油葵籽粒物理特性的测定

马少腾,朱兴亮,2,张学军,2,于蒙杰,2,靳 伟,2,张宝安,白圣贺

(1.新疆农业大学 机电工程学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室,乌鲁木齐 830052)

0 引言

油葵作为位列大豆、油菜和花生之后的我国第四大油料源作物,在农作物中占据着重要地位,播种面积达到80万hm2,超过总面积的60%,原因是由于油葵具有较强的耐盐碱性、抗旱性及适应性。油葵适合我国的新疆、甘肃、内蒙古、黑龙江、山东、河北等相对干旱、盐碱性大的地区大面积播种,其他省区也有小部分种植[1]。

影响油葵产量大小的决定性因素之一是机械化收获的效率。对于油葵收获机械装备而言,脱粒装置是不可缺少的。目前,我国农业机械中脱粒方式多种多样,但从脱粒装置的形式特点来看,可分为切流式脱粒滚筒和轴流式脱粒滚筒。其工作原理均是采用凹板筛与脱粒滚筒之间相对运动对农作物产生外力进行搓擦、碾压、撞击,从而达到脱粒的目的。虽然这种方式可以达到脱粒的效果,但同时也成为了油葵籽粒发生破碎、破损的主要因素;而损伤的油葵籽粒会滋生霉菌,影响收获产量及葵花油的品质,甚至影响了下一年油葵的播种[2]。为此,进行了油葵籽粒的物理特性测定,旨在为农业机械装备提供合理可靠的设计依据。

1 油葵籽粒的物理特性

1.1 油葵品种及基础特性

油葵S31号在新疆普遍种植,选择新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州吉木萨尔县油葵种植地作为试验对象,如图1所示。

图1 油葵种植地Fig.1 Oil-sunflower planting ground。

该种植地的种植时间为2018年4月26日,成熟日期为2018年9月11日。采用的种植模式为一膜三行,油葵的株距为20cm。为避免机械损伤油葵,采收方式选择为人工采收。采用的方法为五点取样法(GB/T 5262-2008):在四方形的试验区域内找到两条对角线,两条对角线产生的交点作为1个取样点,之后在两对角线上距4个顶点距离域为对角线长1/4处取另外4点作为取样点,每点为2.5m×2.5m,选取每个取样点中的所有植株进行测量。

对最后采收下来的油葵盘进行物理特性的测定。葵盘的基本物理特性测定如下:葵盘直径为180～220mm,葵盘厚度为25～30mm,单个葵盘的质量为300～380g。根据含水率的测量[3-4],得出油葵盘的含水率为29.59%,如表1所示。

表1 油葵盘的含水率测定Table 1 Determination of moisture content in oil sunflower pan。

1.2 籽粒的三维几何尺寸及含水率

油葵籽粒主要包括籽粒壳和籽粒仁两个部分。籽粒壳由外果皮、中果皮、内果皮组成;籽粒仁即油葵的种子部分,由胚、子叶及种皮组成,如图2所示。油葵籽粒的含油量为65%～75%,且籽粒仁占整个油葵籽粒含油量的45%～60%。但现存的榨油技术不需要将壳仁分离,脱粒过程中保证油葵籽粒的完整性,防止其破损及发生霉化,影响品质。

1.外果皮 2.中果皮 3.内果皮 4.种皮 5.胚 6.子叶图2 油葵籽粒图Fig.2 Oil sunflower seed map。

根据图形比较法,油葵籽粒可以看做成锥体形状,靠近尖端为头,靠近圆大头部分为底。籽粒最大长度为a,最大宽度为b,最大高度为h。测量时,选择游标卡尺测量,精确度为0.01mm。为了保证试验的准确性,在确定每个被测数据时,均采用3次测量求平均值,得到实测数。油葵籽粒三维数据的定义,长度a为6.2mm,宽度b为3.74mm,高度h为12.58mm,如图3所示。

图3 油葵籽粒三维定义图Fig.3 Three-dimensional definition of oil sunflower seeds。

根据油葵籽粒试验组选择上海一恒科技有限公司的电热恒温鼓风干燥箱对油葵籽粒进行干燥称重,如图4所示。油葵籽粒的平均含水率[5]为21.54%,如表2所示。

图4 电热恒温鼓风干燥箱Fig.4 Electric heating constant-temperature blast drying box。

表2 油葵籽粒的含水率测定Table 2 Determination of moisture content of oil sunflower seeds。

同样,通过5点法对5个区域内进行统计,结果表明:单个区域内的油葵植株数为14～16株;单个区域内所有籽粒的总质量为986.5g～1880.6g不等;最后,随机抽取100粒油葵籽粒,统计籽粒数目,计算油葵籽粒的百粒质量,重复3次求平均值;最后得出每个区域内油葵籽粒的百粒质量分别为6.1～8.6g。具体数据统计如表3所示。

表3 油葵籽粒百粒重测定表Table 3 Determination of 100 kernel weight of oil sunflower seeds。

将5个区域中的所有油葵株数进行分别统计,然后采用人工脱粒,测得每个区域内籽粒的总质量,最后将内个区域充分搅拌混合,随机抽取100颗油葵籽粒测得百粒质量。为了保证试验的可靠性,所有百粒重试验重复3次,求平均值,最终测定表如表3所示。

1.3 籽粒密度

测量籽粒需测籽粒质量与体积。体积的测量方式采用埋沙法测量:首先,将事先准备好的量筒倒入一定量的细沙,轻微摇晃量筒,使沙平面平整,读出体积为V0;然后,将油葵百粒籽粒埋入量筒中,继续轻微摇晃量筒,再一次使沙平面平整,读出体积为V1。此时,油葵籽粒的体积V为V=V1-V0。重复上述试验,得出油葵体积的范围在9.023～10.334cm3。

质量可直接测量,其百粒质量的油葵籽粒范围为10.1～12.6g。最后,根据密度公式可得油葵籽粒的密度为1.119～1.221g/cm3。

1.4 籽粒内摩擦角

油葵籽粒的内摩擦角反映出油葵在脱粒过程中散落在物料箱内籽粒之间的摩擦特性和抗剪强度。根据内摩擦角参数,确定物料箱强度、材料等相关设计参数。自然休止角反映出的是单个籽粒在物料堆上的滚落能力,因此籽粒的内摩擦角可以用自然休止角表示[6]。

自然休止角为油葵籽粒在一定的高度下持续性散落到平面上,自然堆成的圆锥体,底平面与该圆锥体的母线所形成的夹角,也称为锥底角[7]。其测定方法一般采用注入法、排出法和倾斜法。由于试验仪器不同,测得的休止角也略有不同,但属于正常值波动范围内,常采用的方法为注入法。

注入法采用仪器为铁架台、试验漏斗和底板,如图5所示。油葵籽粒从漏斗落下到底板上,形成圆锥体,锥底角为休止角θ,即

1.铁架台 2.底板 3.漏斗图5 注入法Fig.5 Injection method。

式中H—圆锥体的高;

R—圆锥体的底圆半径。

经过多次测量,油葵籽粒休止角θ的范围在44.3°～48.5°之间。

1.5 油葵籽粒与金属之间的滑动摩擦角的测定

油葵籽粒在脱粒后会进入清选、运输到料仓的过程当中,散落的油葵籽粒会发生相对运动。因此,油葵籽粒运动就会存在克服其运动的摩擦力,即油葵籽粒所受到的滑动摩擦力。根据摩擦理论可知:物料的滑动摩擦力与物料实际接触面积成正相关,且与物料的摩擦特性有关。

滑动摩擦角表示油葵籽粒与所接触的放置平板产生相对滑动时,放置平面与水平面间的夹角,属油葵籽粒的摩擦特性。

试验采用仪器为COF-P01摩擦系数测定仪,如图6所示。将油葵籽粒用粘着剂粘合在一起,附在测定仪的配重块;测定仪的牵引装置与配重块相连,且做匀速运动。此时,斜面摩擦因数测定仪显示所需的牵引力与滑动摩擦因数,而金属板所形成的的斜面与水平面的夹角为滑动摩擦角。

图6 COF-P01斜面摩擦系数测定仪Fig.6 COF-P01 instrument for measuring oblique friction coefficient。

经过多次测量,油葵籽粒的滑动摩擦角为26°～29°之间,与金属板的之间的动摩擦因数为0.48～0.55之间。

1.6 油葵籽粒悬浮速度的测定

油葵籽粒的悬浮速度是在籽粒进行运输、清选等过程中所需要的一个基本计算参数,也是籽粒物料的流体动力学基本性质和设计依据[8-9]。如果油葵籽粒在某一垂直气流下处于悬浮状态,则该垂直气流的速度即为油葵籽粒的悬浮速度,如图7所示。

图7 油葵籽粒悬浮受力分析图Fig.7 Analytical diagram of suspended stress of oil sunflower seeds。

显然,由于重力作用及所处的流体环境为空气,当油葵籽粒自身的重力大于油葵籽粒所受到垂直流体的阻力与空气中所受到的浮力之和[10]时,油葵籽粒向下运动;当油葵籽粒自身的重力小于油葵籽粒所受到垂直流体的阻力与空气中所受到的浮力之和时,油葵籽粒向上运动;当油葵籽粒所受到垂直流体的阻力与空气中所受到的浮力之和等于油葵籽粒自身的重力时,则

Fg=Fb+Fr

式中Fg—油葵籽粒所受到的重力;

Fb—油葵籽粒所受到的浮力;

FR—油葵籽粒所受到垂直流体的阻力。

油葵籽粒所受到的重力Fg为

Fg=mg

油葵籽粒所受到的浮力Fb为

油葵籽粒所受到垂直流体的阻力Fr为

此时,油葵籽粒处于悬浮状态,vt为悬浮速度,则

式中vt—油葵籽粒的悬浮速度;

m—油葵籽粒的质量;

ρs—油葵籽粒的密度;

ρs—空气的密度;

A—油葵籽粒在竖直面所投射的面积(与流体速度相互垂直);

C—阻力系数。

经过多次试验测量,测得油葵籽粒的悬浮速度为7.45～9.23m/s。

2 结论

油葵葵盘直径为180～220mm,葵盘厚度为25～30mm,单个葵盘的质量为300～380g;油葵盘的含水率为29.59%;油葵籽粒长度为6.2mm,宽度为3.74mm,高度为12.58mm;油葵籽粒的含水率为21.54%,百粒质量为10.1～12.6g之间;油葵体积的范围在9.023～10.334cm3之间,密度为1.119～1.221g/cm3之间。油葵籽粒的自然休止角θ的范围在39.3°～43.5°之间。油葵籽粒的滑动摩擦角为26°～29°之间,与金属板的之间的动摩擦因数为0.48～0.55之间。油葵籽粒的悬浮速度为7.45～9.23m/s。