使用種子工作臺進(jìn)行西瓜種子物理特性分析

       無籽西瓜是近代植物育種中的一枝奇葩。我國育成的三倍體無籽西瓜數(shù)量之多、質(zhì)量之優(yōu)，在國際上處于領(lǐng)先地位，其栽培面積和總產(chǎn)量也居世界之冠。但無籽西瓜在生產(chǎn)過程中存在采種量低、發(fā)芽率低、成苗率低的“三低”問題。主要原因之一是無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、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高，阻礙了無籽西瓜產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。特別是近幾年國內(nèi)勞動力價格不斷攀升，增加了無籽西瓜制種成本，因此開發(fā)無籽西瓜自動破殼機(jī)代替原始人工破殼具有重要的實際應(yīng)用價值，同時為進(jìn)一步發(fā)展無籽西瓜產(chǎn)業(yè)提供了條件。本文主要使用種子工作臺對西瓜種子進(jìn)行分析，無籽西瓜種子破殼機(jī)排種器的設(shè)計和對無籽西瓜種子的主要物理特性進(jìn)行了測定，為無籽西瓜種子破殼機(jī)排種器設(shè)計提供了設(shè)計理論依據(jù)。
       世界各國對不同品種種子的物理特性研究成果非常多。我國對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。謝麗娟等對蓮子的機(jī)械特性進(jìn)行了一定的研究。國外對食用西瓜子進(jìn)行過大量的研究; 但國內(nèi)研究文獻(xiàn)較少，董有利和周一屆對食用西瓜種子的壓縮破殼進(jìn)行了實驗分析研究。目前，對于無籽西瓜種子的相關(guān)物理特性研究國內(nèi)外尚未見相關(guān)報道。
1 材料與方法
1．1 材料
      采用常見的無籽西瓜種子有 3 個品種: 黑牛、蜜紅和花皮，含水率分別為 7．11% ，6．98% ，6．69% 。實驗前對西瓜籽粒進(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
      實驗于 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)物料實驗室完成。分別對不同品種的無籽西瓜種子進(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( 休止角和滑動摩擦系數(shù)) 測定。
1．2．1 千粒質(zhì)量的測量
      采用電子秤( 精度: 0． 01g) 進(jìn)行測量，各樣品重復(fù)5 次。
1．2．2 三軸尺寸的測量
      采用千分尺( 精度: 0． 01mm) 對種子進(jìn)行三軸尺寸長度( L) 、寬度( W) 和厚度( T) 測量。測定時，隨意選出不同品種種子 100 粒; 同一類別在不同位置測量5 次，取其中最大值為測量值，測量結(jié)果取其平均值。
1．2．3 真密度的測量
       一般種子真密度的測量使用浸液法。浸液法中比重瓶法具有儀器簡單、操作方便、結(jié)果可靠等優(yōu)點。運用比重瓶法，浸液為甲苯溶液 ; 每個品種進(jìn)行10 次，取其平均值。體積( V) 的計算公式為
       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。真密度的計算公式為ρts= ( Mps－ Mp) /V ( 2)休止角采用直尺測量法，所用儀器如圖 1 所示。測量儀器主要由底座、種子高度標(biāo)桿、游標(biāo)尺、底盤、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，以便控制籽粒的跌落高度。在試驗過程中，將要保證漏斗左右兩側(cè)支架保持在同一個水平上，以便調(diào)整漏斗底部到底盤的高度。漏斗中心與底盤中心的直線垂直于底盤，保證樣品下落在底盤中心。底盤、漏斗可以自由更換，以便能測定不同樣品的休止角。給 定 直 徑 D，分 別 測 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。

        靜滑動摩擦因數(shù)斜面儀測定方法，如圖 2 所示。將休止角測量儀( 如圖 1 所示) 的底板通過齒輪和齒條調(diào)節(jié)一定的高度即為斜面，將所要測量種子放置在斜面上，通過齒輪調(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)種子沿斜面滑動開始運動時通過量角器記錄傾斜角度即為滑動角 β; 重復(fù) 5 次，取其平均值。靜滑動摩擦因數(shù)( μ) 計算公式為
μ = tanβ ( 3)

2 結(jié)果與討論
2．1 幾何物理特性
         幾何物理特性實驗測定結(jié)果如表 1 所示，包括實驗測量值結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差。測量結(jié)果范圍分別為長度: 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 個品種的三軸尺寸平均值分別為 9． 50，6． 58，2． 20mm。從表 1 的實驗結(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。

2．2 千粒質(zhì)量及真密度參數(shù)
         實驗結(jié)果如表 2 所示，測量值結(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
         靜滑動摩擦因數(shù)表征物料與接觸面間的滑動性能，不同物料不同接觸面其滑動性能不同。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，無籽西瓜種子與木板的靜滑動摩擦因數(shù)最大，與玻璃的靜滑動摩擦因數(shù)最小，與涂漆鐵板的靜滑動摩擦因數(shù)略大于與塑料板的靜滑動摩擦因數(shù) 。其中，蜜紅與木板的滑動摩擦因數(shù)( 0． 76) 最大，黑牛與玻璃的滑動摩擦因數(shù)( 0．41) 最小。根據(jù) Razavi研究結(jié)果，食用西瓜子的滑動摩擦因數(shù)稍微小于無籽西瓜種子的滑動摩擦因數(shù); 但無籽西瓜種子的滑動摩擦因數(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型孔所處的位置角度也增加。當(dāng)靜滑動摩擦因數(shù)過大時，導(dǎo)致排種的流動性不好，影響排種。因而，在設(shè)計中，應(yīng)盡量選擇較低靜滑動摩擦因數(shù)的導(dǎo)板。從表 2 中可以看出，無籽西瓜種子與木板的靜滑動摩擦系數(shù)最大，設(shè)計中不適合選擇 ; 與玻璃的靜滑動摩擦因數(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，排種器等排籽時從箱中取種困難，散落過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
         本文通過實驗測量方法得出了無籽西瓜種子的主要物理特性，研究結(jié)果彌補了無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定可為設(shè)計排種器的型孔形狀、型孔尺寸提供依據(jù); 而摩擦特性的測定則為排種器運動速度的設(shè)定、運動形式選擇提供理論計算依據(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摩擦角都不同，不同的靜滑動摩擦角對排種器導(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，還要使排種機(jī)能滿足農(nóng)藝要求。實驗中發(fā)現(xiàn)，含水率對無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無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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