棉种参数特性测定研究

李海潮，王爽

（新疆科技学院化工与纺织工程学院，新疆 库尔勒 841000）

0 引言

种子是播种机械的主要作用对象，在设计棉花精量穴播器各部分的结构之前对其进行参数测定是必不可少[1]。机械式穴播器取种机构的结构参数主要是根据种子的参数来确定的，因此排种器的工作性能与种子的参数有着密切的关系。机械式棉花精量穴播器主要用于棉花精量播种，因此需要对棉种的参数和特性进行测定和分析，在为穴播器各个零部件结构的设计提供数据基础的同时也可为穴播器的工作机理研究提供理论依据，对增强穴播器工作性能和提高播种效率有重要的意义。

1 棉种物理参数特性的研究

不同品种棉种的外观和尺寸存在一些差异，因此本次试验选取新疆地区最常用的两种棉种“新陆早42 号”和“新陆早61 号”作为研究对象，进行棉种的物理性质试验研究，试验所需棉种由新疆承天种子公司提供，均经过脱绒和抛光处理。试验前对试验用的棉种进行人工清选和干燥处理，棉种含水率为5.6%，含杂率小于0.1%。

1.1 棉种千粒重和密度

设计穴播器时需要考虑棉种的千粒重和密度，该数据可为设计者对穴播器的整体体积以及种腔容量大小的设计提供参考依据。棉种千粒重的含义为1000粒颗粒饱满无损伤及杂质的棉花种子质量[1]，千粒重反映种子的饱满程度，对取种器型孔充种性能以及种子的运动轨迹有一定的影响，重量大的种子具有较好的播种特性[1]。密度分为实体密度和容积密度，在进行排种器的设计时只考虑棉种的实体密度，实体密度由棉种的质量m与其体积V之比值来表示：

式中ρ--棉种的密度，g/cm3；m--棉种的质量，g；V--棉种的体积，cm3。

试验测定千粒重和密度的设备为电子天平和量杯，电子天平的型号为SPS402-F 型，测量精度0.01g，对千粒重和密度分别进行10次测量并计算其平均值。两种脱绒棉种的千粒重和密度如表1。

经过测定，两种品种的棉种千粒重和密度差异不大，“新陆早42号”的千粒重为102.37 g，密度为0.573 g/cm3；“新陆早61号”的千粒重为100.41g，密度为0.641g/cm3。

1.2 棉种粒型和几何尺寸

种子的形状和尺寸直接影响排种器充种和清种的过程，在设计排种器时应考虑棉种的粒型和几何尺寸。不同时期的研究人员创立了多种种子形状分类法并按照分类法将种子分为圆球状、椭球状、宾豆状和大豆状[1]。经过脱绒和抛光处理的棉种近似为椭球状，按照形态学的种子定义需要测定其几何尺寸，包括长度L，宽度W和厚度T[1]，尺寸定义如图1。

图1 棉种的几何尺寸

1.2.1 测试方法

从试验用的两个品种的棉种堆里面各取100粒，用电子游标卡尺直接测量种子的外形尺寸，对外形尺寸测量数据进行分析统计，计算出两个品种的棉种几何尺寸平均值以及概率分布。

1.2.2 测试结果及分析

脱绒棉种的外形近似为椭球形，但是在棉种的长度方向上两端差异较大，一端为端面光滑的半圆球形，另一端为端面尖锐（称作根鞘）的锥形，棉种表面整体较为光滑，略有凹陷，两种粒型的种子如图2。

图2 棉种外形

经测定，“新陆早42号”和“新陆早61号”两个品种的几何尺寸概率分布如图3，棉种长度、宽度和厚度的平均值如表2。

图3 棉种长度、宽度和厚度概率分布

表2 种子几何尺寸平均值

从表2和几何尺寸概率分布图可以看出“新陆早42号”和“新陆早61 号”两个品种的棉种在几何尺寸上存在稍许差异，但是在整体上呈正态分布，由于棉种近似为椭球形，因此同一品种棉种的长度尺寸大于宽度或者厚度尺寸，宽度和厚度尺寸较为接近。“新陆早42号”棉种的长度尺寸集中在8.5～9.5 mm，宽度尺寸集中在4.5～5.4 mm，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm。“新陆早61 号”棉种的长度尺寸集中在9.0～10.0 mm，宽度尺寸集中在4.5～5.4 mm，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm。

2 棉种力学参数的测定

脱绒棉种按照其特性可以看作散粒体，穴播器在工作过程中始终伴随着散粒体棉种的流动和分离过程，因此在进行穴播器的设计和研究前必须对棉种进行必要的散粒体研究。棉种的散粒体特性主要包括棉种的自然休止角、滑动摩擦角和滚动摩擦角3 个特性[2]，上述特性对于穴播器关键部件取种器等结构的设计具有重要意义，本文主要对脱绒棉种的自然休止角和滑动摩擦角进行研究。

2.1 棉种自然休止角

当棉种连续地从一定高度处通过小孔自由下落到某一固定的水平面时会在这个水平面上堆积成一个圆锥体，棉种堆积而成的圆锥体的母线与水平面的夹角便是棉种的自然休止角[2]。种子的自然休止角只与它的形状、大小、含水率和表面粗糙程度等有关，种子的休止角越大，种子间的摩擦就越大，流动性能就越差。

测量种子自然休止角的方法有很多，本文采用排出法来测量棉种的休止角，所选用的试验仪器为物料自然休止角测定仪，如图4，试验装置主要由种箱、托盘、闸门和底座4部分组成。

图4 自然休止角测定仪及其测量原理

进行试验时首先测出圆形托盘的直径D，将装置放置于水平面，关紧闸门，将棉种装满种箱，然后开启闸门，让种箱内的种子经由种箱底部的小孔自然流出，当种子停止流出后测量出托盘上的种堆高度H，通过以下公式计算出棉种的自然休止角。

式中H--种堆高度，cm；D--托盘直径，cm。

试验测得托盘的直径为13cm，然后对每个品种的棉种重复进行5次测量并求平均值，试验结果如表3。

表3 棉种自然休止角

由表可知，不同品种棉种的自然休止角存在稍许差异，但是数值差异不大，由试验结果得到脱绒棉种的自然休止角在32°～35°之间。

2.2 棉种滑动摩擦角

散粒体的滑动摩擦角是指散粒体物料从一种特定材质的斜面刚开始发生相对滑动时斜面与水平面的夹角，滑动摩擦角的正切值即为滑动摩擦系数[3]。滑动摩擦角反映的是散粒体物料与其接触面间的摩擦特性，其大小与棉种的尺寸大小、棉种表面光滑程度和接触面的材料等相关[4-5]。

试验采用摩擦角测定仪测定棉种摩擦角，摩擦角测定仪主要由角度盘、手轮、拉线、斜面和底座5 部分组成，斜面材质为钢板，与排种器材料相同，测量装置及结构原理如图5。

图5 滑动摩擦角测定仪及其测量原理

为了保证测量数据的准确性，每个品种的棉种进行3次试验，结果取平均值。由于棉种近似为椭球形，为了防止棉种在斜面上发生滚动，在斜面上放置棉种时将棉种的方向一律放置为长轴指向斜面底端。测量前将试验仪器置于水平面，斜面调整放平与底座接触，角度盘归零，将棉种放置于斜面。测量开始后缓慢转动手柄，拉线带动斜面缓慢上升使斜面角度增大，当大部分棉种开始沿斜面下滑时停止转动手柄，通过角度盘的读数得到斜面转过的角度，此时斜面与水平面的夹角即为棉种的滑动摩擦角。

经过测定两个品种的棉种的滑动摩擦角相差无几，摩擦角的数值在26°～32°之间。

3 结论

本研究以新疆地区广泛种植的棉种“新陆早42 号”和“新陆早61 号”为研究对象，对影响穴播器结构尺寸设计的棉种物料特性进行了测定，试验结果为排种器的结构设计以及穴播器作业过程中的运动分析提供了理论依据。主要结果如下：

（1）经过脱绒抛光并干燥处理，当两个品种的棉种含水率为5.6%时，“新陆早42 号”的千粒重为102.37 g，密度为0.573 g/cm3；“新陆早61 号”的千粒重为100.41 g，密度为0.641g/cm3，该试验结果为机械式穴播器的整体外形和种腔设计提供了理论参考。

（2）两个品种的棉种外形均近似为椭球体，几何尺寸均在整体上表现出正态分布的规律，“新陆早42 号”棉种的长度尺寸集中在8.5～9.5 mm 之间，宽度尺寸集中在4.5～5.4 mm 之间，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm 之间；“新陆早61 号”棉种的长度尺寸集中在9.0～10.0 mm 之间，宽度尺寸集中在4.5～5.4 mm 之间，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm 之间。以上参数对穴播器取种器结构参数设计提供了参考。

（3）两个品种棉种的自然休止角数值差异不大，得到脱绒棉种的自然休止角在32°～35°之间，自然休止角的参数为穴播器进种管尺寸和角度设计提供了参考。

（4）两个品种的脱绒棉种与钢板之间的滑动摩擦角相差无几，摩擦角的大小在26°～32°之间，为后续的棉种运动分析提供了依据。