种用大白菜植株物料的物理与悬浮特性

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　　关键词：种用大白菜植株;物料特性;基本物理参数;悬浮速度;含水率;清选
　　大白菜[Brassica pekinensis （Lour.） Rupr.]又名“结球白菜”，属芸薹属，原产于中国北方，后引种于南方，与油菜及甘蓝等都是十字花科的常见蔬菜品种，为异花传粉的作物，高40～80 cm不等。大白菜具有生长速度快、生育期短、产量高等特点，其播种面积约267万hm2/年，约占全国总蔬菜播种面积的15%，产值高达600亿元/年以上[1]。人们虽然经常食用大白菜，可对于种用大白菜植株的了解并不多。种子作为重要的农业生产必备资料，其品质不但影响农作物的产量，同样还影响农作物的品质[2]。
　　种用大白菜植株通常在每年的5月至6月初收获，其果实为长角果，种子成熟后角果极易开裂，收获时机一旦延误，就会造成种量的损失。每个角果约有24粒种子，籽粒几何尺寸小，千粒质量一般在1.9～4.0 g，通常在种荚泛黄即种株黄荚期时剥开角果，籽粒与角皮自动脱离，色泽由绿色转为黄褐色时为成熟，即可开始采收。
　　种用大白菜植株的物料的物理与悬浮特性参数是播种机械和收获机械在研究、设计过程中所需要的基本理论参数。以测得的基本参数为基础设计出的机械，能更有效地满足该作物所需的农艺要求，从而在收获过程中减少浪费，有效降低人工成本，最终在实现机械化收获的同时能够有效达到省时、省力的目的。
　　1 种用大白菜植株的基本物理参数
　　本研究重点测定影响种用大白菜植株的物理特性参数，主要有形状特征、三轴尺寸、千粒质量、滑动摩擦角以及休止角等。
　　1.1 试验材料
　　以河南省济源市王屋镇柏木洼大白菜育种基地提供的丰抗50为试验品种，进行种用大白菜植株脱出物的特定参数测量。种用大白菜植株脱出物的主要成分为长茎秆、短茎秆、角果、轻杂物以及大白菜籽粒[3]。
　　1.2 种用大白菜植株的组成
　　种用大白菜植株（图1）的长角果剥开后，中间有1层薄薄的分隔膜，两侧均匀分布24粒左右的籽粒，未成熟的籽粒为青绿色（图2），成熟的籽粒则为深红棕色（图3），大白菜籽粒极小，角果壳脆弱极易破裂;角果层的直径大，籽粒分散。
　　种用大白菜植株的主茎秆比较坚韧、粗壮，从根部2～10 cm处开始分枝，且其分枝数会随着植株高度的增加而变多。由于它特殊的生长特性，收获期植株的倒伏现象比较严重，会出现左右植株贴向地面、相互缠绕的现象。
　　1.3 参数的测量
　　种用大白菜植株的参数直接影响收获机械的设计。本试验使用精度為0.01 mm的游标卡尺等工具测得植株的基础参数，结果见表1。种用大白菜植株的主茎秆相对较粗，因此要求在对收获机具拨禾轮的设计过程中把作业的范围加大;同时，由于其分枝较高且数量较多，会增加喂入机具的茎秆数量，使在进行清选时变得十分困难;要注意的是角果层直径非常大，甚至远远超过植株的行距与株距的宽度，使两侧植株相互叠压在一起，那么在收获种用大白菜植株过程中，拨禾轮在作业时若强行将种用大白菜植株拨开，则无法避免两侧植株由于牵扯而造成的损失[4]。
　　1.4 大白菜种子的千粒质量
　　试验使用精度为0.01 g的WT1002型号的电子精准小型秤，在同一室温下，用取样器随机抽取5组物料，然后依次称质量，将测量得到的结果进行平均值计算，再通过公式计算得大白菜植株千粒质量，为295 g。
　　1.5 种用大白菜植株的休止角
　　不论是在对种用大白菜植株，还是任何一种物料的试验研究中，休止角都是一项必不可少的测量项目。休止角指物料自测量高度自由散落后，由其自然重力原因堆积而成的圆锥体的物料堆，其锥体的母线与其底部平面的夹角（图4）。通过对待测物料休止角的测量，可以有效且直观反映出离散物料的散落以及内摩擦性能，物料的散落性随休止角的增大而变小，内摩擦力则刚好相反，随其增大而变大;待测物料的籽粒愈近似球形，其内摩擦力便愈小，那么休止角便会愈小[5]。
　　本试验采用国标FBS-104粉末及颗粒休止角测试仪，在无风、室温稳定的前提下用注入法进行试验。休止角Э的公式如下：
　　试验时，水平放置休止角测试仪，确保漏斗的中心线与底板中心保持一致[6]。分别取等量的大白菜籽粒、角果以及轻杂物，重复5次，经计算得到平均值并将测量结果代入休止角公式计算得到：大白菜籽粒休止角Э1=21.7°，角果休止角Э2=441°，轻杂物休止角Э3=36.5°。
　　1.6 种用大白菜植株的滑动摩擦角
　　当被测物料与机具的板面接触时会产生滑动摩擦力，它的正切值即为滑动摩擦系数[7]。滑动摩擦角θ的测定（图5）是判断待测物料在机具内散落性能的必要指标。
　　在种用大白菜植株相关机械的设计运用过程中，尤其是在机械设计清选系统运作时，大白菜籽粒会通过清选筛面掉落在接料箱中，主要是植株分离物料的杂余同筛面等钢制板面之间会产生摩擦力，所以本试验仅将种用大白菜植株杂余与钢制板面的滑动摩擦角作为研究对象。
　　采用试验仪器测量摩擦角。在同温同压的试验环境下，分别取分量相同的5组数据，通过同一物料的几组数据对比，测得种用大白菜植株脱出物杂余与清选筛面的摩擦系数，得到的数值如表2所示，种用大白菜植株脱出物杂余同钢制板面之间的滑动摩擦角约为34°。
　　2 种用大白菜植株物料的悬浮特性
　　悬浮速度是影响种用大白菜植株脱出物在收获机械的风箱中，物料在气流清选的状态下，表征其空气动力特性的重要指标。物料悬浮速度是指气流的流体速度，待测物料在输送管道内，通过调节输送风量，使物料受气流的影响而上升或下沉，从而找到合适的风力。使物料始终在某一个特定高度，不再上升或下降，而是始终保持水平摆动的相对平衡状态（其受力状态见图6），即达成试验。 　　2.1 试验物料的准备
　　本试验所采用的种用大白菜植株物料，在自然成熟、人工收割后投入到自制横轴流式种用大白菜植株脱粒分离装置上进行脱粒，所得到的脱出物，经过人工筛选得到大白菜籽粒（图7）、角果（图8）、短茎秆（图9）与轻杂物（图10），轻杂物中包含植株各组分碎屑、细小海绵体与角果内隔膜等，共分为4组试验物料。随机选取部分待试验的4种物料，分别放入等量的水中浸泡相同时间，待含水率接近饱和状态时取出分装，再放入烘箱中，分别在10～30 min 的间隔时段内分5次取出不同烘干程度中所呈现不同含水率的物料样品进行试验， 待所有物料含水率趋于稳定，测得其含水率分别为23.3%、18.6%、15.0%、12.8%、9.6%。重点研究含水率与物料悬浮速度的关系，同时每次每组试验时间不超过2 min，以避免试验过久产生结果误差。
　　2.2 物料悬浮特性测定装置及方法
　　悬浮速度试验仪器（图11）主要由风机（图12）、智能压力风速仪、透明玻璃锥形管、变频控制柜（图13）与稳压筒等组成[9]。其中，锥形管配备有度量仪，以便观察物料漂浮高度，稳压筒用于稳定气流，通过风速仪对气流进行测量。
　　试验时，将待测物料放置于锥形管内的石棉网置物台上，关闭出风口，同时使用变频控制柜启动电源，打开风机，实时观测物料的悬浮情况并即时调节风速，以使锥形管内的物料达到相对理想的漂浮状态。大白菜籽粒极小且为球形，摆动幅度非常细微，易于推算出较为精准的悬浮速度;非球形的角果及轻杂物等物料则在气流中旋转并上下摆动，相较于籽粒物料来说，其悬浮位置沒有那么稳定。
　　2.3 不同含水率下的物料悬浮速度
　　从试验准备材料中选取出5组试样，试验中的物料含水率在9.6%～23.3%，其中每份试样的籽粒质量2 g，角果质量5 g，轻杂物质量1 g，茎秆质量10 g，以此进行试验，在不同含水率条件下种用大白菜植株各组分物料的悬浮速度见表3。通过图14和表3可见，随着含水率的变化，大白菜植株各组分物料的悬浮速度会发生改变，角果与轻杂物悬浮速度的趋势比较相似，即随含水率增加，悬浮速度增幅变大;大白菜籽粒与短茎秆的悬浮速度随含水率增加，增幅相对变小。在物料含水率为22%左右时，各组分物料悬浮速度极为接近，通过气流来进行清选，难度会增加，不容易达到理想的清选效果。由图14可以看出，当含水率大概在 9.5%、11.0%、12.8%、18.6%时，部分物料的悬浮速度出现重叠，这表明可能会造成气流清选困难;含水率在12.8%～18.6%，尤其在16%左右时，清选效果最佳，不易出现由于物料黏连而造成的物料清选夹带损失。籽粒物料悬浮速度在5.4～6.5 m/s 时，试验效果最佳;角果壳物料悬浮速度在4.9～5.5 m/s时，试验效果最佳;短茎秆物料悬浮速度在6.8～7.2 m/s时，试验效果最佳;轻杂物物料悬浮速度在3.0～34 m/s时，试验效果最佳;但总体来说，单纯通过气流风选，很难使种用大白菜植株各组脱出物高效率地分开。
　　本试验结果反映了种用大白菜植株各组分脱出物在气流清选过程中不同含水率状态下的运动变化规律，为种用大白菜植株收获机械的清选部分的相关设计提供有效的建议，可以大大提升种用大白菜植株收获机械在实际中的应用效果，避免因对物料的不了解而造成不必要的浪费，合理规避设计风险。
　　3 结论
　　本试验测定了种用大白菜品种丰抗50植株的基本参数，结果显示，大白菜籽粒千粒质量为 2.95 g，籽粒休止角为21.7°，角果休止角为44.1°，轻杂物休止角为 36.5°，种用大白菜植株脱出物杂余同钢制板面之间的滑动摩擦角约为34°。本试验重点对种用大白菜植株各组分脱出物在物料不同含水率条件下的悬浮速度进行研究，并确定在物料含水率为22%左右时，各组分物料悬浮速度接近重叠，会增加清选难度，在含水率为16%左右时，清选效果最佳，不易出现物料黏连。同时给出不同物料试验效果的最佳区间范围，以便于在实际机械设计中提升效率和避免物料的浪费。但是，单纯依靠风选对种用大白菜植株物料进行清选，很难达到理想效果，须要采用多种清选方式方能达到最优效果。
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