穴盤苗自動(dòng)取苗裝置的物料特性分析

張振國　張學(xué)軍　曹衛(wèi)彬等

摘要：為了設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)合理的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置，以新疆地區(qū)大面積種植的石番36番茄穴盤苗為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)穴盤苗的苗高、株高、葉面展幅、莖粗等形態(tài)參數(shù)和穴盤苗的基質(zhì)含水率、不同含水率的翻轉(zhuǎn)比、摩擦角以及穴盤苗的基質(zhì)頂出力和抗壓力等物理特性進(jìn)行了測定。研究結(jié)果，穴盤苗壯苗的平均株高為181.2 mm，葉面展幅 99.4 mm，莖粗3.3 mm，真葉片數(shù)3～5張；經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，得出基質(zhì)含水率的適宜范圍為25%～35%，基質(zhì)頂出力的范圍為1.2～3.0 N，基質(zhì)抗壓力的范圍為1.5～6.0 N，摩擦角的范圍為30°～40°，含水率為30%時(shí)穴盤苗的翻轉(zhuǎn)比范圍為9.6～15.0。

關(guān)鍵詞：穴盤苗；自動(dòng)取苗；物料特性

中圖分類號(hào)： S223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0348-04

新疆是我國重要的番茄生產(chǎn)基地，目前的番茄種植主要以人工取苗移栽為主，人工取苗具有效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高等缺點(diǎn)，自動(dòng)取苗移栽是提高番茄種植效率、擴(kuò)大番茄種植面積的方法之一。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步，穴盤育苗移栽已成為新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)種植的重要部分。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力緊缺，人工移栽成本隨著勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移越來越高。新疆地處我國西北地區(qū)，冬季寒冷干燥、無霜期短，農(nóng)作物不宜早播。新疆是世界第二大番茄醬產(chǎn)區(qū)，新疆地區(qū)大部分番茄醬廠規(guī)模較小，吞吐量有限。收獲期大量番茄積壓，造成番茄腐爛，給農(nóng)民造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，番茄移栽可使番茄成熟期錯(cuò)開，以便番茄醬廠更好解決處理番茄能力有限的問題[1-5]。

為了減小取苗過程中對(duì)穴盤苗的損失，必須對(duì)穴盤苗的物料特性進(jìn)行研究。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)取苗末端執(zhí)行器的研究主要集中在取苗裝置的研發(fā)上[6-10]，僅僅實(shí)現(xiàn)了取苗的基本要求，無法將取苗裝置與穴盤苗本身的物料特性有效結(jié)合起來進(jìn)行分析設(shè)計(jì)?？娦』ǖ纫渣S瓜穴盤苗為對(duì)象，測試?yán)瘟?，運(yùn)用正交試驗(yàn)分析填充量、基質(zhì)成分體積比、含水率對(duì)拉拔力及缽體抗壓性能的影響，進(jìn)行取苗末端執(zhí)行器夾取的設(shè)計(jì)[11]。韓綠化等通過對(duì)穴盤苗進(jìn)行夾苗拉拔試驗(yàn)、缽體摩擦試驗(yàn)、缽體平板壓縮抗壓試驗(yàn)，研究分析了與自動(dòng)移栽相關(guān)的穴盤苗力學(xué)特性，為自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[12-13]。宋建農(nóng)等通過對(duì)水稻穴盤秧苗的抗拉力學(xué)特性和穴盤拔秧性能的試驗(yàn)研究，為水稻穴盤秧苗拔秧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[14]。張麗華等通過對(duì)移栽對(duì)象特性的分析，對(duì)指針夾緊式穴盤苗移栽爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)[15]。上述研究的物料都不是新疆地區(qū)大面積移栽種植的番茄、棉花和線辣椒等作物。

本研究重點(diǎn)對(duì)新疆本地種植的番茄穴盤苗的物料特性進(jìn)行研究，以期為適合新疆地區(qū)穴盤苗自動(dòng)取苗裝置自動(dòng)取喂苗提供理論參考。

1 取苗裝置的基本組成及工作原理

1.1 取苗裝置的基本組成

石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院研制的穴盤苗自動(dòng)取苗裝置見圖1[16]。自動(dòng)取苗裝置是利用機(jī)械代替人工取苗完成自動(dòng)取苗的一種機(jī)構(gòu)[17]，是由機(jī)架、輸送帶支架調(diào)節(jié)架、帶支架、輸送帶、投苗板、頂苗裝置、頂桿導(dǎo)軌、頂桿連接梁、頂桿電機(jī)等組成。

1.2 取苗裝置的工作原理

穴盤苗自動(dòng)取苗裝置的取苗過程由頂苗過程和落苗過程組成。

1.2.1 穴盤苗的頂出過程 頂出過程是頂桿與穴盤苗后部基質(zhì)的作用過程。此過程需要先將穴盤固定到傾斜的輸送帶上，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)輸送帶間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，每間隔相同的時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)1次。頂桿在頂桿電機(jī)帶動(dòng)下自動(dòng)伸出，把同一排16株番茄穴盤苗同時(shí)頂出。此時(shí)頂桿電機(jī)退回，頂桿在復(fù)位彈簧的作用下自動(dòng)彈回，等待下一個(gè)頂出過程。

1.2.2 穴盤苗的落苗過程 被頂出的穴盤苗在投苗板的作用下，由自重的作用繞著穴盤苗的重心產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。在投苗板的落苗口的限制下穴盤苗基質(zhì)垂直向下落下，到達(dá)下面的穴盤苗輸送帶。

依次重復(fù)上述過程，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻的投送苗的過程。頂桿在頂出最后一排穴盤苗后，穴盤沿滑軌落入接苗盤的機(jī)構(gòu)后，進(jìn)入下一個(gè)苗盤的取苗過程[16]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)于新疆石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。根據(jù)新疆農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況，選用新疆農(nóng)民普遍使用的穴苗孔上端的長、寬均為30 mm、下端長寬均為14 mm、穴苗孔深度 46 mm、底部圓孔直徑為7 mm、容積為16 mL、厚度為1 mm的倒金字塔形的128穴穴盤。在石河子大學(xué)農(nóng)試場的溫室培育的穴盤苗，育苗基質(zhì)為新疆農(nóng)八師附近沙灣縣配制的有機(jī)基質(zhì)育苗，其中總養(yǎng)分≥2%，有機(jī)質(zhì)含量≥28%。穴盤苗于2012年7月15日播種，7月18日出苗，22日出苗率已經(jīng)達(dá)到80%以上，8月20日番茄苗基本達(dá)到根系發(fā)達(dá)、高度適中、無病蟲害等要求，番茄品種為石番36，番茄穴盤苗以約35 d苗齡為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)用苗如圖2-a所示。

2.2 分析測定

對(duì)穴盤苗株高、葉面展幅、莖粗等用精度為0.1 mm的游標(biāo)卡尺測量，測量方式見圖2-b；用精度為0.1 g的JJ3000電子天平測得穴盤苗的質(zhì)量；用精度值為0.001 g的MA45C-000230V1水分測試儀進(jìn)行番茄穴盤苗含水率的測定；用試驗(yàn)力測量范圍為0.04～2.00 kN、有效拉伸空間為 800 mm 的CMT4203微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測量穴盤苗的頂出力、抗壓力。

3 結(jié)果與分析

3.1 穴盤苗的形態(tài)特性

穴盤苗的株高、葉面展幅、莖粗等因素是評(píng)價(jià)壯苗標(biāo)準(zhǔn)的重要形態(tài)參數(shù)（表1），直接影響取苗裝置的實(shí)際作業(yè)效果。因此，測量自然環(huán)境下番茄穴盤苗自身形態(tài)特性，是設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的取苗裝置的關(guān)鍵。根據(jù)測量所得的番茄穴盤苗的形態(tài)參數(shù)，培育的番茄穴盤與新疆地區(qū)移栽的穴盤苗生長情況一致，能滿足新疆地區(qū)穴盤苗的移栽標(biāo)準(zhǔn)。endprint

3.2 番茄穴盤苗的物理特性

針對(duì)新疆地區(qū)農(nóng)作物的種植特點(diǎn)和實(shí)際的農(nóng)藝要求，為設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)合理的取苗裝置，對(duì)穴盤苗的物理特性進(jìn)行研究。番茄穴盤苗的物理特性研究包括穴盤苗基質(zhì)含水率、穴盤苗不同含水率的翻轉(zhuǎn)比、摩擦角以及穴盤苗的基質(zhì)頂出力和抗壓力的測定。

3.2.1 穴盤苗基質(zhì)含水率

當(dāng)含水率低于25%時(shí)，由于基質(zhì)過于干燥、易碎，很難被頂桿頂出；當(dāng)基質(zhì)含水率高于35%時(shí)，基質(zhì)濕度太大，基質(zhì)強(qiáng)度比較低，也很難被頂桿頂出。原因是含水率太低或者太高時(shí)基質(zhì)與苗盤間的黏滯性降低，不利于移栽的作業(yè)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，得出適宜取苗的基質(zhì)含水率的范圍為25%～35%。

3.2.2 基質(zhì)的強(qiáng)度 基質(zhì)強(qiáng)度是土壤力學(xué)中最基本的部分。基質(zhì)的抗壓強(qiáng)度既受基質(zhì)本身配比的影響，又受生長環(huán)境的影響。在穴盤苗基質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的研究中，對(duì)不同組成的育苗基質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，將含沙的基質(zhì)與草炭以2 ∶3比例混合，再以5～7 kg/cm2的壓力進(jìn)行壓實(shí)的基質(zhì)塊為硬土，以1～2 kg/cm2 的壓力進(jìn)行壓實(shí)的基質(zhì)塊為軟土[18]?；|(zhì)的強(qiáng)度測定是對(duì)穴盤苗基質(zhì)的頂出力與抗壓力的測量，作為最終取苗成功率的試驗(yàn)研究理論依據(jù)。

3.2.2.1 基質(zhì)頂出力 基質(zhì)頂出力是指頂桿將基質(zhì)從穴盤中頂出來需要的力，主要包括穴盤苗自身的重力、穴盤苗基質(zhì)與穴盤的黏滯力以及穴盤苗與周圍穴盤苗相互之間的干涉力等組成。對(duì)穴盤苗基質(zhì)頂出力的測定結(jié)果：基質(zhì)含水率為25%時(shí)，基質(zhì)頂出力約為1.2 N；基質(zhì)含水率為30%時(shí)，基質(zhì)頂出力約為2.5 N；基質(zhì)含水率為35%時(shí)，基質(zhì)頂出力約為30 N（圖3）。由此可以看出，基質(zhì)的頂出力隨著含水率的增大而增大，且受穴盤苗自身質(zhì)量的影響較大。

3.2.2.2 基質(zhì)抗壓力 基質(zhì)抗壓力是指一定含水率的基質(zhì)塊可以承受頂桿的最大壓力[19]。對(duì)穴盤苗進(jìn)行基質(zhì)抗壓力的測定結(jié)果：基質(zhì)含水率為25%時(shí)，基質(zhì)抗壓力約為1.5 N；基質(zhì)含水率為30%時(shí)，基質(zhì)抗壓力約為6.0 N；基質(zhì)含水率為35%時(shí)，基質(zhì)抗壓力約為3.1 N（圖4）。由此可以看出，基質(zhì)抗壓力隨著含水率的增大先提高后降低，且受穴盤苗自身質(zhì)量的影響較大。在穴盤苗完整的情況下，含水率在20%～35%之間，在軟土強(qiáng)度試驗(yàn)中澆水量對(duì)基質(zhì)強(qiáng)度并無明顯影響，但在有根系的硬土塊試驗(yàn)中，基質(zhì)含水率對(duì)基質(zhì)抗壓力影響比較大。原因在于含水率太低或者太高時(shí)，基質(zhì)與苗盤間的黏滯性降低，不利于移栽作業(yè)。

3.2.3 穴盤苗的摩擦角 穴盤苗的摩擦角是制約頂出成功率的關(guān)鍵因素之一。摩擦角測量是通過隨機(jī)選擇32株穴盤苗，要求表面濕度近似于移栽含水率，置于和穴盤材料相同的聚苯乙烯塑料板上，將塑料板一端升高，逐漸增大傾斜角直至穴盤基質(zhì)開始下滑，記錄下此時(shí)塑料板與水平面之間的夾角（用角度測量儀），測量穴盤基質(zhì)的摩擦角，求其平均值作為試驗(yàn)的參數(shù)。穴盤苗的摩擦角測定結(jié)果：基質(zhì)含水率為25%時(shí)，穴盤苗的摩擦角約為30°；基質(zhì)含水率為30%時(shí)，穴盤苗的摩擦角約為35°；基質(zhì)含水率為35%時(shí)，穴盤苗的摩擦角約為40°（圖5）。由此可以看出，穴盤苗的摩擦角隨著含水率的增大而增大，并受穴盤苗自身質(zhì)量的影響較大。

3.2.4 穴盤苗翻轉(zhuǎn)比

4 結(jié)論

為使設(shè)計(jì)的取苗裝置更適合加工番茄穴盤苗移栽的實(shí)際要求，對(duì)穴盤苗的特性進(jìn)行了分析研究。隨著苗齡的增長，穴盤苗表現(xiàn)出的自身特性是根系發(fā)達(dá)，可以完全包裹基質(zhì)的完整穴盤苗，平均株高181.2 mm、葉面展幅79.4 mm、莖粗 3.3 mm、真葉片數(shù)3～5張，能滿足新疆地區(qū)穴盤苗的移栽標(biāo)準(zhǔn)，可作為后續(xù)取苗裝置試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)對(duì)象。

為保證取苗成功率，對(duì)穴盤苗的物理特性進(jìn)行了有針對(duì)性的研究。穴盤苗物理特性主要包括穴盤苗的含水率、翻轉(zhuǎn)比、摩擦角以及基質(zhì)頂出力和抗壓力。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，得出基質(zhì)含水率的適宜取值范圍為25%～35%。當(dāng)穴盤苗的含水率為25%～35%時(shí)，基質(zhì)頂出力的范圍為1.2～3.0 N，基質(zhì)抗壓力的范圍為1.5～6.0 N，摩擦角的范圍為30～40°。在穴盤苗的含水率為30%時(shí)，穴盤苗的翻轉(zhuǎn)比的范圍為9.6～15.0。

本試驗(yàn)僅對(duì)石番36番茄穴盤苗進(jìn)行了試驗(yàn)測定，但對(duì)不同移栽品種或同品種不同種植狀態(tài)下的穴盤苗均可采用相似的方法測定。本研究關(guān)于物料特性的分析為設(shè)計(jì)自動(dòng)取苗裝置的有關(guān)參數(shù)提供了計(jì)算依據(jù)。

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