我国南方两种水稻脱出物物理特性测定与分析

原建博，吴崇友，李 骅，齐新丹，肖星星，施新新

(1.南京工业大学 机械与动力工程学院，南京 211816；2.农业部南京农业机械化研究所，南京 210031；3.南京农业大学 工学院，南京 210031)

我国南方两种水稻脱出物物理特性测定与分析

原建博1，吴崇友2，李 骅3，齐新丹1，肖星星1，施新新1

(1.南京工业大学 机械与动力工程学院，南京 211816；2.农业部南京农业机械化研究所，南京 210031；3.南京农业大学 工学院，南京 210031)

水稻收获时，脱粒后混合物主要包括谷粒、瘪谷和短茎秆等，混合物的基础物理特性直接影响其筛分和清选效果。混合物的物理特性数据为相关农业机器的数字化精确设计与数值计算提供了基本的理论参数。通过实验方法，对我国南方中早39号早稻和C两优华占杂交晚稻收获脱出物的含水率、千粒质量、密度、三轴尺寸、静摩擦因数及恢复系数等基本物理参数进行测定，并进行了统计分析与对比研究，得到了两种水稻脱出物相关物理特性参数的具体值，确定了物料的三轴尺寸。研究表明：两种水稻脱出物物理特性存在差异，主要是由于品种、收获季节的差异性造成的，该研究还可为水稻脱出物颗粒流动及相关研究提供参考。

中早39号早稻 ；C两优华占杂交晚稻 ；物理特性；测定与分析

0 引言

水稻是我国主要粮食作物之一，种植面积约3 000万hm2，约占世界水稻种植面积21%，产量占世界总产量的27.5%。其中，黑龙江、江苏、安徽、湖北等水稻种植大省机收水平均超90%，湖南、广东、广西等水稻机收水平也都超过了70%[1]。水稻机械化收获时，一次性完成稻谷切割、脱粒、清选分离工作，收获后还需运输、贮存，这些工作均需装备完成；但现阶段对于装备的设计往往忽略不同水稻品种物理性能的差异性，导致国产农业装备的寿命及精确度往往不如国外机型[2-3]。为了设计出较为精确的水稻收获及收获后的相关作业装备，必须对我国多品种、多时令的水稻收获脱出物的千粒质量、含水率、密度、各物料间的摩擦因数及恢复系数等物性参数进行测定研究，以积累我国自己的有关水稻物性参数方面的数据，为我国水稻农业机器的研究提供可靠的理论依据。

於海明[4]等对不同含水率的籼稻的物理特性参数进行了实验测定，通过实验得出了特种稻谷(籼稻)的物理特性随其含水率的变化普遍存在一定的规律性。李洪昌[5]等研究了水稻籽粒的有关物理特性，为有关水稻生产机械的设计提供合理和可靠的原始物理参数。刘艳艳[6]等研制了一种农业物料悬浮速度测定试验台，测定了水稻收获脱出物的悬浮速度，对水稻清选装备的研究具有一定的指导意义。H.Tavakoli[7]等对伊朗种植的两个品种水稻秸秆的力学性能进行了研究，分析对比后发现：两种水稻在力学特性上有显著差异，同一品种水稻的剪切强度和弹性模量都随取样高度的增加而减小。Tinghua Li[8]等通过两架高速摄像机记录不规则颗粒从不同角度下落撞击钢板并弹回过程的轨迹，通过轨迹计算碰撞前后的动量，从而间接得到不规则物体的恢复系数。Yang Ling[9]等对西南地区3种杂交水稻包衣稻种的容积密度、粒子密度、恢复系数和漂浮系数等物理特性进行研究，得到了包衣稻种在不同影响因素和各因素不同水平条件下物理特性的具体数值。

前人研究表明：对于不同时令、不同水稻品种，其收获脱出混合物物理特性表现出一定的差异性。我国南方部分地区多为泥脚田、种植双季稻，因农时需要，收获时要求抢收抢种，对相关农业机器的要求更高，但是相关南方地区水稻品种的物理特性的研究报道不多。因此，本文选取南方两种水稻品种，研究其脱出物物理特性，并进行对比研究，以期为相关研究提供依据与参考。

1 试验材料与物理特性测量方法

南方两种水稻：①2016年7月23日7:00于浙江永康通过四方4LZ-1.5全喂入联合收割机(割副1.5m)收获中早39号早稻25m，共获得水稻50kg，杂余2.6kg，产量13 320kg/hm2。②2016年11月17日13:00于江苏南京通过雷沃谷神GERG40收割机(割副2m)收获C两优华占杂交晚稻25m，共获得水稻72.8kg，杂余4.8kg，产量15 375kg。

对两种水稻脱出物的样品经四分法处理后，根据《农业机械实验条件测定方法的一般规定》[10]，对两种水稻脱出物含水率与千粒质量进行取样测定。根据文献[11]中的密度测定方法，对两种水稻脱出物密度进行取样测定。对两种水稻脱出物经四分法处理后分别随机选取50个样品,用精度0.01mm游标卡尺对两种水稻脱出物(谷粒、瘪谷、短茎秆)三维坐标进行测量。其中，谷粒和瘪谷测量长度、宽度和厚度，短茎秆测量长度和直径。

1.1 静摩擦系数测定

由库伦定理得物料静摩擦因数与静摩擦角的关系式为

μ=tanθ

(1)

静摩擦角通过自制简易实验台求得，原理图与实物图如图1、图2所示。

1.铰链(3处) 2.基座 3.斜板 4.物料 5.角度尺 6.支杆 7.调节滑块 8.驱动杆 9.锁定器 10.旋转手柄图1 静摩擦测量示意图Fig.1 Static friction measurement schematic diagram

1.物料 2.钢板 3.支杆 4.底座 5.调节螺杆图2 静摩擦测量实物图Fig.2 Static friction measuring physical figure

实验中，分别用胶水将谷粒、瘪谷、短茎秆紧密地粘贴在铁板上，每种水稻用相同的方法制作3块物料斜面，将每种物料分别放到斜面上，转动调节杆直至物料缓慢下滑，记录倾斜角，并通过查表得到接触表面间的静摩擦因数，每组实验重复7次。

1.2 简恢复系数测定

农业物料学[11]里，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，即

Cr=μn/Vn

(2)

式中μn—物料碰撞后的法向分速度(m/s)；

Vn—物料碰撞前的法向分速度(m/s)。

本文恢复系数测定采用文献[12]测量方法，在实验中分别用胶水将谷粒、瘪谷、短茎秆紧密地粘贴在铁板上，每种水稻用相同的方法制作3块物料斜面，将每种物料分别放到碰撞板上，进行不同物料间实验测定，每组实验重复7次。

2 测定结果与分析

1)根据第1章测定方法，得到两种水稻脱出物含水率与千粒质量及密度测量结果，如表1、表2所示。根据表1、表2测量结果可得：两种水稻瘪谷的含水率和千粒质量、短茎秆的密度等参数存在一定差异性，谷粒、短茎秆的含水率和千粒质量、谷粒和瘪谷的密度等参数基本一致。

2)按照第1章中测量方法对两种水稻脱出物三轴尺寸进行测量，结果如表3所示。对两种水稻物料三轴坐标进行对比分析表明，两种水稻三轴尺寸存在很大差异性。其中，C两优华占杂交晚稻谷粒、瘪谷较长较窄，短茎秆直径较细且长度变化范围较大；中早39号早稻谷粒、瘪谷较短较宽，短茎秆直径较粗。对测得数据进行正态分布拟合(见图3～图5)，结果如表4所示。结果表明：中早39号早稻正态分布情况优于C两优华占杂交晚稻，最终确定中早39号早稻谷粒及瘪谷平均长、宽、高尺寸分别为7.9、3.2、2.4mm和7.8、3.3、2.2mm；短茎秆平均长、直径尺寸分别为48、3mm。C两优华占杂交晚稻谷粒及瘪谷平均长、宽、高尺寸分别为9.2、2.3、2mm和9.2、2.7、1.1mm；短茎平均秆长、直径尺寸分别为52、1.8mm。

3)按照1.1、1.2节的测定方法对两种水稻脱出物物料间静摩擦因数和恢复系数进行测定，测得结果如表5所示。分别对两种水稻脱出物物料的静摩擦因数、恢复系数进行对比分析，如图6所示。结果表明：两种水稻静摩擦系数除谷粒与短茎秆、短茎秆与短茎秆之间的参数略有差异外，其他物料间参数基本一致。两种水稻恢复系数除谷粒与谷粒、瘪谷与短茎秆、短茎秆与短茎秆之间的参数略有差异外，其他物料间参数基本一致，如图7所示。

表1 两种水稻含水率与千粒质量测定结果

表2 两种水稻密度测定结果

表3 两种水稻三轴尺寸测定结果

图3 谷粒三轴尺寸正态分布分析结果Fig.3 Normal distribution analysis results of grain three axis

图4 瘪谷三轴尺寸正态分布分析结果Fig.4 Normal distribution analysis results of shriveled grain three axis

图5 短茎杆三轴尺寸正态分布分析结果Fig.5 Normal distribution analysis results of short stalk three axis表4 两种水稻三轴尺寸正态分布分析结果Table 4 Normal distribution analysis results of two kinds of rice three axis

测量对象测量项目一般尺寸/mm中早39号早稻C两优华占杂交晚稻分布概率/%中早39号早稻C两优华占杂交晚稻谷粒长7.75～8.508.50～9.757880宽3.10～3.602.20～2.509086厚2.10～2.601.80～2.057688瘪谷长7.25～8.508.00～9.759282宽3.10～3.602.40～2.907280厚0.95～1.500.90～1.358492短茎秆长35.00～60.0020.00～45.008664直径2.25～4.001.00～1.758074

表5 两种水稻物料间静摩擦系数、恢复系数测定结果

续表5

图6 两种水稻静摩擦系数对比分析Fig.6 The static friction coefficient analysis of two rice

图7 两种水稻恢复系数对比分析Fig.7 The recovery coefficient analysis of two rice

3 总结

1)两种水稻瘪谷的含水率和千粒质量、短茎秆的密度等参数存在一定差异性，谷粒、短茎秆的含水率和千粒质量、谷粒和瘪谷的密度等参数基本一致。

2)两种水稻三轴尺寸存在较大差异性，多样本测量显示，其尺寸呈正态分布，中早39号早稻正态分布情况优于C两优华占杂交晚稻。中早39号早稻谷粒、瘪谷平均长宽高分别为7.9、3.2、2.4mm和7.8、3.3、2.2mm；短茎秆平均长和直径分别为48、3mm。C两优华占杂交晚稻谷粒、瘪谷平均长宽高分别为9.2、2.3、2mm和9.2、2.7、1.1mm；短茎秆长和直径平均值分别为52、1.8mm。

3)两种水稻静摩擦因数除谷粒与短茎秆、短茎秆与短茎秆之间的参数略有差异外，其他物料间参数基本一致；恢复系数除谷粒与谷粒、瘪谷与短茎秆、短茎秆与短茎秆之间的参数略有差异外，其他物料间参数基本一致。

[1] 杨火才. 南方水稻种植和收获机械化发展对策探究[J]. 农业科技与信息,2016(19):30.

[2] 康洪灿，李国生，钏兴宽，等.水稻生产全程机械化对品种的要求[J].中国稻米,2015(4):191-192.

[3] 朱德峰，陈惠哲，徐一成，等.我国双季稻生产机械化制约因子与发展对策[J].中国稻米,2013(4): 1-4.

[4] 於海明. 特种稻谷(籼稻)物理特性的实验测定[D].南京:南京农业大学, 2006.

[5] 李洪昌，高芳，李耀明，等.水稻籽粒物理特性测定[J].农机化研究,2014(3):23-27.

[6] 刘艳艳，李耀明，徐立章，等.水稻悬浮速度试验研究[J].农机化研究,2010,32(2):149-151.

[7] H. Tavakoli, Mohtasebi S S, Jafarili A, et al. Physical and mechanical properties of wheat straw as influenced by moisture content[J].International Agrophysics,2009(23):175-181.

[8] Tinghua Li, Zhang J, Ge W. Simple Measurement of Restitution Coefficient of Irregular Particles[J].China Particuology Science & Technology of Particles,2004,6(2):274-275.

[9] Ling Y, Jin Y M, Qingdong L, et al. Exper imental study on physical properties of coated rice seed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2005,21(9):7-11.

[10] 中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T5262-2008农业机械实验条件测定方法的一般规定[S].北京:中国标准出版社,2008.

[11] 周祖锷.农业物料学[M].北京:中国农业出版社, 1994.

[12] 杨明金，杨玲，李庆东.颗粒物料恢复系数简易测量方法及其应用[J].农机化研究,2009,31(10):25-27.

Determination and Analysis of Two Kinds of Threshed Rice Physical Properties in South China

Yuan Jianbo1, Wu Chongyou2, Li Hua3, Qi Xindan1, Xiao Xingxing1, Shi Xinxin1

(1.Nanjing Tech University, Nanjing 211816,China; 2.NanJing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture,Nanjing 210031,China; 3.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

After the rice harvest, threshing mixture including grain、shriveled grain、short stalk etc., the basic physical properties of the mixture directly influence its sieving and cleaning performance. Physical properties of the mixture data provides the basic theory for related machine design and the numerical calculation parameter, lay a foundation for related digital precision design of farm machinery.we study threshed rice‘s physical properties including of Zhongzao 39 early rice and C Liangyouhuazhan late rice in southern China by the experimental measurement and theoretical analysis method. The basic physical properties parameters including moisture content, grain size, density, triaxial, static friction coefficient and recovery coefficient, shear modulus, etc.We get the exact value of the two kinds of rice related parameters, determined the materials of three axis.The results showed that different varieties of threshed rice physical characteristics were differences.The results of the study can provide reference for rice particle flow and related research.

zhongzao 39 early rice; c liangyouhuazhan cross-fertilize late rice;physical properties; determ ination and analysis

2017-01-05

农业部现代农业装备重点实验室开放项目(201602004)；国家自然科学基金项目(51305182)

原建博(1992-),男(满族),河北承德人，硕士研究生,(E-mail)335943408@qq.com。

齐新丹(1997-),女，山东德州人，副教授，硕士生导师,硕士，(E-mail) 1710863381@qq.com。

S225；S183

A

1003-188X(2018)02-0154-06