玉米种子基本物性及机械损伤规律研究

张 涛，梁 涛，李 平，刘开生，张先锋，唐兴隆，李 英

(1.重庆市农业科学院，重庆 401329；2.重庆市经贸中等专业学校，重庆 402160)

我国作为玉米生产大国，在南方丘陵山区由于气候潮湿、地形复杂等因素，玉米生产机械化程度较低，新技术匮乏，需具有针对性的研究玉米资源及高效生产装备。玉米种子品质变化会直接影响贮存时间、种子活性、用途、价格等[1-4]，而改变品质的因素很多，包括自身和外界条件，其中主要来自播种、收获、管理、加工等环节中各种机械结构对种子产生的静载、振动、挤压、碰撞、冲击等作用，进而使结构发生微观或宏观改变[5-7]。因此，研究西南丘陵山地玉米种子物性参数可对相关机械装备研发提供依据，避免机械损伤造成的品质改变。目前，国内外对小麦、荞麦、玉米、豆类等谷物籽粒压缩、剪切、摩擦等力学性能进行了大量研究[8-12]，周峰等[13]对植物种子生物力学进行了概述，重点讨论了种子萌发时生物力学的调控机制；董朋飞等[14]系统总结了玉米耐碎性评价方法及影响因素；高连兴等[15]深入探索了含水率对玉米脱粒的影响机理，得到了破损强度和脱粒作用力与含水率之间的关系；Balastreire等[16]通过试验得到了玉米的断裂韧度临界值；而关于丘陵山地具有代表性玉米种子的物性参数及机械损伤规律鲜见报道。因此本研究选择西南丘陵山地广泛种植的玉米品种，测定其三维尺寸、质心、体积等基本物性参数，并进行了三轴压缩试验，分析不同损伤程度下，含水率对损伤临界状态下变形量、载荷及变形能的影响规律，并利用SPSS软件对其进行拟合回归分析，旨在深入、系统地研究谷物力学性能，以期为揭示机械宏观损伤与种子微观结构及力学特性之间的作用机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试样制备

本试验选择重庆市主推玉米品种渝豪单2号、新中玉801、先玉1171籽粒为研究对象，这3个品种分别由重庆市农业科学院、重庆中一种业有限公司、铁岭先锋种子研究有限公司选育。选取籽粒均匀、饱满，无病虫害、无裂纹及无损伤的籽粒用于试验，确保结构完整。渝豪单2号、新中玉801、先玉1171玉米籽粒初始含水率分别为15.62%、13.28%、18.65%，为研究水分对玉米籽粒机械损伤程度的影响，采用晾干法或加湿法制备不同含水率试样，即当预定含水率低于初始含水率时，将试样在自然通风条件下晾晒，每隔30 min测定一次；当预定含水率高于初始含水率时，对籽粒表面喷洒定量(通过公式(1)计算出的重量)纯净水，并置于低温密封环境中2 d以上[17]。

(1)

式中：w为加水质量(g)；m为玉米籽粒质量(g)；P0为玉米籽粒初始含水率(%)；P1为玉米籽粒预定含水率(%)。

1.2 试验仪器与设备

试验采用半自动三坐标检测仪TANG 0564；扫描电子显微镜；电子万能材料试验机WDW-05 D，最大载荷力500 N，位移分辨率为0.01 mm，力分辨率为0.01 N，无级调速；快速水分测定仪DHS 20-A(精度0.01%)、数显游标卡尺(精度0.01 mm)、电子分析天平PA 2004 N(精度0.1 mg)等工具。

1.3 试验方法

1.3.1基本物性参数试验方法

千粒质量作为评价玉米种子品质的重要指标，随机选取3个品种各1 000粒，用电子天平称重，重复3次求平均值。密度可直接反映玉米种子的结构紧密度，采用排水法，选取10粒试样，用电子天平称重后放入盛水的量筒中，读取浸入水前后量筒液面值，并用密度公式(2)计算。

(2)

式中：ρ为玉米种子密度(g·mL-1)；m为籽粒质量(g)；V1为浸入籽粒后量筒内液体体积(mL)；V0为浸入籽粒前量筒中水的体积(mL)。

三坐标测量仪主要是在六面体空间内测量物体几何形状、轮廓及圆周分度等的仪器，具有各种物体的逆向扫描、检测功能。本试验利用三坐标测量仪探测针头获取玉米籽粒三维尺寸中所对应的点空间坐标，并通过空间坐标计算方法得到三维尺寸(图1)，玉米籽粒上底宽(a1)、下底宽(a2)、上底厚(b1)、下底厚(b2)、高(h)量化尺寸的数据，选取20粒求平均值。

图1 玉米种子三维尺寸结构示意图Fig.1 Schematic diagram of three dimensional structure of corn seed

假设玉米种子形状规则、均匀，接近正四棱台，则借助正四棱台体积计算公式(3)及最小二乘法拟合原理，建立玉米种子体积估算模型，利用三维尺寸对种子体积或品质进行快速评估。

(3)

式中：V为正四棱台体积(mm3)；S1为上底面积(mm2)；S2为下底面积(mm2)；h为正四棱台高(mm)。

由正四棱台体积公式推导，玉米种子体积预估模型设定为公式(4)，选择20粒玉米籽粒测定得到其三维尺寸，并通过MATLAB软件对数据进行拟合，得到拟合系数λ，利用排水法对玉米种子体积预估模型进行验证，计算得到实测体积和预估体积的相关误差。

(4)

式中：V1为玉米种子预估体积(mm3)；a1为上底宽(mm)；a2为下底宽(mm)；b1为上底厚(mm)；b2为下底厚(mm)；h为高(mm)。

利用虚拟软件模拟玉米种子受力或运动规律时，需忽略其复杂形状，可通过确定其质心进行简化。本试验通过称重法研究玉米种子质心位置，首先称量单粒玉米种子质量，并在籽粒两端用万能胶粘上钢针，使两端钢针在同一中心线上，底端(钝端)钢针固定在支撑架上，顶端(锐端)放在电子天平上，确保中心线水平后，读取支撑点质量，具体如图2所示，则质心至底端距离为公式(5)，选取20粒，取平均值。

图2 玉米种子质心测定示意图Fig.2 Schematic diagram of determination of corn seed centroid

(5)

式中：C为质心至玉米种子底端(钝端)距离(mm)；L为玉米种子总长度(mm)；m1为顶端(锐端)支撑点质量(g)。

1.3.2三轴压缩试验方法

首先在万能力学试验机中选取压缩模式，采用圆柱平板压头，为了防止压缩过程中籽粒侧滑，用胶水将其固定在下压板上，上压头以5 mm·min-1的恒定速度进行加载，当平板压头接触玉米种子时，传感器实时采集并在显示屏上显示变形-载荷曲线，当载荷骤减时，玉米籽粒破裂，试验自动停止加载，用镊子取出并放在显微镜中观察拍照。本试验选择品种、含水率、受压位置为试验因素，其中含水率设置5个水平(分别为9.8%、15.6%、18.6%、23.5%、30.2%)，受压位置3个水平(分别为腹面、背面、顶面)，具体如图3所示。根据全因子试验方法，共45组试验，每组重复3次，选择极限受压载荷、变形能、破坏能、抗压强度、表观弹性模量为响应指标，其中破坏能是指种子在压缩直至破裂时，变形能达到极限，结构发生破坏，可由变形量和力曲线所围成的面积表示，公式为：

图3 受压位置示意图Fig.3 Schematic diagram of compression position

(6)

式中：W为破坏能(N.mm)；δ为破裂时变形量(mm)；F为破裂时作用力值(N)。

抗压强度是指玉米种子表面单位面积所能承受的最大载荷，即外力施压时的强度极限，公式为：

P=F/A

(7)

式中：P为抗压强度(单位：MPa)；A为剖面面积(单位：mm2)。

1.3.3损伤等级评价试验方法

根据预试验得到，玉米种子变形量-力曲线可分为两段，具体如图4所示。首先压缩力随着变形量的增加而缓慢增加，之后则呈急剧线性增加，当达到裂变临界点B时，损伤能的累积增加，产生塑性变形，玉米籽粒表面在显微镜观察下微观结构发生错位，并出现单条或龟形裂纹，因此，认为玉米籽粒的裂变临界点是出现显著损伤的分界点。当继续加载时，裂纹逐渐延伸、扩展，直至载荷达到峰值Q点时，为破裂点，籽粒宏观结构发生变化，种子完全破裂。因此本试验以裂变临界点和破裂点处的变形量、力、变形能为应变量，含水率为变量，建立不同受压部位下玉米种子产生挤压损伤的量化评价模型。

图4 玉米种子变形量-压缩力曲线Fig.4 Curve of maize seed deformation-compression force

2 结果与分析

2.1 玉米种子基本物性参数

物性参数测定结果如表1所示，以品种为变量，对各物性指标进行显著性分析，结果如表2所示。新中玉801、先玉1171、渝豪单2号的千粒质量为307.71～334.63 g，平均值为321.36 g，品种对千粒质量的影响达到显著水平(p<0.05)，说明玉米品种之间籽粒内部的均匀性和饱满性均有所差异；密度为1.17～1.49 g·cm-3，平均值为1.29 g·cm-3，品种之间密度差异未达到显著水平(p>0.05)；质心至玉米籽粒底端(钝端)的距离为3.59～4.26 mm，平均值为3.83 mm，而且品种对质心有极显著影响(p<0.01)；渝豪单2号种子外形结构为马齿型，新中玉801和先玉1171为方圆形，品种之间上底宽、上底厚、下底厚和高均达到了极显著差异(p<0.01)，品种间下底宽接近一致，上底宽、下底宽、上底厚、下底厚、高的平均值分别为7.13 mm、8.00 mm、6.02 mm、6.33 mm、9.11 mm，因此在机械设计建模仿真时，可将玉米种子模型简化为楔形四棱体。

表1 不同品种玉米种子的基本物性参数Table 1 Basic physical parameters of maize seeds of different varieties

表2 玉米种子基本物性参数方差分析Table 2 Variance analysis of basic physical parameters of maize seed

本试验利用正四棱体体积公式和数据拟合原理，建立玉米种子体积估算模型，拟合系数如表3所示。得到新中玉801、先玉1171、渝豪单2号的体积估算公式系数λ为0.176、0.181、0.322，而3个品种整体拟合系数为0.207，该估算方式的相关系数均大于0.9。每个品种随机选取10粒，测其三维尺寸和实际体积，用该估算模型进行验证，结果如表4所示，得到4个估算模型估算均值与实测均值的相对误差为2.57%～8.39%，其中先玉1171的误差最小，整体估算模型误差最大，但其值小于10%，可用作玉米种子大小检测或评估。

表3 玉米种子的体积预估模型Table 3 Volume prediction model of maize seed

表4 体积预估模型验证Table 4 Validation of volume prediction model

2.2 玉米种子压缩特性

本试验对玉米种子进行压缩试验，每组试验重复3次，试验结果如表5和表6所示。试验过程中品种、含水率和受压位置是造成各指标差异的重要原因，对其进行方差分析。由表7可知，3个因素均对极限受压载荷、变形量、表观弹性模量、破坏能和抗压强度有极显著影响(p<0.01)，除了品种与含水率的交互作用对表观弹性模量未达到显著影响(p>0.05)外，其余均达到了显著水平，说明每个因素对指标产生的效应同时依赖另外两个因素的水平程度。参照F值可见，对以上指标影响从大到小依次为含水率、受压位置、品种，由此说明含水率决定了玉米种子的力学特性，进而影响机械损伤程度，因此在机收或加工时应重点考虑籽粒含水率。

表5 玉米种子压缩试验Table 5 Results of maize seed compression test

表6 玉米种子压缩表观弹性模量、破坏能和抗压强度Table 6 Apparent elastic modulus, failure energy and compressive strength of maize seed

表7 玉米种子压缩特性方差分析Table 7 Variance analysis of compression characteristics of maize seeds

2.2.1不同品种压缩特性分析

同一含水率下，腹面、背面、顶面的极限受压载荷、表观弹性模量、破坏能、抗压强度从大到小为新中玉801、渝豪单2号、先玉1171，变形量则与之相反，且渝豪单2号与先玉1171的压缩力学特性较为接近，说明新中玉801的抗挤压破碎的能力最强，而且产生损伤时，结构变化量较小。由于品种差异，造成玉米种子内部成分、微观结构和三维尺寸也不尽相同，同一位置压缩时，品种的千粒质量和籽粒尺寸越大，其抗挤压能力也就越强，因此在设计相关机械或品种选育时，应考虑品种之间的力学特性差异，且种植适宜机收的品种。

2.2.2不同受压部位压缩特性分析

玉米种子在受到压缩时，腹面的极限受压载荷、变形量、破坏能、表观弹性模量、抗压强度的值为80.38～338.72 N、0.207～0.513 mm、231.9～417.5 N.mm、22.8～46.9 MPa、4.1～13.8 MPa，背面其值为71.00～171.92 N、0.211～0.548 mm、202.4～389.2 N.mm、16.9～39.4 MPa、1.5～11.8 MPa，顶面其值为50.60～140.32 N、0.214～0.588 mm、92.3～288.3 N.mm、12.7～30.8 MPa、1.5～7.4 MPa；破坏能、抗压强度、表观弹性模量、极限受压载荷值均为腹面>背面>顶面，而变形量则与之相反，说明玉米种子的尖冠处(顶面)抗压性最弱，主要是因为裂纹的起始点位于该处，之后则沿着背面和腹面裂纹延伸、扩展，而且顶面和背面在压缩时，接触面积小，容易发生应力集中，而腹面接触面积大、腹面两侧主要成分是胚乳，抗压性强。

2.2.3含水率对压缩特性的影响

同一品种和受压位置条件下，含水率从9.8%至30.2%，极限受压载荷为71.51～338.72 N，随含水率增大逐渐减小，主要是由于含水率越低，种子的硬度越高，所需的压缩载荷越大，其抗压性就越好；压缩变形量反而随着含水率的增大而增加，其值为0.207～0.588 mm，当含水率在9.8%～15.6%时，变形量变化范围较小，大于15.6%时，变形量则急剧增加。分析认为，随着含水率的增加，内部组织软化，塑性变形能力增强，尤其含水率为15.6%时，种子各组织具有显著软化现象。表观弹性模量是反映材料的弹塑性变形能力的指标，其值为12.7～46.9 MPa，随着含水率增加而减小，即种子在相同载荷作用下，含水率越高，产生的弹塑性变形越大，更加证实了种子在吸水后，内部组织发生了软化现象；破坏能是指玉米籽粒发生破裂所需最小的能量，其值为92.3～417.5 N.mm，随着含水率增加而减小，主要由于水分增加，受到的极限受压载荷减小，说明种子内部软化的同时其抗挤压的能力也随之减小，更易破裂；抗压强度值为1.5～13.8 MPa，含水率增加，破碎的强度极限则降低，含水率达到23.5%以后，籽粒韧性增强，抗压强度变平缓。

2.3 玉米种子损伤等级预估模型

对3个玉米品种裂变临界点和破裂点处同一含水率的变形量、力、变形能求平均值，得到玉米籽粒损伤临界力学值与含水率之间的变化规律，具体如图5所示。由图可看出，随着种子含水率增加，腹面、背面和顶面裂变临界点和破裂点处的变形量不断增加，而力和变形能则逐渐降低，当含水率从9.8%升到30.2%时，腹面裂变临界点的变形量变化范围分别为0.168～0.367 mm、增幅为1.18倍，力变化范围为116.9～181.1 N、降幅为0.35倍，变形能变化范围为128.5～203.0 N.mm，降幅为0.37倍；背面裂变临界点的变形量变化范围分别为0.179～0.393 mm、增幅为1.20倍，力变化范围为55.2～101.8 N、降幅为0.46倍，变形能变化范围为109.9～183.0 N.mm，降幅为0.40倍；顶面裂变临界点的变形量变化范围分别为0.181～0.410 mm、增幅为1.27倍，力变化范围为41.4～80.8 N、降幅为0.49倍，变形能变化范围为57.4～135.5 N.mm，降幅为0.58倍；破裂点的力学特性变化幅度与裂变临界点的相近。

图5 不同含水率与裂变临界点和破裂点处力学特性曲线Fig.5 Mechanical properties curves at different water content and fission critical point and rupture point

以含水率为变量，得到玉米种子不同损伤程度处力学特性值的一元二次回归方程，具体如表8所示。

表8 裂变临界点和破裂点处力学特性与含水率之间回归方程Table 8 Regression equation between mechanical properties and water content at fission critical point and fracture point

通过分析得到各回归方程决定系数均大于0.9，说明其拟合程度极高。通过回归方程的二次项系数可知，含水率对变形量和变形能的影响从大到小依次为顶面、背面、腹面，对力的影响从大到小依次为腹面、背面、顶面。

3 结 论

1) 针对西南丘陵山区主要玉米种子物理特性进行了测定，得到千粒质量、密度、质心至钝端的距离平均值分别为321.36 g、1.29 g·cm-3、3.83 mm，除了密度和下底宽之外，不同品种间的物性参数差异显著。

2) 玉米种子正四棱台体积预估模型拟合系数为0.207，模型估算均值与实测均值的相对误差为8.39%，可以快速检测和评估玉米种子品质。

3) 产生损伤的主要因子依次是含水率、受压位置、品种，且均达到了显著性影响；玉米种子抗压性能为腹面>背面>顶面，玉米籽粒的尖冠处(顶面)抗压性最弱。

4) 玉米籽粒在裂变临界点和破裂点处的变形量随含水率增加而增加，力和变形能则与之相反，并得到玉米籽粒不同损伤程度处力学特性值与含水率的一元二次回归方程，其决定系数均大于0.9，因此可根据含水率较准确地预估玉米种子产生机械损伤的极限载荷。