李衣菲　衣淑娟　牟忠秋　张东明　毛欣

摘要：玉米种子在催芽和育秧等环节会受压缩载荷作用。不同放置方式及不同含水率的芽种所能承受的压缩载荷、由压缩载荷引起的破坏能以及其抗压强度不同。因此为降低玉米芽种的损伤率，需对芽种压缩力学性能进行研究。以含水率为15.2%、25.6%、35.7%的黑龙江省常用玉米芽种德美亚1号为研究对象，以CTM2050微机控制万能拉压试验机为试验工具，对不同含水率芽种在平放、侧放、立放条件下，研究压缩载荷随压缩位移的变化规律以及破坏能、抗压强度随含水率的变化规律。结果表明，芽种放置方式和含水率对破坏载荷、破坏能和抗压强度均有影响。

关键词：玉米芽种;压缩载荷;压缩位移;含水率;破坏能;抗压强度;玉米播种机;设计改进

中图分类号： S223.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）08-0234-04

玉米是世界上第三大粮食作物，至今已有400余年的种植历史[1]。玉米是重要的食品、饲料。现代农业为提高玉米产量，多采用工厂化育秧方式育株[2]。在工厂化育秧过程中，工作部件会与芽种产生碰撞与挤压，致使芽种破碎或破裂，阻碍玉米的全苗、壮苗，直接影响芽种成活率，从而导致玉米减产、经济亏损。目前学者对水稻芽种的压缩特性、草料的应力松弛压缩特性、苹果果实在不同压缩速率下的压缩特性以及马铃薯在不同放置方式、不同加载速度条件下的压缩特性进行了研究，而对玉米芽种在不同放置方式下，压缩载荷随压缩位移的变化规律以及压缩过程中破坏能和抗压强度随含水率的变化规律研究甚少。于恩中对水稻芽种的压缩敏感特性进行研究并指出，水稻芽种芽体与基体连接部最易损伤，研究气吸式排种器时应特别注意[3]。毕玉革等对3种新鲜草物料的压缩特性进行试验研究，得出压缩密度对压缩力以及品种对草物料压缩力的影响规律[4]。李小昱等通过对苹果进行压缩试验，测定和分析了其力-变形曲线的特性，结果发现，加载速率与压头型式对生物屈服力、破裂力与变形量的大小有影响[5]。王咏梅等运用CMT2502型电子万能试验机，在5种不同加载速率下对不同品种马铃薯进行压缩试验，并用SPSS软件分析力学特性变化规律，结果发现，不同加载速率对压缩载荷影响显著，而加载方向对压缩载荷影响不显著[6]。

本研究利用微机控制的电子拉压试验机，对黑龙江省常见玉米品种德美亚1号芽种进行静态压缩破损试验，测定不同含水率、不同放置方式的玉米芽种破裂时的压缩力，分析破坏能、抗压强度随含水率的变化规律，以期为玉米播种机构的设计、改进提供借鉴。

1材料与方法

1.1试验材料

德美亚1号玉米芽种，含水率分别为15.2%、25.6%、35.7%。

1.2试验仪器

CTM2050微机控制万能拉压试验机（图1）、挤压压头（图2）等。

1.3试验方法

本试验于2016年2月在黑龙江八一农垦大学收获实驗室完成。试验前，选取德美亚1号包衣玉米籽粒置于10～15 ℃ 的温水中浸泡40～48 h，待80%左右籽粒“露白”时，取芽种晾晒至含水率为15.2%、25.6%、35.7%，开始试验。试验时，将不同含水率的德美亚1号芽种以平放、侧放、立放3种方式置于压缩夹具中心，上压缩板静止不动，下压缩板以25 mm/min的速度缓缓向上运动，参数设定见图3。上压缩板的压头接触到芽种时电子显示屏开始记录，当玉米种子因受力过大而破裂时，压力骤减而自动停机，此时记录状态停止，记录电脑屏幕上的各个数据，每个含水率重复20次，评估在相应含水率下德美亚1号玉米芽种的压缩破损特性。每次试验应保证选择品种体积、形态大致相同的籽粒，测量水分后放置在密封袋中保存。试验时将种子放置在压头中心，在立放和侧放时用镊子轻轻夹住籽粒，以保证在中心位置压缩。

2结果与分析

2.1压缩特性分析

选取具有普遍性和代表性的德美亚1号芽种压缩试验曲线，分析其平放、立放、侧放下力-位移曲线的变化规律。

2.1.1不同放置方式单个玉米芽种的压缩特性分析

图4为德美亚1号芽种芽长为1 mm、含水率为35.7%平放、侧放、立放时的载荷-位移关系图，可以看出，平放、侧放、立放时的压缩载荷整体随压缩位移的增加而增大，芽种平放时所能承受的压缩载荷远大于芽种侧放与立放时，且至芽种破裂时，平放所需压缩位移最小，侧放次之，立放最大。

芽种平放时，压缩位移在0.37 mm前，曲线增长缓慢，压缩载荷有小部分增长，变化范围为0～15.28 N;之后，随着压缩位移的继续增加，压缩载荷快速增加，压缩载荷增加幅度较均匀，在1.52 mm处，压缩载荷达到最大值，为227.48 N，籽粒被压碎，压缩位移与压缩载荷的变化近似成正比。芽种侧放时，随着压缩位移的增加，压缩载荷逐渐增加，载荷增加幅度较均匀，在2.45 mm处，压缩载荷达到最大值，为67.06 N，籽粒破碎，此压缩载荷是芽种侧放时所能承受的最大载荷;随着位移的继续增加，载荷快速下降。芽种立放时，在达到最大力前，曲线呈凹函数式增长，没有波动点，压缩位移为 3.47 mm 时，压缩载荷最大，为29.02 N;压缩载荷最大处为芽种断裂分界点，压缩位移≥3.47 mm时，芽种断裂。将上述试验各重复20次，得到平放时芽种破损最大载荷平均值为206.36 N，侧放时为65.20 N，立放时为31.29 N。

2.2破坏能等压缩特性分析

2.2.1破坏能、抗压强度压缩特性指标定义

2.2.1.1破坏能

破坏能是物料在压缩载荷作用下，变形试验曲线上的破坏力点以前的曲线与变形轴所围成的面积。表示方式为W=∫ΔDF0FdD。（1）

式中：W为破坏能，J;F为试验破坏点处作用力值，N;∫ΔDF0为试验载荷变化范围;dD为试验载荷变化范围微分，即试验相邻采集点处变形差。

2.2.1.2抗压强度

抗压强度是外力施压时的强度极限。

p=F1/A。（2）

式中：p为抗压强度，MPa;F1为压力，N;A为剖面面积，mm2。

2.2.2含水率对压缩力学指标的影响

本研究分析平放、立放与侧放玉米芽种在静压力试验条件下，压缩载荷随含水率的变化规律及含水率对破坏能等压缩特性的影响，进而比较芽种在不同受力部位下破损的难易程度。

2.2.2.1芽种平放时含水率对压缩力学指标的影响

在不同含水率、同一芽长条件下，以德美亚1号为例进行压缩试验，得到在平放条件下，压缩载荷与压缩位移的关系曲线。由图5可知，在平放条件下，随着压缩位移的增加，压缩载荷增加，但是增加的幅度不同，在低含水率时，压缩载荷的增加幅度略大于高含水率。当含水率为15.2%时，芽种在压缩位移在 1.23 mm 处籽粒破碎，对应压缩载荷为216.49 N;当含水率为25.6%时，芽种在压缩位移为1.59 mm处籽粒破碎，对应压缩载荷为212.18 N;当含水率为35.7%时，芽种在压缩位移为1.68 mm处籽粒破碎，对应压缩载荷为195.14 N。可见，在一定芽长条件下，芽种承受载荷的能力随含水率的增加而降低，破碎需要的时间随压缩位移的增大而加长，表明含水率较大时芽种的韧性较大。

通过对同一芽长的压缩试验数据进行分析，得到芽种含水率对破坏能、抗压强度的影响（图6、图7）。

利用DPS数据处理系统对曲线进行回归，由表1可得，含水率对破坏能和抗压强度均有影响，二者均在一定范围内随含水率的增加而减小，采用多项式回归拟合的决定系数大于0.98，说明回归方程拟合较好，破坏能与抗压强度随含水率的变化关系具有规律，可进行常规判断。由图6、图7可大致得到，芽种的含水率<25%时，破坏能数值变化较小，为 7 N·mm 左右;芽种的含水率≥25%时，破坏能数值变化增大，变化量为30 N·mm左右。随着芽种含水率的变化，抗压强度数值变化基本一致，为0.5 MPa左右。

2.2.2.2芽種侧放时含水率对压缩力学指标的影响

在不同含水率、同一芽长条件下，以德美亚1号为例进行压缩试验，得到侧放条件下，压缩载荷与压缩位移关系曲线。由图8可知，在侧放条件下，随着压缩位移的增加，压缩载荷先增加后减小，但是增加与减小的幅度不同，在低含水率时，压缩载荷的增加幅度略大于高含水率。当含水率为15.2%时，芽种在压缩位移为1.99 mm处破碎，对应压缩载荷为96.56 N;当含水率为25.6%时，芽种在压缩位移为2.34 mm处破碎，对应压缩载荷为82.64 N;在含水率为35.7%时，芽种在压缩位移为2.45 mm处破碎，对应压缩载荷为67.06 N。可见，在一定芽长条件下，芽种承受载荷的能力随着含水率的增加而降低，破碎需要的时间随着压缩位移的增大而延长，表明含水率较大时芽种的韧性较大。3种含水率芽种破碎后，其所受载荷迅速减小，变化趋势基本一致。

通过对同一芽长的压缩试验数据进行分析，得到芽种含水率对破摔能、抗压强度指标的影响（图9、图10）。

利用Excel数据分析系统对试验进行回归，由表2可知，含水率对破坏能和抗压强度的影响很大，曲线变化明显，且在一定范围内随着含水率的增加二者均减小。采用多项式回归拟合的决定系数均大于0.99，说明回归方程拟合较好，破坏能与抗压强度随含水率变化关系具有规律，可进行常规判断。

其中抗压强度为多项式回归，变化范围为1.84～2.40 MPa，变化量为 0.56 MPa，破坏能的回归模型为线性回归，变化范围为 164.30～192.04 N·mm，变化量为27.74 N·mm。

2.2.2.3芽种立放时含水率对压缩力学指标的影响

在不同含水率、同一芽长条件下，以德美亚1号芽种为例，分析立放条件下压缩载荷与压缩位移的关系。由图11可知，在立放条件下，随着压缩位移的增加，压缩载荷先增加后减小，但是增加的幅度不同，在低含水率时，压缩载荷的整体增加幅度大于高含水率。当含水率为15.2%时，芽种在压缩位移为 3.19 mm 处破碎，对应压缩载荷为69.19 N;当含水率为 25.6% 时，芽种在压缩位移为2.80 mm处破碎，对应压缩载荷为47.37 N;当含水率为35.7%时，芽种在压缩位移为 3.72 mm 处破碎，对应压缩载荷为31.58 N。可见，在一定芽长条件下，芽种承受载荷的能力随着含水率的增加而降低，破碎需要的时间随着压缩位移的增大而延长，表明含水率较大时芽种的韧性较大。立放时，含水率较低的芽种承受载荷能力大于高含水率芽种。

通过对同一芽长的压缩试验数据进行分析，得到芽种含水率对破坏能、抗压强度指标的影响（图12、图13）。

利用Excel数据分析系统对曲线进行回归，由表3可知，含水率对破坏能和抗压强度的影响很大，曲线变化明显。采用多项式回归拟合的决定系数均大于0.96，说明回归方程拟合较好，破坏能与抗压强度数值随含水率变化具有规律，可进行常规判断，但抗压强度的回归决定系数高于破坏能，说明抗压强度的变化规律性更强。由图12、图13可知，破坏能与抗压[CM（25]强度均在一定范围内随着含水率的增加而减小，其中破坏能随着含水率呈凹函数式变化，变化范围为117.48～220.74 N·mm，变化量为 103.26 N·mm;抗压强度随含水率呈凸函数式变化，变化范围为1.62～2.17 MPa，变化量为 0.55 MPa。

3结论

相同含水率的德美亚1号芽种在平放、立放条件下，压缩载荷均随着压缩位移增加而增大;在侧放条件下，压缩载荷随着压缩位移的增加先增加后减小。至芽种破裂时，平放所能承受的压缩载荷最大，侧放次之，立放最小。芽长相同的德美亚1号芽种在平放、侧放、立放条件下，所能承受的最大压缩载荷随着含水率的增加而减小。平放、侧放、立放条件下的德美亚1号芽种的破坏能、抗压强度均随着含水率的增加而减小，且决定系数均大于0.96。

参考文献：

[1]陈淑梅，安玉富. 我国玉米种植业发展现状及方向探讨[J]. 中国农业信息，2012（19）：97.

[2]陈柏龙. 水稻育秧工厂最佳服务半径的研究[D]. 南京：南京农业大学，2013.

[3]于恩中. 水稻芽种物料特性的试验研究[D]. 长春：吉林农业大学，2004.

[4]毕玉革，杨明韶. 新鲜草物料压缩过程中压缩力的变化规律[J]. 农机化研究，2008（8）：14-16.

[5]李小昱，王为. 苹果压缩特性的研究[J]. 西北农业大学学报，1998，26（2）：107-110.

[6]王咏梅，孙伟，王关平. 马铃薯压缩力学性能试验研究[J]. 农机化研究，2015（3）：170-174.