的彈性模量，如圖11 所示。該方法基于赫茲理論，將大豆夾在平板之間，通過(guò)加壓得出力-位移曲線，最后用式（13）求出彈性模量E：

圖11 彈性模量測(cè)定原理圖Figure 11 Principle diagram of elastic modulus measurement

式（13）中：E為彈性模量，MPa；F為加載載荷，N；D為相應(yīng)的變形量，mm；μ為泊松比，無(wú)量綱；RU，R′U，RL，R′L為大豆與平板接觸點(diǎn)的曲率半徑，mm；KU，KL為曲率系數(shù)，無(wú)量綱。其中，大豆、綠豆和紅豆的泊松比分別為0.23[5]、0.20[6]和0.30[8]，豌豆和蠶豆的泊松比均為0.40[23-24]。

采用WDW-05 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)種子樣品進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，對(duì)種子曲率半徑的測(cè)量方法是將種子近似成橢球，其中一接觸面的曲率半徑為R1、R′1，另一接觸面的曲率半徑為R2、R′2，因?yàn)槎诡?lèi)種子與平板兩接觸面曲率半徑基本相同，所以R1=R2、R′1=R′2，其中：

1.2.10 種子剪切模量的測(cè)定 剪切模量是材料在剪切應(yīng)力作用下、在彈性變形比例極限范圍內(nèi)，切應(yīng)力與切應(yīng)變的比值，表征材料切應(yīng)變的能力[25]。由于豆類(lèi)雜糧種子體積過(guò)小，難以用常規(guī)的剪切方法測(cè)定其剪切模量，故利用剪切模量與彈性模量的關(guān)系，求得豆類(lèi)雜糧種子的剪切模量G：

式（17）中：G為剪切模量，MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子三軸尺寸與球形度

雜豆種子形態(tài)不一，但是測(cè)量數(shù)據(jù)基本都服從正態(tài)分布，以大豆種子為例，以種子三軸尺寸為橫坐標(biāo)，種子粒數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制頻數(shù)直方圖，得出大豆種子的三軸尺寸分布情況如圖12 所示。大豆種子尺寸長(zhǎng)、寬、厚及球度的95%置信區(qū)間為8.792 ～8.879 mm、7.601 ～ 7.671、5.859 ～ 5.946 mm；綠豆種子尺寸長(zhǎng)、寬、厚的95%置信區(qū)間為4.733 ～ 4.824 mm、3.548 ～ 3.604 mm 和3.584 ～ 3.640 mm；豌豆種子尺寸長(zhǎng)、寬、厚的95%置信區(qū)間為6.241 ～ 6.324 mm、6.019 ～ 6.099 mm 和5.902 ～ 5.981 mm；紅豆種子尺寸長(zhǎng)、寬、厚的95%置信區(qū)間為8.025 ～ 8.161 mm、5.779 ～ 5.849 mm 和5.744 ～ 5.815 mm；蠶豆種子尺寸長(zhǎng)、寬、厚的95%置信區(qū)間為20.914 ～21.309 mm、15.487 ～ 15.780 mm 和8.257 ～ 8.406 mm。在進(jìn)行雜豆排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如排種盤(pán)型孔結(jié)構(gòu)、型孔大小等，以上述置信區(qū)間內(nèi)種子三軸尺寸參數(shù)為主要依據(jù)。

圖12 大豆種子尺寸分布及球度分布圖Figure 12 Soybean seed size distribution and sphericity

共測(cè)量了5 種典型雜豆種子三軸尺寸并計(jì)算其球形度，結(jié)果如表3 所示。根據(jù)三軸尺寸的不同，種子分為不同形狀，當(dāng)l＞w＞t，即3 個(gè)軸向尺寸不等時(shí)，種子呈扁長(zhǎng)型；當(dāng)l＞w=t，即寬度和厚度相等，但小于長(zhǎng)度時(shí)，種子呈圓柱型；當(dāng)l=w＞t，即長(zhǎng)度和寬度相等但大于厚度時(shí)，種子呈扁圓型；當(dāng)l=w=t，即3個(gè)軸向尺寸相等時(shí)，種子呈球型。由表1 可知，大豆和蠶豆呈扁長(zhǎng)型，球形度分別為0.83 ± 0.03 和0.66 ±0.03，且蠶豆種子且表面凹凸不平，形狀不太規(guī)則；綠豆和紅豆呈圓柱型，球形度分別為0.83 ± 0.04 和0.80 ±0.05；豌豆近似呈球形，球形度約為0.97 ± 0.03。

2.2 種子千粒重、含水率和密度

5 中典型雜豆種子的千粒重和含水率結(jié)果（表3）顯示，大豆、綠豆、豌豆、紅豆和蠶豆的千粒重差異較大，分別為（240.7 ± 2.19）g、（51.9 ± 1.13）g、（161.6± 3.19）g、（202.1±0.85）g 和（1 548.4 ±72.84）g。5 種雜豆種子中，蠶豆千粒重最大，綠豆千粒重最?。煌愣沟暮屎兔芏茸畲螅Q豆的含水率和密度最小，在進(jìn)行雜豆排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為應(yīng)用離散元仿真分析提供理論依據(jù)。

表3 種子三軸尺寸、球形度、千粒重、含水率、密度等參數(shù)Table 3 Seed triaxial size, particle size, 1 000-grain weight, moisture content and density

2.3 種子休止角

豆類(lèi)雜糧作物種子的休止角與堆積角均反映種子內(nèi)部間的摩擦特性，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 種子休止角與堆積角Table 4 The seed angle of repose and stacking

由表4 可知，同一種雜豆種子的休止角和堆積角大致相同，而不同雜豆種子的休止角和堆積角略有不同，這主要與種子的形狀尺寸及表面光滑度有關(guān)。5 種雜豆種子流動(dòng)性由好到差依次為豌豆、紅豆、綠豆、大豆和蠶豆，在采用離散元法進(jìn)行排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可為種子參數(shù)標(biāo)定提供依據(jù)。

2.4 種子摩擦系數(shù)

豆類(lèi)雜糧種子在5 種不同材料上的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)如表5 所示。雜豆種子的靜摩擦系數(shù)明顯大于動(dòng)摩擦系數(shù)，種子與不同材料間的靜摩擦系數(shù)差異較大而動(dòng)摩擦系數(shù)差異較小。其中，所有雜豆種子在PVC 板上的靜摩擦系數(shù)均最小，而在鋼板上的動(dòng)摩擦系數(shù)最??；大豆、綠豆、豌豆和紅豆這4 種作物種子與種子板間的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)均最大，而蠶豆種子由于表面比較光滑，所以蠶豆與蠶豆種子板間的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)小于蠶豆與其他材料，經(jīng)測(cè)量，蠶豆種子則與尼龍材料間的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)最大。種子的摩擦系數(shù)直接影響雜豆排種器的排種性能，在進(jìn)行排種器關(guān)鍵部件材料選擇時(shí)可以此為依據(jù)。

表5 種子摩擦系數(shù)Table 5 Friction coefficients of seeds

2.5 種子碰撞恢復(fù)系數(shù)

碰撞恢復(fù)系數(shù)是研究精量播種機(jī)相關(guān)部件的設(shè)計(jì)和性能分析的重要參數(shù)。豆類(lèi)雜糧種子與5 種不同材料的碰撞恢復(fù)系數(shù)如表6。在試驗(yàn)過(guò)程中，種子板是用502 膠粘在一塊硬紙板上制成的，且雜豆種子的球形度較大，因此種板并非一平整的平面，且種子間存在空隙，種子與種板之間的碰撞方式以點(diǎn)接觸為主，時(shí)常出現(xiàn)種子落下后根本不發(fā)生反彈或者即使有反彈，反彈高度也較小的情況，因此，經(jīng)測(cè)量，種子與種子板之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)最小。在采用離散元法進(jìn)行雜豆排種器的設(shè)計(jì)時(shí)，需進(jìn)行全局參數(shù)的設(shè)置，因此，需進(jìn)行雜豆種子物性參數(shù)的測(cè)定。

表6 種子碰撞恢復(fù)系數(shù)Table 6 Seed collision recovery factors

2.6 種子剛度系數(shù)、破碎力、彈性模量及剪切模量

5 種雜豆種子的破碎力和剛度系數(shù)差異性較大，結(jié)果如表7 所示：蠶豆種子的抗擠壓能力最大，最難發(fā)生破碎現(xiàn)象，破碎力約為393.630 N；綠豆的抗擠壓能力最小，破碎力約為60.300 N。種子抵抗變形的能力越大，發(fā)生一定彈性變形所需要的應(yīng)力也越大，豌豆的剛度系數(shù)、彈性模量及剪切模量均最大，大豆均最小，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大豆的破裂方式主要是兩片子葉開(kāi)裂所致。由于豆類(lèi)種子均為雙子葉作物，種子破裂將直接影響種子的發(fā)芽率，這為雜豆排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供了主要依據(jù)。

表7 種子剛度系數(shù)、破碎力、彈性模量及剪切模量Table 7 Seed stiffness coefficient, crushing force, elastic modulus and shear modulus

3 結(jié)論

通過(guò)測(cè)量，得出雜豆種子主要的排種物理機(jī)械特性參數(shù)：雜豆種子三軸尺寸差異性較大，其中雜豆種子尺寸長(zhǎng)、寬、厚95%置信區(qū)間分別為：大豆8.792～8.879 mm、7.601～7.671、5.859～5.946 mm；綠豆4.733～4.824 mm、3.548～3.604 mm、3.584～3.640 mm；豌豆6.241～6.324 mm、6.019～ 6.099 mm、5.902～5.981 mm；紅豆8.025～8.161 mm、5.779～5.849 mm、5.744～5.815 mm；蠶豆20.914～21.309 mm、15.487～15.780 mm、8.257～8.406 mm。種子三軸尺寸的測(cè)量為排種器型孔的形狀及尺寸提供理論數(shù)據(jù)支持。

雜豆種子千粒重、含水率和密度的測(cè)量為研究種子的空氣動(dòng)力學(xué)特性以及氣力式排種器氣壓、腔室容積的確定等提供依據(jù)，其中雜豆種子千粒重差異性較大，蠶豆千粒重最大，綠豆千粒重最??；豌豆的含水率和密度最大，蠶豆的含水率和密度最小。

雜豆種子在PVC 板上的靜摩擦系數(shù)最小，除蠶豆外，其他種子與種子間的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)均最大，而蠶豆在尼龍材料上的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)最大，在鋼板材料上的動(dòng)摩擦系數(shù)最小，摩擦系數(shù)的測(cè)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運(yùn)動(dòng)速度的確定、運(yùn)動(dòng)形式的選擇提供計(jì)算依據(jù)。

5 種雜豆種子中，蠶豆的抗擠壓能力最大，綠豆的抗擠壓能力最??；豌豆的剛度系數(shù)、彈性模量及剪切模量均最大，大豆均最小。