種子摩擦系數的測試方法以及影響因素分析

　　摘要：現代化農業中，種子清選、運輸和播種均實現了機械化作業，其中種子與機械接觸面的摩擦系數在很大程度上影響了作業的效率。通過對種子摩擦系數的簡單研究與測試，種子的外形、含水率以及種子接觸材料的表面性質是種子摩擦系數的諸多變量，值得深入研究。

　　關鍵詞：種子、摩擦系數、測試方法、外形、含水率

　　十二五期間，我國農業機械裝備水平、作業水平、科技水平得到了前所未(分隔符)有的提升，農業機械化成為現代農業的強有力支撐，為糧食增產、農民增收做出了重要貢獻。其中，種子類農業機械設計中，摩擦性是必須考慮的因素，關系到機械表面材料和參數的確定，是機械正常高效運轉的基礎和前提。

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之一，常用摩擦系數來表征。摩擦系數是針對一組摩擦副來講，即互相接觸的兩種材料。當二者表面相互接觸后，在相對移動開始時的大阻力，其于法向力之比成為靜摩擦系數，而后二者以一定速度相對移動時的阻力與法向力之比稱之為動摩擦系數。種子類農業機械運轉時，機械表面材料與種子表面發生相互摩擦，其摩擦性會對種子的清選、輸送、播種產生影響。

　　種子清選是提高種子質量的關鍵步驟，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。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，攜帶大量細菌且易吸濕，有加速種子劣變的作用，通過嚴格清選后的種子生命力和增產性顯著增強。種子清選的方法很多，利用種子表面的摩擦性的差異進行分離的方法為其一，由此也出現了相應的種子清選機械。這類種子清選機械也稱為帶式清選機，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動，種子會因摩擦性的不同而出現上行和下落。這一分離機理可歸結為：對于相同的接觸布帶，表面光滑的種子與布帶的靜摩擦系數小，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大，滑落需要更大的布帶傾角。由此便可實現種子的清選。

　　種子清選后的各個加工環節都離不開輸送帶的運輸，運輸過程以“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。基于“不散落、不滑落”的要求，輸送帶表面材料的粗糙度應適當提升，加大與種子表面的靜摩擦系數，防止種子在運輸中滑落。

　　播種，是種子應用的終環節，也是決定作物產量的重要因素。傳統播種采用耬播與條播方式，播種量大、均勻性比較差，易出現幼苗稀疏、脆弱的現象。現代，精密播種設備逐漸普及，而其中排種器是影響設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，種子的摩擦系數決定了種子的流動性和排種的順暢，也為排種器材料的選擇、排種器結構形狀和傾斜角度以及種子的運動速度控制提供理論依據。

種子摩擦系數的測試方法

　　材料摩擦系數的測試常采用直接接觸法，即使用一個試驗板（安置在水平操作臺上的），將一個試樣用膠固定在試驗板上，另一個試樣裁切合適后固定在滑塊上，讓滑塊放置在試驗板上個試樣中央，并使兩試樣的試驗方向與滑動方向平行且測力系統恰好不受力，如圖1。本次種子摩擦系數測試，采用的是Labthink MXD-02摩擦系數儀。由于種子外形的特殊性，測試時隨機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板上。將粘有不同接觸材料的滑塊按上述要求放于試驗板上試樣的中央，啟動摩擦系數儀，使滑塊和試驗板相對移動。需重復測試5次，取數據的平均值為終結果，如表1。

圖1. 檢測方法示意圖

注：A. 滑塊；B. 試驗板；C. 支持底座；E. 測力系統；F. 恒速驅動系統；I. 尼龍絲

表1 白菜和小米種子對不同接觸材料的摩擦系數

　　由于種子接觸的農業器械材料多為鋼、塑料和木質材料，因此上述試驗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/靜摩擦系數均大于白菜種子，這種差異主要來源于種子自身的綜合性質，如外形特征、含水率等。同樣表1 中，對比同一類種子對不同接觸材料的摩擦系數發現，種子對于木材的動靜摩擦系數大，對鋼材和塑料的摩擦系數則相對較小。這就表明了種子的接觸材料的表面性質也會對彼此之間的摩擦系數產生影響。

種子摩擦系數的影響因素

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，摩擦系數越小，反之，則摩擦系數亦大。例如蠶豆為腎臟形、豌豆為圓球狀、瓜類種子為扁平形等，相對而言，豌豆的摩擦系數較小，而瓜類種子的摩擦系數可能相對較大一些。

　　此外，不同種子對同一接觸材料摩擦系數不同，也與種子表面的粗糙程度有關，尤其是表面存在網紋、凸起、穴坑、棱脊的種子，往往對某一材料的摩擦系數相對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

　　為了驗證含水率對種子摩擦系數的影響，筆者依照上述試驗方法測試了幾種不同含水率的小米接觸鋼板材料的靜、動摩擦系數，結果如表2。

表2 不同含水率小米摩擦系數

　　由表2數據可見，小米的含水率與其摩擦系數成線性關系，含水率越高，種子的摩擦系數越大，即受到的摩擦阻力越大。尤其當小米含水率達到并高于15.6%后，摩擦系數迅速增大。由此可以看出，含水率對小米種子在鋼板材料的摩擦系數的影響極為顯著。其原因在于：種子多為粘彈性體，當含水率高時種子變軟，粘性變大，與材料接觸面增大，吸附能力大幅提高，因此摩擦系數變大。

種子接觸材料性質的影響

　　大多播種機械制造材料多為金屬或木材等。部分金屬長時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、質地較硬，摩擦系數增加；當處于高溫狀態時，氧化膜發生軟化甚至脫落，潤滑作用明顯，因而摩擦系數減小。而對于木材材料，其表面的粗糙程度也是影響種子接觸時的摩擦系數的主要原因。

結語

　　現代化農業中，種子清選、運輸和播種均實現了機械化作業，其中種子與機械接觸面的摩擦系數在很大程度上影響了作業的效率。通過對種子摩擦系數的簡單研究與測試，種子的外形、含水率以及種子接觸材料的表面性質是種子摩擦系數的諸多變量，值得深入研究。