種子摩擦系數(shù)的測(cè)試方法以及影響因素分析

　　摘要：現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中，種子清選、運(yùn)輸和播種均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，其中種子與機(jī)械接觸面的摩擦系數(shù)在很大程度上影響了作業(yè)的效率。通過對(duì)種子摩擦系數(shù)的簡單研究與測(cè)試，種子的外形、含水率以及種子接觸材料的表面性質(zhì)是種子摩擦系數(shù)的諸多變量，值得深入研究。

　　關(guān)鍵詞：種子、摩擦系數(shù)、測(cè)試方法、外形、含水率

　　十二五期間，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備水平、作業(yè)水平、科技水平得到了前所未(分隔符)有的提升，農(nóng)業(yè)機(jī)械化成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的強(qiáng)有力支撐，為糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收做出了重要貢獻(xiàn)。其中，種子類農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，摩擦性是必須考慮的因素，關(guān)系到機(jī)械表面材料和參數(shù)的確定，是機(jī)械正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)和前提。

種子加工過程中摩擦性的重要作用

　　摩擦性是各類材料的基本性質(zhì)之一，常用摩擦系數(shù)來表征。摩擦系數(shù)是針對(duì)一組摩擦副來講，即互相接觸的兩種材料。當(dāng)二者表面相互接觸后，在相對(duì)移動(dòng)開始時(shí)的大阻力，其于法向力之比成為靜摩擦系數(shù)，而后二者以一定速度相對(duì)移動(dòng)時(shí)的阻力與法向力之比稱之為動(dòng)摩擦系數(shù)。種子類農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械表面材料與種子表面發(fā)生相互摩擦，其摩擦性會(huì)對(duì)種子的清選、輸送、播種產(chǎn)生影響。

　　種子清選是提高種子質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，一方面清除種子中的雜物，另一方面將飽滿的種子分離出來并按大小等因素分成不同等級(jí)。收獲的種子中混雜著破碎粒、不飽滿種粒、雜草種子、碎秸稈、砂礫等，攜帶大量細(xì)菌且易吸濕，有加速種子劣變的作用，通過嚴(yán)格清選后的種子生命力和增產(chǎn)性顯著增強(qiáng)。種子清選的方法很多，利用種子表面的摩擦性的差異進(jìn)行分離的方法為其一，由此也出現(xiàn)了相應(yīng)的種子清選機(jī)械。這類種子清選機(jī)械也稱為帶式清選機(jī)，由喂料斗、布帶和上下輥軸組成，布帶安裝在上下輥軸上與地面成一定傾角，以一定的速度向上轉(zhuǎn)動(dòng)，種子會(huì)因摩擦性的不同而出現(xiàn)上行和下落。這一分離機(jī)理可歸結(jié)為：對(duì)于相同的接觸布帶，表面光滑的種子與布帶的靜摩擦系數(shù)小，在布帶傾角較小的情況下即可滑落；而同重量表面粗糙的砂礫、雜草或碎秸稈等與布帶的靜摩擦系數(shù)大，滑落需要更大的布帶傾角。由此便可實(shí)現(xiàn)種子的清選。

　　種子清選后的各個(gè)加工環(huán)節(jié)都離不開輸送帶的運(yùn)輸，運(yùn)輸過程以“不散落、不滑落”為要求，降低種子的損失。既然輸送帶表面與種子接觸，二者必然存在相互摩擦?；?ldquo;不散落、不滑落”的要求，輸送帶表面材料的粗糙度應(yīng)適當(dāng)提升，加大與種子表面的靜摩擦系數(shù)，防止種子在運(yùn)輸中滑落。

　　播種，是種子應(yīng)用的終環(huán)節(jié)，也是決定作物產(chǎn)量的重要因素。傳統(tǒng)播種采用耬播與條播方式，播種量大、均勻性比較差，易出現(xiàn)幼苗稀疏、脆弱的現(xiàn)象?，F(xiàn)代，精密播種設(shè)備逐漸普及，而其中排種器是影響設(shè)備播種精密程度的核心部件。排種過程中，種子與排種器材料直接接觸，種子的摩擦系數(shù)決定了種子的流動(dòng)性和排種的順暢，也為排種器材料的選擇、排種器結(jié)構(gòu)形狀和傾斜角度以及種子的運(yùn)動(dòng)速度控制提供理論依據(jù)。

種子摩擦系數(shù)的測(cè)試方法

　　材料摩擦系數(shù)的測(cè)試常采用直接接觸法，即使用一個(gè)試驗(yàn)板（安置在水平操作臺(tái)上的），將一個(gè)試樣用膠固定在試驗(yàn)板上，另一個(gè)試樣裁切合適后固定在滑塊上，讓滑塊放置在試驗(yàn)板上個(gè)試樣中央，并使兩試樣的試驗(yàn)方向與滑動(dòng)方向平行且測(cè)力系統(tǒng)恰好不受力，如圖1。本次種子摩擦系數(shù)測(cè)試，采用的是Labthink MXD-02摩擦系數(shù)儀。由于種子外形的特殊性，測(cè)試時(shí)隨機(jī)取部分種子均勻的撒在粘有502膠的硬紙板上，硬紙板用膠固定在試驗(yàn)板上。將粘有不同接觸材料的滑塊按上述要求放于試驗(yàn)板上試樣的中央，啟動(dòng)摩擦系數(shù)儀，使滑塊和試驗(yàn)板相對(duì)移動(dòng)。需重復(fù)測(cè)試5次，取數(shù)據(jù)的平均值為終結(jié)果，如表1。

圖1. 檢測(cè)方法示意圖

注：A. 滑塊；B. 試驗(yàn)板；C. 支持底座；E. 測(cè)力系統(tǒng)；F. 恒速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；I. 尼龍絲

表1 白菜和小米種子對(duì)不同接觸材料的摩擦系數(shù)

　　由于種子接觸的農(nóng)業(yè)器械材料多為鋼、塑料和木質(zhì)材料，因此上述試驗(yàn)選定了這三類材料為種子的接觸材料。表1中，同一種接觸材料，小米種子的動(dòng)/靜摩擦系數(shù)均大于白菜種子，這種差異主要來源于種子自身的綜合性質(zhì)，如外形特征、含水率等。同樣表1 中，對(duì)比同一類種子對(duì)不同接觸材料的摩擦系數(shù)發(fā)現(xiàn)，種子對(duì)于木材的動(dòng)靜摩擦系數(shù)大，對(duì)鋼材和塑料的摩擦系數(shù)則相對(duì)較小。這就表明了種子的接觸材料的表面性質(zhì)也會(huì)對(duì)彼此之間的摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。

種子摩擦系數(shù)的影響因素

種子外形影響

　　不同作物品種的種子，形狀大小、表皮紋理千差萬別，對(duì)其摩擦性的影響也各有不同。就形狀而言，越接近圓球形，種子與材料的接觸面越小，摩擦系數(shù)越小，反之，則摩擦系數(shù)亦大。例如蠶豆為腎臟形、豌豆為圓球狀、瓜類種子為扁平形等，相對(duì)而言，豌豆的摩擦系數(shù)較小，而瓜類種子的摩擦系數(shù)可能相對(duì)較大一些。

　　此外，不同種子對(duì)同一接觸材料摩擦系數(shù)不同，也與種子表面的粗糙程度有關(guān)，尤其是表面存在網(wǎng)紋、凸起、穴坑、棱脊的種子，往往對(duì)某一材料的摩擦系數(shù)相對(duì)表面光滑的種子更大。這種表面的差異可能源于種子成熟后自珠柄脫落留下的斑痕，也可能源于種子為了自身傳播而衍生出的絨毛、刺、芒等附屬物，像棉籽表面生有大量皮毛、番茄種皮有刺狀凸起。

種子含水率的影響

　　為了驗(yàn)證含水率對(duì)種子摩擦系數(shù)的影響，筆者依照上述試驗(yàn)方法測(cè)試了幾種不同含水率的小米接觸鋼板材料的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，結(jié)果如表2。

表2 不同含水率小米摩擦系數(shù)

　　由表2數(shù)據(jù)可見，小米的含水率與其摩擦系數(shù)成線性關(guān)系，含水率越高，種子的摩擦系數(shù)越大，即受到的摩擦阻力越大。尤其當(dāng)小米含水率達(dá)到并高于15.6%后，摩擦系數(shù)迅速增大。由此可以看出，含水率對(duì)小米種子在鋼板材料的摩擦系數(shù)的影響極為顯著。其原因在于：種子多為粘彈性體，當(dāng)含水率高時(shí)種子變軟，粘性變大，與材料接觸面增大，吸附能力大幅提高，因此摩擦系數(shù)變大。

種子接觸材料性質(zhì)的影響

　　大多播種機(jī)械制造材料多為金屬或木材等。部分金屬長時(shí)間暴露在空氣中易與氧化合生成一層氧化膜。隨著溫度的增加，金屬表面氧化膜增厚、質(zhì)地較硬，摩擦系數(shù)增加；當(dāng)處于高溫狀態(tài)時(shí)，氧化膜發(fā)生軟化甚至脫落，潤滑作用明顯，因而摩擦系數(shù)減小。而對(duì)于木材材料，其表面的粗糙程度也是影響種子接觸時(shí)的摩擦系數(shù)的主要原因。

結(jié)語

　　現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中，種子清選、運(yùn)輸和播種均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，其中種子與機(jī)械接觸面的摩擦系數(shù)在很大程度上影響了作業(yè)的效率。通過對(duì)種子摩擦系數(shù)的簡單研究與測(cè)試，種子的外形、含水率以及種子接觸材料的表面性質(zhì)是種子摩擦系數(shù)的諸多變量，值得深入研究。