两种油菜收获脱出物的物理机械特性及空气动力学特性测定与分析

施新新,吴崇友,李 骅，齐新丹*，原建博,梅占舰,胡 童

(1.南京工业大学,江苏 南京 211816;2.江苏省高等学校智能化农业装备重点实验室,江苏 南京 210031;3.农业部 南京农业机械化研究所,江苏 南京 210014;4.南京农业大学 工学院,江苏 南京 210031)

0 引言

油菜是我国一种重要的油料作物,且种植面积广、产量高。油菜的农艺和生物学特性制约了油菜机械化发展,目前大部分油菜收获作业采用人工的方法[1-2]。随着水稻、小麦等谷物联合收获机的不断普及,一些国内外企业在原有谷物联合收获机的基础上改型成油菜联合收获机,但是作业效果较差,出现较高损失率、高含杂率等问题[3]。因此，设计具有低损失率、低含杂率的油菜联合收获装备成为促进油菜作业机械化发展的重要课题。明确油菜收获脱出物的物理特性、空气动力学特性可以为设计油菜收获机具提供基础数据资料,不少学者进行了相关的研究，例如：黄小毛等[4]研究了碰撞材料、碰撞材料厚度、自由下落高度和含水率等因素对油菜籽粒恢复系数的影响规律,为油菜精密播种设备和油菜收获机的设计及性能分析提供了基础数据；马征等[5]研究了油菜收获脱出物悬浮速度的差异性,并设计出具有低摩擦、疏水疏油等特性的新型清选筛面；Bilanski W K等[6]对不同国家、不同油菜品种的荚壳和种子的物理特性进行了试验研究,并利用工艺值对品种进行了评价；Hazbavi I等[7]和Baran M F等[8]对不同品种油菜籽粒的平均直径、球度、表面积、孔隙度和摩擦系数等物理特性进行了研究,表明籽粒的物理特性与品种有直接关系；Molenda M等[9]研究了油菜种子单轴向的应力-应变关系,并建立了一种应力-应变的本构模型来描述颗粒群体的力学行为,并得到油菜籽粒的泊松比为0.10～0.24,弹性模量为6.6～9.0 MPa；Boac J M等[10]综述了油菜等谷物在离散元数值计算中所需要的物理特性及相互接触特性的基础数据,表明采用数值计算方法可以节约谷物流动特性的试验成本和时间。

但是前人只对单一且较老油菜品种的物理特性进行了研究,鲜有对油菜脱出物相互之间的作用进行研究,以及针对不同油菜品种的差异性研究也没有涉及。因此本文对沣油737和中农油6号这两种长江中下游地区主要油菜品种的收获脱出物的物理特性及空气动力学特性进行了测定与分析,以期为油菜联合收获装备的数值计算及试验研究提供合理可靠的原始物理参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试油菜品种为沣油737和中农油6号。对沣油737采用洋马4LZ-2.8全喂入联合收割机进行联合式收割;对中农油6号则采用4LZ-1.0改进型联合收割机进行分段式机械收割。将收集的两种油菜脱出物经四分法,随机选取一定样品进行物理特性和空气动力学特性的测定。

1.2 试验测量方法

1.2.1 物理特性

1.2.1.1 材料特性 随机取50个样品,用精度0.01 mm的游标卡尺对两种油菜脱出物(籽粒、荚壳、短茎秆)的三轴尺寸进行测量。取一定量(油菜籽粒取1 g,荚壳和短茎秆取5 g)的样品进行千粒重、密度、含水率测定,实验重复7次,其中根据GB/T 5519─2008谷物与豆类千粒重的测定方法[11]测定千粒重,采用容积法[12]测定密度,根据GB 5009.3─2016食品中水分的测定法[13]测定含水率。

1.2.1.2 物料相互接触特性 依据文献[14]中的斜面仪法测量静摩擦系数,根据库伦定理有静摩擦系数μ=tanθ,式中θ为静摩擦角,即斜面倾角。在不同物料组合的静摩擦系数试验中,用胶水将籽粒、荚壳、短茎秆分别紧密粘在3块铁片上,再用同样的方法制作3块斜面板,将每种物料铁片分别放在不同物料斜面上,缓慢地调节角度直至物料下滑(记录倾斜角θ),每组试验测量7次。

依据文献[15]中的方法测量恢复系数,在试验中用胶水将籽粒、荚壳、短茎秆分别紧密粘在3块碰撞板上,从投料口依次投入不同物料来进行不同物料之间的实验测定,每组试验测量7次。

依据文献[12,16]中的方法测量剪切模量,取单个样品(籽粒、荚壳、短茎秆)利用TMS-PRO质构仪进行力与变形量关系的测定,再根据以下公式进行计算,每次试验重复7次。

(1)

式(1)中：F为施加的力(N);A为无物料被压横截面的面积;L为在F作用下的变形;L为各成分初始厚度;为泊松比。

1.2.2 空气动力学特性 根据文献[17]中的方法测量悬浮速度。将待测脱出物放入放料口中,保证观察管中脱出物在风流的作用下处于悬浮状态,同时利用数字测风仪在测风口测出观察管底部小孔的气流速度V0,记录脱出物在观察管中悬浮的最大高度L1和最小高度L2,每次试验重复7次。悬浮速度的计算公式如下:

(2)

式(2)中:D0为观察管底部直径(m);L1为脱出物在观察管中悬浮的最大高度(m);L2为脱出物在观察管中悬浮的最小高度(m);V0为观察管底部气流速度(m/s);Vi为观察管任一截面的气流速度(m/s);θ为观察管的锥度(°)。

2 结果与分析

2.1 两个油菜品种脱出物的物理特性

2.1.1 油菜收获脱出物的三轴尺寸 两种油菜脱出物的三轴尺寸测量结果见表1。对比分析结果表明:两种油菜脱出物之间存在较大的差异性。其中沣油737的籽粒平均直径与中农油6号的基本一致,沣油737的荚壳较短较窄且长度范围较大,短茎秆较短较细;中农油6号的荚壳较长较宽,短茎秆直径较大,且长度和直径的范围也较大。对不同油菜收获脱出物的测量数据进行正态分布拟合,如图1～图3所示,结果表明中农油6号的正态分布拟合结果优于沣油737的。

2.1.2 油菜脱出物的千粒重、密度和含水率 从表2可以看出:沣油737和中农油6号籽粒的含水率、千粒重和密度基本一致;两种油菜荚壳的含水率、密度和千粒重都存在明显的差异性;两种油菜短茎秆的千粒重有较大的差异性,其余参数基本一致。

表1 两种油菜脱出物三轴尺寸的测定结果 mm

图1 油菜荚壳三轴尺寸的正态分布图

2.1.3 两个油菜品种脱出物的相互接触特性 由表3可知：两种油菜籽粒的恢复系数差异较大,其他参数基本一致,同时中农油6号的各脱出物的恢复系数普遍高于沣油737的;就静摩擦系数而言，在筛板与籽粒、荚壳、短茎秆三者之间，以及短茎秆与籽粒、荚壳之间都存在差异。由表4可见，两种油菜收获脱出物的剪切模量差异较大,其中沣油737各脱出物的剪切模量大于中农油6号的。

2.2 两个油菜品种脱出物的悬浮速度

由表5可知：两种油菜籽粒和短茎秆的悬浮速度基本接近,而荚壳与其他脱出物的悬浮速度有显著的差别。由于油菜籽粒与短茎秆的悬浮速度几乎相同,表明仅靠气流难以将荚壳与其他脱出物实现分离,故

在清选时还需要借助振动筛或者圆筒筛来达到筛分的目的。

图2 油菜籽粒平均直径的正态分布图

图3 油菜短茎秆三轴尺寸的正态分布图

3 小结与讨论

沣油737和中农油6号两种油菜收获脱出物的三轴尺寸存在较大的差异,其中中农油6号的三轴尺寸正态分布优于沣油737的。沣油737的籽粒直径为2.00 mm,荚壳长、宽、高分别为20.79、2.39、0.34 mm,短茎秆的直径、长度分别为26.60、1.97 mm;中农油6号的籽粒直径为1.98 mm,荚壳长、宽、高分别为51.94、2.95、0.30 mm,短茎秆的直径、长度分别为68.35、4.26 mm。

表2 两种油菜脱出物的含水率、千粒重和密度

表3 两种油菜脱出物的恢复系数

表4 两种油菜脱出物的剪切模量 MPa

表5 两种油菜脱出物的悬浮速度 m/s

两种油菜籽粒的含水率、千粒重和密度基本一致;荚壳的千粒重、含水率、密度和短茎秆的千粒重存在一定差异。两种油菜籽粒的恢复系数存在差异,其他参数基本一致,同时中农油6号脱出物的恢复系数普遍高于沣油737的;在筛板与籽粒、荚壳、短茎秆之间，以及短茎秆与籽粒、荚壳之间静摩擦系数都存在差异;两种油菜籽粒和荚壳的剪切模量都有明显差异。两种油菜收获脱出物各成分的悬浮速度基本一致,表明清选不同品种油菜时可以不考虑气流参数的调整。

对比分析结果表明油菜品种对籽粒、荚壳和短茎秆的物理特性有直接的影响。本文对油菜荚壳在脱粒和清选过程中的运动规律及其与其他脱出物之间相互作用的研究填补了该方面的空白。本文研究结果可以为油菜收获清选装备的数值计算和试验研究提供基础数据。

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