两种胡萝卜种子物理特性的测定与分析

白明超，李 骅，齐新丹*，徐苏阳，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.南京农业大学 工学院,江苏 南京 210031)

0 引言

胡萝卜(Daucuscarrot),又称红萝卜或甘荀,是一种伞形科二年生草本植物,其肉质根可作蔬菜食用[1]。胡萝卜产量高、耐储藏且营养价值高,生食或熟食均可,还可榨汁、腌制、酱渍、制干或作饲料,李时珍称之为“菜疏之王”。荷兰将胡萝卜列为“国菜”,日本人将胡萝卜称作“长寿菜”,我国也将其誉为“土人参”[2]。随着生活水平的提高,人们对胡萝卜的需求量越来越大。我国胡萝卜的常年种植面积达47万hm2,居世界第一；但根据联合国粮食和农业组织(FAO)与2016《中国农业年鉴》的统计,我国由于胡萝卜种植农艺水平的限制,平均单产却排名较为落后[3]。

在胡萝卜机械化生产过程中,种植是重要的一个环节。而精密排种器是实现机械化种植的关键,设计精密排种器则需要种子的各项物性参数。明确胡萝卜种子的各项物理特性参数,可以为胡萝卜精量播种机的研究提供可靠的依据。

目前,国内外学者对水稻、玉米、大豆等农作物及类球形蔬菜种子进行了大量的物理特性研究[4-7],但对不规则小粒种子的物理特性研究还鲜有报道。为了获取胡萝卜种子的基本物理力学特性,我们对两种胡萝卜种子的物理特性进行了对比研究,以期为相关研究提供依据与参考。

1 实验材料与测量方法

1.1 实验材料

本实验选取两种胡萝卜种子作为测试对象,一种是中国广泛种植的新黑田五寸参胡萝卜种子，另一种是从内蒙古农牧科学院蔬菜所针对西北种植区新研制的金红六号胡萝卜种子；对这两种种子进行人工筛选,挑出无破损种子。

1.2 种子三轴尺寸的测定

种子的形状和尺寸直接影响种子的流动性,决定播种装置排种孔径的大小。随机从挑选出来的种子中各选取100粒样品,采用精度0.01 mm的游标卡尺测量两种胡萝卜种子的长度、宽度和厚度。

1.3 千粒重、密度及含水率的测定

千粒重不仅能体现种子的饱满程度,而且能通过千粒重准确计算实际所需的播种量。根据《农业机械实验条件测定方法的一般规定》[8]对两种胡萝卜种子的千粒重进行取样测定。取1000粒种子,重复试验测量3次,若测量重复误差小于5%,则取其平均数。密度和含水率是种子的物理重要特性。采用容积法[9]测定两种胡萝卜种子的密度。含水率按照《农作物种子检验规程：水分测定(GB/T 3543.6─1995)》[10]中的方法进行测定。试验采用低恒温105 ℃、12 h一次烘干,再放入含有变色硅胶的干燥器中冷却30 min,称量记录。

1.4 静摩擦系数的测定

静摩擦系数指的是物体克服静摩擦力作用即将产生滑动时作用于物体上的切向力和垂直方向上的力的比值。由库伦定理得物料静摩擦系数与静摩擦角的关系式为:

μ=tanθ

上式中:μ为静摩擦系数；θ为静摩擦角。

在农业物料学[9]中通过斜面仪法进行静摩擦系数的测量。本文应用类似原理自制简易实验台，进行两种胡萝卜种子静摩擦系数的测量,其原理如图1所示。

在不同物料组合的静摩擦系数实验中,分别用双面胶带将胡萝卜种子紧密地粘贴在很轻的铁片上,每种种子用相同的方法制作一块物料斜面,将带种子的铁片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θ,并通过查表得到接触表面间的静摩擦系数,每组实验重复7次。

1.5 恢复系数的测定

种子的恢复系数是反映种子碰撞时变形恢复能力的参数,其定义为种子碰撞后法向分离速度与碰撞前法向接近速度的比值[11]，即:

Cr=μn/Vn

上式中:Cr为恢复系数；μn为物料碰撞后的法向分速度(m/s);Vn为物料碰撞前的法向分速度(m/s)。

依据文献[12]中的测量方法,用自行研制的恢复系数测试装置进行测定,测量示意图见图2。试验中用双面胶带将胡萝卜种子紧密粘在一块碰撞板上,从投料口依次投入胡萝卜种子来进行不同物料之间的实验测定,每组实验测量7次。

1.铰链(3处);2.基座;3.斜板;4.胡萝卜种子;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2 种子恢复系数测量示意图

1.6 剪切模量的测定

剪切模量[13]指的是材料在剪切应力作用下,在弹性变形比例极限范围内,剪切应力与应变的比值,即：

上式中：G为剪切模量；E为弹性模量;μ为泊松比。其中的弹性模量E[13]是材料在弹性变形阶段其应力和应变的比值,即：

上式中：F为施加的力(N);A为物料被压横截面的面积;ΔL为在F作用下的材料变形厚度;L为材料的初始厚度。

随机选取单粒胡萝卜种子,利用TMS-PRO质构仪测量其弹性模量,得到样品的力与变形量位移曲线图。泊松比为材料横向应变与纵向应变的比值,用常规试验测量泊松比很繁琐。陈莉等[14]发现离散单元法中泊松比的取值对试验结果影响不明显,因此,根据文献[15]的试验结果取胡萝卜种子的泊松比为0.25。对每种种子进行7次测量,最终计算各个成分的剪切模量。

1.7 休止角的测定

休止角是种子从一定高度自由滑落到水平面上所形成的圆锥体的斜面与底部直径所构成的夹角,与种子摩擦特性有关,主要用于确定种箱结构。通过不锈钢无底圆筒测试种子的自然休止角,随机各选取2000粒两种胡萝卜种子,人工去杂去芒；不锈钢圆筒规格为直径20 mm,长度60 mm,圆筒匀速上升速度[16]设为0.05 m/s,以降低圆筒抖动造成的误差。试验重复7次,并进行自然休止角的测量。

2 测定结果与分析

对两种胡萝卜种子的三轴尺寸进行测量,测量结果如表1。从表1可以看出：两种胡萝卜种子的三轴尺寸存在差异性,金红六号胡萝卜种子的长度分布在3.6～4.9 mm,新黑田五寸参胡萝卜种子的长度分布在3.9～5.0 mm,两者差异不大。金红六号胡萝卜种子的宽度分布在1.6～2.3 mm,新黑田五寸参胡萝卜种子的宽度分布在1.3～2.0 mm,前者较后者更宽一些。金红六号胡萝卜种子的厚度分布在0.60～1.15 mm,新黑田五寸参胡萝卜种子的厚度分布在0.95～1.40 mm,前者局部尺寸更为分散,后者更为集中，且后者的总体厚度比前者更大。对测得的数据进行正态分布拟合，结果如图3所示,表明新黑田五寸参的正态分布略优于金红六号。

表1 两种胡萝卜种子三轴尺寸的测定结果 mm

图3 胡萝卜种子三轴尺寸的正态分布分析结果

两种胡萝卜种子千粒重、密度与含水率的测量结果如表2、表3所示，两种胡萝卜种子的千粒重、密度与含水率存在一定的差异性,金红六号胡萝卜种子的各项参数略大于新黑田五寸参胡萝卜种子。

表2 两种胡萝卜种子千粒重的测定结果

表3 两种胡萝卜种子密度与含水率的测定结果

两种胡萝卜种子物料间静摩擦系数和恢复系数的测定结果如表4所示。由表4可知：两种胡萝卜种子的静摩擦系数存在一定差异,金红六号种子间及其与钢板间的静摩擦系数均比新黑田五寸参大,因此更容易吸附在型孔上,但在吸种时需要搅种装置；两种胡萝卜种子与种子间的恢复系数相差不大,但金红六号种子与钢板之间的恢复系数比新黑田五寸参的略大。

表4 两种胡萝卜种子物料间静摩擦系数、恢复系数的测定结果

对两种胡萝卜种子的剪切模量和休止角进行测定,测定结果如表5所示。两种胡萝卜种子的剪切模量存在较大差异,金红六号种子的剪切模量大于新黑田五寸参的,说明金红六号种子的刚性更大,在设计搅种装置时需要使用塑性材料。两种胡萝卜种子的休止角存在一定差异,金红六号种子的休止角大于新黑田五寸参的,表明金红六号种子的表面不够光滑,在设计种箱时,其壁面与水平面的夹角应大于31°。

表5 两种胡萝卜种子剪切模量与休止角的测量结果

3 总结

本文对两种胡萝卜种子的物理特性进行了测量,获得了相关基础数据,可为相关研究提供参考。对两种胡萝卜种子的物理参数对比分析得出:

两种胡萝卜种子的三轴尺寸存在一定的差异性,多样本测量显示,三轴尺寸基本上呈正态分布,新黑田五寸参胡萝卜种子三轴尺寸的正态分布情况优于金红六号胡萝卜种子。金红六号胡萝卜种子的平均长度、宽度、厚度分别为4.37、1.96、0.87 mm,新黑田五寸参胡萝卜种子的平均长度、宽度、厚度分别为4.49、1.56、1.19 mm。

两种胡萝卜种子的千粒重、密度与含水率等参数相差不大,金红六号胡萝卜种子的千粒重、密度与含水率平均值分别为2.012 g、0.70 g/cm3、8.23%,新黑田五寸参胡萝卜种子的千粒重、密度与含水率平均值分别为1.986 g、0.65 g/cm3、8.01%,金红六号胡萝卜种子的各项参数略大于新黑田五寸参胡萝卜种子。

两种胡萝卜种子与种子间的恢复系数基本一致,金红六号种子与钢板之间的恢复系数比新黑田五寸参的略大。两种胡萝卜种子的静摩擦系数与剪切模量都有明显差异,金红六号胡萝卜种子的这2项参数均大于新黑田五寸参胡萝卜种子,表明在排种试验中使用金红六号胡萝卜种子时要添加搅种装置。金红六号胡萝卜种子的休止角大于新黑田五寸参,因此在设计种箱时要将壁面设计得更加倾斜，以有利于充种。