煙草托盤育苗缽苗力學性能試驗

尚 蕾，宋占華，李玉道，王麗軍，李法德,2*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018）

目前我國煙草移栽機仍停留在半機械化作業(yè)水平，移栽過程中需要人工從育苗盤中取苗并投入移栽機水平轉動的喂入器中，勞動強度大，移栽效率低[1]。雖然國內有學者對取苗末端執(zhí)行器進行了研究，但是主要集中在對蔬菜花卉取苗機構的研發(fā)上[2-5]，并沒有將取苗機構與蔬菜花卉的機械物理特性參數(shù)有效的結合起來進行分析設計，更沒有研究煙苗的機械物理特性參數(shù)。國內研發(fā)的取苗末端執(zhí)行器的工作原理主要為，在驅動和傳動機構的作用下，執(zhí)行機構在適當?shù)奈恢貌迦胗绫P的穴腔、夾緊基質、拔出秧苗、運動至投苗點松開基質，從而達到自動取苗投苗的目的。但是，由于作業(yè)對象的柔嫩性、不規(guī)則性和環(huán)境的復雜多變性[6-7]，以及移栽期的煙苗具有只有側根、無明顯主根且易受損的特征，在機械化取苗過程中，如果取苗機構設計不當，容易造成對煙草缽苗的機械損傷，從而影響煙苗移栽后的成活率。因此，為保證煙苗移栽質量，確保煙苗不受傷害，必須對煙草缽苗的機械物理特性參數(shù)進行試驗研究，這些參數(shù)主要包括煙苗拔出穴腔所需的拔取力、煙苗莖稈拉斷力、抗壓強度等。通過研究分析，為機械化取苗投苗部件設計提供基礎和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用煙苗品種為“革新一號”，取自山東農(nóng)業(yè)大學溫室大棚。根據(jù)農(nóng)藝要求，煙草缽苗取出后置于空曠通風處3～4 d進行煉苗[8]。移栽前16 h給煙草缽苗澆水。試驗用煙苗高度為（169.09±54.4）mm。營養(yǎng)基質表面以上 4 cm處莖稈直徑為（4.55±0.55） mm，莖稈的含水率為(85.15±2.21)%。營養(yǎng)基質含水率為（52.70±6.50）%。單株葉數(shù)6～8片，根系發(fā)達。缽盤共100孔穴，尺寸為605 mm×330 mm，高度為45 mm，穴腔上、下口直徑分別為44 mm和12 mm。測試地點為山東農(nóng)業(yè)大學機電學院實驗室，室內溫度25 ℃左右。

1.2 試驗儀器設備

WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機（濟南試金集團有限公司）、DZF-605型真空干燥箱（上海博訊實業(yè)有限公司）、JA5003A型電子天平（0.001 g 上海精天電子儀器有限公司）以及游標卡尺等。

1.3 試驗方法

在試驗前的第3天對缽苗進行第1次澆水；試驗前的第2天進行第2次澆水，試驗前1 d的下午進行最后1次澆水[9]，以確保試驗期間煙苗營養(yǎng)基質足夠濕潤，煙苗容易拔出。

在進行煙苗拔取、拉伸、壓縮等力學性能試驗時，萬能試驗機以均勻速率加載荷，在 1.5～2 min內使試樣破壞[10]，依此確定每種試驗萬能試驗機的加載速率。由于煙苗莖稈直徑較小，且相鄰煙苗煙葉交錯，為保證試驗結果準確性，試驗前利用剪刀對煙苗進行手工去葉處理。測量營養(yǎng)基質的含水率前，將煙苗莖稈從營養(yǎng)基質表面處用剪刀剪斷，然后把營養(yǎng)基質從穴腔中全部取出并將營養(yǎng)基質里面的煙苗根部手工去掉。

試樣（煙苗莖稈、營養(yǎng)基質）的含水率測定采用烘干法。取樣后立即稱量并填入記錄表，將同組試樣一并放入干燥箱內，在（105±2） ℃的溫度下干燥8 h后，從中選定2～3個試樣進行第1次稱量，以后每隔2 h稱量1次，至最后2次稱量之差不超過0.002 g時，即認為試樣達到全干。然后將試樣從干燥箱內取出放入裝有干燥劑的玻璃干燥器中，蓋好干燥器蓋，待試樣冷卻至室溫后，取出稱量，然后計算含水率[11]。

1.3.1 煙苗拔取力和拉斷力試驗 取生長狀況良好且營養(yǎng)基質未與缽盤脫離的缽苗在萬能試驗機上進行缽苗拔取試驗，測量試樣的高度、直徑以及含水率。試驗前，利用萬能試驗機的夾具夾持煙苗莖稈的上端，人工手持秧苗缽盤，啟動萬能試驗機，以100 mm/min速度加載，將煙苗連同營養(yǎng)基質一同拉出穴腔，同時，測量并記錄拔取力的大小。

拔取力試驗完成后，重新選樣，從煙苗營養(yǎng)基質表面向上取80 mm，制成煙苗拉斷試驗試樣。為防止試驗時試樣被夾持部位受損，首先對煙苗試樣兩端進行包裹軟紙?zhí)幚怼Ｔ囼炛欣萌f能試驗機的夾具夾持在試樣兩端，以100 mm/min速度加載，同時記錄載荷的大小。

煙苗抗拉強度計算式為

式中：——抗拉強度，MPa

——破壞載荷，N

——試樣直徑，mm

1.3.2 煙苗徑向壓縮試驗 從煙苗營養(yǎng)基質表面向上取 40 mm長莖稈，制成煙苗徑向壓縮試驗試樣。測量試樣的直徑和含水率。試樣夾具采用平面壓塊，將試樣置于球面滑動支座中心位置。以 10 mm/min速度加載，記錄破壞載荷。

煙苗徑向抗壓強度計算式為

式中：——抗壓強度，MPa

——試樣長度，mm

1.3.3 煙苗軸向壓縮試驗 煙苗軸向壓縮試驗取樣如圖1所示。測量試樣的直徑和含水率。試樣夾具采用平面壓塊，將試樣置于球面滑動支座中心位置，以10 mm/min速度加載，記錄破壞載荷。

煙苗軸向抗壓強度計算式為

圖1 煙苗試樣取樣圖Fig.1 Sampling plan of tobacco seedlings

1.3.4 煙苗彎曲試驗 從煙苗營養(yǎng)基質表面向上取100 mm，分別采用三點彎曲方法（圖2）和懸臂彎曲方法（圖 3）進行試驗。采用三點彎曲法時，兩支座間距離為60 mm，壓頭在莖稈的中部施加壓力；采用懸臂彎曲法時，壓頭與支座的水平距離為 30 mm。試驗裝置的支座及壓頭端部的曲率半徑均為10 mm，以50 mm/min速度加載。

圖2 簡支梁試驗Fig.2 Simply supported beam test

1.3.5 煙苗剪切試驗 從煙苗營養(yǎng)基質表面向上取70 mm，制成煙苗剪切試驗試樣。測量試樣的直徑和含水率。將試樣置于V型夾具上，剪切試樣中部。以50 mm/min速率加載，記錄破壞載荷。煙苗剪切試驗示意圖如圖4所示。

圖3 懸臂梁試驗Fig.3 Cantilever beam test

圖4 剪切試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of shearing test

煙苗剪切強度計算式為：

式中：——剪切強度，Mpa

2 結 果

2.1 煙苗拔取力和拉斷力

從圖 5可以看出，單株煙苗拉斷力（31.49±12.08）N遠遠大于從穴盤中拔出煙苗所需的拔取力（2.09±1.28）N，故采用拔取的方式將煙苗從穴盤中拔出是可行的；煙苗拔取力因為營養(yǎng)基質與穴盤的黏連程度不同會有較大變化。從圖6可以看出，隨營養(yǎng)基質含水率的升高，拔取力有下降趨勢，當營養(yǎng)基質含水率達到58.50%時，拔取力達到最小值，當營養(yǎng)基質含水率繼續(xù)增加時，營養(yǎng)基質粘滯力增大，拔取力顯著增大。因此，為了更好地從穴盤中拔取煙苗并保證營養(yǎng)基質的完整性，營養(yǎng)基質的含水率應控制在55%～60%。

2.2 煙苗莖稈壓縮

由圖7可知，在一定加載速率下（10 mm/min）壓力隨著位移先是緩慢升高，然后急劇上升，最后達到平穩(wěn)。在此過程中，煙苗莖稈首先發(fā)生彈性形變，當位移在0.5～1 mm時，煙苗莖稈表皮組織被破壞，隨著位移繼續(xù)增大，當壓力達到120 N時，煙苗莖稈芯部組織被破壞。

圖5 拔取力和拉斷力Fig.5 The plucking force and the broken pulling force

圖6 拔取力與營養(yǎng)基質含水率Fig.6 Relationship between the plucking force and the moisture content

圖7 煙苗壓縮試驗Fig.7 The relationship between the deformation and the compression

從圖8可以看出，在相同的加載速率條件下，煙苗莖稈的抗拉強度較大，其徑向抗壓強度顯著低于軸向抗壓強度（p＜0.01）。并且，煙苗莖稈下部和中部的軸向抗壓強度沒有顯著性差異（p＞0.05）。當采用機械化取苗裝置從穴腔中拔取煙苗時，對煙苗莖稈施加的夾緊強度應小于（0.096±0.043）MPa。

圖8 煙苗的力學物理特性Fig.8 The mechanical properties of the tobacco seedlings

2.3 煙苗莖稈彎曲

在相同的加載速率條件下，測試簡支梁試驗、懸臂梁試驗中煙苗莖稈的彈性模量。由圖9可知，力均隨位移先增大后減小，且曲線走向一致。由圖中直線段斜率計算得煙苗莖稈簡支梁試驗、懸臂梁試驗的彈性模量分別為（0.0042±0.0018）MPa、（0.0130±0.0062）MPa。簡支梁彎曲試驗中對煙苗莖稈的兩端僅用支座進行簡單支撐，在力的作用下很容易產(chǎn)生位移，而懸臂梁彎曲試驗中煙苗莖稈的一端被支座夾緊固定，在力的作用下不容易產(chǎn)生位移，故煙苗莖稈簡支梁試驗彈性模量顯著低于懸臂梁試驗彈性模量（p＜0.01）。

由圖 3、4可以看出，煙苗莖稈撓度較大，試驗中并沒有出現(xiàn)煙苗莖稈被折斷的情況。這與前人的研究結果是一致的，即煙苗莖稈柔韌性好，可繞指[12]。

2.4 煙苗莖稈剪切

從圖 10可知，剪切強度隨著位移變化平緩上升后迅速下降。煙苗莖稈在剪切力的作用下首先發(fā)生彈性變形，至煙苗莖稈組織被破壞后剪切強度驟減。位移為2 mm時，煙苗莖稈在剪切力的作用下，被剪切部位下凹，莖稈兩端翹起，使得剪切強度有小幅度下降趨勢。煙苗莖稈被切斷時剪切強度較大，可見煙苗莖稈柔韌性好，不易切斷。

圖9 彎曲試驗力-位移曲線Fig.9 The relationship between the deformation and the compression force during bending test

圖10 煙苗剪切試驗Fig.10 The shear test of tobacco seedlings

3 小 結

研究結果表明，煙苗拔取力隨營養(yǎng)基質含水率的增加逐漸降低，當含水率達到58.5%時，煙苗拔取力達到最小值（2.09±1.28）N，當營養(yǎng)基質的含水率超過60%后，煙苗拔取力迅速增大；移栽時為更好地從穴盤中拔出煙苗，營養(yǎng)基質的含水率應控制在55%～60%。

煙苗的拉斷力為（31.49±12.08）N，遠大于從穴盤中拔出煙苗所需的拔取力，故采用拔取的方式將煙苗從穴盤中拔出是可行的。

煙苗莖稈抗拉強度為（1.96±0.68）MPa；徑向抗壓強度為（0.096±0.043）MPa；煙苗莖稈軸向抗壓強度中部為（1.20±0.34）MPa、下部為（1.28±0.28）MPa；煙苗莖稈簡支梁、懸臂梁試驗彈性模量分別為（0.0042±0.0018）MPa、（0.0130±0.0062）MPa；剪切強度為（1.64±0.39）MPa。因此，為保證煙苗不受損傷，當采用機械化取苗裝置拔煙苗時，對煙苗莖稈施加的夾緊強度應小于（0.096±0.043）MPa。

[1]尹國洪，陳巧敏，張瑞林.旱地育苗栽植機械現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和前景[J].中國農(nóng)機化，1997（5）：9-11.

[2]張麗華，邱立春，田素博，等.指針夾緊式穴盤苗移栽爪設計[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2010，41（2）：235-237.

[3]孫國祥，汪小旵，何國敏，等.穴盤苗移栽機末端執(zhí)行器設計與虛擬樣機分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（10）：48-53.

[4]俞高紅，劉炳華，趙勻，等.橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自動移栽機構運動機理分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（4）：53-57.

[5]葉秉良，俞高紅，陳志威，等.偏心齒輪-非圓齒輪行星系取苗機構的運動學建模與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（12）：7-12.

[6]劉繼展，李萍萍，李智國.番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的硬件設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2008，39（3）：109-112.

[7]李秦川，胡挺，武傳宇，等.果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器研究綜述[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2008，39（3）：175-179.

[8]惠東志.煙草自動移栽機取苗機構設計與試驗研[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學，2010.

[9]鄧明軍.煙草的煉苗、拔苗和移栽[J].農(nóng)家參謀，2006（3）：10.

[10]李玉道，杜現(xiàn)軍，宋占華，等.棉花秸稈剪切力學性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（2）：124-128.

[11]杜現(xiàn)軍，李玉道，顏世濤，等.棉桿力學性能試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011（4）：87-91.

[12]李世祥，丁偉，朱忠彬，等.煙葉基礎設施信息化管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].中國煙草科學，2013，34（2）：99-103.