棉種參數特性測定研究

李海潮，王爽

（新疆科技學院化工與紡織工程學院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

種子是播種機械的主要作用對象，在設計棉花精量穴播器各部分的結構之前對其進行參數測定是必不可少[1]。機械式穴播器取種機構的結構參數主要是根據種子的參數來確定的，因此排種器的工作性能與種子的參數有著密切的關系。機械式棉花精量穴播器主要用于棉花精量播種，因此需要對棉種的參數和特性進行測定和分析，在為穴播器各個零部件結構的設計提供數據基礎的同時也可為穴播器的工作機理研究提供理論依據，對增強穴播器工作性能和提高播種效率有重要的意義。

1 棉種物理參數特性的研究

不同品種棉種的外觀和尺寸存在一些差異，因此本次試驗選取新疆地區最常用的兩種棉種“新陸早42 號”和“新陸早61 號”作為研究對象，進行棉種的物理性質試驗研究，試驗所需棉種由新疆承天種子公司提供，均經過脫絨和拋光處理。試驗前對試驗用的棉種進行人工清選和干燥處理，棉種含水率為5.6%，含雜率小于0.1%。

1.1 棉種千粒重和密度

設計穴播器時需要考慮棉種的千粒重和密度，該數據可為設計者對穴播器的整體體積以及種腔容量大小的設計提供參考依據。棉種千粒重的含義為1000粒顆粒飽滿無損傷及雜質的棉花種子質量[1]，千粒重反映種子的飽滿程度，對取種器型孔充種性能以及種子的運動軌跡有一定的影響，重量大的種子具有較好的播種特性[1]。密度分為實體密度和容積密度，在進行排種器的設計時只考慮棉種的實體密度，實體密度由棉種的質量m與其體積V之比值來表示：

式中ρ--棉種的密度，g/cm3；m--棉種的質量，g；V--棉種的體積，cm3。

試驗測定千粒重和密度的設備為電子天平和量杯，電子天平的型號為SPS402-F 型，測量精度0.01g，對千粒重和密度分別進行10次測量并計算其平均值。兩種脫絨棉種的千粒重和密度如表1。

經過測定，兩種品種的棉種千粒重和密度差異不大，“新陸早42號”的千粒重為102.37 g，密度為0.573 g/cm3；“新陸早61號”的千粒重為100.41g，密度為0.641g/cm3。

1.2 棉種粒型和幾何尺寸

種子的形狀和尺寸直接影響排種器充種和清種的過程，在設計排種器時應考慮棉種的粒型和幾何尺寸。不同時期的研究人員創立了多種種子形狀分類法并按照分類法將種子分為圓球狀、橢球狀、賓豆狀和大豆狀[1]。經過脫絨和拋光處理的棉種近似為橢球狀，按照形態學的種子定義需要測定其幾何尺寸，包括長度L，寬度W和厚度T[1]，尺寸定義如圖1。

圖1 棉種的幾何尺寸

1.2.1 測試方法

從試驗用的兩個品種的棉種堆里面各取100粒，用電子游標卡尺直接測量種子的外形尺寸，對外形尺寸測量數據進行分析統計，計算出兩個品種的棉種幾何尺寸平均值以及概率分布。

1.2.2 測試結果及分析

脫絨棉種的外形近似為橢球形，但是在棉種的長度方向上兩端差異較大，一端為端面光滑的半圓球形，另一端為端面尖銳（稱作根鞘）的錐形，棉種表面整體較為光滑，略有凹陷，兩種粒型的種子如圖2。

圖2 棉種外形

經測定，“新陸早42號”和“新陸早61號”兩個品種的幾何尺寸概率分布如圖3，棉種長度、寬度和厚度的平均值如表2。

圖3 棉種長度、寬度和厚度概率分布

表2 種子幾何尺寸平均值

從表2和幾何尺寸概率分布圖可以看出“新陸早42號”和“新陸早61 號”兩個品種的棉種在幾何尺寸上存在稍許差異，但是在整體上呈正態分布，由于棉種近似為橢球形，因此同一品種棉種的長度尺寸大于寬度或者厚度尺寸，寬度和厚度尺寸較為接近?！靶玛懺?2號”棉種的長度尺寸集中在8.5～9.5 mm，寬度尺寸集中在4.5～5.4 mm，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm?！靶玛懺?1 號”棉種的長度尺寸集中在9.0～10.0 mm，寬度尺寸集中在4.5～5.4 mm，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm。

2 棉種力學參數的測定

脫絨棉種按照其特性可以看作散粒體，穴播器在工作過程中始終伴隨著散粒體棉種的流動和分離過程，因此在進行穴播器的設計和研究前必須對棉種進行必要的散粒體研究。棉種的散粒體特性主要包括棉種的自然休止角、滑動摩擦角和滾動摩擦角3 個特性[2]，上述特性對于穴播器關鍵部件取種器等結構的設計具有重要意義，本文主要對脫絨棉種的自然休止角和滑動摩擦角進行研究。

2.1 棉種自然休止角

當棉種連續地從一定高度處通過小孔自由下落到某一固定的水平面時會在這個水平面上堆積成一個圓錐體，棉種堆積而成的圓錐體的母線與水平面的夾角便是棉種的自然休止角[2]。種子的自然休止角只與它的形狀、大小、含水率和表面粗糙程度等有關，種子的休止角越大，種子間的摩擦就越大，流動性能就越差。

測量種子自然休止角的方法有很多，本文采用排出法來測量棉種的休止角，所選用的試驗儀器為物料自然休止角測定儀，如圖4，試驗裝置主要由種箱、托盤、閘門和底座4部分組成。

圖4 自然休止角測定儀及其測量原理

進行試驗時首先測出圓形托盤的直徑D，將裝置放置于水平面，關緊閘門，將棉種裝滿種箱，然后開啟閘門，讓種箱內的種子經由種箱底部的小孔自然流出，當種子停止流出后測量出托盤上的種堆高度H，通過以下公式計算出棉種的自然休止角。

式中H--種堆高度，cm；D--托盤直徑，cm。

試驗測得托盤的直徑為13cm，然后對每個品種的棉種重復進行5次測量并求平均值，試驗結果如表3。

表3 棉種自然休止角

由表可知，不同品種棉種的自然休止角存在稍許差異，但是數值差異不大，由試驗結果得到脫絨棉種的自然休止角在32°～35°之間。

2.2 棉種滑動摩擦角

散粒體的滑動摩擦角是指散粒體物料從一種特定材質的斜面剛開始發生相對滑動時斜面與水平面的夾角，滑動摩擦角的正切值即為滑動摩擦系數[3]?；瑒幽Σ两欠从车氖巧⒘ｓw物料與其接觸面間的摩擦特性，其大小與棉種的尺寸大小、棉種表面光滑程度和接觸面的材料等相關[4-5]。

試驗采用摩擦角測定儀測定棉種摩擦角，摩擦角測定儀主要由角度盤、手輪、拉線、斜面和底座5 部分組成，斜面材質為鋼板，與排種器材料相同，測量裝置及結構原理如圖5。

圖5 滑動摩擦角測定儀及其測量原理

為了保證測量數據的準確性，每個品種的棉種進行3次試驗，結果取平均值。由于棉種近似為橢球形，為了防止棉種在斜面上發生滾動，在斜面上放置棉種時將棉種的方向一律放置為長軸指向斜面底端。測量前將試驗儀器置于水平面，斜面調整放平與底座接觸，角度盤歸零，將棉種放置于斜面。測量開始后緩慢轉動手柄，拉線帶動斜面緩慢上升使斜面角度增大，當大部分棉種開始沿斜面下滑時停止轉動手柄，通過角度盤的讀數得到斜面轉過的角度，此時斜面與水平面的夾角即為棉種的滑動摩擦角。

經過測定兩個品種的棉種的滑動摩擦角相差無幾，摩擦角的數值在26°～32°之間。

3 結論

本研究以新疆地區廣泛種植的棉種“新陸早42 號”和“新陸早61 號”為研究對象，對影響穴播器結構尺寸設計的棉種物料特性進行了測定，試驗結果為排種器的結構設計以及穴播器作業過程中的運動分析提供了理論依據。主要結果如下：

（1）經過脫絨拋光并干燥處理，當兩個品種的棉種含水率為5.6%時，“新陸早42 號”的千粒重為102.37 g，密度為0.573 g/cm3；“新陸早61 號”的千粒重為100.41 g，密度為0.641g/cm3，該試驗結果為機械式穴播器的整體外形和種腔設計提供了理論參考。

（2）兩個品種的棉種外形均近似為橢球體，幾何尺寸均在整體上表現出正態分布的規律，“新陸早42 號”棉種的長度尺寸集中在8.5～9.5 mm 之間，寬度尺寸集中在4.5～5.4 mm 之間，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm 之間；“新陸早61 號”棉種的長度尺寸集中在9.0～10.0 mm 之間，寬度尺寸集中在4.5～5.4 mm 之間，厚度尺寸集中在4.0～4.4 mm 之間。以上參數對穴播器取種器結構參數設計提供了參考。

（3）兩個品種棉種的自然休止角數值差異不大，得到脫絨棉種的自然休止角在32°～35°之間，自然休止角的參數為穴播器進種管尺寸和角度設計提供了參考。

（4）兩個品種的脫絨棉種與鋼板之間的滑動摩擦角相差無幾，摩擦角的大小在26°～32°之間，為后續的棉種運動分析提供了依據。