玉米种子与排种器接触参数的测定

栗霞飞，刘 飞，赵满全，张 涛，李凤丽，张 勇

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018 )

0 引言

玉米是我国北方地区主要种植的农作物之一，随着高产、抗逆的优良玉米杂交种不断选育成功与推广，水利设施的不断完善，化肥农药施用水平的提高[1]，以及各行各业需求的拉动，我国的玉米种植面积迅速增大，产量增长较快。玉米不管是食用、饲用还是工业用，在人们的生产生活中都起着不可替代的作用，所以研究玉米种子的各种特性参数是非常有必要的。

离散元法的研究对象主要是非连续介质的力学行为，是把离散体看作有限个离散单元的组合，包括颗粒和块体两大系统。每个系统又作为一个单元，根据每个系统间的作用和牛顿运动定律的交替迭代预测散体群的行为[2-4]。已有研究应用颗粒离散元法模拟了颗粒二维堆积问题，采用有级配的粒度分布的圆球颗粒群分析了颗粒摩擦因数、密度及粒度对堆积休止角的影响[5]。董玉秀采用混合正交试验方案研究了碰撞材料、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[6]。乔振先测定了水稻籽粒的含水率及水稻品种、水稻籽粒对不同滑板动摩擦特性的影响[7]。汪志城从摩擦学观点对滚动摩擦机理进行了探讨，认为滚动摩擦因数还需靠实测来确定[8]。S.M. Shafaei采用统计分析方法对小麦静态和动态摩擦因数进行了综合调查[9]。

本研究测定了玉米种子与排种盘、搅种轮、有机玻璃壳体的碰撞恢复系数和静摩擦因数，再以测定数值为调整依据，标定EDEM离散元软件仿真需要输入接触参数，以期为玉米秸秆离散元仿真输入参数的设置提供依据。离散元方法作为散粒物料计算机数值模拟的一种方法，广泛应用于播种机作业的计算机数值模拟。实践证明，较为准确的仿真输入参数能够提高模拟结果的精度[10-11]。

1 玉米种子本征参数测定

1.1 种子介绍

测量玉米种子的品种为赤峰市翁牛特旗玉龙种子有限公司培育的玉龙9号原种，种子纯度不低于96.0%，净度不低于99.0%，发芽率不低于92%，含水率不高于15.0%。该种子采用满适金、氟虫腈、苯醚甲环唑作为包衣材料进行药剂的处理。该品种株型半紧凑，生育期短，出籽率高，籽粒饱满，后期脱水快；植株保绿性好，中抗大斑病，高抗丝黑穗病、茎腐病，抗玉米螟，适合内蒙古自治区活动积温2 650°以上地区种植[12]。

1.2 三轴尺寸测量

应用精度为0.01mm外径千分尺测量250粒玉米种子的长、宽、高等3个尺寸，方法如图1所示。通过计算可得：玉米种子的长、宽、高的平均值分别为8.079、5.360、10.218mm，方差分别为0.420 9、0.393 6、0.611 5。玉米种子长、宽、高三轴尺寸的测量位置如图2所示。

图1 长、宽、厚测试方法

l、w、 h分别为玉米种子的长、宽、高。图2 玉米种子三轴尺寸测量位置

1.3 玉米种子质量与密度测定

选用精度为0.01g的电子天平测量1 000粒玉米种子质量(见图3)，重复10次试验取平均值，平均值为288.48g。

图3 玉米种子称重

应用精度为1mL的量筒测量30粒玉米种子体积(见图4)，重复5次试验。

密度的计算公式为

ρ=M/(v1-v0)

(1)

式中M——20粒种子的质量；

v0——未加种子时的体积；

v1——加种子后的体积。

测得5次试验平均值为222mL；计算得到1粒玉米种子的质量为0.288 48g，体积为0.222 mL；玉米种子的密度为1 298.35kg/m3。

图4 玉米种子体积测量

1.4 自然休止角测定

休止角反映了散粒物料的内摩擦特性和散落性能。休止角越大，内摩擦力越大，散落性越差，种子在箱体内越难流动，排种器排种不容易[13]。

试验测定采用的是上虞市探矿仪器厂生产的FT-104B型休止角测定仪，如图5所示。

图5 休止角测定仪

FT-104B型休止角测定仪是根据GB/T 11986——1989《表面活性剂 粉体和颗粒休止角的测量》规定设计制作，满足IS04324-1977要求[14-15]。FT-104B型休止角测定仪技术参数为：口径长度28 mm，漏斗下口内径10 mm，透明圆盘直径100 mm、高度25 mm，标尺最大行程150mm(精度为1 mm)。休止角(α)计算公式为

(2)

式中h——当平行标尺刚碰到试样锥体顶端时，枝干刻度尺上的度数即锥尖到基板的高度(mm)；

L——透明容器上端面底端离基板的高度(mm)；

R——透明容器内径(mm)。

其中，L、R是固定值,L=25mm，R=50mm。α测量10次，由公式(2)计算后取平均值，计算结果为30.84°

2 玉米种子与排种器接触参数测定

2.1 气吸式排种器结构分析

气吸式排种器结构如图6所示。

1.排钟盘 2.搅种轮 3.真空室 4.排种器前壳体 5.吸气管 6.刮种装置 7.排种室

2.2 气吸式排种器工作原理

气吸式排种装置由真空室和排种室两部分构成。真空室的作用是利用真空室产生的负压作业，将种子吸附到吸孔上，当负压作用消失时，玉米种子由排种管落入排种室进行排种作业。搅种装置可增加种子的流动性，防止种子出现架空现象。刮种装置的安装保证了每个吸孔吸附种子的数量[16-18]。

本研究测定玉米种子与排种盘、搅种轮、排种器前壳体的最大静摩擦因数和碰撞恢复系数。

2.3 静摩擦因数的测定

静摩擦因数测定应用为 CNY-1 型号斜面仪[19]，如图7所示。应用水平仪调节斜面仪水平度，分别将排种盘、搅种轮和有机玻璃作为被测物体固定在斜面仪上，缓慢提升斜面仪一端；当玉米种子在被测平面上开始发生滑动时，记录玉米种子滑动时斜面仪指示的角度α，通过计算公式(6)计算得到玉米种子与排种盘、搅种轮、有机玻璃接触时的最大静摩擦因数。斜面法测量最大静摩擦因数μ的装置及方法如图8所示。

根据公式得

f=F=mgsina

N=mgcosa

(4)

f=μN

(5)

将式(3)、式(4)代入式(5)中可得

(6)

每粒玉米试验6次，共试验20次，取平均值。通过测定得到单粒玉米与排种盘、搅种轮、有机玻璃接触时最大静摩擦角分别为29.2°、27.15°、21.95°；利用公式(6)经计算后得到玉米种子与排种盘、搅种轮、有机玻璃接触时的最大静摩擦因数分别为0.563、0.517、0.399，依次减小。

图7 斜面仪

图8 测试原理图

2.4 恢复系数的测定

两物体碰撞后的分离速度与碰撞前的接近速度成正比，这个比值称为恢复系数[20]。玉米种子与排种盘、搅种轮、有机玻璃、玉米种子之间的碰撞为非弹性碰撞，恢复系数小于1，不满足机械能守恒，部分能量转变为内能。恢复系数是衡量两个物体碰撞后恢复到原来形状能力的参数，恢复系数越大，说明被碰撞的物体恢复初始状态的能力就越强，弹性就越好。被测物体静止时，碰撞恢复系数e的公式为

e=|v2|/|v1|

(7)

其中，v1、v2分别为碰撞被测物体前、后玉米种子的绝对速度。碰撞前玉米种子做自由落体运动，接触被测物体时其速度表达式为

碰撞后玉米种子离开被测物件时速度为

其中，H1为玉米种子下落的起始高度；H2为玉米种子碰撞后弹起的高度。根据玉米种子下落高度与碰撞后弹起高度可计算可得碰撞恢复系数e，则

(10)

采用高度尺测量玉米种子与被测物体碰撞后弹起的高度，应用相机记录种子下落弹起的过程，分别将排种盘、搅种轮和有机玻璃固定在高度尺正下方，使得种子下落时正好落入排种盘、搅种轮和有机玻璃上[21-22]。恢复系数测定装置如图9所示。

1．高度尺 2．被测物体(分别为排种盘、搅种轮和有机玻璃) 3．相机图9 恢复系数测定装置

为了提高试验的准确性，试验时种子由固定高度H2处自由下落(H2=400mm)，与盘种盘、搅种轮和有机玻璃平面碰撞后弹起，由相机对弹起的种子录像[23]。试验结束后，用电脑视频软件对录像视频0.1倍慢放，选取弹跳效果好的玉米种子，记录其弹起的高度H2，分别测试40次玉米种子与排种盘、搅种轮、有机玻璃正碰撞时弹起的高度，根据碰撞恢复系数公式可计算出玉米种子与排种盘、搅种轮、有机玻璃的碰撞恢复系数分别为0.230，0.133，0.161。可见，玉米种子与排种盘碰撞的恢复系数最大，说明排种盘的恢复初始状态的能力很强，弹性也越好；相反，搅种轮的碰撞的恢复系数最小，说明搅种轮的恢复初始状态的能力弱，弹性也越差。

3 结论

1)通过使用千分尺、电子天平、斜面仪和休止角测定仪，经过多次测量、试验求取平均值，获得了玉米种子的本征参数和接触参数。

2)本征参数测试结果为：玉米种子的长、宽、高分别为8.079、10.218、5.360mm，休止角为30.22°，单粒玉米质量0.288 48g，密度为1 298.35kg/m3；

3)玉米种子的接触参数测试结果为：玉米种子与排种盘的碰撞恢复系数、最大静摩擦系数分别为0.230、0.563。，玉米种子与搅种轮的碰撞恢复系数、最大静摩擦因数分别为0.133、0.517，玉米种子与有机玻璃的碰撞恢复系数、最大静摩擦因数分别为0.161、0.399。

4)下一步工作中将测定的本征参数和接触参数作为依据，标定EDEM离散元软件仿真需要输入的接触参数，以期为玉米种子离散元仿真输入参数的设置提供依据。