使用種子工作臺(tái)進(jìn)行西瓜種子物理特性分析

       無(wú)籽西瓜是近代植物育種中的一枝奇葩。我國(guó)育成的三倍體無(wú)籽西瓜數(shù)量之多、質(zhì)量之優(yōu)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，其栽培面積和總產(chǎn)量也居世界之冠。但無(wú)籽西瓜在生產(chǎn)過(guò)程中存在采種量低、發(fā)芽率低、成苗率低的“三低”問(wèn)題。主要原因之一是無(wú)籽西瓜種子的種皮較厚，存在種皮機(jī)械障礙，造成萌發(fā)困難且萌發(fā)一致性差，生產(chǎn)上常采用“破殼”發(fā)芽。未經(jīng)破殼的種子發(fā)芽率僅為 20% ～30% ，破殼后可提高到 90% 以上。目前一般采用人工破殼的方法: 牙齒輕嗑、鋼絲鉗輕夾或小刀斜削種臍兩邊進(jìn)行破殼。這種作業(yè)方式比較原始，生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高，阻礙了無(wú)籽西瓜產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。特別是近幾年國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力價(jià)格不斷攀升，增加了無(wú)籽西瓜制種成本，因此開(kāi)發(fā)無(wú)籽西瓜自動(dòng)破殼機(jī)代替原始人工破殼具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)為進(jìn)一步發(fā)展無(wú)籽西瓜產(chǎn)業(yè)提供了條件。本文主要使用種子工作臺(tái)對(duì)西瓜種子進(jìn)行分析，無(wú)籽西瓜種子破殼機(jī)排種器的設(shè)計(jì)和對(duì)無(wú)籽西瓜種子的主要物理特性進(jìn)行了測(cè)定，為無(wú)籽西瓜種子破殼機(jī)排種器設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)理論依據(jù)。
       世界各國(guó)對(duì)不同品種種子的物理特性研究成果非常多。我國(guó)對(duì)水稻和油菜種子的物理特性研究較多。Yang Ling等和張桂花等分別對(duì)水稻包衣種子進(jìn)行了研究，主要利用研究結(jié)果進(jìn)行了播種機(jī)的研究。趙進(jìn)輝等進(jìn)行了油菜籽的物理特性和油菜籽排種器的相關(guān)研究。謝麗娟等對(duì)蓮子的機(jī)械特性進(jìn)行了一定的研究。國(guó)外對(duì)食用西瓜子進(jìn)行過(guò)大量的研究; 但國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)較少，董有利和周一屆對(duì)食用西瓜種子的壓縮破殼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析研究。目前，對(duì)于無(wú)籽西瓜種子的相關(guān)物理特性研究國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。
1 材料與方法
1．1 材料
      采用常見(jiàn)的無(wú)籽西瓜種子有 3 個(gè)品種: 黑牛、蜜紅和花皮，含水率分別為 7．11% ，6．98% ，6．69% 。實(shí)驗(yàn)前對(duì)西瓜籽粒進(jìn)行人工挑選，剔除有病害、受損傷和形狀、尺寸異常的籽粒。
1．2 方法
      實(shí)驗(yàn)于 2010 年 7 月 1 日至 8 月 1 日在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)物料實(shí)驗(yàn)室完成。分別對(duì)不同品種的無(wú)籽西瓜種子進(jìn)行了基本物理參數(shù)( 千粒質(zhì)量、三軸尺寸)和力學(xué)特性( 休止角和滑動(dòng)摩擦系數(shù)) 測(cè)定。
1．2．1 千粒質(zhì)量的測(cè)量
      采用電子秤( 精度: 0． 01g) 進(jìn)行測(cè)量，各樣品重復(fù)5 次。
1．2．2 三軸尺寸的測(cè)量
      采用千分尺( 精度: 0． 01mm) 對(duì)種子進(jìn)行三軸尺寸長(zhǎng)度( L) 、寬度( W) 和厚度( T) 測(cè)量。測(cè)定時(shí)，隨意選出不同品種種子 100 粒; 同一類(lèi)別在不同位置測(cè)量5 次，取其中最大值為測(cè)量值，測(cè)量結(jié)果取其平均值。
1．2．3 真密度的測(cè)量
       一般種子真密度的測(cè)量使用浸液法。浸液法中比重瓶法具有儀器簡(jiǎn)單、操作方便、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用比重瓶法，浸液為甲苯溶液 ; 每個(gè)品種進(jìn)行10 次，取其平均值。體積( V) 的計(jì)算公式為
       V = ［( Mt－ Mp) － ( Mts－ Mps) ］/ρt( 1)式中 Mt—比重瓶 + 甲苯的質(zhì)量( g) ;Mp—比重瓶的質(zhì)量( g) ;Mts—比重瓶 + 種子 + 甲苯的質(zhì)量( g) ;Mps—比重瓶 + 種子的質(zhì)量( g) ;ρt—甲苯的密度。真密度的計(jì)算公式為ρts= ( Mps－ Mp) /V ( 2)休止角采用直尺測(cè)量法，所用儀器如圖 1 所示。測(cè)量?jī)x器主要由底座、種子高度標(biāo)桿、游標(biāo)尺、底盤(pán)、圓周直徑尺和漏斗等組成。其中，支架上標(biāo)有刻度且可以上下移動(dòng)，以便控制籽粒的跌落高度。在試驗(yàn)過(guò)程中，將要保證漏斗左右兩側(cè)支架保持在同一個(gè)水平上，以便調(diào)整漏斗底部到底盤(pán)的高度。漏斗中心與底盤(pán)中心的直線垂直于底盤(pán)，保證樣品下落在底盤(pán)中心。底盤(pán)、漏斗可以自由更換，以便能測(cè)定不同樣品的休止角。給 定 直 徑 D，分 別 測(cè) 量 H，則 休 止 角 α =arctan( 2H / D) ，其中 H 為堆高，D 為堆底面直徑。重復(fù)5 次，取其平均值。

        靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)斜面儀測(cè)定方法，如圖 2 所示。將休止角測(cè)量?jī)x( 如圖 1 所示) 的底板通過(guò)齒輪和齒條調(diào)節(jié)一定的高度即為斜面，將所要測(cè)量種子放置在斜面上，通過(guò)齒輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)緩慢調(diào)節(jié)斜面高度，逐漸增大斜面傾角 β，當(dāng)種子沿斜面滑動(dòng)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)量角器記錄傾斜角度即為滑動(dòng)角 β; 重復(fù) 5 次，取其平均值。靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)( μ) 計(jì)算公式為
μ = tanβ ( 3)

2 結(jié)果與討論
2．1 幾何物理特性
         幾何物理特性實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表 1 所示，包括實(shí)驗(yàn)測(cè)量值結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差。測(cè)量結(jié)果范圍分別為長(zhǎng)度: 9．13 ～ 10．06mm ; 寬度: 6．41 ～ 6．77mm ; 厚度:2．18 ～ 2．22mm。其中，蜜紅的三軸尺寸最大，分別為10．06，6．77，2．22mm ; 3 個(gè)品種的三軸尺寸平均值分別為 9． 50，6． 58，2． 20mm。從表 1 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出 3 品種的外觀幾何尺寸相差不大 ; 3 品種的三軸尺寸都小于食用西瓜子的幾何參數(shù)。無(wú)子西瓜種子的三軸尺寸直接影響到西瓜種子在排種器內(nèi)的流動(dòng)性和充填性等，是確定排種器結(jié)構(gòu)形狀和充種元件的結(jié)構(gòu)時(shí)首要考慮的基本參數(shù)，基本相同的三軸尺寸有利于排種器的設(shè)計(jì)。

2．2 千粒質(zhì)量及真密度參數(shù)
         實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示，測(cè)量值結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差。蜜紅的千粒質(zhì)量為 67． 33g，最重; 黑牛的真密度為902．45kg / m3，最大。3 個(gè)品種間的比重特性相差不大，千粒質(zhì)重、真密度平均值分別為 61． 52g，900． 20kg / m3; 真密度平均值略大于食用西瓜。

2．3 力學(xué)物理特性
         靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)表征物料與接觸面間的滑動(dòng)性能，不同物料不同接觸面其滑動(dòng)性能不同。力學(xué)物理特性結(jié)果如表 3 所示。

         由表 3 中的結(jié)果可以看出，無(wú)籽西瓜種子與木板的靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)最大，與玻璃的靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)最小，與涂漆鐵板的靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)略大于與塑料板的靜滑動(dòng)摩擦因數(shù) 。其中，蜜紅與木板的滑動(dòng)摩擦因數(shù)( 0． 76) 最大，黑牛與玻璃的滑動(dòng)摩擦因數(shù)( 0．41) 最小。根據(jù) Razavi研究結(jié)果，食用西瓜子的滑動(dòng)摩擦因數(shù)稍微小于無(wú)籽西瓜種子的滑動(dòng)摩擦因數(shù); 但無(wú)籽西瓜種子的滑動(dòng)摩擦因數(shù)遠(yuǎn)大于包衣種子和油菜種子。種子的摩擦因數(shù)越大，要求無(wú)籽西瓜種箱的導(dǎo)種板的傾角越大，并且要求排種器排出種子時(shí)型孔所處的位置角度也增加。當(dāng)靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致排種的流動(dòng)性不好，影響排種。因而，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選擇較低靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)的導(dǎo)板。從表 2 中可以看出，無(wú)籽西瓜種子與木板的靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大，設(shè)計(jì)中不適合選擇 ; 與玻璃的靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)最小，從理論上講是最好的選擇，但一般玻璃易碎、加工連接困難 。所以，涂漆鐵板和塑料板較適合種箱和排種器等與種子相接觸的零部件。
         休止角反映了散粒物料的內(nèi)摩擦特性和散落性能。休止角越大，內(nèi)摩擦力越大，散落性越差，種子在箱體內(nèi)越難流動(dòng)，排種器等排籽時(shí)從箱中取種困難，散落過(guò)程中西瓜子間因摩擦的增加而產(chǎn)生的損傷率也就越大。如表 3 所示，黑牛的休止角( 27．91°) 最大，蜜紅( 25．73°) 次之，花皮( 22．15°) 最小; 3 品種的平均值為25． 26°，小于油菜種子和包衣種子。
3 結(jié)論
         本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法得出了無(wú)籽西瓜種子的主要物理特性，研究結(jié)果彌補(bǔ)了無(wú)籽西瓜種子物理特性參數(shù)的空白。
         三倍體西瓜種子的三軸尺寸的測(cè)定可為設(shè)計(jì)排種器的型孔形狀、型孔尺寸提供依據(jù); 而摩擦特性的測(cè)定則為排種器運(yùn)動(dòng)速度的設(shè)定、運(yùn)動(dòng)形式選擇提供理論計(jì)算依據(jù)。
         三倍體西瓜種子與有木板、漆鐵板、塑料板和玻璃的靜滑動(dòng)摩擦角都不同，不同的靜滑動(dòng)摩擦角對(duì)排種器導(dǎo)籽板的傾角、排種器的型孔或型槽所處位置的角度要求不同。因此，在考慮排種機(jī)構(gòu)滿足工作要求的同時(shí)，還要使排種機(jī)能滿足農(nóng)藝要求。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，含水率對(duì)無(wú)籽西瓜種子的物理特性影響比較明顯，下一步工作中將著重研究含水率對(duì)無(wú)子西瓜種子物理特性影響以及考慮破殼力學(xué)機(jī)械特性研究。

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