玉米籽粒机械裂纹产生机理及影响因素分析

张新伟，易克传 安徽科技学院机械工程学院，安徽凤阳233100；玉米育种安徽省 工程技术研究院（安徽科技学院），安徽凤阳233100

刘向东 (新疆大学科学技术学院，新疆 阿克苏 843000)

赵学观 (北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

玉米是我国主要种植的粮食作物之一。不论是分段收获还是籽粒直收，都不可避免地存在机械损伤，其严重影响商品玉米的品质。机械损伤分为显性损伤和隐性损伤2种[1]。显性损伤是指玉米籽粒的破碎、破损等容易被发现的损伤形式，隐性损伤是指肉眼不易察觉的损伤形式，裂纹为其主要表现形式。存在机械裂纹的玉米籽粒抗挤压能力明显降低，容易使玉米籽粒吸水、受潮、发霉、生虫，甚至产生黄曲霉素等对人体有害的物质[2]。因此，系统研究玉米籽粒机械裂纹产生机理与规律，对减少机械裂纹的产生，提高玉米产品外观品质有重要意义。

近年来，对于玉米收获损伤的研究主要集中在以下几方面：收获原理研究[3～9]，机械裂纹的产生、扩展规律与检测的方法分析[10～19]，机械损伤，特别是机械裂纹对种用玉米籽粒发芽的影响规律研究[20,21]，玉米籽粒力学特性的研究[22～30]。分析发现，现有研究主要是从收获装备的角度研究机械裂纹，而玉米籽粒机械裂纹的产生除与收获装备的结构、装置有关外，还与品种、含水率、籽粒在果穗上的位置以及玉米果穗的类型等玉米自身的生物物理特性有关。为此，本研究从玉米自身的生物物理特性出发，对影响玉米籽粒机械裂纹产生的各因素进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

以辽丹526、辽丹565、郑单958等3个品种玉米作为试验材料，所有试材均来源于沈阳农业大学玉米研究所。

主要设备有5TYA-1型钉齿式玉米脱粒机、红外线水分测试仪、F617290游标卡尺和图像采集系统等。玉米籽粒均是自然干燥后通过5TYA-1型钉齿式玉米脱粒机进行脱粒得到，滚筒转速900～1000r/min。图像采集系统由灯箱系统和成像系统组成(图1)，其中成像系统由尼康SMZ800立体显微镜(放大范围0.75 ～ 7.5倍)、佳能PowerShot SX700 HS(1600万像素)和计算机(联想扬天T4900D，酷睿i3-7100，4G内存，500GB硬盘)等组成，该系统可以方便地调整图像倍数，获取玉米籽粒图像并对其上的机械裂纹数量和种类进行观察与分析。

1．灯泡；2．通光孔；3．玉米果穗；4．玻璃；5．遮光板；6．光箱；7．目镜；8．摄像头；9．支架；10．微型计算机；11．反射光源；12．透射光源；13．物镜；14．载物台图1 图像采集系统结构示意图

1.2 试验方法

1.2.1 玉米籽粒三轴尺寸及其对机械裂纹产生的影响

1.冠部;2.腹面;3.背面;4.侧面图2 玉米籽粒外形尺寸示意图

图3 玉米果穗部位划分

随机选取辽丹526、辽丹565、郑单958玉米籽粒各100粒，用游标卡尺测其长度H、宽度B、厚度T，如图2所示。分别记录其存在单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒数，试验重复3次。

1.2.2 含水率对玉米籽粒机械裂纹产生的影响

将籽粒的含水率处理为3个范围：10%～15%、16%～20%和21%～25%。选取大小相近、含水率不同的3个品种玉米果穗各100穗。脱粒后用红外线水分测试仪测其含水率，每个品种随机取100粒，并记录产生单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒数量，试验重复3次。

1.2.3 果穗不同部位对玉米籽粒机械裂纹产生的影响

图4 玉米籽粒果穗类型

选取大小、粗细相近的3个品种玉米果穗各100穗。将玉米果穗分成上、中、下3部分[31]，如图3所示。在测试任一部分之前，先用人工脱粒的方式将其余2部分的玉米籽粒脱掉。用脱粒机对玉米果穗分别进行脱粒，在得到的3组玉米籽粒中分别随机选取100粒，分别记录其单裂纹、双裂纹和龟裂纹玉米籽粒数量，试验重复3次。

1.2.4 果穗类型对玉米籽粒机械裂纹产生的影响

根据李心平[31]的研究，将玉米果穗类型分为4种：长筒型、短筒型、长锥型和短锥型，如图4所示。选取不同类型的3个品种玉米果穗各100穗，分别对4种类型玉米果穗进行脱粒，分别收集并随机选取100粒玉米籽粒，记录出现单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒数，试验重复3次。

2 结果与分析

2.1 玉米籽粒三轴尺寸及其对机械裂纹产生的影响

表1 不同品种玉米籽粒三轴尺寸的测定

对3个品种玉米籽粒进行三轴尺寸测定，结果如表1所示。从长度来看,以郑单958的长度最大，为10.06mm，比辽丹526长0.56mm，辽丹565的长度最短，仅为8.78mm；从宽度来看,以郑单958最宽，为8.74mm，较辽丹526宽0.51mm，辽丹565宽度最小，仅为7.66mm；从厚度来看,辽丹526为5.62mm，仅比郑单958厚0.22mm，辽丹565厚度值最小，仅为5.11mm。从三轴尺寸的数据可以看出，郑单958总体优于辽丹526和辽丹565，辽丹526优于辽丹565。不同品种玉米籽粒外观差异显著。

3个品种玉米对应的机械裂纹数量见表2。从表2可以看出，辽丹526玉米籽粒单裂纹、双裂纹和龟裂纹均值分别为32、7.67、16.67；辽丹565玉米籽粒单裂纹、双裂纹和龟裂纹均值分别为22.33、4.67、6；郑单958玉米籽粒单裂纹、双裂纹和龟裂纹均值分别为18、5.33、9.33。

从测定结果可知：玉米籽粒的三轴尺寸对机械裂纹的产生影响显著。对于同一品种，存在单裂纹的玉米籽粒数量最多，其次为龟裂纹，存在双裂纹的玉米籽粒数量最少；对于不同品种，辽丹526存在裂纹的玉米籽粒数量普遍高于辽丹565和郑单958，这可能与辽丹526为马齿型而辽丹565和郑单958为半马齿型玉米有关。

表2 不同品种玉米籽粒的机械裂纹数量

2.2 含水率对玉米籽粒机械裂纹产生的影响

含水率对玉米籽粒机械裂纹产生的影响如表3所示。从表3可以看出，当含水率为10%～15%时，辽丹526、辽丹565和郑单958产生单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒平均数量依次为18.33、15.33、15.67；18.67、10.67、13.67；18.67、16、16；当含水率为16%～20%时，辽丹526、辽丹565和郑单958产生单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒平均数量依次是含水率为10%～15%时各类裂纹的94.5%、69.6%、76.6%；66.0%、121.8%、97.5%；96.4%、79.2%、75%；当含水率为21%～25%时，辽丹526、辽丹565和郑单958产生单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒平均数量依次是25、24、21.67；23.67、24、18.67；25、21.33、23.33。

表3 含水率对玉米籽粒机械裂纹产生的影响

从测定结果可知，含水率对玉米籽粒机械裂纹的产生影响显著。当含水率在21%～25%时，机械脱粒后产生机械裂纹的玉米籽粒数量最多，其次为10%～15%，含水率在16%～20%时，产生机械裂纹的玉米籽粒数量最少。分析认为当含水率较高时，玉米籽粒与果穗穗芯之间的连接力较大，脱粒时需要更多的能量，导致产生机械裂纹的玉米籽粒数量增多；当含水率较低时，玉米籽粒的脆性增大，蠕性减小，脱粒时籽粒受到脱粒部件的打击强度相对增加，产生的机械裂纹随之增加。

2.3 果穗不同部位对玉米籽粒机械裂纹产生的影响

玉米果穗上不同部位的籽粒机械脱粒后产生的裂纹数量如表4所示。从表4可以看出：辽丹526、辽丹565、郑单958在果穗下部产生单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒平均数量依次为18.67、12.33、15.67；15.33、13、14.33；18、18.67、19；辽丹526、辽丹565、郑单958在果穗中部产生单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒平均数量依次为下部产生裂纹的66.1%、70.3%、72.3%；71.8%、74.4%、69.8%；64.8%、57.2%、73.7%；辽丹526、辽丹565、郑单958在果穗上部产生单裂纹、双裂纹和龟裂纹的玉米籽粒平均数量依次为下部产生裂纹的51.8%、43.2%、55.3%；56.6%、61.5%、62.8%；50%、37.5%、43.9%。

表4 玉米果穗不同部位对籽粒机械裂纹产生的影响

分析发现，果穗的不同位置对机械裂纹的产生影响显著。收获过程中，玉米果穗的下部产生的机械裂纹籽粒数量最多，其次为中部，玉米果穗上部产生机械裂纹的玉米籽粒数量最少。这可能与玉米果穗上部呈圆锥形、且其直径小于果穗下部，收获作业时所受脱粒部件冲击强度较弱，籽粒的损伤程度较轻，导致产生机械裂纹的玉米籽粒数量较少。

2.4 果穗类型对玉米籽粒机械裂纹产生的影响

不同类型玉米果穗机械脱粒后产生的机械裂纹数量如表5所示。从表5可以看出，长筒型、短筒型玉米果穗在机械脱粒后产生单裂纹、双裂纹及龟裂纹的粒数均值分别为21.67、13.33、9.67；28.67、19.33、13.33。长锥形、短锥形玉米果穗在机械脱粒后产生单裂纹、双裂纹及龟裂纹的粒数均值分别为17.67、11、10.67；23.33、15、11.67。

表5 玉米果穗不同类型对籽粒机械裂纹产生的影响

从测定结果可知，不同类型玉米果穗对机械裂纹的产生影响显著。短筒型玉米果穗在机械脱粒后产生的机械裂纹数量最多，其次为短锥形，再次为长筒型，长锥形玉米果穗产生的裂纹数量最少。

3 结论与讨论

1)品种对玉米籽粒产生机械裂纹数量差异显著；同一玉米品种，单裂纹玉米籽粒数量最多，其次为龟裂纹，双裂纹玉米籽粒数量最少；不同玉米品种中，辽丹526存在机械裂纹的玉米籽粒数量普遍高于辽丹565和郑单958。

2)含水率对玉米籽粒机械裂纹的产生影响显著。含水率在21%～25%时，机械脱粒后玉米裂纹数量最多，其次为10%～15%，含水率在16%～20%时，玉米裂纹数量最少。

3)玉米果穗下部位置的籽粒脱粒后产生的裂纹数最多，其次为中部，在上部产生的裂纹最少。

4)短筒型玉米果穗在机械脱粒后产生的裂纹数量最多，其次为短锥形，长锥形玉米果穗产生的裂纹数量最少。

5)本研究仅从品种、含水率、玉米果穗的不同位置和玉米穗的类型等自身生理特性对玉米籽粒机械裂纹产生的影响进行研究，未涉及玉米脱粒装置对其产生的影响。