第２８卷
４４
２０１
第１７期农业工程学报
、，０１．２８Ｎｏ．１７
２年
９月ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｓｅｐ．２０１２
三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
戴恩慧１，一，孙小武１，一，熊兴耀１，２※，李
（１．湖南农业大学园艺园林学院，长沙４１０１２８；
３．湖南农业大学工学院，长沙４１０１２８）
摘要：为实现机械破壳代替人工破壳的方式提高无子西瓜种子的发芽率。对比二倍体西瓜种子，用种壳超微结构分析方法解释了三倍体西瓜种子的发芽障碍原因：并采用３种常见的三倍体西瓜种子黑牛、蜜红和花皮，含水率分别为１１．１％、１１．２％和１０．６％，运用常用试验方法对实现机械破壳的力学特性进行了试验研究。试验结果得出三倍体西瓜种子的加载速度对破壳力的影响；设计压缩摇杆时，其调节量标准以各品种的压缩变形量最大值为基准；加载速度宜选择８０～１００ｍｍ／ｍｉｎ；最大破壳力为６８．９７Ｎ。研究得到的结果为开发三倍体西瓜种子破壳机械提供了基本参数和理论计算依据。
明３
姚
瑁３
２．湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室，长沙４１０１２８；
关键词：种子，力学特性，测试，三倍体西瓜，发芽
ｄｏｉ：１０．３９６９，ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６８１９．２０１２．１７．００７中图分类号：￥６５１文献标志码：Ａ
文章编号：１００２—６８１９（２０１２）一１７—００４４—０７
戴思慧，孙小武，熊兴耀，等．三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性［Ｊ］．农业工程学报，２０１２，２８（１７）：
４４—５０．Ｄａｉ
Ｓｉｈｕｉ，Ｓｕｎ
Ｘｉａｏｗｕ，Ｘｉｏｎｇ
Ｘｉｎｇｙａｏ，ｅｔ
ａ１．Ｓｅｅｄｃｏａｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ
ｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｎｉｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅ
ｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄ
ｓｅｅｄ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙ２８（１７）：４４—５０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ）
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＣＳＡＥ），２０１２，
０引言
但是这种人工破壳的方式很容易造成对种胚的损
害，而且费时、费工，不能满足现代农业规模化、
据联合国粮农组织（ＦＡｏ）统计，西瓜在世界十大果品中居第５位。中国西瓜的栽培面积和总产量均居世界首位，堪称世界第一西瓜大国。三倍体无子西瓜［Ｃｉｔｒｕｌｌｕｓｌａｎａｔｕｓ（Ｔｈｕｎｂ．）Ｍａｔｓｕｍ．＆Ｎａｋａｉ］具有多倍体和杂种优势，突出特点是无籽，瓜皮较薄，肉色鲜红，糖分较高，沙瓤度好，味道可口，抗病性强和耐贮存，深受广大群众欢迎，以品质优、经济价值高成为西瓜中的精品【ｌ】。在西瓜品种中，无子西瓜所占的比例一直处于上升的趋势，尤其是美国、澳大利亚等发达国家西瓜生产中６０％以上是三倍体西瓜。虽然三倍体西瓜有良好的经济效益，但其产量一直很低，因为三倍体西瓜种子是由四倍体和二倍体亲本杂交得到，三倍体种子形成相对困难，种量少种皮厚，种脐坚硬，“三低”
问题（萌发率低、出苗率低、成苗率低）明显，限
专业化生产的需要。特别是近年来国内劳动力价格不断攀升，增加了三倍体西瓜制种成本，限制了三倍体西瓜生产的进一步发展。因此，有必要考虑通过化学方法垆】或物理方法［６Ｊ来提高三倍体西瓜种子的萌芽率。本研究在对比分析二倍体与三倍体西瓜种子种皮超微结构，解释三倍体西瓜种子破壳难的
问题；并对三倍体西瓜种子破壳机的工作过程及三
倍体西瓜种子的力学特性进行了试验研究，为破壳机的相关设计提供基础数据和理论依据。
近年来，借助电子显微镜进行物料的物理结构特性的分析和应用非常多，国内外对作物芦竹根【‘７１、梨枣果实【８】、蘑菇细剧９１、食品猪肉【１０１、牧草㈣等进行了应用分析，但对种子种皮分析的应用很少。
国内外对各种种子的物理特性进行相当多的研究。中国对油菜、水稻种子的物理特性研究较多【协１５１；国外对苋菜籽［１６１、豌豆【１７１、南瓜籽‘１８１、栗子［１９‘２０】等种子进行了研究，主要对种子的几何尺寸、摩擦力学和比重等物理特性研究，对种子的破壳力学特性研究很少。谢丽娟等对莲子的压缩机械特性进行了一定的研究１２ｌＪ；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【２２１；国外Ｒａｚａｖｉ
制了三倍体西瓜的生产怛Ｊ。目前生产上常采用磕开种皮等人工“破壳”的形式来提高种子的萌发率【３川，
收稿日期：２０１２—０５—１５修订日期：２０１２．０８．２５
基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项（ＣＡＲＳ．２６．０９）作者简介：戴思慧（１９７６一），女，湖南湘阴人，博士生。长沙湖南农业大学园艺园林学院，４１０１２８。Ｅｍａｉｌ：ｄａｉｓｉｈｕｉ国１２６．ｃｏｍ
※通信作者：熊兴耀（１９６１一），男，湖南桑植人，教授，博士生导师。长沙湖南农业大学园艺园林学院，４１０１２８。
等对食用西瓜种子的物理特性进行了研耕２３。２４］：但
对三倍体西瓜种子的破壳物理特性研究国内外尚
第１７期戴思慧等：三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
４５
未见报道。
１
观察种子种壳结构，并进行拍照和记录。１．３种壳超微结构特征
１）三倍体西瓜种子种壳超微结构如图１ａ所示，三倍体西瓜种子种壳横断面可明显分为５层。从外到内依次为外表皮层（ｅｘ）、栅栏层（ｐａ）、密集细胞层（ｄｅ）、硬化组织（ｓｉ）和内表皮层（ｉｎ）。
三倍体西瓜种子种壳结构分析
试验材料选自湖南省瓜类研究所三倍体西瓜
１．１试验材料
黑牛种子和同源的二倍体西瓜黑宝种子。１．２试验方法
选取大小均匀一致的二倍体和三倍体西瓜种子各１０粒，切取种壳横断面，然后迅速将材料放入２．５％戊二醛（ｐＨ值７．２）中在４℃下固定１２ｈ，用
０．１
三倍体西瓜种子种壳总厚度为５１６．７∥ｍ。外表皮层
较薄，厚度为２５．４∥ｍ，细胞呈干瘪的状态：栅栏层厚度为２２６．４ｙｍ，在整个种壳组织中这层细胞比
较厚，细胞呈柱状紧密排列；密集石细胞层的厚度
为１５９．５／ｔｍ，细胞呈近六面体形；密集石细胞层下是排列非常紧密的硬化组织，细胞比密集石细胞层小，高度木质化且排列相当紧实。
ｍｏｌ／ＬＰＨ值７．２的磷酸缓冲液冲洗２次，再放
入５０％、７５％、８０％、９０％、１００％丙酮中脱水５次，每次３０ｍｉｎ。转入醋酸异戊酯置换后，进行临界点干燥、喷金。在ＪＳＭ．６３８０ＬＶ型扫描电子显微镜下
ｂ二倍体西瓜种子黑宝超微结构截面
图１
Ｆｉｇ．１
三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳超微结构截面
ｃｒｏｓｓ
Ｓｅｅｄｃｏａｔｕｌｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄａｎｄｄｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓ
表ｌ
三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳超微结构特点
Ｓｅｅｄｃｏａｔｕｉｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄａｎｄ
ｄｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓ
横断面分层相对简单，共分为４层，从外到内依次为外表皮层（ｅｘ）、栅栏层（ｐａ）、密集细胞层（ｄｅ）
Ｔａｂｌｅ１
和内表皮层（ｉｎ）；种壳厚度为３１２．３∥ｍ，外表皮
层厚度为１９．２／ｔｍ，细胞呈不规则排列；栅栏层厚度为１３１．７ｐｍ，细胞呈波状疏松排列；密集石细胞层可观察到由大细胞层逐步发展为小细胞层，但分
三倍体种子５１６．７
５４
２５．４１９．２
２２６．４１３１．７
１５９．５１４３．６
８５．６
１９．８１７．８
层不是很明显，细胞呈近六面体形；密集石细胞层下面是内表皮层。
三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳超微
二倍体种子３１２．３
二倍体西瓜种子种壳超微结构如图１ｂ所示，
农业工程学报２０１２笠
结构特点对比结果如表１所示，三倍体西瓜种子种
壳ＬＬ－－－倍体西瓜种子种壳厚近２００１Ｔ１１ＴＩ，其中三倍体西瓜种子种壳栅栏层比二倍体西瓜种子栅栏层厚约１００ｍｍ且细胞组织紧密排列；而且二倍体西瓜种子种壳缺少三倍体西瓜种子种壳所有的硬化组织层。
１．４破壳机开发必要性分析
基于三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳
超微结构分析可知，三倍体西瓜种子种壳不仅表现
出明显比二倍体西瓜种子的种壳厚，而且在结构上
明显多了一层细胞排列非常致密高木质化的硬化组织，且栅栏组织排列整齐、密集，导致三倍体西
瓜种子的机械障碍比二倍体明显增强，因此三倍体
西瓜种子因种壳的机械障碍造成萌发率低的现象。目前生产上证实通过采用磕开种皮等人工“破壳”
的形式能有效提高种子的萌发率【３划，解决“三低”
问题，但生产效率极低，不适合现代农业的规模化
生产的需要，因此，亟待开发一种三倍体西瓜种子
破壳机来代替人工破壳。
１．５
三倍体西瓜种子自动破壳机工作原理
三倍体西瓜种子自动破壳机【６Ｊ破壳装置如图２
所示，种子从种子箱落入图２ｃ中的种子型孔１０中，
电机驱动减速器通过齿轮传动带动型孔转盘１１顺
时针旋转，在带有清洗刷９的作用下种子落入型孔，
旋转到型孔与种子固定托板１２缺口重叠位置时，
种子在重力作用下下落，通过导管的导流作用，喙部朝上，进入图２ｃ中夹持破壳装置固定夹板ｌ和
活动夹板５之间，如图２ｂ中，在凸轮顶杆压力Ｅ作用下，活动夹板５和固定夹板１产生Ｆ，和乃对子在增摩微齿、种子防滑槽的辅助下，有效防止种
子的滑动，实现轻度破壳（喙部轻微裂开，排出后
肉眼基本看不出裂缝），然后排出。
板
ａ．工作原理简图
注：Ｆ、Ｆ－、Ｒ、几分别为凸轮项杆压力、种子所受的活动夹板５和固定夹板１压力和喙部挤压力
ｂ．种子受力示意图
ｃ．俯视图
注：１．固定夹板；２．销Ｉ：３．固定块；４．卡环；５．活动夹板；６．种子限位器；７．顶杆调节套；８．触动开关；９．清洗刷；１０．种子型孔；
１
１．型孔转盘；１２．种子固定托板；１３．种子活动托板；１４．限位器安装
板；１５．限位器调节螺杆：１６．销ＩＩ；１７．夹板调节螺栓；１８．滑动槽
图２破壳装置工作原理图、种子受力与俯视图
Ｆｉｇ．２
Ｓｋｅｔｃｈｏｆｗｏｒｋｉｎｇｐｎｎｃｉｐｌｅ，ｓｅｅｄｆｏｒｃｅａｎｄ
ｐｌａｎｆｏｒｍ
ｏｆ
ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅ
由以上工作过程可以发现：１）种子压缩变量不能太大，即顶杆的运动必须根据种子的破壳要求限制行程，以防伤种；２）夹板破壳的最大阻力（破壳力）是保证破壳成功率的设计关键；３）凸轮顶
杆的加载速度会影响破壳阻力大小及有可能造成冲击伤种或影响破壳成功率。基于以上分析，模拟
破壳机的破壳过程通过试验方法来探讨三倍体西瓜种子破壳的相关力学特性。
２破壳试验材料与方法
２．１
材料
采用３种常见的三倍体西瓜种子：黑牛、蜜红
和花皮（如图３），在试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。采用烘干法测量含水率，分别约为１１．１％、
１１．２％和１０．６％。基本物理参数如表２所示，扁长型
种子，喙部厚度较厚。
种子施加压力，喙部同时受到挤压力乃的作用，种
第１７期
戴恩薏等：三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
４７
示，破壳装置可通过顶杆调节套７和限位器调节螺
◆尊●
图３三倍体西瓜种子样品
Ｆｉｇ．３
Ｓａｍｐｌｅｓｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｖａｒｉｅｔｉｅｓ
杆１５的作用下，可适用不同几何物理参数（表２）的三倍体西瓜种子要求。本试验对３种品种分别在
１０～１００ｍｍ／ｍｉｎ的加载速度下，测量破壳力和压缩
变量。
最大破壳力：取自然状态下的三倍体西瓜种
子，加载速度１００ｍｍ／ｍｉｎ分别对３个品种样品加压，每个品种选取大小、形状相近的各５０粒进行
试验，进行１０次试验，每次试验重复５次，记录峰值破壳力，取其平均值为最大破壳阻力。
表２基本物理参数
Ｔａｂｌｅ２
Ｂａｓｉｃｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
３结果与讨论
３．１
加载速度对破壳力的影响
加载速度与破壳力的关系如图５所示，随着加
载速度的增加，破壳力呈减小的趋势发展，当加载速度达到约８０ｍｍ／ｍｉｎ时，破壳力变化明显减小，
２．２试验方法
试验２０１１—０６．０１至２０１１．０９．２０分２次在湖南农业大学农业物料试验室完成。采用微机控制电子万
呈直线状态，说明当加载速度增加到一定值时破壳
力维持在一个恒值；继续增加加载速度能提高生产
率，但有可能会产生一定的冲击振动，造成种子跳
动而造成破壳失败。因此加载速度应该尽量维持在
能试验机（ＳＡＮＳ．ＣＭＴ６１０４），选用最大试验力２００Ｎ压力传感器，测量精度：０．５％，试验力分辨力１／３０００００ＦＳ．变形测量范围：０．０２～８００ｍｍ，变
形分辨力１／３００
０００
破壳力恒值，本研究考虑到生产效率，加载速度选
择８０～１００ｍｍ／ｍｉｎ。
８０７０６０
ＦＳ：种子夹持装置如图２ｃ所示，
采用固定夹板、活动夹板、限位器等组成，基本设计参数参照表２（试验装置如图４所示）。
姜５０冀４０
３０２０１０
２０
３０
４０
５０
６０
７０
８０
９０
１００
加载速度／（ｒａｍ・ｍｉｎ。１）
图５加栽速度与破壳力关系
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄ
ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｆｏｒｃｅ
从图５中可以看出，黑牛和花皮的破壳力大小和变化趋势基本相同，而蜜红的破壳力值明显大于
图４试验装置
Ｆｉｇ．４
Ｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ
黑牛和花皮的值。设计中以蜜红的破壳力值作为动力选择计算标准；在实际操作中，从黑牛和花皮三
倍体西瓜种子的几何尺寸（表２）基本相同，破壳
从前人的研究结果发现【１７．２４１，含水率对西瓜子
破壳力的影响大，但由于种子对含水率的要求特别高，在储藏过程中，必须保证在安全水平（三倍西
力大小和变化趋势基本相同，破壳装置调节后可完
成两品种的破壳；蜜红的几何尺寸（长、宽）平均
瓜种子为８％）以下；调节水分会导致霉变或者变
质，为了保证种子的活性，在试验过程中不考虑人工改变含水率的变化，以自然状态下含水率为标准。
值明显大于黑牛和花皮品种的平均值，说明破壳力
和外形几何尺寸有一定的正比关系：
三倍体西瓜种子的长度ｔ（ｍｍ）与破壳力ｙ（Ｎ）的关系式：ｙ＝ｌＯ．６５ｔ２－１９０．６８ｌ＋８９１．６５（Ｒ２＝０．９９２）：
从破壳机的工作原理分析可知，试验中的加载
速度和压缩变形量对破壳效果影响明显。如图２所
三倍体西瓜种子的宽度ｗ（ｍｍ）与破壳力ＹｆＮ）的关
系式：ｙ＝２４．３２Ｗ２—３０５．８４ｗ＋１０００．４（Ｒ２＝Ｏ。９９９７）。
农业工程学报２０１２芷
３．２压缩变形
从种子学的角度考虑忙５｜，压缩种子破壳形成的
牛品种的分布比较分散，可能影响破壳成功率，有必要考虑种子的大小分类。
表３
Ｔａｂｌｅ３
种壳变形与种子的成熟度、饱满度的关系较大，与
加载破壳速度影响不应该很明显；从表３分析得知，
不同加载速度的压缩变形值
Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄ
加载速度与压缩变形量也没有明显的相关关系，一
般情况下，压缩变形量：蜜红＞黑牛＞花皮；设计
压缩摇杆时，其调节量标准要以３个品种的最大值为基准。如图６所示，压缩变形量跟种子宽度成一定的线性关系；三倍体西瓜品种的压缩变形量主要
分布，黑牛：１．２５～２．５ｍｍ；花皮：１．３～２．２５
ＩＴＩＩＴＩ；
蜜红：１．６～２．５ｍｌｎ；蜜红品种的宽度尺寸和压缩变
形量都比较集中，破壳加工中更容易有序完成；黑
３．０
２．５
２．０
皇
吕蚵旺１１
１．５
｛删
漤１．５制
１０
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碘制
１．０
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６．０
６
５７．０
７
５６．０６．５７．０
种子宽度／ｍｍａ黑牛品种
种子宽度／ｍｍｂ．花皮品种
种子宽度／ｍｍｃ．密红品种
图６种子种壳压缩变形量与种子宽度关系
Ｆｉｇ．６
Ｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｓｅｅｄｃｏａｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｖａｌｕｅａｎｄｉｔｓｗｉｄｔｈ
３．３最大破壳力
最大破壳力是选择动力及动力系统设计的基础数据。如图７所示，三倍体西瓜品种黑牛和花皮
４结论
１）二倍体西瓜种子种壳相比，三倍体西瓜种
的最大破壳力小于蜜红的最大破壳力，最大破壳力
平均值分别为４４．７０、４９．１５、４９．８７Ｎ；三倍体西瓜种子最大破壳力选取６８．９７Ｎ作为顶杆驱动动力、
子种壳厚而硬，还多了一层致密的硬化层，对种子的萌发起着机械阻碍的作用。
２）三倍体西瓜种子破壳机设计中要求种子的
活动夹板杠杆设计等设计计算标准。
压缩变形、破壳力大小、压力加载速度适当。
３）随着加载速度的增加，破壳力呈减小的趋势发展，当加载速度达到一定值时，破壳力呈恒值状态；破壳力和外形几何尺寸有一定的正比关系；
４）破壳压缩变形量不同品种不相同，设计压
缩顶杆时，其调节量标准要各品种的最大值为基准。
５）破壳机加载速度８０～１００ｍｍ／ｍｉｎ比较合适；
最大破壳力为６８．９７
Ｎ。
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１７９—１８３．
Ｚｈａｏ
Ｃｈｕｎｈｕａ，ＨａｎＺｈｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＳｈｉＳｈａｎｇｌｉ，ｅｔ
ａ１．
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｎｅｗｓｐｅｃｉｅｓ
ｆｏｒａｇｅｓｔｅｍｓｉｎｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｐｅｒｉｏｄ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅ
Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｓｏｃｉｅｔｙ
ｏｆ
ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｆｔｈｅ
ＣＳＡＥ），２０１１，２７（７）：１７９—１８３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈ
Ｅｎｇｌｉｓｈ
ａｂｓｔｒａｃｔ）
【１２】ＹａｎｇＬｉｎｇ，Ｙａｎｇ
Ｍｉｎｇｊｉｎ，Ｌｉ
Ｑｉｎｇｄｏｎｇ，ｅｔ
ａ１．
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏａｔｅｄｒｉｃｅ
ｓｅｅｄ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅ
ＣＳＡＥ），２００５，２１（９）：７—
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ＺｈａｎｇＧｕｉｈｕａ，ＴａｎｇＣｈｕｚｈｏｕ，Ｘｉｏｎｇ
Ｙｕａｎｆｕ，ｅｔ
ａ１．
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ａｎｄ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔｈｅ
ｃａｐｓｕｌｅｄ
ｓｅｅｄｐｈ）ｒｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］．
Ｊｏｕｒｎａｌ
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ａ１．
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ＪＯ，ＡｄａｍｕＭＡ，Ｊｉｍ—Ｇｅｏｒｇｅ
ＤＬ．Ｓｏｍｅ
ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｅａｒｌ
ｍｉｌｌｅｔ（Ｐｅｎｎｉｓｅｔｕｍｇｌａｕｃｕｍ）ｓｅｅｄｓ
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ＳＭ
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Ａ，Ｍｉｌａｎｉ
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ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ
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农业工程学报
２０１２在
Ｓｅｅｄｃｏａｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｎｉｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄ
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄ
ＤａｉＳｉｈｕｉｌ，一，ＳｕｎＸｉａｏｗｕｌ，一，ＸｉｏｎｇＸｉｎｇｙａ０１，蕊，ＬｉＭｉｎ９３，ＹａｏＪｕｎ３
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄｌａｎｄｓｃａｐｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ；
２．ＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏ，．ＧｅｒｍｐｌａｓｍＩｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｒｏｐ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｃｏｌｌｅｇｅ
ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ
４１０１２８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｒａｔｅｖｉａｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｓｔｅａｄｏｆｍａｎｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ｒｎｌｅｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｈｉｎｄｒａｎｃｅｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄｆｅａｔｕｒｅｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｄｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｓｅｅｄｃｏａｔｕｌｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓｅｅｄ．Ｆａｍｉｌｉａｒｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓｏｆｔｈｒｅｅｖａｒｉｅｔｉｅｓ，Ｈｅｉｎｉｕ，Ｍｉｈｏｎｇ
ａｎ
ａｎｄＨｕａｐｉ，ａｔｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ１１．１，１１．２ａｎｄ１０．６％（ｗ．ｂ．），ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｎｉｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｕｓｉｎｇｃｏｍｍｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｈａｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｏｎ
ｔｈｅｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｖａｌｕｅｓｏｆａｌｌｓｅｅｄｓｗｅｒｅａｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇ
ｓｔａｎｄａｒｄｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇｒｏｃｋｅｒ．Ｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｓｃｈｏｓｅｎａｓ８０—１００ｍｍ／ｍｉｎ；ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ
ｎｉｃｋｉｎｇｆｏｒｃｅ
ａｓ
６８．９７Ｎ．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｔｏｄｅｓｉｇｎ
ａ
ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｔｒｉｐｌｏｉｄ
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓ．
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ，ｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ，ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｅｄ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｒｉｐｌｏｉｄ
三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
作者：作者单位：
戴思慧， 孙小武， 熊兴耀， 李明， 姚珺， Dai Sihui， Sun Xiaowu， Xiong Xingyao， Li Ming， Yao Jun
戴思慧,孙小武,熊兴耀,Dai Sihui,Sun Xiaowu,Xiong Xingyao(湖南农业大学园艺园林学院,长沙410128;湖南农业大学园艺园林学院,湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室,长沙410128)， 李明,姚珺,Li Ming,Yao Jun(湖南农业大学工学院,长沙,410128)
农业工程学报
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering2012,28(17)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_nygcxb201217007.aspx
第２８卷
４４
２０１
第１７期农业工程学报
、，０１．２８Ｎｏ．１７
２年
９月ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｓｅｐ．２０１２
三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
戴恩慧１，一，孙小武１，一，熊兴耀１，２※，李
（１．湖南农业大学园艺园林学院，长沙４１０１２８；
３．湖南农业大学工学院，长沙４１０１２８）
摘要：为实现机械破壳代替人工破壳的方式提高无子西瓜种子的发芽率。对比二倍体西瓜种子，用种壳超微结构分析方法解释了三倍体西瓜种子的发芽障碍原因：并采用３种常见的三倍体西瓜种子黑牛、蜜红和花皮，含水率分别为１１．１％、１１．２％和１０．６％，运用常用试验方法对实现机械破壳的力学特性进行了试验研究。试验结果得出三倍体西瓜种子的加载速度对破壳力的影响；设计压缩摇杆时，其调节量标准以各品种的压缩变形量最大值为基准；加载速度宜选择８０～１００ｍｍ／ｍｉｎ；最大破壳力为６８．９７Ｎ。研究得到的结果为开发三倍体西瓜种子破壳机械提供了基本参数和理论计算依据。
明３
姚
瑁３
２．湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室，长沙４１０１２８；
关键词：种子，力学特性，测试，三倍体西瓜，发芽
ｄｏｉ：１０．３９６９，ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６８１９．２０１２．１７．００７中图分类号：￥６５１文献标志码：Ａ
文章编号：１００２—６８１９（２０１２）一１７—００４４—０７
戴思慧，孙小武，熊兴耀，等．三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性［Ｊ］．农业工程学报，２０１２，２８（１７）：
４４—５０．Ｄａｉ
Ｓｉｈｕｉ，Ｓｕｎ
Ｘｉａｏｗｕ，Ｘｉｏｎｇ
Ｘｉｎｇｙａｏ，ｅｔ
ａ１．Ｓｅｅｄｃｏａｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ
ｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｎｉｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅ
ｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄ
ｓｅｅｄ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙ２８（１７）：４４—５０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ）
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＣＳＡＥ），２０１２，
０引言
但是这种人工破壳的方式很容易造成对种胚的损
害，而且费时、费工，不能满足现代农业规模化、
据联合国粮农组织（ＦＡｏ）统计，西瓜在世界十大果品中居第５位。中国西瓜的栽培面积和总产量均居世界首位，堪称世界第一西瓜大国。三倍体无子西瓜［Ｃｉｔｒｕｌｌｕｓｌａｎａｔｕｓ（Ｔｈｕｎｂ．）Ｍａｔｓｕｍ．＆Ｎａｋａｉ］具有多倍体和杂种优势，突出特点是无籽，瓜皮较薄，肉色鲜红，糖分较高，沙瓤度好，味道可口，抗病性强和耐贮存，深受广大群众欢迎，以品质优、经济价值高成为西瓜中的精品【ｌ】。在西瓜品种中，无子西瓜所占的比例一直处于上升的趋势，尤其是美国、澳大利亚等发达国家西瓜生产中６０％以上是三倍体西瓜。虽然三倍体西瓜有良好的经济效益，但其产量一直很低，因为三倍体西瓜种子是由四倍体和二倍体亲本杂交得到，三倍体种子形成相对困难，种量少种皮厚，种脐坚硬，“三低”
问题（萌发率低、出苗率低、成苗率低）明显，限
专业化生产的需要。特别是近年来国内劳动力价格不断攀升，增加了三倍体西瓜制种成本，限制了三倍体西瓜生产的进一步发展。因此，有必要考虑通过化学方法垆】或物理方法［６Ｊ来提高三倍体西瓜种子的萌芽率。本研究在对比分析二倍体与三倍体西瓜种子种皮超微结构，解释三倍体西瓜种子破壳难的
问题；并对三倍体西瓜种子破壳机的工作过程及三
倍体西瓜种子的力学特性进行了试验研究，为破壳机的相关设计提供基础数据和理论依据。
近年来，借助电子显微镜进行物料的物理结构特性的分析和应用非常多，国内外对作物芦竹根【‘７１、梨枣果实【８】、蘑菇细剧９１、食品猪肉【１０１、牧草㈣等进行了应用分析，但对种子种皮分析的应用很少。
国内外对各种种子的物理特性进行相当多的研究。中国对油菜、水稻种子的物理特性研究较多【协１５１；国外对苋菜籽［１６１、豌豆【１７１、南瓜籽‘１８１、栗子［１９‘２０】等种子进行了研究，主要对种子的几何尺寸、摩擦力学和比重等物理特性研究，对种子的破壳力学特性研究很少。谢丽娟等对莲子的压缩机械特性进行了一定的研究１２ｌＪ；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【２２１；国外Ｒａｚａｖｉ
制了三倍体西瓜的生产怛Ｊ。目前生产上常采用磕开种皮等人工“破壳”的形式来提高种子的萌发率【３川，
收稿日期：２０１２—０５—１５修订日期：２０１２．０８．２５
基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项（ＣＡＲＳ．２６．０９）作者简介：戴思慧（１９７６一），女，湖南湘阴人，博士生。长沙湖南农业大学园艺园林学院，４１０１２８。Ｅｍａｉｌ：ｄａｉｓｉｈｕｉ国１２６．ｃｏｍ
※通信作者：熊兴耀（１９６１一），男，湖南桑植人，教授，博士生导师。长沙湖南农业大学园艺园林学院，４１０１２８。
等对食用西瓜种子的物理特性进行了研耕２３。２４］：但
对三倍体西瓜种子的破壳物理特性研究国内外尚
第１７期戴思慧等：三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
４５
未见报道。
１
观察种子种壳结构，并进行拍照和记录。１．３种壳超微结构特征
１）三倍体西瓜种子种壳超微结构如图１ａ所示，三倍体西瓜种子种壳横断面可明显分为５层。从外到内依次为外表皮层（ｅｘ）、栅栏层（ｐａ）、密集细胞层（ｄｅ）、硬化组织（ｓｉ）和内表皮层（ｉｎ）。
三倍体西瓜种子种壳结构分析
试验材料选自湖南省瓜类研究所三倍体西瓜
１．１试验材料
黑牛种子和同源的二倍体西瓜黑宝种子。１．２试验方法
选取大小均匀一致的二倍体和三倍体西瓜种子各１０粒，切取种壳横断面，然后迅速将材料放入２．５％戊二醛（ｐＨ值７．２）中在４℃下固定１２ｈ，用
０．１
三倍体西瓜种子种壳总厚度为５１６．７∥ｍ。外表皮层
较薄，厚度为２５．４∥ｍ，细胞呈干瘪的状态：栅栏层厚度为２２６．４ｙｍ，在整个种壳组织中这层细胞比
较厚，细胞呈柱状紧密排列；密集石细胞层的厚度
为１５９．５／ｔｍ，细胞呈近六面体形；密集石细胞层下是排列非常紧密的硬化组织，细胞比密集石细胞层小，高度木质化且排列相当紧实。
ｍｏｌ／ＬＰＨ值７．２的磷酸缓冲液冲洗２次，再放
入５０％、７５％、８０％、９０％、１００％丙酮中脱水５次，每次３０ｍｉｎ。转入醋酸异戊酯置换后，进行临界点干燥、喷金。在ＪＳＭ．６３８０ＬＶ型扫描电子显微镜下
ｂ二倍体西瓜种子黑宝超微结构截面
图１
Ｆｉｇ．１
三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳超微结构截面
ｃｒｏｓｓ
Ｓｅｅｄｃｏａｔｕｌｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄａｎｄｄｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓ
表ｌ
三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳超微结构特点
Ｓｅｅｄｃｏａｔｕｉｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄａｎｄ
ｄｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓ
横断面分层相对简单，共分为４层，从外到内依次为外表皮层（ｅｘ）、栅栏层（ｐａ）、密集细胞层（ｄｅ）
Ｔａｂｌｅ１
和内表皮层（ｉｎ）；种壳厚度为３１２．３∥ｍ，外表皮
层厚度为１９．２／ｔｍ，细胞呈不规则排列；栅栏层厚度为１３１．７ｐｍ，细胞呈波状疏松排列；密集石细胞层可观察到由大细胞层逐步发展为小细胞层，但分
三倍体种子５１６．７
５４
２５．４１９．２
２２６．４１３１．７
１５９．５１４３．６
８５．６
１９．８１７．８
层不是很明显，细胞呈近六面体形；密集石细胞层下面是内表皮层。
三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳超微
二倍体种子３１２．３
二倍体西瓜种子种壳超微结构如图１ｂ所示，
农业工程学报２０１２笠
结构特点对比结果如表１所示，三倍体西瓜种子种
壳ＬＬ－－－倍体西瓜种子种壳厚近２００１Ｔ１１ＴＩ，其中三倍体西瓜种子种壳栅栏层比二倍体西瓜种子栅栏层厚约１００ｍｍ且细胞组织紧密排列；而且二倍体西瓜种子种壳缺少三倍体西瓜种子种壳所有的硬化组织层。
１．４破壳机开发必要性分析
基于三倍体西瓜种子与二倍体西瓜种子种壳
超微结构分析可知，三倍体西瓜种子种壳不仅表现
出明显比二倍体西瓜种子的种壳厚，而且在结构上
明显多了一层细胞排列非常致密高木质化的硬化组织，且栅栏组织排列整齐、密集，导致三倍体西
瓜种子的机械障碍比二倍体明显增强，因此三倍体
西瓜种子因种壳的机械障碍造成萌发率低的现象。目前生产上证实通过采用磕开种皮等人工“破壳”
的形式能有效提高种子的萌发率【３划，解决“三低”
问题，但生产效率极低，不适合现代农业的规模化
生产的需要，因此，亟待开发一种三倍体西瓜种子
破壳机来代替人工破壳。
１．５
三倍体西瓜种子自动破壳机工作原理
三倍体西瓜种子自动破壳机【６Ｊ破壳装置如图２
所示，种子从种子箱落入图２ｃ中的种子型孔１０中，
电机驱动减速器通过齿轮传动带动型孔转盘１１顺
时针旋转，在带有清洗刷９的作用下种子落入型孔，
旋转到型孔与种子固定托板１２缺口重叠位置时，
种子在重力作用下下落，通过导管的导流作用，喙部朝上，进入图２ｃ中夹持破壳装置固定夹板ｌ和
活动夹板５之间，如图２ｂ中，在凸轮顶杆压力Ｅ作用下，活动夹板５和固定夹板１产生Ｆ，和乃对子在增摩微齿、种子防滑槽的辅助下，有效防止种
子的滑动，实现轻度破壳（喙部轻微裂开，排出后
肉眼基本看不出裂缝），然后排出。
板
ａ．工作原理简图
注：Ｆ、Ｆ－、Ｒ、几分别为凸轮项杆压力、种子所受的活动夹板５和固定夹板１压力和喙部挤压力
ｂ．种子受力示意图
ｃ．俯视图
注：１．固定夹板；２．销Ｉ：３．固定块；４．卡环；５．活动夹板；６．种子限位器；７．顶杆调节套；８．触动开关；９．清洗刷；１０．种子型孔；
１
１．型孔转盘；１２．种子固定托板；１３．种子活动托板；１４．限位器安装
板；１５．限位器调节螺杆：１６．销ＩＩ；１７．夹板调节螺栓；１８．滑动槽
图２破壳装置工作原理图、种子受力与俯视图
Ｆｉｇ．２
Ｓｋｅｔｃｈｏｆｗｏｒｋｉｎｇｐｎｎｃｉｐｌｅ，ｓｅｅｄｆｏｒｃｅａｎｄ
ｐｌａｎｆｏｒｍ
ｏｆ
ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅ
由以上工作过程可以发现：１）种子压缩变量不能太大，即顶杆的运动必须根据种子的破壳要求限制行程，以防伤种；２）夹板破壳的最大阻力（破壳力）是保证破壳成功率的设计关键；３）凸轮顶
杆的加载速度会影响破壳阻力大小及有可能造成冲击伤种或影响破壳成功率。基于以上分析，模拟
破壳机的破壳过程通过试验方法来探讨三倍体西瓜种子破壳的相关力学特性。
２破壳试验材料与方法
２．１
材料
采用３种常见的三倍体西瓜种子：黑牛、蜜红
和花皮（如图３），在试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。采用烘干法测量含水率，分别约为１１．１％、
１１．２％和１０．６％。基本物理参数如表２所示，扁长型
种子，喙部厚度较厚。
种子施加压力，喙部同时受到挤压力乃的作用，种
第１７期
戴恩薏等：三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
４７
示，破壳装置可通过顶杆调节套７和限位器调节螺
◆尊●
图３三倍体西瓜种子样品
Ｆｉｇ．３
Ｓａｍｐｌｅｓｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｖａｒｉｅｔｉｅｓ
杆１５的作用下，可适用不同几何物理参数（表２）的三倍体西瓜种子要求。本试验对３种品种分别在
１０～１００ｍｍ／ｍｉｎ的加载速度下，测量破壳力和压缩
变量。
最大破壳力：取自然状态下的三倍体西瓜种
子，加载速度１００ｍｍ／ｍｉｎ分别对３个品种样品加压，每个品种选取大小、形状相近的各５０粒进行
试验，进行１０次试验，每次试验重复５次，记录峰值破壳力，取其平均值为最大破壳阻力。
表２基本物理参数
Ｔａｂｌｅ２
Ｂａｓｉｃｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
３结果与讨论
３．１
加载速度对破壳力的影响
加载速度与破壳力的关系如图５所示，随着加
载速度的增加，破壳力呈减小的趋势发展，当加载速度达到约８０ｍｍ／ｍｉｎ时，破壳力变化明显减小，
２．２试验方法
试验２０１１—０６．０１至２０１１．０９．２０分２次在湖南农业大学农业物料试验室完成。采用微机控制电子万
呈直线状态，说明当加载速度增加到一定值时破壳
力维持在一个恒值；继续增加加载速度能提高生产
率，但有可能会产生一定的冲击振动，造成种子跳
动而造成破壳失败。因此加载速度应该尽量维持在
能试验机（ＳＡＮＳ．ＣＭＴ６１０４），选用最大试验力２００Ｎ压力传感器，测量精度：０．５％，试验力分辨力１／３０００００ＦＳ．变形测量范围：０．０２～８００ｍｍ，变
形分辨力１／３００
０００
破壳力恒值，本研究考虑到生产效率，加载速度选
择８０～１００ｍｍ／ｍｉｎ。
８０７０６０
ＦＳ：种子夹持装置如图２ｃ所示，
采用固定夹板、活动夹板、限位器等组成，基本设计参数参照表２（试验装置如图４所示）。
姜５０冀４０
３０２０１０
２０
３０
４０
５０
６０
７０
８０
９０
１００
加载速度／（ｒａｍ・ｍｉｎ。１）
图５加栽速度与破壳力关系
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄ
ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｆｏｒｃｅ
从图５中可以看出，黑牛和花皮的破壳力大小和变化趋势基本相同，而蜜红的破壳力值明显大于
图４试验装置
Ｆｉｇ．４
Ｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ
黑牛和花皮的值。设计中以蜜红的破壳力值作为动力选择计算标准；在实际操作中，从黑牛和花皮三
倍体西瓜种子的几何尺寸（表２）基本相同，破壳
从前人的研究结果发现【１７．２４１，含水率对西瓜子
破壳力的影响大，但由于种子对含水率的要求特别高，在储藏过程中，必须保证在安全水平（三倍西
力大小和变化趋势基本相同，破壳装置调节后可完
成两品种的破壳；蜜红的几何尺寸（长、宽）平均
瓜种子为８％）以下；调节水分会导致霉变或者变
质，为了保证种子的活性，在试验过程中不考虑人工改变含水率的变化，以自然状态下含水率为标准。
值明显大于黑牛和花皮品种的平均值，说明破壳力
和外形几何尺寸有一定的正比关系：
三倍体西瓜种子的长度ｔ（ｍｍ）与破壳力ｙ（Ｎ）的关系式：ｙ＝ｌＯ．６５ｔ２－１９０．６８ｌ＋８９１．６５（Ｒ２＝０．９９２）：
从破壳机的工作原理分析可知，试验中的加载
速度和压缩变形量对破壳效果影响明显。如图２所
三倍体西瓜种子的宽度ｗ（ｍｍ）与破壳力ＹｆＮ）的关
系式：ｙ＝２４．３２Ｗ２—３０５．８４ｗ＋１０００．４（Ｒ２＝Ｏ。９９９７）。
农业工程学报２０１２芷
３．２压缩变形
从种子学的角度考虑忙５｜，压缩种子破壳形成的
牛品种的分布比较分散，可能影响破壳成功率，有必要考虑种子的大小分类。
表３
Ｔａｂｌｅ３
种壳变形与种子的成熟度、饱满度的关系较大，与
加载破壳速度影响不应该很明显；从表３分析得知，
不同加载速度的压缩变形值
Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄ
加载速度与压缩变形量也没有明显的相关关系，一
般情况下，压缩变形量：蜜红＞黑牛＞花皮；设计
压缩摇杆时，其调节量标准要以３个品种的最大值为基准。如图６所示，压缩变形量跟种子宽度成一定的线性关系；三倍体西瓜品种的压缩变形量主要
分布，黑牛：１．２５～２．５ｍｍ；花皮：１．３～２．２５
ＩＴＩＩＴＩ；
蜜红：１．６～２．５ｍｌｎ；蜜红品种的宽度尺寸和压缩变
形量都比较集中，破壳加工中更容易有序完成；黑
３．０
２．５
２．０
皇
吕蚵旺１１
１．５
｛删
漤１．５制
１０
董
碘制
１．０
Ｏ５
６．０
６
５７．０
７
５６．０６．５７．０
种子宽度／ｍｍａ黑牛品种
种子宽度／ｍｍｂ．花皮品种
种子宽度／ｍｍｃ．密红品种
图６种子种壳压缩变形量与种子宽度关系
Ｆｉｇ．６
Ｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｓｅｅｄｃｏａｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｖａｌｕｅａｎｄｉｔｓｗｉｄｔｈ
３．３最大破壳力
最大破壳力是选择动力及动力系统设计的基础数据。如图７所示，三倍体西瓜品种黑牛和花皮
４结论
１）二倍体西瓜种子种壳相比，三倍体西瓜种
的最大破壳力小于蜜红的最大破壳力，最大破壳力
平均值分别为４４．７０、４９．１５、４９．８７Ｎ；三倍体西瓜种子最大破壳力选取６８．９７Ｎ作为顶杆驱动动力、
子种壳厚而硬，还多了一层致密的硬化层，对种子的萌发起着机械阻碍的作用。
２）三倍体西瓜种子破壳机设计中要求种子的
活动夹板杠杆设计等设计计算标准。
压缩变形、破壳力大小、压力加载速度适当。
３）随着加载速度的增加，破壳力呈减小的趋势发展，当加载速度达到一定值时，破壳力呈恒值状态；破壳力和外形几何尺寸有一定的正比关系；
４）破壳压缩变形量不同品种不相同，设计压
缩顶杆时，其调节量标准要各品种的最大值为基准。
５）破壳机加载速度８０～１００ｍｍ／ｍｉｎ比较合适；
最大破壳力为６８．９７
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Ｌ．）ｓｅｅｄｓ［Ｊ］．Ｊ．ＦｏｏｄＥｎｇ．，２００４，
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ＪＯ，ＡｄａｍｕＭＡ，Ｊｉｍ—Ｇｅｏｒｇｅ
ＤＬ．Ｓｏｍｅ
ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｅａｒｌ
ｍｉｌｌｅｔ（Ｐｅｎｎｉｓｅｔｕｍｇｌａｕｃｕｍ）ｓｅｅｄｓ
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ａ
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Ａ，Ｍｉｌａｎｉ
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ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ
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ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄ
ＤａｉＳｉｈｕｉｌ，一，ＳｕｎＸｉａｏｗｕｌ，一，ＸｉｏｎｇＸｉｎｇｙａ０１，蕊，ＬｉＭｉｎ９３，ＹａｏＪｕｎ３
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄｌａｎｄｓｃａｐｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ；
２．ＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏ，．ＧｅｒｍｐｌａｓｍＩｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｒｏｐ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｃｏｌｌｅｇｅ
ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ
４１０１２８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｒａｔｅｖｉａｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｓｔｅａｄｏｆｍａｎｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ｒｎｌｅｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｈｉｎｄｒａｎｃｅｏｆｔｒｉｐｌｏｉｄｆｅａｔｕｒｅｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｄｉｐｌｏｉｄｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｓｅｅｄｃｏａｔｕｌｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓｅｅｄ．Ｆａｍｉｌｉａｒｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓｏｆｔｈｒｅｅｖａｒｉｅｔｉｅｓ，Ｈｅｉｎｉｕ，Ｍｉｈｏｎｇ
ａｎ
ａｎｄＨｕａｐｉ，ａｔｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ１１．１，１１．２ａｎｄ１０．６％（ｗ．ｂ．），ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｎｉｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｕｓｉｎｇｃｏｍｍｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｈａｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｏｎ
ｔｈｅｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｖａｌｕｅｓｏｆａｌｌｓｅｅｄｓｗｅｒｅａｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇ
ｓｔａｎｄａｒｄｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇｒｏｃｋｅｒ．Ｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｓｃｈｏｓｅｎａｓ８０—１００ｍｍ／ｍｉｎ；ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ
ｎｉｃｋｉｎｇｆｏｒｃｅ
ａｓ
６８．９７Ｎ．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｔｏｄｅｓｉｇｎ
ａ
ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｔｒｉｐｌｏｉｄ
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎｓｅｅｄｓ．
ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ，ｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ，ｓｅｅｄｃｏａｔｎｉｃｋｉｎｇ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｅｄ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｒｉｐｌｏｉｄ
三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性
作者：作者单位：
戴思慧， 孙小武， 熊兴耀， 李明， 姚珺， Dai Sihui， Sun Xiaowu， Xiong Xingyao， Li Ming， Yao Jun
戴思慧,孙小武,熊兴耀,Dai Sihui,Sun Xiaowu,Xiong Xingyao(湖南农业大学园艺园林学院,长沙410128;湖南农业大学园艺园林学院,湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室,长沙410128)， 李明,姚珺,Li Ming,Yao Jun(湖南农业大学工学院,长沙,410128)
农业工程学报
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering2012,28(17)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_nygcxb201217007.aspx