油菜角果抗裂角性二自由度碰撞测试方法研究

青苡任，李耀明，马 征，徐立章，杨 毅



油菜角果抗裂角性二自由度碰撞测试方法研究

青苡任，李耀明※，马 征，徐立章，杨 毅

（江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，镇江 212013）

为了筛选更利于机械化收获的油菜品种，提出了二自由度油菜角果抗裂角性碰撞测试技术。该文对二自由度碰撞测试仪的结构原理、参数设计、机构运动特性进行分析，并对二自由度碰撞与摇床碰撞下的钢球运动进行EDEM仿真；对二自由度碰撞的适宜碰撞参数进行研究，且对二自由度碰撞法与摇床随机碰撞法、田间角果与剪取后干燥角果的抗裂角性分别进行对比试验。研究结果表明：摆动电机转速60 r/min、移动电机转速75 r/min为适宜碰撞参数；二自由度碰撞法（平均标准偏差0.025 6）比摇床碰撞法（平均标准偏差0.020 3）结果重复性更好，且二自由度碰撞对抗裂角性较好的品种区分度更好；而同含水率水平下的田间油菜角果抗裂角性（抗裂角指数范围0.013～0.553）相比于干燥后角果抗裂角性（抗裂角指数范围0.008～0.948）要差，二者结果差异显著（=0.01<0.05），田间角果测试可以更为真实的反映出角果的抗裂角性，研究结果为不同油菜品种抗裂角性的评价测试提供参考。

农作物；运动学；优化；油菜角果；抗裂角性；二自由度；对比；碰撞

0 引 言

油菜是重要的油料作物，种植面积约占世界的30%左右。然而，中国的油菜机收率很低，2016年全国油菜的机收率尚不足35%，这直接导致中国的油菜生产成本长期居高不下，孱弱的国际竞争力也导致农民不愿种植油菜，近年来油菜种植面积出现了下降趋势，仅2017年的种植面积就比上一年下降了2.1%，中国的油料安全问题十分严峻[1-3]。

制约中国油菜机收率的关键因素是机械化收获损失较大，其中，仅割台损失就占总损失的一半以上，油菜角果抗裂角性差是造成油菜收获损失大和制约其收获机械化的主要原因。当油菜角果抗裂角性较差时，成熟期极易炸荚造成自然落粒损失，机械化收获时拨禾轮的回转运动及竖切割器横向受迫振动对角果的横向打击也会造成籽粒落地损失，总损失占收获损失的一半以上。因此，筛选适宜机械化收获的油菜品种，进行油菜角果抗裂角性的研究是实现机械化收获的基础[4-7]。目前，国内外油菜角果抗裂角性的测试方法有很多，其测试原理主要为两大类，一类是通过室内实验装置测量油菜角果开裂时所需的力或能量大小来评价角果抗裂角性的优劣[8-10]，这由Kadkol等[11]利用测试弯矩和能量进行角果抗裂角性测试发展而来，包括国内谭小力的拉裂法[12]，李耀明的悬空压裂法[13]，浦惠明等的改良拉裂法[14]等，而以上测试方法并未考虑动态条件下的油菜角果抗裂角性特征；另一类是应用随机碰撞原理，利用金属球与角果的随机碰撞来模拟田间角果与外界物质的碰撞情况，进而对油菜角果的抗裂角性进行测试与评价，该方法首先由Morgan等[15]提出，其考虑了动态条件且测试结果重复性较好，该原理普遍被研究人员所接受，包括文雁成等[16-17]的随机碰撞法，彭鹏飞等[18-19]的改进随机碰撞法，乔金平等[20]的角果抗裂角性碰撞检测仪等都是应用此原理。其中较为成熟的测试方法为彭鹏飞的改进随机碰撞法，在油菜黄熟期时，将进行烘干或晾晒水分平衡后的20个角果放入内径为14.8 cm、高7.4 cm的塑料桶内，桶内放置8个直径为14 mm的钢珠，将塑料桶放置于振幅为20 mm、震荡速度为280 r/min的摇床上使钢珠与角果碰撞，每隔2 min记录破碎角果数，角果破裂以角果从果柄处断裂到果喙的1/2以上或能看见油菜籽粒为准，计算其抗裂角指数值[21-22]。但该方法采用的摇床测试碰撞力较小，碰撞过程中钢珠很容易出现打滑或角果堆积的现象，碰撞力小且不均匀，存在抗裂角性稍强的油菜品种抗裂角指数差别小，区分度差的问题，且仪器设备移动不便，从摘取角果到测试过程中环境与人为因素影响过大，未考虑实际收获中角果抗裂角性实时变化的因素，无法准确表达田间角果抗裂角性的实际情况。

因此，本文提出了角果抗裂角性二自由度碰撞测试方法，模拟分析了二自由度碰撞方法与摇床碰撞方法中钢珠的运动特性，并针对不同油菜品种使用2种方法对角果抗裂角性进行了对比试验，对2种方法测试结果的重复性、不同油菜品种角果抗裂角指数范围进行了比较分析，确定了二自由度适宜的碰撞参数，并对田间角果与室内干燥角果的抗裂角性差异进行了试验研究。

1 二自由度碰撞检测装置的设计与分析

1.1 二自由度碰撞仪结构与原理

本文从机械化联合收获油菜角果的实际工况出发，为使油菜角果抗裂角性测试结果更加准确可靠，考虑到拨禾轮的低速回转运动及竖切割器的横向振动是造成角果开裂割台损失的主要原因，设计了二自由度碰撞测试仪，如图1所示。

1. 料盒 2. 上底板 3. 曲柄滑块机构 4. 电机1 5. 电机2 6. 曲柄摇杆机构 7. 轴承 8. 下底板 9. 控制器

该测试仪应用随机碰撞原理，为使角果与钢珠的碰撞更加随机均匀，采用二自由度运动机构，一级往复振动机构由电机2曲柄滑块机构带动上底板及料盒（视为滑块）沿下底板上的滑道做往复直线运动；二级摆动机构由电机1驱动曲柄摇杆机构带动料盒及上下底板上下摆动，曲柄长度可以调节从而调节往复运动行程和摆角大小；控制器可分别控制电机1、电机2的转速与工作时间，设置不同运动参数。测试装置简单可靠，体积小、质量轻、便于移动，可移至田间对田间角果抗裂角性进行实时测试，更为真实反映出田间动态条件下的角果抗裂角性特征。

1.2 二自由度碰撞仪参数设计与运动分析

1.2.1 一级曲柄滑块机构

一级曲柄滑块机构运动[23]简图如图2a所示，已知机构曲柄长度为(m)，曲柄匀速转动角速度为((°)/s)，转角(°)，连杆长度为(m)，滑块位移为(m)。为方便与摇床碰撞法比较分析，选取=0.02m，设计各杆件参数为=0.01 m，=0.09 m。各杆件所构成的封闭矢量方程为：

将式（1）进行轴投影，得

式中S为机架长度，m；为连杆与S夹角，(°)。

将式（2）对时间求导，得速度方程

将式（3）对时间求导，得加速度方程

注：图a中，为曲柄长度，m；为连杆长度，m；S为机架长度，m；为滑块位移，m；分别为曲柄和连杆与机架S的夹角，(°)；图b中，为直角坐标系，1234为各杆件长度，m；1、2、3、4分别为各杆件与轴的正向夹角，(°)，其中4为0°，图中未表示；为极位夹角，(°)；为摇杆4摆角，(°)；为各杆件铰接点，其中点与装置中料盒相连，代表料盒。

Note: In figure a,is the length of crank, m;is the length of connecting rod, m;is the length of frame, m;is the displacement of slider, m;andare the angle between crank, connecting rodand frameSrespectively,(°); in figure b,is the established rectangular coordinate system,1,2,3and4are the length of each rod, m;1,2,3and4are the positive angle between each rod andaxis respectively, (°);4are 0°, which is not indicated in the figure;is the polar angle, (°);is the swing angle of rocker4, (°);andare articulated joints of the rods, in which pointis connected with the material box of the device, and represents the material box.

图2 机构运动分析简图

Fig.2 Sketch of mechanism motion analysis

1.2.2 二级曲柄摇杆机构

角位移方程的分量：

角速度方程为：

角位移分量方程对时间2次求导，得角加速度方程

1.3 不同运动状态钢球运动EDEM仿真分析

随机碰撞法鉴定角果抗裂角性的过程中，钢球与角果间的碰撞均匀性是决定其结果可靠性的关键因素。为了分析不同运动条件下料盒内钢球的运动状态，使用EDEM软件对摇床碰撞法及二自由度碰撞法下钢球的运动情况进行模拟仿真，分析其碰撞均匀性[25]。

试验过程中，钢球的运动由料盒带动，首先根据1.2节理论分析及Matlab软件，分析料盒的运动规律，计算分析以下2种条件下料盒的运动状态：1）摇床随机碰撞法，移动电机转速280 r/min；2）二自由度随机碰撞法，移动电机转速75 r/min，摆动电机转速60 r/min。不同运动参数下料盒的运动规律如图3所示，图3a为二自由度碰撞法摆动电机驱动料盒的摆动规律，图3b为二自由度碰撞法移动电机驱动料盒的往复直线运动规律，图3c为摇床碰撞法下料盒的运动规律，由结果可知，两种方法下料盒均做简谐运动，摇床碰撞法下料盒往复运动最大速度可达0.295 m/s，而二自由度碰撞法下料盒往复运动最大速度仅为0.079 m/s，但其摆动角速度最大为88.276 (°)/s，图3a与图3b组成料盒的二自由度复合运动。

注：图中实线为速度曲线；虚线为加速度曲线。

注：钢球速度≥0.1 m×s-1为红色；≤0.05 m×s-1为蓝色；中间速度为绿色。

钢球EDEM仿真过程中，根据装置实际参数及材料特性建立钢球颗粒及料盒几何体，料盒几何体模型直径150 mm，高72 mm，钢珠颗粒模型直径13 mm，共12个。料盒、钢球的模型参数如表1。

表1 不同模型碰撞参数

设置钢球与钢球间的恢复系数为0.59，静摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.1；钢球与料盒间的恢复系数为0.3，静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.1，并根据图3分析的料盒运动特性设置其运动规律，钢球碰撞采用Hertz Mindlin无滑动接触模型。图4为仿真过程中任意截取某一时刻的钢球运动状态，用不同颜色设置颗粒的速度，其中钢球速度下水平设置为0.05 m/s，蓝色；上水平为0.10 m/s，红色，中间水平为绿色。由仿真结果可知，二自由度复合运动下，所有钢球的速度均超过0.10 m/s，其中最大钢球速度为0.198 m/s，最小钢球速度为0.142 m/s，平均速度为0.164 m/s；而往复直线运动条件下，仅有3个钢球速度超过0.10 m/s，最大钢球速度为0.128 m/s，最小速度为0.055 m/s，速度分布及其不均，一半钢球出现打滑无位移情况，由此可知，二自由度复合运动下，钢球运动更加均匀，在试验过程中的碰撞更为均匀可靠。

2 二自由度碰撞适宜碰撞参数的研究

2.1 二自由度碰撞检测试验方法

参考乔金平等前期试验[20]，测试时料盒内放置20个同品种、同成熟度的角果，12个直径为13 mm的钢珠，碰撞仪往复运动位移20 mm，摆动角度为30°，设置步进电机控制器运行时间为1 min，每碰撞1min自动停止运动，然后取出破裂角果并记录破裂角果个数，重复以上操作，共10次，计算抗裂角指数。

本文从实际收获中造成籽粒损失的角果状态出发，改进之前摇床随机碰撞法角果破裂评价标准，以角果炸裂两半或从果柄处断裂到果喙的1/2以上并掉落出油菜籽粒作为标准，进行破裂角果数统计。抗裂角指数计算公式为[22]：

SRI=1-SI （11）

式中SI为角果裂角指数；x为第次碰撞破损的角果数，1≤≤10；1为角果总数；2为碰撞总次数，此处为10；SRI为抗裂角指数。

2.2 二自由度碰撞测试仪碰撞参数试验研究

2.2.1 材料

作为梅赛德斯-奔驰家族“主角”之一的C级车家族，在本届车展迎来新一代C级轿跑车和旅行轿车等7款车型的正式上市，厂商建议零售价格为36.38万元至53.88万元。新一代梅赛德斯-AMG C 63和C 43系列包括了轿车、轿跑车和旅行轿车在内的7款车型，厂商建议零售价格为61.88万元至118.58万元。承袭自迈巴赫经典设计的的梅赛德斯-迈巴赫S 680双调典藏型轿车也在本次车展正式上市，厂商建议零售价格为309.88万元。全新梅赛德斯-奔驰E 300敞篷轿跑车也在车展现场同步上市，厂商建议零售价格为71.88万元。

试验材料取自江苏大学农业装备工程学院土槽试验场，油菜品种为F17W82-n747，该材料品种抗裂角性适中，利于参数评价。剪取油菜主枝中部长势相同、无病虫害的完整角果，25 ℃恒温下室内自然干燥25 d备用。

2.2.2 试验方法

若碰撞仪碰撞频率过高，碰撞力过大，使被测角果在短时间内全部破损；若碰撞力过小，角果不易破裂，试验结果重复性差，无法进行抗裂角差异性比较。为得到合理的碰撞参数，在摆动电机转速为40、60、80 r/min，移动电机转速为50、75、100 r/min的条件下做两因素三水平试验，共9组试验条件，每个试验条件下重复5次试验，对角果抗裂角指数结果及变异系数进行分析，并分析摆动电机转速与移动电机转速两因素间的交互作用对结果的影响。

2.2.3 结果分析

试验结果与方差分析如表2、3。由结果可知，摆动电机转速效应显著（=422.528，=0.000<0.05），运动是碰撞的主要来源，对试验结果影响很大；移动电机转速效应不显著（=2.312，=0.118>0.05），尤其当摆动电机转速较高时，移动电机在碰撞过程中起辅助作用，对试验结果影响较小；而两因素间的交互效应并不显著（=1.188，=0.338>0.05），由试验过程观察及结果分析可知，当移动电机转速与摆动电机转速相近时，如试验组号8，会偶尔产生共频，使钢球在运动过程中产生离心力绕料盒做圆周运动，从而影响试验结果，因此试验过程中应避开共频的产生。

试验结果稳定性好、重复性高是重要的评价指标，由碰撞结果可知，当摆动电机转速为80 r/min，移动电机转速为100 r/min时，试验结果变异系数为8.16%，重复性最好，但由于钢球碰撞力过大，致使角果抗裂角指数过小，仅为0.169，使不同品种抗裂角指数整体较小，不利于不同品种间的区分评价；而当摆动电机转速为40 r/min时，不同移动电机转速水平条件下，角果抗裂角指数均值变化范围为0.689～0.779，角果破裂数较少，对于抗裂角品种测试抗裂角指数均很高，不利于品种间抗裂角性的区分；前人研究表明F17W82-n747为抗裂角性较抗品种，因此应选择测试结果抗裂角指数适中，在0.3～0.4之间的抗裂角指数为宜，故而选取摆动电机转速60 r/min，移动电机转速75 r/min时为适宜碰撞参数，此时碰撞力适中，角果抗裂角指数为0.358，变异系数为8.35%，结果重复性好，利于不同品种间的测试评价。

表2 不同碰撞参数与结果

表3 效应检验方差分析

3 二自由度碰撞与摇床碰撞对比试验

3.1 试验材料

试验材料为本课题组收集的其他科研院所关于抗裂角性研究的油菜品种，其品种来源、抗裂角特性、品种代号等如表4，根据各单位工作人员的前期研究结果，其中易裂角品种6个，抗裂角品种9个。各品种于2016-10-19种植于江苏大学农业装备工程学院土槽试验场，种植方式为人工直播，行距30 cm，株距15 cm。于2017-05-10至2017-05-13，油菜黄熟期时，选取长势颜色相同的植株，每个品种随机选取5株，剪取其主枝及1个分枝并挂牌标记，25 ℃恒温下室内自然干燥25 d，剩余植株田间自然生长备用进行田间角果抗裂角性对比试验。并使用游标卡尺测量不同品种的角果长度、宽度、厚度及角喙长度，重复5次求平均值，对各品种角果形态进行分类，角果长度大于75 mm为长型，角果宽度大于5 mm为粗型，反之则为细型、短型。

表4 油菜品种及特性

3.2 试验方法

不同品种干燥后的油菜主枝上、中、下部剪取长势相同、无病虫害的角果共120个，分成两份放入两个密封袋中标记保存，每袋60个。经统计，其中4个品种角果属于细短型，1个品种属于粗短型，6个品种属于粗长型，4个品种属于细长型，干燥后不同品种角果形态代表如图5所示。并使用深圳市海滨仪器有限公司SFY-20红外线快速水分测定仪对各品种角果含水率进行测量，结果显示各品种角果含水率范围在13.15%～14.21%之间，基本一致。

图5 不同角果形态对比图

首先根据第2节适宜的碰撞参数与方法，使用二自由度碰撞测试仪对15个油菜品种进行抗裂角测试，重复3次，计算抗裂角指数平均值。然后参照彭鹏飞改进后随机碰撞法的碰撞参数与方法，关闭摆动机构驱动电机，放置8个钢珠，移动位移调至20 mm，转速调至280 r/min，每隔2 min记录破碎角果数，使用本碰撞仪模拟摇床试验，对另一份15个油菜品种备用角果进行抗裂角性测试，根据公式（11）计算其SRI，对比两种方法试验结果。

3.3 结果分析

两种方法鉴定角果抗裂角指数（SRI）试验对比结果如图6。摇床碰撞测试15个油菜品种SRI范围为0.127～0.983，平均值为0.549，平均标准偏差为0.025 6，其中6个易裂角品种的SRI范围为0.103～0.437，并有4个品种SRI>0.9，变化范围为0.900～0.983；使用二自由度碰撞方法鉴定SRI范围为0.008～0.948，平均值为0.370，平均标准偏差为0.020 3，6个易裂角品种中有5个抗裂角指数<0.1，而摇床碰撞4个SRI>0.9的品种对应结果为0.663～0.948，仅有一个品种SRI>0.9。对两种测试方法结果进行相关性分析，两结果的相关系数为0.963 (<0.05)，说明二自由度碰撞方法与摇床随机碰撞方法鉴定结果总体趋势一样，鉴定方法可靠。

图6 2种方法鉴定15个油菜品种抗裂角指数结果对比

由分析结果可知，二自由度碰撞测试方法相对摇床随机碰撞法平均抗裂角指数要小，平均标准偏差更小，说明二自由度碰撞方法碰撞力更大，碰撞更均匀，试验结果稳定性较高；并且摇床随机碰撞法对于抗裂角性较强的油菜品种区分度相对较差，难以区分各品种间的差异性，而二自由度碰撞测试仪可以很好的将抗裂角品种区分开，并且对于不利于机械化收获的易裂角品种，虽然区分度不明显，但是可以将其迅速筛选出来，利于筛选更为可靠的适宜机械化收获的抗裂角油菜品种。

4 田间角果与室内干燥角果抗裂角性对比试验

角果抗裂角性的优劣与含水率有显著关系，角果失水是角果开裂的主要起因，但油菜角果的抗裂角性大小受多因素影响，不仅与含水率相关，其与生长素的含量、纤维素酶活性、细胞壁物质降解，细胞分离等都相关，因此油菜角果抗裂角性是一个实时变化的过程，室内干燥的油菜角果与田间自然生长的角果含水率虽然都在不断下降，但角果体内的各激素及物质含量变化不同，均影响角果的抗裂角性[26-30]，因此，对同水平含水率条件下田间油菜角果与晒后油菜角果的抗裂角性进行对比试验，对田间角果实时检测的重要性进行研究。

4.1 试验材料与方法

试验于2017-05-25至2017-05-28，在油菜角果成熟后期，角果全部变黄并开始变干时，将二自由度碰撞测试仪移至田间试验场，对土槽试验场田间自然生长的15个油菜品种的田间角果进行抗裂角性实时测试。试验时选取田间成熟度相同的油菜植株，剪取油菜主枝中部长势相同、颜色相近、无病虫害的完整角果70个，其中10个角果用于测量其含水率，剩余角果用于角果抗裂角性测试，测试方法同样参照第2节的碰撞参数与方法，每个品种重复3次试验，计算抗裂角指数均值；室内角果试验干燥条件参照3.1。

4.2 结果与分析

田间实时检测的角果抗裂角指数均值与室内干燥后角果抗裂角指数均值结果对比如图7所示。对于田间进行实时测试的油菜角果，因采样时不同品种角果成熟度略有差异，因此其角果含水率也略有不同。经测试得室内干燥后各品种角果含水率在13.15%～14.21%之间，田间角果含水率除品种n741含水率为11.34%，其余品种角果含水率范围在13.54%～21.69%之间，相比于与室内干燥后的角果含水率基本属于同水平或相对略高。经试验测试得田间油菜角果SRI范围为0.013～0.553，而由3.3节可知，同种测试参数与油菜品种条件下，对应的室内水分平衡后角果SRI范围为0.008～0.948，二者结果差异显著（=0.01<0.05）。

图7 田间实测与室内干燥后角果抗裂角指数对比

由图7可知，对于极易裂角的油菜品种（品种序号1，3～6），二者结果差异不大，其SRI均在0.1以下，而对于抗裂角相对较好的油菜品种（7～15），二者结果差异显著（=0.026<0.05），如品种15W2130-6（序号13），田间角果含水率为14.54%，抗裂角指数为0.372，虽然田间角果含水率与室内干燥后角果基本相等，但其角果抗裂角性显著低于室内干燥后的角果，这说明角果抗裂角性不仅与含水率有关，其是一个跟随植株生长动态变化的过程。因此，为筛选利于机械化联合收获的油菜品种，对田间角果抗裂角性进行实时测试是十分重要的。

5 结 论

1）本文从机械化收获油菜实际工况出发，提出使用二自由度碰撞测试仪对角果抗裂角性进行测试的方法，并对二自由度运动与摇床运动条件下的钢球运动进行了理论分析与仿真模拟，结果表明摇床碰撞钢球最大速度为0.128 m/s，最小速度为0.055 m/s，一半钢球出现打滑无位移情况；二自由度下钢球的速度均超过0.1 m/s，平均速度为0.164 m/s，钢球运动更均匀。

2）通过试验得出适宜碰撞参数为摆动电机转速为60 r/min，移动电机转速75 r/min，此碰撞参数下对抗裂角性适中品种F17W82-n747试验裂角指数为0.358，变异系数为8.35%，试验结果重复性好，抗裂角指数适中，在0.3～0.4之间，利于不同品种间抗裂角性的测试评价。

3）通过对比试验得出，二自由度碰撞技术相比于摇床随机碰撞，对易裂角品种区分度不明显，可以将不利于机械化收获的品种迅速排除；摇床碰撞法4个SRI>0.9的抗裂角品种对应二自由度结果为0.663～0.948，说明二自由度碰撞法对于抗裂角性很强的品种区分度更好；根据田间角果与室内干燥角果抗裂角性对比试验可知，相同角果含水率条件下，田间实时检测的角果抗裂角性相比黄熟期剪取进干燥后的角果抗裂角性相对较差，说明了实时检测的重要性。由此可知，二自由度随机碰撞技术具有重复性好、对抗裂角性区分度高、可田间实时检测的优点。

[1] 沈金雄，傅廷栋．我国油菜生产、改良与食用油供给安全[J]．中国农业科技导报，2011，13(1)：1－8． Shen Jinxiong, Fu Tingdong. Rape seed production improvement and edible oil supply in China[J]. Journal of Agricultural Scienceand Technology, 2011, 13(1): 1－8.(in Chinese with English abstract)

[2] 吴崇友，王积军，廖庆喜，等．油菜生产现状与问题分析[J]．中国农机化学报，2017，38(1)：124－131． Wu Chongyou, Wang Jijun, Liao Qingxi, et al. Current status and problems of rapeseed production[J]. Joural of Chinese Agricultual Mechnization, 2017, 38(1): 124－131. (in Chinese with English abstract)

[3] 宗望远，廖庆喜，陈立，等．完熟期油菜果荚不同脱粒方式的脱粒效果[J]．农业工程学报，2012，28(9)：29－34． Zong Wangyuan, Liao Qingxi, Chen Li, et al. Threshing effect of ripe rape by different methods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(9): 29－34. (in Chinese with English abstract)

[4] 王刚，关卓怀，沐森林，等．油菜联合收获机种子籽粒脱粒装置结构及运行参数优化[J]．农业工程学报，2017，33(24)：52－57． Wang Gang, Guan Zhuohuai, Mu Senlin, et al. Optimization of operating parameter and structure for seed thresher device for rape combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 52－57. (in Chinese with English abstract)

[5] 陈兆波，余健．我国油菜生产形势分析及科研对策研究[J]．中国油料作物学报，2010，32(2)：303－308． Chen Zhaobo, Yu Jian. Research strategies based on the analysis of rapeseed production in China[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2010, 32(2): 303－308. (in Chinese with English abstract)

[6] 吴崇友，肖圣元，金梅．油菜联合收获与分段收获效果比较[J]．农业工程学报，2014，30(17)：10－16． Wu Chongyou, Xiao Shengyuan, Jin Mei. Comparation on rape combine harvesting and two-stage harvesting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(17): 10－16. (in Chinese with English abstract)

[7] 石剑飞，冷锁虎，左青松，等．油菜机械收获配套农艺技术研究：不同油菜品种机械收获损失的差异[J]．中国油料作物学报，2009，31(4)：470－473． Shi Jianfei, Leng Suohu, Zuo Qingsong, et al. Mechanical harvesting technique in rapeseed (L.): Harvesting loss of different rapeseed cultivars[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2009，31(4)：470－473． (in Chinese with English abstract)

[8] Tys J. An evaluation of the mechanical properties of winter rape siliques in respect of their susceptibility to cracking[J]. 1985, 304(1): 185－194.

[9] Bruce D M, Farrent J W, Morgan C L, et al. Determining the oilseed rape pod strength needed to reduce seed loss due to pod shatter[J]. Biosystems Engineering, 2002, 81(2): 179－184.

[10] Braatz J, Harloff H J, Mascher M, et al. CRISPR-Cas9 targeted mutagenesis leads to simultaneous modification of different homoeologous gene copies in polyploid oilseed rape (L.)[J]. Plant Physiology, 2017, 174(2): 935－942.

[11] Kadkol G P, Macmillan R H, Burrow R P, et al. Evaluation of brassica genotypes for resistance to shatter: I. Development of a laboratory test[J]. Euphytica, 1984, 33: 63−73.

[12] 谭小力，张洁夫，杨莉，等．油菜角果裂角力的定量测定[J]．农业工程学报，2006，22(11)：40－43． Tan Xiaoli, Zhang Jiefu, Yang Li, et al. Quantitive determination of the strength of rapeseed pod dehiscence[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(11): 40－43. (in Chinese with English abstract)

[13] 李耀明，朱俊奇，徐立章，等．基于悬空压裂法的油菜角果抗裂角力测试试验[J]．农业工程学报，2012，28(8)：111－115． Li Yaoming, Zhu Junqi, Xu Lizhang, et al. Experiment on strength of rapeseed pod dehiscence based on impending fracturing method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(8): 111－115. (in Chinese with English abstract)

[14] 浦惠明，龙卫华，高建芹，等．甘蓝型油菜角果的抗裂角特性及其相关分析[J]．中国油料作物学报，2013，35(5)：469－475． Pu Huiming, Long Weihua，Gao Jianqin, et al. Silique shatter resistance and correlation analysis in[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2013, 35(5): 469－475. (in Chinese with English abstract)

[15] Morgan C L, Bruce D M, Child R D, et al. Genetic variation for pod shatter resistance among lines of oilseedrape developed from synthetic.[J]. Field Crops Res, 1998, 58: 153−165. (in Chinese with English abstract)

[16] 文雁成，傅廷栋，涂金星，等．甘蓝型油菜抗裂角品种（系）的筛选与分析[J]．作物学报，2008，34(1)：163－166． Wen Yancheng, Fu Yandong, Tu Jinxing, et al. Screening and analysis of resistance to silique shattering in rape (L.) [J]. Acta Agronomica Sinica, 2008, 34(1): 163－166. (in Chinese with English abstract)

[17] 文雁成，傅廷栋，涂金星，等．影响甘蓝型油菜角果抗裂特性的因素分析[J]．中国油料作物学报，2010，32(1)：25－29. Wen Yancheng, Fu Yandong, Tu Jinxing, et al. Factors analysis of silique shatter resistance in rapeseed()[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2010, 32(1): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[18] 彭鹏飞，李云昌，胡琼，等．甘蓝型油菜新品系的抗裂角性鉴定及品种筛选[J]．华北农学报，2009，24(6)：223－226. Peng Pengfei, Li Yunchang, Hu Qiong, et al. Screen of varieties suitable for machine harvesting from new breeding hybrids or lines in Brassica napus.[J]. Acta Agriculturae Boreali Sinica, 2009, 24(6): 223－226. (in Chinese with English abstract)

[19] 彭琦，张洁夫，张维，等．甘蓝型油菜裂角性快速鉴定的方法及其应用[J]．江苏农业科学，2014，42(11)：128－130． Peng Qi，Zhang Jiefu，Zhang Wei, et al. Rapid identification and application of pod shatter resistance inL.[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2014, 42(11): 128－130. (in Chinese with English abstract)

[20] 乔金平，李耀明，赵湛，等．成熟期橄榄型油菜角果抗裂角性试验与分析[J]．农机化研究，2015，37(5)：204－207. Qiao Jinping, Li Yaoming, Zhao Zhan, et al. Test and analysis on the silique shatter resistance of mature oilseed rape (L)[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(5): 204－207. (in Chinese with English abstract)

[21] 彭鹏飞．甘蓝型油菜抗裂角性状的鉴定、遗传分析及QTL定位[D]．武汉：中国农业科学院，2009． Peng Pengfei. Determination，Genetic Analysis and QTL Mapping of Pod Shatter Resistance in Rapeseed (L.)[D]. Wuhan: Chinese Academy of Agricultural sciences, 2009. (in Chinese with English abstract)

[22] 彭鹏飞，李云昌，梅德圣，等．油菜抗裂角性鉴定方法的改进及试验[J]．农业工程学报，2013，29(21)：19－25．Peng Pengfei, Li Yunchang, Mei Desheng, et al. Optimization and experiment of assessment method for pod shatter resistance inL.[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(21): 19－25. (in Chinese with English abstract)

[23] 高国华，马帅. 曲柄滑块滚轮滑槽用于蔬菜封膜装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(5)：9－16. Gao Guohua, Ma Shuai. Simulation and test of film sealing device for tray packaged vegetables preservation based on crank-slider mechanism and roller chute mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 9－16. (in Chinese with English abstract)

[24] 许茏. 包装机械中曲柄摇杆机构设计分析及仿真[J]. 包装工程，2014，35(9)：76－79. Xu Long. Design analysis and simulation of crank-rocker mechanism in packaging machinery[J]. Packaging Engineering, 2014, 35(9): 76－79. (in Chinese with English abstract)

[25] 陈进，周韩，赵湛，等．基于EDEM的振动种盘中水稻种群运动规律研究[J]．农业机械学报，2011，42(10)：79－83,100． Chen Jin, Zhou Han, Zhao Zhan, et al. Analysis of rice seeds motion on vibrating plate using EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(10): 79－83,100. (in Chinese with English abstract)

[26] 刘婷婷，孙盈盈，曹石，等．油菜抗裂角性状研究进展[J]. 作物杂志，2014(3)：5－9． Liu Tingting, Sun Yingying, Cao Shi, et al. Research advances on traits of resistance to pod shattering in rapeseed[J]. Crops, 2014(3): 5－9. (in Chinese with English abstract)

[27] Child R D, Chauvaux N, John K, et al. Ethylene biosynthesis in oil-seed rape pods in relation to pod shatter[J]. Journal of Experimental Botany, 1998, 49: 829－838.

[28] Child R. Genetic variation for pod shatter resistance among lines of oilseed rape developed from synthetic[J]. Field Crops Reasearch, 1998,58(2): 153－165.

[29] Josefsson E. Investigations into shattering resistance of cruciferous crops[J]. Zeitschrift fur Pflanzenzuchtung, 1986, 59: 384－396．

[30] 崔嘉成，梅德圣，李云昌，等．甘蓝型油菜角果相关性状对抗裂角性遗传贡献率分析[J]. 中国油料作物学报，2013，35(5)：461－468． Cui Jiacheng, Mei Desheng, Li Yunchang, et al. Genetic contribution of silique related traits to silique shatter resistance of Brassica napus L.[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2013, 35(5): 461－468. (in Chinese with English abstract)

Technology of 2-DOF collision testing for rape pod shatter resistance

Qing Yiren, Li Yaoming※, Ma Zheng, Xu Lizhang, Yang Yi

(212013,)

The rape pod shatter resistance is the main factor affecting for mechanical harvesting loss. In order to choose more suitable varieties with strong pod shatter resistance for mechanized harvesting, the study proposed a testing technology with 2 degree of freedom(2-DOF) collision tester, it was simple and easy to move, so we could evaluating the pod shatter resistance real-time in field, and it also had the advantages of test results with good repeatability and high discrimination. To study the method of 2-DOF in detail, the tester structure principle and the parameters designed were analyzed, and the motion characteristics of the 2-DOF collision tester was calculated by Matlab. Then the different motion characteristics of steel ball under 2-DOF compound motion and shaking table reciprocating motion were simulatedby EDEM, respectively. The simulation results showed that the steel ball’s speed was higher and more uniform by 2-DOF collision, however, the velocity distribution was uneven comparatively under table collision, so we considered the 2-DOF collision was more reliable.Further the reasonable test parameters of 2-DOF was studied by testing, and 2-DOF collision testing and shaking table collision were compared. In order to study the importance of real-time test in the field, the pod shatter resistance index(SRI) of 15 varieties was tested, and the difference of SRI between the field pods and dried pods indoor under the same moisture condition was also analyzed. The results showed that the 60 r/min of swing motor speed and 75 r/min of moving motor speed were the suitable collision parameters. Under this collision condition, the SRI was 0.358 and the coefficient of variation of SRI was 8.35%. And the range of SRI by 2-DOF collision was 0.008-0.948 and average value was 0.370 under 15 varieties comparative test, but the table collision results performed higher, the range was 0.127-0.983 and average value was 0.549 correspondingly, meanwhile the mean standard deviation of 2-DOF was 0.020 3, accordingly result of shaking table collision was 0.025 6. This showed that the method of 2-DOF was more reliable and repeatable than the table collision. In addition, we found that the SRI of 4 varieties with strong shatter resistance was greater than 0.9, while the SRI of 2-DOF was 0.663-0.948, respectively. It indicated that the 2-DOF had a good effect on identifying cultivars with strong pods shatter resistance, but for the varieties with particular poor pod shatter resistance, the SRI were all less than 0.1 by 2-DOF collision, which could quickly and easily exclude pod varieties with poor pod crushing resistance. In addition, the correlation coefficient of the result between the two testing methods was analyzed(0.963 (<0.05)), it indicated that the two methods had the same general trend of the evaluation result, so the identification method of 2-DOF was reliable and practicable. And last, we found the results of SRI range was 0.013-0.553 via the pod testing in field of 15 rape varieties, as well as the SRI was 0.008-0.948 by dried pods indoor. The results showed that pod resistance in the field was significantly smaller, indicating that water was not the only factor affecting pod resistance, so real-time field testing of pod was needed. In conclusion, the real-time test of 2-DOF SRI can reflect the actual situation of pods in mechanized harvesting period, screen out more reliable rapeseed varieties, and help to determine the optimal harvesting time for mechanized harvesting.

crops; kinematics; optimization; rape pod; pod shatter resistance; 2 degree of freedom; comparison; collision

2018-09-19

2019-02-19

国家自然科学基金资助项目（31671590）

青苡任，四川南充人，博士生，从事油菜低损失收获方向研究。Email：1241266091@qq.com

李耀明，教授，博士生导师，主要从事现代农业机械设计及理论研究。Email：yml@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.005

S225.99

A

1002-6819(2019)-05-0033-08

青苡任，李耀明，马 征，徐立章，杨 毅. 油菜角果抗裂角性二自由度碰撞测试方法研究[J]. 农业工程学报，2019，35(5)：33－40. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.005 http://www.tcsae.org

Qing Yiren, Li Yaoming, Ma Zheng, Xu Lizhang, Yang Yi. Technology of 2-DOF collision testing for rape pod shatter resistance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 33－40. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.005 http://www.tcsae.org