使用种子工作台进行西瓜种子物理特性分析
无籽西瓜是近代植物育种中的一枝奇葩。我国育成的三倍体无籽西瓜数量之多、质量之优，在国际上处于领先地位，其栽培面积和总产量也居世界之冠。但无籽西瓜在生产过程中存在采种量低、发芽率低、成苗率低的“三低”问题。主要原因之一是无籽西瓜种子的种皮较厚，存在种皮机械障碍，造成萌发困难且萌发一致性差，生产上常采用“破壳”发芽。未经破壳的种子发芽率仅为 20% ～30% ，破壳后可提高到 90% 以上。目前一般采用人工破壳的方法: 牙齿轻嗑、钢丝钳轻夹或小刀斜削种脐两边进行破壳。这种作业方式比较原始，生产效率低、劳动强度大、生产成本高，阻碍了无籽西瓜产业的进一步产业化发展。 特别是近几年国内劳动力价格不断攀升，增加了无籽西瓜制种成本，因此开发无籽西瓜自动破壳机代替原始人工破壳具有重要的实际应用价值，同时为进一步发展无 籽西瓜产业提供了条件。本文主要使用种子工作台对西瓜种子进行分析，无籽西瓜种子破壳机排种器的设计和对无籽西瓜种子的主要物理特性进行了测定，为无籽西瓜种子破壳机排种器设计提供了设计理论依据。
世界各国对不同品种种子的物理特性研究成果非常多。我国对水稻和油菜种子的物理特性研究较多。Yang Ling等和张桂花等分别对水稻包衣种子进行了研究，主要利用研究结果进行了播种机的研究。赵进辉等进行了油菜籽的物理特性和油菜籽排种器的相关研究。谢丽娟等对莲子的机械特性进行了一定的研究。国外对食用西瓜子进行过大量的研究; 但国内研究文献较少，董有利和周一届对食用西瓜种子的压缩破壳进行了实验分析研究。目前，对于无籽西瓜种子的相关物理特性研究国内外尚未见相关报道。
1 材料与方法
1．1 材料
采用常见的无籽西瓜种子有 3 个品种: 黑牛、蜜红和花皮，含水率分别为 7．11% ，6．98% ，6．69% 。实验前对西瓜籽粒进行人工挑选，剔除有病害、受损伤和形状、尺寸异常的籽粒。
1．2 方法
实验于 2010 年 7 月 1 日至 8 月 1 日在湖南农业大学农业物料实验室完成。分别对不同品种的无籽西瓜种子进行了基本物理参数( 千粒质量、三轴尺寸)和力学特性( 休止角和滑动摩擦系数) 测定。
1．2．1 千粒质量的测量
采用电子秤( 精度: 0． 01g) 进行测量，各样品重复5 次。
1．2．2 三轴尺寸的测量
采用千分尺( 精度: 0．01mm) 对种子进行三轴尺寸长度( L) 、宽度( W) 和厚度(T) 测量。测定时，随意选出不同品种种子 100 粒; 同一类别在不同位置测量5 次，取其中最大值为测量值，测量结果取其平均值。
1．2．3 真密度的测量
一般种子真密度的测量使用浸液法。浸液法中比重瓶法具有仪器简单、操作方便、结果可靠等优点。运用比重瓶法，浸液为甲苯溶液 ; 每个品种进行10 次，取其平均值。体积( V) 的计算公式为
V = ［( Mt－ Mp) － ( Mts－ Mps) ］/ρt( 1)式中 Mt—比重瓶 + 甲苯的质量( g) ;Mp—比重瓶的质量( g) ;Mts—比重瓶 + 种子 + 甲苯的质量( g) ;Mps—比重瓶 + 种子的质量( g) ;ρt—甲苯的密度。真密度的计算公式为ρts= ( Mps－ Mp) /V ( 2)休止角采用直尺测量法，所用仪器如图 1 所示。测量仪器主要由底座、种子高度标杆、游标尺、底盘、圆周直径尺和漏斗等组成。其中，支架上标有刻度且可以上下移动，以便控制籽粒的跌落高度。在试验 过程中，将要保证漏斗左右两侧支架保持在同一个水平上，以便调整漏斗底部到底盘的高度。漏斗中心与底盘中心的直线垂直于底盘，保证样品下落在底盘中心。底 盘、漏斗可以自由更换，以便能测定不同样品的休止角。给 定 直 径 D，分 别 测 量 H，则 休 止 角 α =arctan( 2H / D) ，其中 H 为堆高，D 为堆底面直径。重复5 次，取其平均值。
静滑动摩擦因数斜面仪测定方法，如图 2 所示。将休止角测量仪( 如图 1 所示) 的底板通过齿轮和齿条调节一定的高度即为斜面，将所要测量种子放置在斜面上，通过齿轮调节机构缓慢调节斜面高度，逐渐增大斜面倾角 β，当种子沿斜面滑动开始运动时通过量角器记录倾斜角度即为滑动角 β; 重复 5 次，取其平均值。静滑动摩擦因数( μ) 计算公式为
μ = tanβ ( 3)
2 结果与讨论
2．1 几何物理特性
几何物理特性实验测定结果如表 1 所示，包括实验测量值结果及标准偏差。测量结果范围分别为长度: 9．13 ～ 10．06mm ; 宽度: 6．41 ～ 6．77mm ; 厚度:2．18 ～ 2．22mm。其中，蜜红的三轴尺寸最大，分别为10．06，6．77，2．22mm ; 3 个品种的三轴尺寸平均值分别为 9． 50，6． 58，2． 20mm。从表 1 的实验结果可以看出 3 品种的外观几何尺寸相差不大 ; 3 品种的三轴尺寸都小于食用西瓜子的几何参数。无子西瓜种子的三轴尺寸直接影响到西瓜种子在排种器内的流动性和充填性等，是确定排种器结构形状和充种元件的 结构时首要考虑的基本参数，基本相同的三轴尺寸有利于排种器的设计。
2．2 千粒质量及真密度参数
实验结果如表 2 所示，测量值结果及标准偏差。蜜红的千粒质量为 67．33g，最重; 黑牛的真密度为902．45kg / m3，最大。3 个品种间的比重特性相差不大，千粒质重、真密度平均值分别为 61． 52g，900． 20kg / m3; 真密度平均值略大于食用西瓜。
2．3 力学物理特性
静滑动摩擦因数表征物料与接触面间的滑动性能，不同物料不同接触面其滑动性能不同。力学物理特性结果如表 3 所示。
由表 3 中的结果可以看出，无籽西瓜种子与木板的静滑动摩擦因数最大，与玻璃的静滑动摩擦因数最小，与涂漆铁板的静滑动摩擦因数略大于与塑料板的静滑动摩擦因数。其中，蜜红与木板的滑动摩擦因数( 0． 76) 最大，黑牛与玻璃的滑动摩擦因数( 0．41) 最小。根据 Razavi研究结果，食用西瓜子的滑动摩擦因数稍微小于无籽西瓜种子的滑动摩擦因数; 但无籽西瓜种子的滑动摩擦因数远大于包衣种子和油菜种子。种子的摩擦因数越大，要求无籽西瓜种箱的导种板的倾角越大，并且要求排种器排出种子时型孔所处的位置角度也增加。当静滑动摩擦因数过大时，导致排种的流动性不好，影响排种。因而，在设计中，应尽量选择较低静滑动摩擦因数的导板。从表 2 中可以看出，无籽西瓜种子与木板的静滑动摩擦系数最大，设计中不适合选择 ; 与玻璃的静滑动摩擦因数最小，从理论上讲是最好的选择，但一般玻璃易碎、加工连接困难 。所以，涂漆铁板和塑料板较适合种箱和排种器等与种子相接触的零部件。
休止角反映了散粒物料的内摩擦特性和散落性能。休止角越大，内摩擦力越大，散落性越差，种子在箱体内越难流动，排种器等排籽时从箱中取种困难，散落过程中 西瓜子间因摩擦的增加而产生的损伤率也就越大。如表 3 所示，黑牛的休止角( 27．91°) 最大，蜜红( 25．73°) 次之，花皮( 22．15°) 最小; 3 品种的平均值为25． 26°，小于油菜种子和包衣种子。
3 结论
本文通过实验测量方法得出了无籽西瓜种子的主要物理特性，研究结果弥补了无籽西瓜种子物理特性参数的空白。
三倍体西瓜种子的三轴尺寸的测定可为设计排种器的型孔形状、型孔尺寸提供依据; 而摩擦特性的测定则为排种器运动速度的设定、运动形式选择提供理论计算依据。
三倍体西瓜种子与有木板、漆铁板、塑料板和玻璃的静滑动摩擦角都不同，不同的静滑动摩擦角对排种器导籽板的倾角、排种器的型孔或型槽所处位置的角度要求不同。因此，在考虑排种机构满足工作要求的同时，还要使排种机能满足农艺要求。实验中发现，含水率对无籽西瓜种子的物理特性影响比较明显，下一步工作中将着 重研究含水率对无子西瓜种子物理特性影响以及考虑破壳力学机械特性研究。
