白明超，李 驊，齊新丹*，徐蘇陽(yáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210031;3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,江蘇 南京 210031)

0 引言

胡蘿卜(Daucuscarrot),又稱紅蘿卜或甘荀,是一種傘形科二年生草本植物,其肉質(zhì)根可作蔬菜食用[1]。胡蘿卜產(chǎn)量高、耐儲(chǔ)藏且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,生食或熟食均可,還可榨汁、腌制、醬漬、制干或作飼料,李時(shí)珍稱之為“菜疏之王”。荷蘭將胡蘿卜列為“國(guó)菜”,日本人將胡蘿卜稱作“長(zhǎng)壽菜”,我國(guó)也將其譽(yù)為“土人參”[2]。隨著生活水平的提高,人們對(duì)胡蘿卜的需求量越來(lái)越大。我國(guó)胡蘿卜的常年種植面積達(dá)47萬(wàn)hm2,居世界第一；但根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)與2016《中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒》的統(tǒng)計(jì),我國(guó)由于胡蘿卜種植農(nóng)藝水平的限制,平均單產(chǎn)卻排名較為落后[3]。

在胡蘿卜機(jī)械化生產(chǎn)過(guò)程中,種植是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。而精密排種器是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化種植的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)精密排種器則需要種子的各項(xiàng)物性參數(shù)。明確胡蘿卜種子的各項(xiàng)物理特性參數(shù),可以為胡蘿卜精量播種機(jī)的研究提供可靠的依據(jù)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水稻、玉米、大豆等農(nóng)作物及類(lèi)球形蔬菜種子進(jìn)行了大量的物理特性研究[4-7],但對(duì)不規(guī)則小粒種子的物理特性研究還鮮有報(bào)道。為了獲取胡蘿卜種子的基本物理力學(xué)特性,我們對(duì)兩種胡蘿卜種子的物理特性進(jìn)行了對(duì)比研究,以期為相關(guān)研究提供依據(jù)與參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選取兩種胡蘿卜種子作為測(cè)試對(duì)象,一種是中國(guó)廣泛種植的新黑田五寸參胡蘿卜種子，另一種是從內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院蔬菜所針對(duì)西北種植區(qū)新研制的金紅六號(hào)胡蘿卜種子；對(duì)這兩種種子進(jìn)行人工篩選,挑出無(wú)破損種子。

1.2 種子三軸尺寸的測(cè)定

種子的形狀和尺寸直接影響種子的流動(dòng)性,決定播種裝置排種孔徑的大小。隨機(jī)從挑選出來(lái)的種子中各選取100粒樣品,采用精度0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)煞N胡蘿卜種子的長(zhǎng)度、寬度和厚度。

1.3 千粒重、密度及含水率的測(cè)定

千粒重不僅能體現(xiàn)種子的飽滿程度,而且能通過(guò)千粒重準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際所需的播種量。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》[8]對(duì)兩種胡蘿卜種子的千粒重進(jìn)行取樣測(cè)定。取1000粒種子,重復(fù)試驗(yàn)測(cè)量3次,若測(cè)量重復(fù)誤差小于5%,則取其平均數(shù)。密度和含水率是種子的物理重要特性。采用容積法[9]測(cè)定兩種胡蘿卜種子的密度。含水率按照《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程：水分測(cè)定(GB/T 3543.6─1995)》[10]中的方法進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)采用低恒溫105 ℃、12 h一次烘干,再放入含有變色硅膠的干燥器中冷卻30 min,稱量記錄。

1.4 靜摩擦系數(shù)的測(cè)定

靜摩擦系數(shù)指的是物體克服靜摩擦力作用即將產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)作用于物體上的切向力和垂直方向上的力的比值。由庫(kù)倫定理得物料靜摩擦系數(shù)與靜摩擦角的關(guān)系式為:

μ=tanθ

上式中:μ為靜摩擦系數(shù)；θ為靜摩擦角。

在農(nóng)業(yè)物料學(xué)[9]中通過(guò)斜面儀法進(jìn)行靜摩擦系數(shù)的測(cè)量。本文應(yīng)用類(lèi)似原理自制簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行兩種胡蘿卜種子靜摩擦系數(shù)的測(cè)量,其原理如圖1所示。

在不同物料組合的靜摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)中,分別用雙面膠帶將胡蘿卜種子緊密地粘貼在很輕的鐵片上,每種種子用相同的方法制作一塊物料斜面,將帶種子的鐵片物料分別放到斜面上,轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿直至物料緩慢下滑,記錄傾斜角θ,并通過(guò)查表得到接觸表面間的靜摩擦系數(shù),每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)7次。

1.5 恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定

種子的恢復(fù)系數(shù)是反映種子碰撞時(shí)變形恢復(fù)能力的參數(shù),其定義為種子碰撞后法向分離速度與碰撞前法向接近速度的比值[11]，即:

Cr=μn/Vn

上式中:Cr為恢復(fù)系數(shù)；μn為物料碰撞后的法向分速度(m/s);Vn為物料碰撞前的法向分速度(m/s)。

依據(jù)文獻(xiàn)[12]中的測(cè)量方法,用自行研制的恢復(fù)系數(shù)測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)定,測(cè)量示意圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)中用雙面膠帶將胡蘿卜種子緊密粘在一塊碰撞板上,從投料口依次投入胡蘿卜種子來(lái)進(jìn)行不同物料之間的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,每組實(shí)驗(yàn)測(cè)量7次。

1.鉸鏈(3處);2.基座;3.斜板;4.胡蘿卜種子;5.角度尺;6.支桿;7.調(diào)節(jié)滑塊;8.驅(qū)動(dòng)桿;9.鎖定器;10.旋轉(zhuǎn)手柄。

圖2 種子恢復(fù)系數(shù)測(cè)量示意圖

1.6 剪切模量的測(cè)定

剪切模量[13]指的是材料在剪切應(yīng)力作用下,在彈性變形比例極限范圍內(nèi),剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值,即：

上式中：G為剪切模量；E為彈性模量;μ為泊松比。其中的彈性模量E[13]是材料在彈性變形階段其應(yīng)力和應(yīng)變的比值,即：

上式中：F為施加的力(N);A為物料被壓橫截面的面積;ΔL為在F作用下的材料變形厚度;L為材料的初始厚度。

隨機(jī)選取單粒胡蘿卜種子,利用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量其彈性模量,得到樣品的力與變形量位移曲線圖。泊松比為材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值,用常規(guī)試驗(yàn)測(cè)量泊松比很繁瑣。陳莉等[14]發(fā)現(xiàn)離散單元法中泊松比的取值對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不明顯,因此,根據(jù)文獻(xiàn)[15]的試驗(yàn)結(jié)果取胡蘿卜種子的泊松比為0.25。對(duì)每種種子進(jìn)行7次測(cè)量,最終計(jì)算各個(gè)成分的剪切模量。

1.7 休止角的測(cè)定

休止角是種子從一定高度自由滑落到水平面上所形成的圓錐體的斜面與底部直徑所構(gòu)成的夾角,與種子摩擦特性有關(guān),主要用于確定種箱結(jié)構(gòu)。通過(guò)不銹鋼無(wú)底圓筒測(cè)試種子的自然休止角,隨機(jī)各選取2000粒兩種胡蘿卜種子,人工去雜去芒；不銹鋼圓筒規(guī)格為直徑20 mm,長(zhǎng)度60 mm,圓筒勻速上升速度[16]設(shè)為0.05 m/s,以降低圓筒抖動(dòng)造成的誤差。試驗(yàn)重復(fù)7次,并進(jìn)行自然休止角的測(cè)量。

2 測(cè)定結(jié)果與分析

對(duì)兩種胡蘿卜種子的三軸尺寸進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表1。從表1可以看出：兩種胡蘿卜種子的三軸尺寸存在差異性,金紅六號(hào)胡蘿卜種子的長(zhǎng)度分布在3.6～4.9 mm,新黑田五寸參胡蘿卜種子的長(zhǎng)度分布在3.9～5.0 mm,兩者差異不大。金紅六號(hào)胡蘿卜種子的寬度分布在1.6～2.3 mm,新黑田五寸參胡蘿卜種子的寬度分布在1.3～2.0 mm,前者較后者更寬一些。金紅六號(hào)胡蘿卜種子的厚度分布在0.60～1.15 mm,新黑田五寸參胡蘿卜種子的厚度分布在0.95～1.40 mm,前者局部尺寸更為分散,后者更為集中，且后者的總體厚度比前者更大。對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合，結(jié)果如圖3所示,表明新黑田五寸參的正態(tài)分布略優(yōu)于金紅六號(hào)。

表1 兩種胡蘿卜種子三軸尺寸的測(cè)定結(jié)果 mm

圖3 胡蘿卜種子三軸尺寸的正態(tài)分布分析結(jié)果

兩種胡蘿卜種子千粒重、密度與含水率的測(cè)量結(jié)果如表2、表3所示，兩種胡蘿卜種子的千粒重、密度與含水率存在一定的差異性,金紅六號(hào)胡蘿卜種子的各項(xiàng)參數(shù)略大于新黑田五寸參胡蘿卜種子。

表2 兩種胡蘿卜種子千粒重的測(cè)定結(jié)果

表3 兩種胡蘿卜種子密度與含水率的測(cè)定結(jié)果

兩種胡蘿卜種子物料間靜摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定結(jié)果如表4所示。由表4可知：兩種胡蘿卜種子的靜摩擦系數(shù)存在一定差異,金紅六號(hào)種子間及其與鋼板間的靜摩擦系數(shù)均比新黑田五寸參大,因此更容易吸附在型孔上,但在吸種時(shí)需要攪種裝置；兩種胡蘿卜種子與種子間的恢復(fù)系數(shù)相差不大,但金紅六號(hào)種子與鋼板之間的恢復(fù)系數(shù)比新黑田五寸參的略大。

表4 兩種胡蘿卜種子物料間靜摩擦系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定結(jié)果

對(duì)兩種胡蘿卜種子的剪切模量和休止角進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如表5所示。兩種胡蘿卜種子的剪切模量存在較大差異,金紅六號(hào)種子的剪切模量大于新黑田五寸參的,說(shuō)明金紅六號(hào)種子的剛性更大,在設(shè)計(jì)攪種裝置時(shí)需要使用塑性材料。兩種胡蘿卜種子的休止角存在一定差異,金紅六號(hào)種子的休止角大于新黑田五寸參的,表明金紅六號(hào)種子的表面不夠光滑,在設(shè)計(jì)種箱時(shí),其壁面與水平面的夾角應(yīng)大于31°。

表5 兩種胡蘿卜種子剪切模量與休止角的測(cè)量結(jié)果

3 總結(jié)

本文對(duì)兩種胡蘿卜種子的物理特性進(jìn)行了測(cè)量,獲得了相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可為相關(guān)研究提供參考。對(duì)兩種胡蘿卜種子的物理參數(shù)對(duì)比分析得出:

兩種胡蘿卜種子的三軸尺寸存在一定的差異性,多樣本測(cè)量顯示,三軸尺寸基本上呈正態(tài)分布,新黑田五寸參胡蘿卜種子三軸尺寸的正態(tài)分布情況優(yōu)于金紅六號(hào)胡蘿卜種子。金紅六號(hào)胡蘿卜種子的平均長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為4.37、1.96、0.87 mm,新黑田五寸參胡蘿卜種子的平均長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為4.49、1.56、1.19 mm。

兩種胡蘿卜種子的千粒重、密度與含水率等參數(shù)相差不大,金紅六號(hào)胡蘿卜種子的千粒重、密度與含水率平均值分別為2.012 g、0.70 g/cm3、8.23%,新黑田五寸參胡蘿卜種子的千粒重、密度與含水率平均值分別為1.986 g、0.65 g/cm3、8.01%,金紅六號(hào)胡蘿卜種子的各項(xiàng)參數(shù)略大于新黑田五寸參胡蘿卜種子。

兩種胡蘿卜種子與種子間的恢復(fù)系數(shù)基本一致,金紅六號(hào)種子與鋼板之間的恢復(fù)系數(shù)比新黑田五寸參的略大。兩種胡蘿卜種子的靜摩擦系數(shù)與剪切模量都有明顯差異,金紅六號(hào)胡蘿卜種子的這2項(xiàng)參數(shù)均大于新黑田五寸參胡蘿卜種子,表明在排種試驗(yàn)中使用金紅六號(hào)胡蘿卜種子時(shí)要添加攪種裝置。金紅六號(hào)胡蘿卜種子的休止角大于新黑田五寸參,因此在設(shè)計(jì)種箱時(shí)要將壁面設(shè)計(jì)得更加傾斜，以有利于充種。