全 文 ：第 28 卷 第 14 期 农 业 工 程 学 报 Vol.28 No.14
2012 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2012 283
小冠花硬实种子破皮处理工艺参数优化
孙步功
1
，吴建民
1※
，赵武云
1
，黄晓鹏
1,2
（1. 甘肃农业大学工学院，兰州 730070；2. 兰州理工大学机电学院，兰州 730050）
摘 要：为了解除小冠花（Coronilla varia L.）种子硬实，根据小冠花种子的基本特征设计了硬实种子破皮处理机。通过
因素二次正交旋转回归试验，考察了破皮盘间隙、差转速、下破皮盘转速对硬实种子处理的影响，得出试验指标与影响
因素的回归模型。结果表明，破皮盘间隙和差转速对处理的影响极显著（p＜0.01），下破皮盘转速对处理的影响显著（p
＜0.05）；硬实种子处理的最佳工艺参数是破皮盘间隙为 2 mm，差转速为 74 r/min，下破皮盘转速为 128 r/min。研究结果
为解除小冠花种子硬实提供了技术指导。
关键词：优化，种子，参数评估，小冠花，破皮处理，二次正交旋转回归设计
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.14.043
中图分类号：S223.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-14-0283-05
孙步功，吴建民，赵武云，等. 小冠花硬实种子破皮处理工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2012，28(14)：283－287.
Sun Bugong, Wu Jianmin, Zhao Wuyun, et al. Process parameter optimization of breaking treatment for hard seed of Coronilla
varia L.[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 283－287.
(in Chinese with English abstract)
0 引 言

小冠花（Coronilla varia L.）为豆科多年生草本植物，
根系发达，在贫瘠的土地上能形成密度较大的植被，是
西北干旱地区公路护坡、水土保持的理想植物，但其种
子硬实率高。具有生活力，但由于种皮外表一坚韧致密
层而不能吸水，没有发芽能力的种子，称为硬实种子
[1-4]
。
硬实是种子的一种休眠现象，这种现象是由种皮结构所
致，属强迫性休眠，从种子的延绵角度来看这是一种非
常有利的特性
[5-6]
。徐本美及利用浓硫酸浸泡小冠花种子
破除其硬实，研究得出小冠花的硬实粒是高活力种子
[7]
。
中国牧草种子检验规程的检验结果只标明硬实率，硬实
种子属于未发芽种子（ungerminated seeds），其“地位”
未明确划定
[8]
。Mckee 等对小冠花种皮作不同厚度穿刺的
试验结果证明，种皮是阻止水分进入种子的屏障
[9]
。对小
冠花种子破除硬实的研究多集中于热水浸泡、酸液浸泡
以及人力砂研磨等试验处理方法
[10-11]
。在植被恢复及护
坡工程中，为了解除小冠花种子硬实，提高发芽率，目
前采用人工碾压的方法，劳动强度大，效率低。自主研
发的硬实种子破皮机，使种子在相互运动的两破皮盘之
间被挤压、揉搓、摩擦等作用而解除种子硬实现象，提
高种子渗透性和发芽率。本研究利用三因素二次正交旋
收稿日期：2011-12-18 修订日期：2012-06-14
基金项目：甘肃省农业科技成果转化项目（0805XCNA076）；甘肃省自然科
学基金（1107RJZA138）；甘肃农业大学科技创新基金（GAU-CX1012）
作者简介：孙步功（1971－），男，甘肃通渭人，副教授，博士，主要从事
种子加工设备研发。兰州 甘肃农业大学工学院，730070。
Email：sunbg@gsau.edu.cn
※通信作者：吴建民（1958－），男，甘肃定西人，教授，博导，主要从事
农业机械研究。兰州 甘肃农业大学工学院，730070。
Email：wujm@gsau.edu.cn
转组合设计，对小冠花硬实种子破皮处理工艺参数进行
优化，以期为高效率解除种子硬实提供技术参考。
1 试验设备和方法
1.1 试验设备
硬实种子破皮机由调速电机、差速器、喂料槽、上破
皮、下破皮盘及收料斗等组成，如图 1a 所示。调速电机的
输出轴通过Ｖ带带动差速器的输入轴旋转，差速器高速级
输出轴带动下破皮盘旋转，差速器低速级输出轴带动上破
皮盘旋转。喂料槽与差速器低速级输出轴连接，被带动旋
转，上、下两破皮盘之间因转速不同而产生差转速。喂料
槽中的种子在重力和离心力的作用下，通过喂料槽上的孔
进入两破皮盘之间。种子在两破皮盘之间被带动高速旋
转，受离心力的作用贴着上破皮盘的下表面向外辐射状流
动。种子在向外辐射状流动的同时，由于两破皮盘之间的
差转速使种子受切向力的作用，此切向力使种子抵住下破
皮盘上的沟槽右侧面而进入垂直方向运动。种子在离心力
和切向力的作用下被擦破种皮后沿下破皮盘上的沟槽辐
射状从破皮盘间隙流出，进入收料斗。
1.2 破皮机主要参数
外型尺寸（长×宽×高）：120 cm×100 cm×110 cm
装配质量：200 kg
电机功率：7.5 kW
生产能力：1.0～1.5 t/h
两破皮盘间隙：0.5～5 mm
下破皮盘的转速：20～300 r/min
两破皮盘之间的差转速：10～100 r/min
1.3 试验材料
试验所用种子为前一年采种，未经任何处理的小冠
花种子，其千粒质量为(4.0±0.4)g，硬实率为 34%～41%。
农业工程学报 2012 年284
a. 整体结构简图
b. 两破皮盘局部剖视图
1. 调速电机 2. 调速电机输出轴 3. 带轮 4. Ｖ带 5. 带轮 6. 差速器
输入轴 7. 机架 8. 喂料槽 9. 喂料槽 10. 固定螺钉 11上破皮盘固定
环 12. 上破皮盘 13. 下破皮盘 14. 收料斗 15 固定螺钉 16. 差速器
17. 差速器低速级输出轴 18. 差速器高速级输出轴
图 1 破皮机结构简图
Fig.1 Structure diagram of breaking-machine
1.4 试验设计
试验指标用 ISTA（international seed testing association）
标准所规定的种子发芽率及活力性状的综合提高来表达
[12]
，
体现了处理前后种子发芽、硬实及死亡等的综合变化。
根据破皮处理基本原理和前期试验结果
[13]
，选取破皮盘
间隙（X1）、差转速（X2）和下破皮盘转速（X3）3 个因
素作为试验考察因素。破皮盘间隙影响种子被揉搓、摩
擦的大小；差转速即上、下破皮盘的转速差，决定剪切
力的大小；下破皮盘为高速盘，其转速和下破皮盘的转
速共同带动种子高速旋转，使种子在离心力的作用下沿
辐射状沟槽流出，下破皮盘转速综合影响种子被揉搓、
摩擦、挤压及剪切的情况。取种子综合发芽性能指数的
提高为因变量，试验设计采用三因素二次正交回归组合
设计
[14-20]
，因素及其水平编码见表 1。为了保证试验数据
的可靠性，减少试验误差，每个处理做 5 次重复试验，
取各重复试验的平均值为该处理的试验值
[21]
。
表 1 因素及其水平编码表
Table 1 Coding table of factors and levels
因素水平 破皮盘间隙/mm 差转速/(r·min-1) 下破皮盘转速/(r·min-1)
+1.682 3.0 74 148
+1 2.6 64 128
0 2.0 50 100
-1 1.4 36 72
-1.682 1.0 26 52
变化区间 0.6 14 28
1.5 发芽试验及数据处理
分别称取未进行破皮处理以及各种处理后的小冠
花种子各（0.4±0.01）g（100 粒种子）进行发芽试验，
未进行破皮处理为对照组。分别将各组种子均匀地放
入发芽床（纸质）中进行发芽试验，在发芽期间，保
持发芽皿湿润，皿内水分以不滴水为宜。发芽温度为
20～24℃（室内），每天记录萌发的正常幼苗粒数，7 d
计算种子的发芽势，15 d 试验结束，计算种子的发芽
率和发芽指数
[7]
。
7d 100%p
NG
N
  （1）
式中，Gp 为发芽势，%；N7d 为发芽高峰期（7 d）发芽的
种子数；N 为供试种子数。
15d 100%r
NG
N
  （2）
式中，Gr 为发芽率，%；N15d 为发芽试验结束（15 d）种
子发芽数；N 为供试种子数。
Gi=∑(Gt/Dt) （3）
式中，Gi 为发芽指数；Gt 为 t 日内的发芽数；Dt 为相应
得发芽日数。
种子的发芽势、发芽率和发芽指数综合反映其发芽
性能。对发芽势、发芽率和发芽指数进行权重分配计算
对照组以及各处理种子的综合发芽性能指数。
YCK=100·GpCK×30%+100·GrCK× 50%+GiCK× 20% （4）
式中，YCK 为对照组综合发芽性能指数；GpCK 为对照组发
芽势，%；GrCK 为对照组发芽率，%；GiCK 为对照组发芽
指数。
Yj=100·Gpj×30%+100·Grj×50%+Gij× 20% （5）
式中，Yj 为 j 处理的综合发芽性能指数；Gpj 为 j 处理的发
芽势，%；Grj 为 j 处理的发芽率，%；Gij 为 j 处理的发芽
指数。
100%j CKjt
CK
Y Y
Y
Y

  （6）
式中，Yjt 为 j 处理相对于对照组种子综合发芽性能指数的
提高程度，%。
为了数据处理方便，取
Y=100·Yjt （7）
式中，Y 为 j 处理的试验指标。
2 结果与分析
2.1 模型建立
试验设计
[22]
及结果见表 2。根据方差分析表 3，在а
=0.10 的显著水平下，将不显著项剔除，得到回归方程
Y=79.36-4.82X1+2.37X2+1.77X3-5.58X12-2.19X32+2.13
X1X3+1.63X2X3。
方 差 分 析 表 3 的 结 果 显 示 ： F2 ＞ F0.01(9 ，
13)=4.19 ， 表明方程回 归极显 著； F1 ＜ F0.01(5 ，
8)=6.63，表明失拟不极显著；试验结果与影响因素
之间的关系真实可靠。
第 14 期 孙步功等：小冠花硬实种子破皮处理工艺参数优化 285
表 2 试验设计及结果
Table 2 Design and results of experiments
三因素二次正交回归组合设计的结构矩阵X(m0=9)
试验
X0 X1 X2 X3 X1X2 X1X3 X2X3 (X1) (X2) (X3)
指标Y
1 1 1 1 1 1 1 1 0.406 0.406 0.406 82
2 1 1 1 -1 1 -1 -1 0.406 0.406 0.406 70
3 1 1 -1 1 -1 1 -1 0.406 0.406 0.406 67
4 1 1 -1 -1 -1 -1 1 0.406 0.406 0.406 64
5 1 -1 1 1 -1 -1 1 0.406 0.406 0.406 88
6 1 -1 1 -1 -1 1 -1 0.406 0.406 0.406 87
7 1 -1 -1 1 1 -1 -1 0.406 0.406 0.406 75
8 1 -1 -1 -1 1 1 1 0.406 0.406 0.406 82
9 1 -1.682 0 0 0 0 0 2.234 -0.594 -0.594 73
10 1 1.682 0 0 0 0 0 2.234 -0.594 -0.594 63
11 1 0 -1.682 0 0 0 0 -0.594 2.234 -0.594 82
12 1 0 1.682 0 0 0 0 -0.594 2.234 -0.594 84
13 1 0 0 -1.682 0 0 0 -0.594 -0.594 2.234 73
14 1 0 0 1.682 0 0 0 -0.594 -0.594 2.234 82
15 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 87
16 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 86
17 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 83
18 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 84
19 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 83
20 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 85
21 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 84
22 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 83
23 1 0 0 0 0 0 0 -0.594 -0.594 -0.594 85
2
jd x 23 13.65 13.65 13.65 8 8 8 15.88 15.88 15.88
jB xy 1832 -65.28 32.36 24.14 6 17 13 -88.60 -3.76 -34.87
/j j jb B d 79.39 -4.82 2.37 1.77 0.75 2.13 1.63 -5.58 -0.24 -2.19
j j jQ b B 317.25 76.70 42.72 4.50 36.21 21.19 494.39 0.90 76.36
注：X0为规范变量，X1、X2、X3分别为破皮盘间隙、差转速和下破皮盘转速的编码值；(Xj)(j=1,2,3)为二次项 Xj2中心化处理后的编码；Y 为根据式（7）计算
出的试验指标。
表 3 方差分析
Table 3 Variance analysis
变异 平方和 自由度 均方 F值
X1 317.25 1 317.25 46.93
X2 76.70 1 76.70 11.37
X3 42.72 1 42.72 6.32
X12 494.39 1 494.39 73.13
X22 0.90 1 0.90 0.13
X32 76.36 1 76.36 11.30
X1X2 4.50 1 4.50 0.67
X1X3 36.21 1 36.21 5.36
X2X3 21.9 1 21.9 3.13
回归 1037.27 9 115.25 F2=17.05
剩余 87.82 13 6.76
失拟 91.93 5 18.39 F1=4.89
误差 30.08 8 3.76
总和 1159.28 22
注：F1是回归均方与剩余均方的比值，F2是失拟均方与误差均方的比值。
2.2 效应分析
方差数值分析表 3 表明：X1、X2 和 X12 影响极显著（p
＜0.01），X3、X32 和 X1X3影响显著（p＜0.05）。2 破皮
盘间隙太小，剪切力使种子破损严重，死亡种子比例升
高；间隙太大，起不到破皮作用。差转速决定了切向力
的大小。上、下破皮盘的转速带动种子高速旋转，使种
子在离心力的作用下沿下破皮盘上的沟槽辐射状流出，
主要影响破皮速率与沟槽的通畅情况。
2.3 优化与验证
2.3.1 优化水平
对简化后的回归方程进行预测可知，最优水平各因
素之间的组合为：当 X1、X2 和 X3 的编码水平分别为 0、
1.682 和 1 时，即当 X1=2 mm，X2=74 r/min 及 X3=128 r/min
时，硬实种子处理效果最好。用统计寻优方法，每个因
素取 5 个水平：± 1.682，± 1 和 0，对 53=125 个方案寻
优，通过频数分析方法，得出 Y＞80 的 28 个方案的频率
分布如表 4。当 3 个因素分别在 X1（-0.81～0.03）、X2
农业工程学报 2012 年286
（1.25～1.69）、X3（0.58～1.2），即破皮盘间隙为 1.52～
2.02 mm，差转速为 67.56～73.59 r/min，下破皮盘转速为
116.13～134.89 r/min 时，则因变量高于 80 的可能性为
95%。
表 4 指标>80%的方案中各因子频率表
Table 4 Factor frequency distributions designed schemes with
predicted values over 80
因素 加权均数z 95%的置信区间 参数设置
X1 -0.39 -0.81～0.03 1.52～2.02/mm
X2 1.47 1.25～1.69 67.56～73.59/(r·min-1)
X3 0.91 0.58～1.24 116.13～134.89/(r·min-1)
2.3.2 验证试验
用最佳工艺参数进行小冠花种子处理并做发芽试
验，其结果见表 5。从表 5 可知，在最佳工艺参数为：破
皮盘间隙为 2 mm、差转速为 74 r/min 和下破皮盘转速为
128 r/min 时，种子的发芽势、发芽率和发芽指数分别为
12.4%、67.8%和 8.73。对照组的发芽势、发芽率和发芽
指数分别为 9.7%、34.1%和 6.26。通过（6）、（7）式计
算，得试验指标 Y 为 89.58，处理种子效果明显。
表 5 验证试验数据表
Table 5 Verifiable testing data
试验
处理
发芽势/% 发芽率/% 发芽指数 综合发芽性
能指数
试验指标
优化参数试
验
12.40 69.53 8.73 40.21 89.58
对照
试验
9.70 34.10 6.26 21.21
注：优化参数组是在最佳工艺参数组合下进行处理的种子，对照组是未进行
处理的种子。
3 结 论
1）利用 2 破皮盘的高速旋转使种子在离心力的作用
下向外辐射状流动，同时，两破皮盘之间的差转速使种
子受切向力的作用，种子在离心力和切向力的综合作用
下被揉搓、挤压、摩擦而解除硬实。
2）采用二次正交回归组合设计，进行了小冠花种
子处理的试验研究，在影响小冠花硬实种子处理效率
的因素中，两破皮盘间隙和两破皮盘差转速的影响达
到极显著水平，下破皮盘转速、破皮盘间隙与下破皮
盘转速交互作用的影响达到显著水平；建立了试验指
标同影响因素之间的回归模型，为硬实种子处理提供
量化基础条件。
3）破皮盘间隙为 1.52～2.02 mm，差转速为 67.56～
73.59 r/min，下破皮盘转速为 116.13～134.89 r/min 时，
试验指标有 95%的可能高于 80；小冠花硬实种子处理的
最佳工艺参数为：破皮盘间隙为 2 mm，差转速为
74 r/min，下破皮盘转速为 128 r/min。
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Process parameter optimization of breaking treatment for hard seed of
Coronilla varia L.
Sun Bugong1, Wu Jianmin1※, Zhao Wuyun1, Huang Xiaopeng1,2
(1. College of Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;
2. College of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)
Abstract: In order to break the hard seed of Coronilla varia L., the hard seed breaking machine was designed according
to the major characteristics of Coronilla varia L. seeds. With three-factor quadric orthogonal regression composite
experimental design, the influences of the space between two plates, the rotational speed difference between two plates
and the bottom plate rotational speed were investigated, and the regression equation was obtained. The results showed
that the effects of space and rotational speed difference between two plates on experimental target were extremely
significant(p<0.01), and the effect of the bottom plate rotational speed on experimental target was significant (p<0.05).
The optimum process parameters were as followed: 2 mm between two plates, 74 r/min of the rotational speed difference
between two plates, 128 r/min of the bottom plate rotational speed for the breaking-machine. These results can provide
technical guidance for the breaking hard seed in Coronilla varia L..
Key words: optimization, seed, parameter estimation, Coronilla varia L., breaking-treatment, quadric orthogonal
regression composite experimental design