参种静摩擦系数刚度系数测量

文正彪+刘枫+张苏+张亮+王新阳

摘 要：为了深入探讨振动—气吸式人参播种机播种的运动情况，通过离散元软件建立播种模型，需测出人参种的力学参数：种子摩擦系数、种刚度系数、弹性模量、碰撞恢复系数等，以及建立模型加以仿真，导出工作过程，以期为气吸式人参播种机的运动情况提供借鉴。本文选取东北长白山地区参农常种植的人参样本主要是：西洋参、林下参、园参的参数测量试验。

关键词： 摩擦系数；刚度系数；人参种

中图分类号：S-3 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132002

引言

农作物种子的摩擦系数、刚度系数在种子的储存、运输等许多环节中都是一个至关重要的参数。无论是土壤耕作机械、作物收获机械还是粉碎机械等，影响其工艺过程发生变化的要素之一就是被加工物料在这些机械工作部件摩擦表面上的运动。因此，物料在工作部件之间的摩擦特性以及刚度对确定和选择工作表面的参数，使之有效地完成预定加工工艺是十分重要的；本文决定对振动气吸式人参播种机做参数优化性处理提前做贡献。

1 静摩擦系数的测量

1.1 实验设备

铁板、硬质塑料板、玻璃板、钢板尺、自制可调节倾斜试验台。

1.2 试验方法

在平整的桌面上放好自制实验台，调节好底板的水平度。用尺子测出竖直支架和倾斜支架的长度。取少许品种放在倾斜板上，让样本在不同的材料上由水平向下缓慢倾斜，直到样本滑出材料，测出支架两端的高度原理如图 2 所示。根据三角公式即可求出倾斜支架的角度。按照不同的人参品种分别于铁板、有机玻璃、硬质塑料板进行静摩擦试验，每组20次，最后取平均值作为参数。

对倾斜工作台上的人参种进行受力分析，画出动力学分析图，工作原理如图3所示。当种子在斜面上静止时，如果忽略空气阻力，它所受的力包括重力mg，支持力N，静摩擦力f与重力mg垂直于斜面的分力之比为静摩擦系数。

需要测量种子与某种板材的静摩擦系数时，把样品板放在倾斜支架进行固定，种子放在水平支架上然后缓慢放下倾斜支架，直到种子瞬间滑落，在人参种子滑落瞬间根据动力原理有：

f=F=mgsin；

N=mgcos；

F=μN；

所以，静摩擦系数μ=f/N=mgsin/mgcos=tan

根据原理图，只要测出试验台的H1、H2的高度，就能间接算出h1的高度，然后测量h1的高度，并且利用公式计算得到静摩擦系数。

1.3 试验结果

1.4 结论

选用的3种材料都是具有代表性，都是在做种箱时用到的材料。对于铁板而言西洋参的平均静摩擦系数最大，然后是园参。对于有机玻璃而言也是同样的结论，但对于塑料来说林下参的最大，然后是元参。整体而言有机玻璃、铁板、硬质塑料的静摩擦系数呈均匀性增加趋势。

2 刚度系数的测定

刚度是指材料、构件或结构在载荷作用下抵抗变形的能力，材料所受载荷与在载荷作用下产生的变形比值即为刚度系数。各向同性材料的刚度取决于它的拉压弹性模量 E和剪切弹性模量 G。结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、边界条件等因素以及外力的作用形式有关。农作物种子属于多相、非均匀、各向异性的材料，研究它的刚度完全用理论分析和计算的方法是比较困难的，一般均采用试验的方法来进行。在离散元法中，需要知道种子的法向刚度系数和切向刚度系数，限于试验条件，本文进行了3种不同品种不同放置方向刚度系数的测试。

2.1 实验设备

型号为RTC-3020D物性分析仪、 动态信号分析系统软件。

2.2 试验方法

人参的种子可近似为扁平立状的图形，不同品种其形态结构复杂，因此对其3轴都进行压缩试验人参种子进行轴向压缩试验时要求施加的载荷方向与压缩轴是同轴的不能使种子产生弯曲应力，其种子可按正放、立放、侧放3种不同形式进行压缩。

将物性分析仪器与电脑连接，打开电脑上动态信号分析软件。调整连接好仪器，在物性分析仪开始工作的时候用小镊子夹住人参种子按下动态信号分析仪软件的开始键，物性分析仪上对种子的压缩力随时间的关系将会在动态信号分析系统上以图形的形式呈现。

任意选取人参种子15～20粒，每种品种的含水率不同。设置压缩速度为2cm/min，分别对每种品种，不同方向进行压缩试验，测出数据，每种测量5次左右，在整个试验的过程中，物性分析仪会自动实时记录下作用在人参种子上的载荷、人参种子的形变和载荷作用的时间，还会以曲线的形式直观地在电脑上显示出载荷量Fn、作用时间 t 之间的关系。根据加载速率和作用时间算出种子变形量。最后将算果剔除特异数值后取平均值。然后根据公式：

分别算出林下参、园参、西洋参的刚度系数。

2.3 结论

种子的放置方式不同刚度系数不一样，不论品种都是正放时的刚度系数最大，立放时刚度系数最小。这可能是因为小麦种子正放时，种子与测试板接触面积最大，抵抗变形的能力较强；种子立放时，种子与测试板接触面积最小，且由于端部较细比较容易产生变形。

3 总结

对于同一种材料而言，林下参、园参、西洋参的静摩擦系数相差不大，不同的的材料摩擦系数有差别，硬质塑料的摩擦系数最大，普通铁板的静摩擦系数最小。

不同的人参品种在同样条件下的刚度系数也有明显的区别，说明种子品种的不同对刚度系数也会有一定影响。种子正放时刚度系数最大，因为受压面面积远大于侧面放置和立放，承受抵抗变形的能力最强，因此正放时刚度系数最大，其次是侧放，最后是立放。

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