西北旱区玉米籽粒堆积和过筛试验

摘 要 为了探究西北旱区主要种植玉米品种的堆积和过筛性能，设计及优化了玉米播种和收获装置，对4个玉米品种（‘三保黄金糯’‘东单509’‘大成168’‘铁杆吨玉’）进行参数测定、堆积和过筛试验。堆积试验结果表明，玉米在亚克力板上形成的堆积角基本处于14～19°，在铁板上形成的堆积角基本处于18～21°；同一品种玉米在铁板上形成的堆积角比大于亚克力板。玉米过筛试验结果表明，玉米过筛率的大小与孔的大小呈正相关，‘三保黄金糯’玉米品种的过筛率最大，其次是‘东单509’‘大成168’和‘铁杆吨玉’。筛孔同尺寸条件下玉米籽粒在方孔筛板上过筛率要高于比圆孔；1号收集盒种子质量占比较大，为60%～80%。部分种子掉落2号收集盒，较少种子掉入3号收集盒，极少到进入4号收集盒。

关键词 玉米；特征尺寸；堆积角；透筛率

玉米作为中国第一大粮食作物，在国民生产生活中发挥着重要作用［1-3］。随着国民经济快速发展，对粮食需求不断提高［4］。在玉米播种、收获、脱粒、分离清选、加工和仓储等过程中，始终存在着玉米籽粒与机械部件的接触作用［5-6］。玉米品种对其物理特性产生差异，进而影响与其互作的机械部件。

国内外学者对玉米相关参数进行了大量研究。李飞翔等［7］对‘郑单958’玉米包衣种子进行了堆积角试验和仿真。陈国强等［8］研究了玉米颗粒形状、颗粒湿度对颗粒堆积形态的影响，结果表明颗粒形状对颗粒堆积形态的影响要小于颗粒湿度对颗粒堆积形态的影响。王立军等［9］探究贮存过程中不同形状玉米颗粒与镀锌钢板间滚动摩擦因数对颗粒堆基底接触力分布的影响，结果显示随玉米颗粒与镀锌钢板间滚动摩擦系数增加，玉米颗粒与基底间法向和切向接触力平均值均先增大后趋于稳定，且模拟试验得玉米颗粒与基底法向接触力分布规律与物理试验结果基本一致。冯鑫等［10］基于曲柄-双摇杆设计了一种波浪筛机构，结果表明在玉米脱出物喂入量高达7 kg/s时，波浪筛清选装置籽粒的清洁率和损失率分别为99.12%和0.45%，筛分21 kg玉米脱出物时间为6.86 s。王力军等［11］探究基于蚯蚓运动特征的仿生筛上玉米脱出物的运动特性。Chen等［12］通过分析比较仿真和试验的体积密度、堆积角和“自流筛选”的结果，发现玉米种子模型的大小和形状对仿真结果影响较大。何团拥等［13］对全株玉米青贮样品，按宾州筛操作规程，并分检了宾州筛上三层各层籽粒，对各筛层滞留物、检出籽粒进行了干物质测定。张伟等［14］设计出玉米籽粒双层鱼鳞筛网组合式清选装置。谭燕华等［15］使用筛网作为隔离措施，研究南繁地区转基因玉米基因漂移距离的控制条件。由此可见，玉米堆积和筛分特性与多种因素相关，然而无相关玉米品种对堆积和筛分特性的研究。

本试验以西北旱区４个品种玉米籽粒为研究对象，对玉米籽粒尺寸进行统计分析，通过堆积试验和筛分试验，可为相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用‘三保黄金糯’‘东单509’‘大成168’‘铁杆吨玉’4个品种。‘三保黄金糯’是酒泉三保种业有限公司培育出糯玉米品种，适宜在西北，东北，华北，内蒙等地鲜食玉米种植区域种植。‘东单509’品种是张掖市东亚种业有限责任公司培育，适宜在黄淮海夏玉米区种植。‘大成168’品种由宝丰县农业科学研究所培育，适宜在河南、山东、河北保定及以南地区、陕西关中灌区等地种植。‘铁杆吨玉’品种是甘肃省武威市家乐种业有限公司培育，适宜在北京、天津、河北、河南、山东、山西、江苏北部、安徽北部夏玉米区种植。4种玉米品种见图1。

1.2 测定方法与仪器

采用游标卡尺（精度为0.01 mm）测量玉米特征尺寸，每个品种测定500粒，筛选出其中所有的楔形和球锥形玉米种子，玉米特征尺寸分别为长X1、上宽Y1、下宽Y2、厚Z。玉米特征尺寸见图2。

玉米过筛试验通过自研的玉米过筛仪器完成，于2024年1月在甘肃农业大学机电工程学院排种实验室进行。

1.3 数据分析方法

为分析玉米品种、接触材料对堆积角大小的影响，采用单因素方差分析方法对玉米堆积角试验结果进行显著性分析。为分析玉米品种、过筛孔类型、大小对过筛率的影响，对试验结果进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米品种与籽粒特征

根据对每个品种500粒玉米的测定，‘大成168’品种玉米含水率为9.83%，特征尺寸分别为：长10.83 mm，上宽5.86 mm，下宽8.98 mm，厚7.52 mm，上宽最小，上宽与其他尺寸之间的关系见图3。‘铁杆吨玉’品种玉米含水率为" 11.24%，特征尺寸分别为：长10.62 mm，上宽" 5.67 mm，下宽8.50 mm，厚6.14 mm，上宽最小，上宽与其他尺寸之间的关系见图4。‘东单509’品种玉米含水率10.45%，玉米特征尺寸为：长12.92 mm，上宽5.30 mm，下宽7.90 mm，厚5.89 mm，上宽最小，上宽与其他尺寸之间的关系见图5。‘三保黄金糯’品种玉米含水率9.75%，玉米特征尺寸为：长8.94 mm，上宽5.53 mm，下宽8.11 mm，厚5.02 mm，厚度最小，厚度与其他尺寸之间的关系见图6。

由图3可知，‘大成168’品种上宽与其他尺寸之间有线性关系，其中长与上宽比其他两个尺寸线性明显。同时，特征尺寸越大，与上宽线性越" 明显。

由图4可知，‘铁杆吨玉’品种上宽与其他尺寸之间存在线性关系，其中长与上宽比其他两个尺寸线性明显。同时，特征尺寸越大，与上宽线性越明显。

由图5可知，‘东单509’品种上宽与其他尺寸之间存在线性关系，其中长与上宽比其他两个尺寸线性明显。同时，特征尺寸越大，与上宽线性越明显。

由图6可知，‘三保黄金糯’品种上宽与其他尺寸之间存在线性关系，其中下宽Y2与上宽Y1线性明显，其次为长X与上宽Y1。

2.2 不同玉米品种堆积角特征分析

每个品种随机选取50 g，并分别在亚克力板上和铁板上进行堆积角试验。玉米堆积角形成后，堆积锥体的最高点与左低点形成的直线与水平面之间夹角作为堆积角，同理测定其他玉米品种，每个品种共测10次，并取平均值。由图7和表1可知，玉米品种在亚克力板上形成的堆积角范围为14°～19°，其最小与最大值相差3.55°，相比铁板来说较大。在铁板上形成的玉米堆积角范围为18°～21°。同一品种玉米在铁板上形成的堆积角要大于亚克力板上上的，说明接触材料对玉米堆积角形成有一定的影响。

为进一步研究玉米品种、接触材料对堆积角的影响规律，对表1的结果进行方差分析，接触材料对堆积角的影响方差分析（表2）可见，‘东单509’‘大成168’玉米品种分别在铁板、亚克力板上形成的堆积角差异显著。‘铁杆吨玉’分别在铁板、亚克力板上形成的堆积角差异极显著。‘三保黄金糯’在两种接触材料上形成的堆积角不显著，表明接触材料和玉米品种对堆积角具有一定" 影响。

品种对堆积角影响的方差分析见表3。由表3可见，4种玉米在铁板形成的堆积角差异不显著，而在亚克力板上显著。说明玉米品种对堆积角具有影响。

2.3 不同玉米品种的自过筛率特征分析

通过玉米自过筛率也可以作为标定玉米外形的一种方法。过筛率的定义是在给定的时间内物料通过筛子的质量。具体为让种子以刚滑动的速度在筛网上运动，将能够透过筛网的种子测重后与种子总质量对比，得到自过筛率。采用方孔和圆孔四种尺寸钢网进行试验，钢网尺寸为500 mm×300 mm，厚度1 mm，孔分别为9 mm×" 9 mm和10 mm×10 mm的方孔钢板，及直径为10 mm和12 mm的圆孔，见图8。测量时，用夹紧工具夹紧钢板，随机选取质量为350 g的玉米种子，自钢板的最上端，尽量以0.1 kg/s的倾倒速率使种子保持全部都一样的初速度，为了使种子在钢板上以均速运动下滑，将钢板与水平面呈一个18°左右的夹角，这个角度正好能使4种种子做到匀速下滑。

2.3.1 玉米过筛率的大小与圆孔的相关分析 由表4可知，玉米过筛率的大小与圆孔的大小是正相关。同一条件下4种玉米过筛率对比发现，‘三保黄金糯’玉米品种的过筛率最大，究其原因与种子的大小、形状有关，‘三保黄金糯’外形尺寸最小。‘东单509’过筛率其次，最后是‘大成168’和‘铁杆吨玉’。玉米品种‘东单509’‘大成168’‘铁杆吨玉’在圆孔直径10 mm的过筛率相差不明显，而‘三保黄金糯’有明显差异。对于圆孔直径12 mm，‘三保黄金糯’品种基本全部通过。

2.3.2 玉米过筛率的大小与方孔的相关分析 由表5可知，玉米过筛率的大小与方孔的大小是正相关。同一条件下4种玉米过筛率对比发现，‘三保黄金糯’玉米品种的过筛率最大，‘东单509’过筛率其次，最后是‘大成168’和‘铁杆吨玉’。玉米品种‘东单509’‘大成168’‘铁杆吨玉’在方孔9×9 mm的过筛率相差不明显，而‘三保黄金糯’有明显差异。对比方孔10×10 mm与圆孔直径10 mm的过筛滤，前者远大于后者。由于方孔对角线处可达到14 mm，4个品种玉米长没有超过，因此玉米种子在方孔筛板上过筛率要高于比圆孔。

由表6可见，玉米品种在4种不同孔条件下过筛率差异极显著，显著性从小到大以此排序分别为方孔9 mm×9 mm、方孔10 mm×10 mm、圆孔10 mm×10 mm和方孔9 mm×9 mm。

由表7可见，通过4种不同孔条件下玉米过筛率差异极显著，显著性从小到大以此排序分别为‘大成168’‘三保黄金糯’‘铁杆吨玉’和‘东单509’。

4个品种玉米通过筛网圆孔直径10 mm、圆孔直径12 mm、方孔9×9 mm、方孔1 010 mm后，在4个收集区域的质量分布，见图9。由图9可知，1号收集盒种子质量占比较大，处于60%～80%之间。部分种子掉落2号收集盒，较少种子掉入3号收集盒，极少进入4号收集盒。

3 讨论与结论

3.1 讨" 论

本研究对甘肃4种主要种植品种（‘三保黄金糯’‘东单509’‘大成168’‘铁杆吨玉’）进行了堆积角试验，玉米在亚克力板上形成的堆积角基本处于14～19°，在铁板上形成的堆积角基本处于18～21°；同一品种玉米在铁板上形成的堆积角比大于亚克力板。

在对4个品种玉米开展了玉米过筛试验后，对比同一条件下4种玉米过筛率发现，‘三保黄金糯’玉米品种的过筛率最大，‘东单509’过筛率其次，最后是‘大成168’和‘铁杆吨玉’。玉米品种‘东单509’‘大成168’‘铁杆吨玉’在圆孔直径" 10 mm的过筛率相差不明显，而‘三保黄金糯’有明显差异。由方差分析可知玉米品种在4种不同孔条件下过筛率差异极显著，显著性从小到大以此排序分别为方孔9 mm×9 mm、方孔10 mm×10 mm、圆孔10 mm×10 mm和方孔9 mm×" 9 mm。通过4种不同孔条件下玉米过筛率差异极显著，显著性从小到大以此排序分别为‘大成168’‘三保黄金糯’‘铁杆吨玉’和‘东单509’。筛孔同尺寸条件下玉米籽粒在方孔筛板上过筛率要高于比圆孔。1号收集盒种子质量占比较大，处于60～80%之间。部分种子掉落2号收集盒，较少种子掉入3号收集盒，极少进入4号收集盒。以期为玉米相关装备设计提供参考。

3.2 结" 论

由堆积角试验结果可知，‘东单509’‘大成168’玉米品种分别在铁板、亚克力板上形成的堆积角差异显著。‘铁杆吨玉’分别在铁板、亚克力板上形成的堆积角差异极显著。‘三保黄金糯’在两种接触材料上形成的堆积角不显著。由此可见，玉米品种、接触材料对堆积角形成产生一定影响。由过筛试验结果可知，玉米品种、筛孔形状及大小对种子过筛率产生一定影响。

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Experimental Study on Maize Kernel Piling and Sieving in Northwestern Arid Region of China

HAN Jinyao1 and" SHI" Linrong2

（1.Liangzhou District Agricultural Mechanization Technology Extension Station， Wuwei Gansu 733000，China;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China ）

Abstract To investigate the piling and sieving performance of the major maize varieties cultivated in the Northwestern arid region， the maize sowing and harvesting devices were designed and optimized，followed by parameter determination， piling and sieving tests using four maize varieties （‘Sambao Huangjinnuo’‘Dongdan 509’‘Dacheng 168’ and ‘Tiegandunyu’）.The piling results showed that maize formed a piling angle ranging from 14-19° on the acrylic plate and 18-21° on iron plates.Moreover， the piling angle on the iron plate was generally greater than on acrylic plates for the same maize variety.Regarding the maize sieving this study found a positive correlation between maize kernel size and hole size， with ‘Sanbao Huangjinnuo’ exhibting the highest sieving rate， followed by ‘Dongdan 509’ ‘Dacheng 168’ and ‘Tiegandunyu’.Maize kernels also showed higher sieving rate on square-hole sieve plates compared to plates with round hole of the same size; The seeds in collection box No.1 accounted for a significant proportion， ranging between 60% and 80% of the total weight.Part of the seeds droped into collection box No.2 ， fewer seeds into collection box No.3 ， very few into" collection box No.4.This study provides a reference for the design of maize-related equipment.

Key words Maize; Characteristic size; Stacking angle; Sieving rate

Received "2024-05-23 """Returned 2024-07-08

Foundation item National Natural Science Foundation of China （No.52065004， No.52365030）; Lanzhou Municipal Young Talents Innovation Project （No.2023-QN-146）;Major Cultivation Projects for Colleges and Universities’" Scientific Research and Innovation Platforms of Gansu Provincial Department of Education （No.2024CXPT-15）; Gansu Province Science and Technology Commissioner Special Project （No.23CXGA0066）; The 2023 Gansu Province Integrated Pilot Project for Research， Development， Manufacturing， and Extension of Agricultural Machinery （No.3-3）.

First author HAN Jinyao， male， undergraduate， senior engineer.Research area：agricultural mechanization design，manufacturing，demonstration and extension.E-mail：896234925@qq.com

Corresponding"" author SHI Linrong，male，Ph.D， associate" professor.Research area：precision and intelligent seeding technology and engineering in northwestern arid region of China.E-mail：shilr@gsau.edu.cn

（责任编辑：成 敏 Responsible editor：CHENG" Min）