绿豆物理机械特性参数的试验研究

张 勇，刘 飞，赵满全

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

绿豆物理机械特性参数的试验研究

张 勇，刘 飞，赵满全

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

绿豆的精量播种是解决我国绿豆产业栽培技术落后、产量及品质较低等问题的关键因素之一，而气吸式精量播种是目前精量播种方法中应用很广的一种方法，因此通过实验对绿豆种子的重要特性参数进行了研究，得到了长宽厚平均尺寸分别为5.72、4.38、4.42mm，球形度为83.95%，千粒质量为86.02g，孔隙率为0.507 6，休止角为24.33°，并对种子与不同材料间的滑动摩擦角和摩擦因数、碰撞恢复系数、漂浮速度和漂浮系数进行了研究。该研究填补了绿豆重要特性参数研究的空白，为后续设计改进气吸式精量播种机使之适合绿豆种子播种要求提供了重要的理论依据。

绿豆种子；气吸式精量播种；物理特性；气力特性

0 引言

绿豆在我国已有2000年多的历史，全国多个地方均有种植，是我国主要的食用豆类作物，其产量和出口量均居世界首位[1]。其具有较高的营养与保健价值，被誉为“食中要物”“清热解暑良药”[2]。2014年，我国绿豆播种面积为54.01万hm2，产量约为68.90万t[3]。长时间以来，绿豆一直被视作小宗农作物，虽然经济价值高，但尚未得到农民的充分重视，国家和地方政府对绿豆的生产和发展没有具体的规划，且对绿豆生产、机械化播种等方面重视不够，使我国绿豆产业长期处于一种自由发展的状态[4]。受自然条件、种植习惯和传统作业方式的限制，我国绿豆多种植在干旱、半干旱的贫瘠地，管理粗放，基本没有投资，加之播种、中耕除草、采摘全部由人工完成，劳动强度大，产量和效益极低[5]。多数地区播种主要利用小麦播种机或播种耧，以最小播量进行条播，为控制播量，还可在种子中加入炒熟的绿豆籽粒[6-7]。以上这些因素极大地制约了我国绿豆产业的发展，导致始终不能形成大规模的机械化生产。近年来，随着农村产业结构的调整，我国一些绿豆主产区正向区域化布局、规模化种植的方向发展[8]，再加上人民生活水平的提高及对健康的追求，绿豆以其特有的经济价值日益受到重视，其需求量呈现逐年递增的态势[6]。因此，亟需研究探索出适合绿豆机械化生产的技术，从而为我国绿豆的大规模化生产提供理论基础和技术指导。本文通过实验研究测定了绿豆种子的形状及尺寸、千粒质量、孔隙率、休止角等物理特性，并对其气力特性做了研究，测定了绿豆种子的漂浮速度，为设计改进气吸式精量播种装置和工作参数，使之适合绿豆种子的播种要求及绿豆大规模机械化生产提供了理论依据。

1 绿豆种子的物理特性

1.1 实验材料

天山明绿牌绿豆种子，产地为通辽，纯度≥99.0%，净度≥99.0%，发芽率≥90.0%，水分≤13.0%。

精度为0.02mm的游标卡尺；精度为0.01g的电子天平；摩擦角测量仪；休止角测定仪；农业物料悬浮速度试验台；DT-8880型风速仪；100mL量筒。

1.2 绿豆种子的形状及尺寸

绿豆种子的形状用球形度来表示，尺寸用长、宽、厚来表示，种子的形状和尺寸对于种子在播种装置中的流动性和充填性有很大的影响，可以为排种盘孔型结构的设计提供尺寸依据[9]。

分别随机取200粒绿豆种子，用游标卡尺(精度为0.02mm)对它们的三轴尺寸(长、宽、厚)进行测量，得到200粒种子的三轴尺寸均值分别为：绿豆种子长度均值5.72mm，宽度均值4.38mm，厚度均值4.42mm。其三轴尺寸的概率分布及均值如图1所示。

图1 绿豆种子的三轴尺寸分布直方图Fig.1 Histogram of three axis size distribution of mung bean seeds

绿豆种子的形状指数选择用球形度来描述，球形度的定义为

(1)

(2)

式中Φ—绿豆种子的球形度；

Dg—绿豆种子的几何平均直径；

L—绿豆种子的长度平均值；

W—绿豆种子的宽度平均值；

T—绿豆种子的厚度平均值。

计算得绿豆种子的几何平均直径为4.802mm，球形度为83.95%。

1.3 绿豆种子的千粒质量

种子的千粒质量与种子的品种、形状、尺寸等因素有关，对种子的气力特性有很大的影响，通常也用来确定种室的结构尺寸。

本研究在农机实验室进行了绿豆种子千粒质量的测量。随机选取n=100粒绿豆种子，取10组，用精度为0.01g的电子天平分别测量每组的质量，并取10组平均值，记为m，则绿豆种子的千粒质量G为

(3)

测量计算结果：绿豆种子的千粒质量为86.02g。

1.4 绿豆种子的孔隙率

种子的孔隙率与其形状、堆积或充填方式、尺寸及含水率等因素有关，同时对排种器种箱容积的确定也有一定的影响。

种子容积密度的测量方法：将绿豆种子装入已知容量为100mL的量筒内 ，将绿豆种子倒出，测量种子的质量后除以量筒的容积，即可得到绿豆种子的容积密度。

粒子密度的测量方法：用精度为0.01g的电子天平事先称量10g的绿豆种子，采用排水法进行测量，在量筒内注入40mL的水，将种子放入量筒得到种子的实际体积，计算可得绿豆种子的粒子密度。

绿豆种子的孔隙率为

(4)

式中η—绿豆种子的孔隙率；

ρa—绿豆种子的容积密度；

ρb—绿豆种子的粒子密度。

计算得到：绿豆种子的容积密度为0.714 3g/cm3，粒子密度为1.449 3g/cm3，孔隙率为0.507 6。

1.5 绿豆种子的休止角

种子的休止角反映了种子的内摩擦特性及散落性能，与其形状、尺寸、质量、含水率等因素有关。休止角越大，即种子的内摩擦力越大，散落性能越小[10]。本文休止角采用注入法[11]测定，所使用的休止角测试仪如图2所示。

种子自漏斗自然跌落成堆，测量种子堆底面直径D及种子堆高度H，则种子休止角为

(5)

式中Ψ—绿豆种子的休止角；

H—种子堆的高度；

D—种子堆底面直径。

测量计算结果：绿豆种子的休止角为24.33°。

1.漏斗 2.种子堆 3.刻度尺 4.支架图2 休止角测定仪示意图Fig. 2 Repose angle measurement schematic

1.6 绿豆种子的滑动摩擦角及摩擦因数

种子的滑动摩擦角即种子在与其它材料接触的表面上发生相对滑动时的角度，表示种子与接触面之间的摩擦特性[12]。滑动摩擦因数为滑动摩擦角的正切值，是判别种子在种箱中散落性及流动性的重要指标。鉴于一般气吸式精量排种器上种箱外壳大都采用有机塑料板制作，排种盘采用钢板，搅种轮采用橡胶制作，因此本文测定了绿豆种子与钢板、有机塑料板以及橡胶之间的滑动摩擦角∂及滑动摩擦因数κ。

随机取绿豆种子分成10组，每组各30粒，将其均匀放置在摩擦角测量仪上，通过更换钢板、有机塑料板来进行不同材料接触面上绿豆种子的滑动摩擦角。轻推斜面，每次当大多数种子滑落时读取刻度盘上的角度，最终取平均值。所使用的摩擦角测量仪如图3所示。

1.斜面 2.刻度盘 3.指针 4.支架 5.底座图3 摩擦角测量仪示意图Fig.3 Friction angle measurement schematic

滑动摩擦因数通过下式计算，即

κ=tan∂

(6)

式中 ∂—绿豆种子的滑动摩擦角；

κ—绿豆种子的滑动摩擦因数。

测量计算结果如表1所示。

表1 绿豆种子滑动摩擦角及滑动摩擦因数

Table1Slidingfrictionangleandslidingfrictioncoefficientofmungbeanseeds

种子接触面滑动摩擦角∂/(°)滑动摩擦因数/κ绿豆钢板17.30.31有机塑料板16.80.30橡胶21.40.39

2 绿豆种子碰撞恢复系数的测量

种子的碰撞恢复系数反映了种子在发生碰撞变形之后恢复到初始状态的能力，数值越大，表明种子碰撞之后恢复变形的能力越强[13]。碰撞恢复系数是种子重要物理特性的一部分，是作物精密播种及高性能收获机具相关部件的设计和性能分析的基本参数[14]。另外，在播种时，绿豆种子在排种室内及投种过程中会发生各种形态的偶鞥装，因此研究绿豆种子的碰撞恢复系数对气吸式精密播种机工作部件的设计和改进具有重大意义。

本文基于运动学方程原理设计搭建了一种测定种子恢复系数的装置，如图4所示。

1.种子基准面 2.桌面 3.45°三角尺 4.碰撞板 5.地面 6.底座 7.支柱 8.刻度板 9.种子图4 碰撞恢复系数测量原理图Fig.4 Crash recovery coefficient measuring principle diagram

测试原理：绿豆种子从高度H处自由下落，与水平面夹角为45°的碰撞材料发生碰撞，由运动学公式可得种子碰撞前的瞬时速度，即

(7)

将种子碰撞后的速度分解为水平方向分速度Vx和竖直方向分速度Vy，种子经反弹做抛物线运动后落到刻度板上，通过测量碰撞后种子的水平位移Sn及竖直位移Hn，亦可通过运动学公式分别计算出水平方向分速度Vx和竖直方向分速度Vy。

最终根据碰撞恢复系数定义推导出下列公式，用以计算绿豆种子的碰撞恢复系数，即

(8)

式中Cr—碰撞恢复系数；

Vn—种子碰撞前的法向分速度；

Von—种子碰撞后的法向分速度；

Vx--种子碰撞后水平方向分速度；

Vy—种子碰撞后竖直方向分速度；

Vo—种子碰撞前的最大瞬时速度。

最终得到绿豆种子与不同材料进行碰撞的碰撞恢复系数如表2所示。

表2 绿豆种子不同碰撞面的碰撞恢复系数

Table 2 Collision recovery coefficient of different collision surfaces of mung bean seeds

种子碰撞面碰撞恢复系数Cr绿豆钢板0.6187有机塑料板0.4876像胶0.5621

3 绿豆种子的气力特性

种子的气力特性即种子的空气动力学特性，表示种子在垂直气流体作用下，气流对种子的作用力等于该种子本身的重力，使得种子保持平衡状态时的气流速度，是影响气吸式精量播种的重要因素之一[15]。种子的气力特性直接影响了气吸式精量排种装置气动参数的选择，同时对排种器的取种精度也有着很大的影响。

3.1 绿豆种子气力特性理论分析

当绿豆种子在向上的气流中处于漂浮状态，此时共受到垂直向上的空气阻力Fa、气流对其向上的浮力Fb，及绿豆种子自身垂直向下的重力G，此时3力达到平衡，则

Fa+Fb=G

(9)

绿豆种子在垂直向上的气流中处于漂浮状态时受力如图5所示。

此时，空气阻力Fa为

(10)

气流对绿豆种子向上的浮力Fb为

(11)

绿豆种子自身重力G为

G=mg

(12)

绿豆种子在气流中处于漂浮状态的漂浮速度为

(13)

式中V—绿豆种子的漂浮速度；

m—绿豆种子的质量；

ρs—绿豆种子的密度；

ρf--流体(空气)的密度；

A—垂直于流体方向的绿豆种子投影面积；

C—阻力系数，与种子的形状、表面状态和雷诺数等有关，无量纲。

由于农业物料的形状一般都不规则，在气流中处于随机漂浮方位，漂浮速度计算不易，因此对绿豆种子的漂浮速度不做计算[16]。

图5 绿豆种子处于漂浮状态的受力图Fig.5 In the floating state of mung bean seeds

3.2 绿豆种子漂浮速度的测定

在农机实验室利用农业物料漂浮速度试验台及DT-8880型风速仪(精度0.1m/s)进行绿豆种子漂浮速度的测量。农业物料悬浮速度试验台原理如图6所示。

按照绿豆种子的长度尺寸将种子分为3组，分别测量其漂浮速度。通过放料口将种子均匀置于筛网之上，开启风机，通过变频器调节风机转速，将上升气流速度由小到大逐步提升。由于观察筒内横截面上各点风速不一致，再加上绿豆种子外形几何尺寸的不规则，因此绿豆种子不能稳定在观察筒内的某一位置，而是上下浮动。

通过有机塑料观察筒观察，当所有种子都离开筛网并在观察筒处上下浮动时，因筒径大于种子的粒径，故可认为此时观察筒内气流速度即等于绿豆种子的漂浮速度[17]。拔掉风速测试孔塞子，将风速仪伸进，并重新堵住测试孔进行观察筒内风速的测量，采用等面积圆环法选择5个测量点[18]，待风速测试仪读数稳定之后，此时的筒内风速即为绿豆种子的漂浮速度，测出的漂浮速度为范围值。

1.风机 2.上稳流筒 3.有机塑料观察筒 4.放料口 5.筛网 6.下稳流筒 7.进气口 8.风速测试孔图6 农业物料悬浮速度试验台示意图Fig.6 Agricultural material suspension speed test bench schematic

试验测得的绿豆种子的漂浮速度及漂浮系数如表3所示。

表3 绿豆种子漂浮速度及漂浮系数

3.3 绿豆种子在气流中的受力及漂浮系数

由于绿豆种子的物理特性存在着差异，种子在气流中运动时存在着颗粒之间的碰撞、挤压及种子自身的翻滚，这些作用都无法用函数准确地进行表达[19]。为了便于推导，忽略种子之间相互的碰撞及翻滚，并认为作用在种子上的气流速度和方向及种子的漂浮系数保持不变。

当种子在向上的气流中处于稳定的漂浮状态时，此时气流的速度即为种子的漂浮速度，即

(14)

式中μ—绿豆种子的漂浮系数。

取g=9.8m/s2，最终计算出的不同长度尺寸的绿豆种子的漂浮系数。

4 结论

1)测定天山明绿牌绿豆种子的三轴尺寸长、宽、厚平均值分别为5.72、4.38、4.42mm，球形度为83.95%，千粒质量为86.02g，孔隙率为0.507 6，休止角为24.33°，在钢板、有机塑料板、橡胶上的滑动摩擦角分别为17.3°、16.8°、21.4°，滑动摩擦因数分别为0.31、0.30、0.39，碰撞恢复系数分别为0.618 7、0.487 6、0.5621，不同长度尺寸的漂浮速度分别为10.44～11.35m/s、10.92～12.57m/s、11.73～12.89m/s，漂浮系数分别为0.076 1～0.089 9、0.062 0～0.082 2、0.059 0～0.071 2。

2)通过实验测定了绿豆种子的重要特性参数，研究结果弥补了绿豆种子特性参数研究方面的空白。

3)根据所测得的数据，气吸式精量播种装置在播种绿豆时应将排种盘吸孔更换为4mm孔径。其运动速度的设定及运动形式的选择可根据绿豆种子的摩擦特性来确定；气流速度可根据绿豆种子的漂浮速度来选用；在气吸式精量播种装置满足工作要求的同时，还要使之能满足绿豆种子播种的农艺要求。

4)本文虽然只是测定了一种绿豆种子的物理特性及气力特性参数，但对于同类种子或其它类型种子参数的测量均可采用此方法。所得参数不仅可以为气吸式绿豆精量播种装置的设计和改进提供一定的理论依据，也可作为以绿豆为作业对象的各类机械设计的参考依据。

5)本文得到的结果有一定的局限性，今后还需进一步研究不同漂浮系数的绿豆种子对气吸式绿豆精量播种装置排种性能的影响。

[1] 曾志红，王强，林伟静,等.绿豆蛋白营养及功能特性分析[J].中国粮油学报,2012,27(6):51-55.

[2] 张海均,贾冬英,姚开.绿豆的营养与保健功能研究进展[J].食品与发酵科技,2012,48(1):7-9.

[3] 中国国家统计局.绿豆播种面积[EB/OL].[2016-08-30]. http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01,2016.

[4] 刘慧.我国绿豆生产现状和发展前景[J].农业展望,2012(6):37-38.

[5] 赵雪英,张春明,闫虎斌,等.绿豆机械化栽培技术集成及适宜品种筛选[J].山西农业科学,2014，42(10):1095-1097.

[6] 杨国红.一次性收获绿豆品种郑绿8号的特征特性及机械化栽培技术[J].现代农业科技,2010(24):74.

[7] 连仲义.绿豆无公害栽培技术[J].科技情报开发与经济,2007,17(4):275.

[8] 程黔.我国杂粮产业发展现状及对策[J].粮油加工,2008(7):27.

[9] 杨文伟,胡斌,陈玉龙,等.番茄种子的物料特性研究[J].中国农机化,2014(1):92-93.

[10] 任闯,高莜钧,苏薇,等.三七种子的物理机械特性[J].试验湖南农业大学学报:自然科学版,2015，41(1):109-112.

[11] 周祖锷.农业物料学[M].北京:中国农业出版社,1994.

[12] 杨作梅,郭玉明,崔清亮,等.不同含水率黍子摩擦特性的实验研究[J].山西农业大学学报:自然科学版，2016,36(7):519.

[13] 王成军,李耀明,马履中,等.小麦籽粒碰撞模型中恢复系数的测定[J].农业工程学报,2012,28(11):274-277.

[14] 黄小毛,查显涛,潘海兵,等.油菜籽粒点面接触碰撞中恢复系数的测定及分析[J].农业工程学报,2014,30(24):22-27.

[15] 徐东,宋玉秋,辛明金,等.蔬菜种子物理特性和空气动力学特性试验研究[J].农机化研究,2007(4):112-113.

[16] 李保谦,王威力,栗文燕,等.物料悬浮速度测试方法研究[J].农机化研究,2009,31(1):123-125．

[17] 彭建恩.物料悬浮速度的研究[J].粮食科技与经济,2001(4):36-37.

[18] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T7290-2007牧草种子悬浮速度测试方法[S].北京：机械工业出版社，2008.

[19] 高连兴,张文,杜鑫,等.花生脱壳机脱出物的漂浮系数试验[J].农业工程学报,2012,28(2):289-292.

Experimental Study on Physical and Mechanical Properties of Mung Bean

Zhang Yong, Liu Fei, Zhao Manquan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China )

Precision sowing mung beans is one of the key factors to solve our industrial mung bean cultivation techniques behind, lower yield and quality and other issues. The air-suction precision seeding is a method for precision seeding process a very wide application. Therefore, the important characteristic parameters test of mung bean seeds was studied, the average size of generous length were 5.72mm, 4.38mm, 4.42mm, spherical degree is 83.95%, the 1000 grain weight was 86.02g, the porosity is 0.5076, repose angle of 24.33 degrees, and the coefficient of restitution of seed with different material between the angle of sliding friction and the coefficient of friction, collision and floating velocity and drag coefficient were studied. Fill the blank in the research of the important characteristic parameters of mung bean, mung bean seeds to fit and provides an important theoretical basis for the following design requirements of improved air suction precision seeder.

mung bean seeds; air-suction precision sowing; physical properties; aerodynamic characteristics

2016-10-20

国家自然科学基金项目(51365034)；中国博士后科学基金项目(2014M552532XB)；内蒙古农业大学科技创新团队项目(NDTD2013-6)

张 勇(1989-)，男，山西运城人，硕士研究生，(E-mail)zyde613@163.com。

赵满全(1955-)，男，内蒙古土右旗人，教授，博士生导师， (E-mail)nmgzhaomq@163.com。

S183；S522

A

1003-188X(2017)12-0119-06