玉米芽种物理特性试验研究

邹奇睿，张伟

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319）

玉米芽种物理特性试验研究

邹奇睿，张伟

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319）

为提高北方芽种播种机播种精度，减小对种子的损伤，需深入了解玉米芽种物料特性。对黑龙江省垦区常用的2种玉米品种兴垦3号与德美亚1号的几何尺寸、弹性模量、恢复系数进行测量。结果表明：玉米种子三轴尺寸随含水量呈线性变化，芽种弹性模量范围为0.08～0.25 GPa，恢复系数分别为0.516、0.453。为玉米精密播种机的设计与种子运动规律的探究提供参考。

玉米；芽种；物理特性；试验

玉米是我国种植面积最大的旱田作物，是我国重要的粮食、饲料作物和工业原材料之一［1］。其中黑龙江省玉米种植面积超过9 000万hm2居全国之首，黑龙江省玉米生产的机械化、标准化、规模化管理水平全国领先［2］。黑龙江省地处高寒区受北方寒地气候影响，为提高种子出苗能力，延长生长周期，玉米移栽技术已逐渐成为发展趋势。因此，为提高钵育全程机械化程度，学者们展开了对芽种精密播种技术的研究。江苏大学对水稻、番茄、油菜包衣种子进行物理特性研究测得包衣种子的几何特性、力学特性及流动特性，为仿真物料种群在磁吸式滚筒排种器震动种箱内的种子运动规律提供理论依据［3］；中国农业大学的于恩中对水稻芽种基础物料的特性进行试验与研究并由此确定了气吸式播种机种盘的吸孔尺寸以及种子在播种过程中的受力情况［4-5］；我校科研团队对黑龙江省常用的几种水稻进行不同含水率下的水稻芽种物理特性试验研究，得到不同含水率的几何尺寸、休止角、自流角的变化趋势［6-7］。然而以上研究均是对包衣种子或水稻芽种进行试验研究，目前针对玉米芽种物理特性的相关研究较少。

为此，针对黑龙江省垦区常用的2个玉米品种的物理特性进行试验研究，得到玉米芽种的几何特性、弹性模量、恢复系数的取值范围，为玉米精量播种装置的优化以及精密排种器工作过程中玉米种子颗粒运动规律的仿真研究提供理论依据。

1 试验材料

研究选用黑龙江省垦区常用的玉米品种：兴垦3号、德美亚1号为研究对象。为确保试验的准确性，试验前先对种子进行筛选除去干瘪种子，选择饱满均匀的籽粒作为研究对象。将种子浸泡水分达到饱和，在25℃左右温度下进行催芽，催芽约36 h，待种子露白，取芽长2～3 mm的种子作为实验对象［8］。

2 物理特性研究

2.1 几何特性

玉米播种机精密排种器与种子直接接触，因此种子的几何尺寸直接影响了排种器的结构参数，研究种子几何特性便于分析种子在排种器内的各种状态。种子的三维坐标如图1所示。

图1 种子三维坐标系Fig.1Seed dimensional coordinate system

2.1.1 试验方法

随机选取2种种子的干种和芽种各100粒，在长、宽、厚3个方向上，用游标卡尺进行测量，每次试验重复3次，取平均值。

2.1.2 实验数据结果分析

玉米催芽播种时含水率范围通常在23%～25%，以25%含水率的玉米芽种和干玉米种子同时进行研究。

（1）干种子几何尺寸分布

由图2、3可知，2种种子的长、宽、高度都服从正态分布。种子长度主要分布在9.5～10.5 mm间，其余向两边递减，种子长度分布范围为7.5～12.5 mm。其中兴垦3号种子宽度主要分布在8.5～9.5 mm之间，种子宽度分布范围为5.9～11.5 mm。德美亚1号种子宽度主要分布在8～8.5 mm之间，种子宽度分布范围为6.2～10.8 mm。种子厚度主要分布在5～6 mm之间，种子厚度分布范围为3.5～8.8 mm。

图2 兴垦3号干种尺寸分布Fig.2Size distribution of Xingken No.3 dry seeds

图3 德美亚1号干种尺寸分布Fig.3Size distribution of Demeiya No.1 dry seeds

（2）芽种几何尺寸分布

由图4、5可知，2种芽种在长、宽、高度上的分布服从正态分布，芽种长度主要分布在11.5～12.5 mm之间，其余分布向两边递减，芽种长度分布范围为9.8～14.5 mm。兴垦3号芽种宽度主要分布在10～11 mm之间，芽种宽度分布范围为7.5～12.5 mm。德美亚1号芽种宽度主要分布在8.5～9.5 mm之间，芽种宽度分布范围为7～12.5 mm。芽种在厚度上分布服从正态分布，芽种厚度主要分布在5.5～6.5 mm之间，芽种厚度分布范围为4～9 mm。

图4 兴垦3号芽种尺寸分布Fig.4Size distribution of Xingken No.3 germination seeds

图5 德美亚1号芽种尺寸分布Fig.5Size distribution of Demeiya No.1germination seeds

（3）干种子与芽种尺寸变化

干种催芽后其尺寸变化如图6、7所示，2种种子浸种后长、宽、厚度增长比例基本一致，干种子与浸种催芽后的芽种的尺寸呈线性相关（其中相关系数：兴垦3号R2=0.923 5，德美亚1号R2=0.975 9），兴垦3号和德美亚1号关系式分别为：

图6 兴垦3号干种子与芽种尺寸比较Fig.6Size comparison of Xingken No.3seeds and germination seeds

图7 德美亚1号干种子与芽种尺寸比较Fig.7Size comparison of Demeiya No.1 seeds and germination seeds

2.2 弹性膜量

种群随排种器运动时，种子间、种子与排种器间存在相互作用力。种子由于运动而受到挤压损伤，损伤的种子充种后直接影响出苗率。因此，为提高出苗率避免种子在排种器中挤压损伤，需确定种子弹性模量的范围。弹性模量是反应弹性颗粒刚度的一个重要力学指标，它反映了种子受力时应力和应变之间的关系［9］。

2.2.1 试验方法

试验采用WDW-200型微控电子万能试验机对玉米种子的弹性模量进行测量，试验机构如图8。

图8 WDW-200E型微控电子万能试验机Fig.8WDW-200E Micro-controlled electronic universal testing machine

试验选取两种型号种子的干种和芽种各20粒，将种子分别放在试验机底座中央，在压头与种子还有一定距离时选用50 mm·min-1的加载速度，在压头距离种子10 mm左右时暂停机器，将加载速度调为为5 mm·min-1向下运动，直到压头接触种子并进行按压，此时要观察电脑显示的试验力-变形曲线，当曲线超过种子的屈服强度后，按停止键。将压头升起结束加载。

2.2.2 实验数据结果分析

不同品种种子因种子形状、品质的差异，其试验力-变形曲线也有所区别。以玉米干种子与含水率为25%的玉米芽种为例。选取典型的种子的试验力-变形曲线分别如图9～10所示。

由图可知，曲线主要分为AB、BC、CD、DE四个阶段。在AB阶段时，可以看出力与位移呈线性关系，此时种子处于弹性形变阶段。BC阶段是种子的破碎阶段，在B点种子开始出现破损，随着变形量的增大种子开始屈服变形，达到C时种子破碎。CD阶段破碎的种子逐渐被压扁，DE阶段随着力的不断施加，种子被压扁直至粉末。由于种子间的个体差异，因此每粒种子其试验力-变形曲线也有所不同，通过试验测得干种的屈服点对应的弹性模量在1.10～2.12 GPa之间，B点弹性模量为1.24 Gpa，含水率在25%芽种对应的弹性模量在0.08～0.25 GPa之间，B点弹性模量为0.11 Gpa，降低幅度为1.13 Gpa。

由图11可知，随着含水率的增加弹性模量呈减小趋势。

图9 干种试验力-变形曲线Fig.9Test force-deformation curve of dry seeds

图10 芽种试验力-变形曲线Fig.10Test force-deformation curve of germination seeds

图11 弹性模量随含水率变化关系Fig.11The variation between elastic modulus and water content

2.3 恢复系数

播种时，不论充种、清种还是投种过程，种子会与相邻种子或与排种器壁发生碰撞，发生碰撞后的种子运动轨迹会发生改变，影响充种和投种率。因此为探究种群在排种器中的运动规律需确定种子的恢复系数。农业物料学里，将恢复系数定义为：碰撞后相互远离的两物体质心的速度模量与碰撞前两者相互接近时的速度模量在两表面接触点的共同法线上的投影之比，表示为Cr［10］。即，

μn-颗粒物料碰撞后的法向分速度（m·s-1）

υn-颗粒物料碰撞后的方向分速度（m·s-1）

2.3.1 试验方法

关于弹性物体恢复系数的测量方法，前人做了大量的研究，试验采用一种基于运动学方程原理的测试方法［11］，测试装置如图12所示。碰撞板与水平成45°角，碰撞板的高度可以自由调节，颗粒从投料口投下，投料高度也可调节。

图12 测试装置Fig.12Testing device

使颗粒从A点无初速度下落，经过时间t，与碰撞板相碰撞。设颗粒碰撞前垂直速度为v0，碰撞后的水平分量为ux，垂直分量uy，碰撞后下落h1段的时间为t1，颗粒到底板表面的水平平均测量距离为S1，下落高度若为h2，则对应时间为t2水平平均测量距离为S2。根据运动学原理，有

其中g-重力加速度（m·s-2）

由（1）可得，颗粒在碰撞点处碰撞前的速度

由（2）可得，颗粒在碰撞点处碰撞后的速度，

由（4）得，颗粒物料碰撞后的法向分速度，）

由于碰撞板与水平成45°角，因此颗粒物料碰撞前的法向分速度，

因此颗粒的恢复系数可表示为

试验选取大小均匀的干种、芽种各10粒，调节测试设备高度使A点距碰撞板的高度H为200 mm，第一次碰撞高度h1为300 mm，第二次碰撞高度h2为260 mm。对种子碰撞后的水平距离进行测量，每次试验重复3次，取平均值。

2.3.2 实验数据结果分析

测量所得的种子水平距离和计算的种子恢复系数如表1、2所示。兴垦3号的恢复系数为0.547，芽种恢复系数为0.516，变化率为5.66%；德美亚1号的恢复系数为0.475，芽种恢复系数为0.453，变化率为4.6%，变化率很小。

表1 德美亚1号恢复系数Table 1Coefficient of restitution of corn DeMeiya No.1

表2 兴垦3号恢复系数Table 2Coefficient of corn XingKen No.3

3 结论

对黑龙江省常垦区用的两种玉米种子及其芽种进行了物理特性的试验研究，测得了一定含水率下的玉米芽种几何特性及力学特性。结果如下：

（1）干种子与芽种的几何尺寸成正态分布，不同品种间的玉米种子尺寸差异不大，不同品种玉米干种子的长宽厚度分布范围基本一致，但不同品种种子宽度存在一定差异。干种子浸种催芽后尺寸增加，且几何尺寸成线性相关。其中兴垦3号干、芽种三轴尺寸线性关系为y=0.691 4x+1.987，德美亚1号干、芽种三轴尺寸线性关系为y=1.119 8x+0.162 1，因此在芽种育秧播种机型孔设计中，应充分考虑芽种尺寸的变化。

（2）干种子的弹性膜量范围在1.10～2.12 GPa之间。在一定含水率下，芽种的弹性膜量范围在0.08～0.25 GPa之间。与干种子相比芽种弹性模量降低，承载压力能力下降，在排种装置设计过程中，要充分考虑型孔尺寸、型孔轮转速等因素改变后造成种子间压力对芽种的损伤。

（3）受种子形状、品质的影响，不同品种种子的恢复系数略有不同。兴垦3号芽种的恢复系数为0.516，德美亚1号芽种的恢复系数为0.453，相对其干种恢复系数的变化率都很小，在排种装置设计时，暂不考虑芽种碰撞系数对排种器充种角度和投种高度的影响。

［1］王舒，李玉颖.黑龙江省玉米种植情况概述［J］.新农村，2013（20）：78-78.

［2］张铁强，王翊，王任杰，等.黑龙江垦区玉米种植概况［J］.吉林农业，2014（3）：30-30.

［3］周春健.基于离散元法磁吸滚筒式排种器种群运动规律研究［D］.镇江：江苏大学，2013.

［4］袁月明，吴明，于恩中，等.水稻芽种物料特性的研究［J］.吉林农业大学学报，2003，25（6）：682-684.

［5］于恩中.水稻芽种物料特性的试验研究［D］.长春：吉林农业大学，2004.

［6］赵丹华，李国琳.玉米烘干过程中表面温度场有限元分析［J］.长春大学学报，2015（10）：36-40.

［7］陶桂香.机械式水稻植质钵盘精量播种装置机理与参数研究［D］.大庆：黑龙江八一农垦大学，2012.

［8］于海明，汪春，张伟，等.水稻植质钵育秧盘蒸汽干燥装置进出物料系统的研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2013，25（1）：24-27.

［9］崔建新，贾文英，鲁玉杰，等.温度对玉米象飞行能力的影响［J］.河南科技学院学报，2015，43（2）：24-29.

［10］张波屏.现代种植机械工程［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［11］王成军，李耀明，马履中，等.小麦籽粒碰撞模型中恢复系数的测定［J］.农业工程学报，2012，28（11）：274-278.

Experimental Study on the Physical Characteristics of Corn Germination

Zou Qirui，Zhang Wei
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To improve the accuracy of the North bud seed planting，reduce the damage of seed，the material properties of corn bud seed were required to study deeply.The geometry size，elastic modulus and coefficient of two kinds of common corn，Xingken No.3 and Demerya No.1 in Heilongjiang reclamation were tested.The results showed that the size of maize seed three axis changed linearly with water content，the range of bud for elastic modulus was 0.08～0.25 GPa，recovery coefficient were 0.516，0.453 respectively.It would provide reference for the design of precision seeding machine and the motion rule of corn seed.

corn；germination seeds；physical characteristics；test

S223.2+6

A

1002-2090（2016）04-0079-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.018

2015-03-18

教育部高校博士点基金（玉米植质钵育移栽机械关键装置的理论研究与试验：20092305110002）。

邹奇睿（1990-），女，黑龙江八一农垦大学工程学院2012级硕士研究生。

张伟，男，教授，博士研究生导师，E-mail：zhang66wei@126.com。