番茄苗缽頂取式機(jī)械力學(xué)特性試驗(yàn)

劉衛(wèi)想，姬江濤，金　鑫，王世光，呂黃珍

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽　471003；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083)

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番茄苗缽頂取式機(jī)械力學(xué)特性試驗(yàn)

劉衛(wèi)想1，姬江濤1，金鑫1，王世光2，呂黃珍2

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽471003；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083)

摘要：取苗成功率和取苗質(zhì)量除了與取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，苗缽的力學(xué)特性也是重要的因素。為此，對(duì)番茄苗缽進(jìn)行了頂出力和抗壓性能試驗(yàn)，分析了不同基質(zhì)含水率、頂桿直徑和頂苗速度對(duì)頂出率的影響，并通過試驗(yàn)建立了基質(zhì)苗在不同含水率下的抗壓力與壓縮量的變化曲線。結(jié)果表明：頂苗速度、頂桿直徑和基質(zhì)含水率對(duì)頂出率的顯著性影響程度由大到小依次為B、C、A；隨著基質(zhì)含水率的上升、頂桿直徑的減小，頂出率會(huì)逐漸下降；在含水率為35.09%、頂桿直徑為8mm時(shí)，頂出率達(dá)到100%；在含水率為57.23%、頂桿直徑為5mm時(shí)，頂出率最低，僅為81.25%；基質(zhì)塊抗壓力隨壓縮量的增加呈加速上升趨勢(shì)，在壓縮量到達(dá)12mm時(shí)，3種含水率下的抗壓力分別為48.89、43.87、35.85N。此研究結(jié)果為取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：取苗機(jī)構(gòu)；力學(xué)特性；番茄苗缽；頂出力；抗壓力

0引言

隨著國(guó)外取苗機(jī)構(gòu)[1-3]的發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些高校及科研院所也開展了對(duì)取苗技術(shù)的研究。例如，吉林工業(yè)大學(xué)范云翔等設(shè)計(jì)了一種溫室移栽機(jī)[4]；浙江理工大學(xué)趙勻等通過建立移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)輔助分析，開發(fā)了橢圓-不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)[5]；中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制了一種配合吊杯式移栽機(jī)的齒輪—五桿機(jī)械式取苗投苗機(jī)構(gòu)[6]；江蘇大學(xué)從穴盤苗的力學(xué)特性入手，通過試驗(yàn)對(duì)穴盤苗的抗壓特性和蠕變特性進(jìn)行了分析[7]，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器的相關(guān)研究[8]；嚴(yán)宵月等研發(fā)了整排取苗間隔放苗移栽機(jī)[9]；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)的研究[10]；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的胡敏娟研制了取苗器的試驗(yàn)系統(tǒng)[11]；中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院楊傳華開展了基于PLC自動(dòng)控制技術(shù)的缽苗蔬菜移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置[12]及蔬菜穴盤苗自動(dòng)輸送技術(shù)與機(jī)構(gòu)的研究[13]；石河子大學(xué)王僑設(shè)計(jì)了自適應(yīng)Fuzzy-PID控制器[14]。穴盤苗的自動(dòng)取苗過程是一個(gè)系統(tǒng)工程，無論是秧苗的物理特性，還是基質(zhì)塊的力學(xué)特性都會(huì)影響到取苗質(zhì)量，這是設(shè)計(jì)取苗機(jī)構(gòu)的重要依據(jù)。然而，這些研究主要集中在對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的研究上，對(duì)取苗缽體的力學(xué)特性、不同取苗方式對(duì)缽體破損率的相關(guān)研究還相對(duì)較少。

為此，本文選目前應(yīng)用廣泛的128穴的塑料穴盤為試驗(yàn)穴盤，以不同基質(zhì)成分、含水率、填充量、頂桿直徑、頂苗速度及夾持力等為因素，進(jìn)行頂出和夾持的變形及損失率試驗(yàn)，來研究穴盤苗的力學(xué)特性，為取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

番茄穴盤苗，品種為以色列1918。考慮到取苗效率與取苗機(jī)構(gòu)的空間布置，選用規(guī)格為16×8無棱邊128穴可彎卷的聚乙烯塑料穴盤,苗齡分別為50天和52天?；|(zhì)主要成分及比例為：泥炭70%、珍珠巖15%、蛭石15%。在北京魏善莊蔬菜育苗基地完成育苗，出苗率98%以上，盤根情況良好。隨機(jī)取30株進(jìn)行測(cè)量，苗高為12.1～15.8cm，苗徑為2.86～2.32mm，苗高平均值為13.21cm，苗徑平均值為3.08mm。試驗(yàn)所用基質(zhì)苗情況如圖1所示。

1.2儀器設(shè)備

基于PLC控制的蔬菜穴盤苗自動(dòng)輸送試驗(yàn)臺(tái)，i2000型電子天平，DZG-6020型真空烘箱，游標(biāo)卡尺(量程200mm，精度0.02mm)。

美國(guó)英特朗公司生產(chǎn)的Instron3367型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，用于測(cè)量樣品受力時(shí)，載荷與位移或時(shí)間的變化；載苗臺(tái)傾斜角為13°，可使基質(zhì)苗側(cè)面平行于試驗(yàn)機(jī)探頭。

圖1　試驗(yàn)所用基質(zhì)苗及其主要形態(tài)參數(shù)

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1頂出力試驗(yàn)

選取基質(zhì)含水率、頂苗桿直徑和頂苗速度3個(gè)試驗(yàn)因素，各試驗(yàn)因素分別取3個(gè)水平。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1　頂出率試驗(yàn)因素水平表

試驗(yàn)裝置如圖2所示。頂苗桿的材料為冷拔圓鋼，直徑分別為5、6、8mm并排安裝在試驗(yàn)臺(tái)的頂苗位置上，從左到右依次為4個(gè)直徑8mm頂桿、4個(gè)直徑6mm頂桿、4個(gè)直徑5mm頂桿。

(a)

(b)

(c)

試驗(yàn)前將所有基質(zhì)苗澆水至飽和，2h后進(jìn)行第1次試驗(yàn)，之后間隔4h做一組試驗(yàn)，以區(qū)分低、中、高3種基質(zhì)含水率；然后，用干濕質(zhì)量法測(cè)試含水率。試驗(yàn)后測(cè)得每個(gè)等級(jí)的含水率平均值分別為35.09%、46.17%、57.23%。在每組試驗(yàn)前，將頂苗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速分別調(diào)整至40、80、120r/min，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)取苗速度分別為0.41、0.82、1.23m/s。

采用正交試驗(yàn)法，選取正交表L9(34)安排試驗(yàn)方案,對(duì)每組進(jìn)行48次試驗(yàn)，以頂出成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，即是否能將苗完全頂出苗穴。

1.3.2基質(zhì)苗抗壓性能試驗(yàn)

將基質(zhì)苗放置于載苗臺(tái)上，使基質(zhì)苗的側(cè)面盡量平行于試驗(yàn)臺(tái)的平板探頭，分別進(jìn)行低、中、高3種含水率的測(cè)試，含水率的控制方法與上節(jié)相同，其試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　基質(zhì)苗抗壓力試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，首先將試驗(yàn)臺(tái)的上平板探頭下降到與基質(zhì)苗剛剛接觸處，將下降位移(即基質(zhì)塊的壓縮量)設(shè)定為12mm，速度調(diào)節(jié)至50mm/min，每0.1s采集一次位移和載荷，生成數(shù)據(jù)點(diǎn)和變化曲線，如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集結(jié)果

2結(jié)果與分析

2.1頂出力試驗(yàn)

試驗(yàn)安排與結(jié)果如表2和表3所示。

由表3可知：頂桿直徑、基質(zhì)含水率對(duì)頂出率的影響為高度顯著，而頂苗速度對(duì)頂出率沒有顯著影響；各因素對(duì)頂出率的敏感性由大到小依次為B、C、A。對(duì)于頂出率的控制，頂桿直徑和基質(zhì)含水率起到主要作用。

表2　頂出率正交試驗(yàn)安排與結(jié)果

表3　頂出率方差分析

隨著頂桿直徑的減小，頂桿頂端與基質(zhì)底面的接觸面積減小，頂桿對(duì)基質(zhì)的局部壓強(qiáng)增大，使基質(zhì)底部產(chǎn)生變形，受力處凹陷，頂桿插入到基質(zhì)苗當(dāng)中，無法克服基質(zhì)塊與孔壁的附著力將基質(zhì)苗頂出。在含水率較低時(shí)，頂桿直徑對(duì)頂出率的影響差異不大，均能有較高的頂出成功率(≥93.75)。但是，在含水率較高時(shí)，這種差異變得非常明顯，直徑5mm頂桿和6mm頂桿的頂出成功率分別為81.25%和83.33%。分析其原因：隨著基質(zhì)含水率的上升，缽體的剛性降低，頂桿更容易插入到基質(zhì)中，甚至沒有生長(zhǎng)在缽體中心的基質(zhì)苗會(huì)被穿透，如圖5所示。所以在移栽機(jī)頂苗部件的設(shè)計(jì)中，在保證苗盤輸送及頂苗位置精度的前提下，應(yīng)盡量將頂桿直徑設(shè)計(jì)大些。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　(b)

2.2基質(zhì)苗抗壓性能試驗(yàn)

試驗(yàn)后每種含水率取10個(gè)樣品進(jìn)行含水率測(cè)定，分別測(cè)得3種基質(zhì)含水率的平均數(shù)為27.09%、43.1%、56.61%。根據(jù)位移載荷試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果，導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同含水率下基質(zhì)塊抗壓力與壓縮量的關(guān)系曲線，如圖6所示；關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。表4中關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)為每個(gè)含水率隨機(jī)取10株基質(zhì)苗在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均數(shù)，總數(shù)據(jù)點(diǎn)共有145個(gè)。

對(duì)3種基質(zhì)含水率下，基質(zhì)塊的載荷與壓縮量的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，得到載荷與壓縮量之間的關(guān)系式：

1)低含水率(27.07%)為

F=0.0423x3-0.4974x2+3.9445x-2.065

R2=0.9297

2)中含水率(43.1%)為

F=0.0217x3-0.1311x2+1.9269x-1.0778

R2=0.9324

3)高含水率(56.61%)為

F=0.0236x3-0.1519x2+1.4807x-2.7278

R2=0.9049

3種含水率下的決定系數(shù)R2分別為0.929 7、0.932 4、0.904 9，相關(guān)性系數(shù)遠(yuǎn)大于其臨界值[rmin]=0.159。根據(jù)測(cè)定的結(jié)果和擬合的曲線得出3種含水率的載荷-壓縮量曲線的趨勢(shì)較為接近，都是隨著壓縮量的逐漸增大，基質(zhì)塊的抗壓力隨之增大。在壓縮量小于4mm時(shí)，曲線上升較為平緩，說明基質(zhì)塊在不斷被壓實(shí)；當(dāng)壓縮量為4mm時(shí)，3種含水率下基質(zhì)的抗壓力分別為8.57、5.75、4.21N，差別相對(duì)較??；在此之后，抗壓力隨著壓縮量的增大而顯著增大，符合生物質(zhì)的壓實(shí)硬化特性；在壓縮量到達(dá)12mm時(shí)，3種含水率下的抗壓力分別為48.89、43.87、35.85N，差別逐漸增大。

(a)　低含水率(27.07%)

(b)　中含水率(43.1%)

(c)　高含水率(56.61%)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：含水率較低的基質(zhì)塊在受壓之后缽體容易發(fā)生破裂、坍塌，而含水率較高的基質(zhì)塊取保持了較好的完整性，如圖7所示。這主要是由于含水率較低時(shí)，基質(zhì)塊邊緣受擠壓后，顆粒之間的粘結(jié)狀態(tài)發(fā)生斷裂，沒有水分的存在，基質(zhì)顆粒難以聚合在一起，所以在較低含水率時(shí)，基質(zhì)塊邊緣容易發(fā)生脫落、坍塌，但是中部由于盤根作用，依然能有較高的抗壓力。

表4　抗壓力-壓縮量試驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)果

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

3結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明：頂苗速度、頂桿直徑和基質(zhì)含水率對(duì)頂出率的顯著性影響程度由大到小依次為B、C、A；隨著基質(zhì)含水率的上升、頂桿直徑的減小，頂出率會(huì)逐漸下降。在含水率為35.09%、頂桿直徑為8mm時(shí)、頂出率達(dá)到100%；在含水率為57.23%、頂桿直徑為5mm時(shí)，頂出率為81.25%。

2)含水率分別為35.09%、46.17%、57.23%下的基質(zhì)抗壓力隨壓縮量的增加呈加速上升趨勢(shì)。在壓縮量到達(dá)12mm時(shí)，3種含水率下的抗壓力分別為48.89、43.87、35.85N。并且較低的含水率具有較好的抗壓特性，但較低含水率的基質(zhì)塊在受壓后在沒有根系纏繞包裹基質(zhì)邊緣的部位容易出現(xiàn)坍塌、斷裂等現(xiàn)象，較高含水率的基質(zhì)在受壓后雖然受壓變成扁狀，但卻能依然保持較好的完整性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉大慶.頂出-夾取組合式蔬菜缽苗移栽機(jī)構(gòu)的研究[D]. 杭州：浙江理工大學(xué),2015.

[2]劉安.蔬菜缽苗移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析與試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué),2013.

[3]Yang Y, Ting K C, Giacomelli G A. Factors Affecting Performance of Sliding-needles Gripper during Robotic Transplanting of Seedlings[J].ASAE, 1991, 7(4): 493-498.

[4]范云翔,楊子萬,K A Adekola，等.溫室全自動(dòng)移栽機(jī)的研究開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1996(2):115-119.

[5]俞高紅,陳志威,趙勻，等.橢圓—不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(13):32-39.

[6]崔巍,方憲法,趙亮，等.齒輪-五桿取苗裝置機(jī)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(8):74-77.

[7]韓綠化,毛罕平,胡建平，等.穴盤苗自動(dòng)移栽缽體力學(xué)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013(2):24-29.

[8]韓綠化,毛罕平,繆小花，等.基于穴盤苗力學(xué)特性的自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(11):260-265.

[9]嚴(yán)宵月,胡建平,吳福華，等.整排取苗間隔放苗移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(z1):7-13.

[10]韓長(zhǎng)杰,楊宛章,張學(xué)軍，等.穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013(8):51-61.

[11]胡敏娟.穴盤苗自動(dòng)移栽關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[12]楊傳華,方憲法,楊學(xué)軍，等.基于PLC的蔬菜缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(z1):19-23,18.

[13]楊傳華.蔬菜穴盤苗自動(dòng)輸送技術(shù)與機(jī)構(gòu)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2014.

[14]王僑,曹衛(wèi)彬,張振國(guó)，等.穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)模糊PID定位控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013(12):32-39.

Mechanical Properties Test of Tomato Seeding in Process of Push-out and Clamping

Liu Weixiang1， Ji Jiangtao1， Jin Xin1， Wang Shiguang2，Lv Huangzhen2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;2 Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：Besides the structure factor of pick-up seedling mechanism, the mechanical properties of seeding was also important factor. Push-out force and compressive properties test of tomato seedling was made in order to analyze the influence rule of the factors of water content, diameter of mandril,and push-out speed on push-out rate. And got the changing curve between compressive resistance and compression of seedling pot in the different water content.The results showed the moisture content and mandril diameter had significant effect on the push-out rate, but the push-out speed had no significant effect on it. The push-out rate decreased with the incerease of moisture content and the decrease of mandril diameter.The push-out rate achieve 100% was substrate at 35.09% moisture content, meanwhile the mandril diameter was 8mm. The push-out rate was only 81.25% when substrate at 35.09% moisture content, meanwhile the mandril diameter was 5mm. Compressive resistance of the capacity was accelerated increasing with the increase of compression, and the pressure force was 48.89N, 43.87N, 35.85N when the compression reach 12mm at the three moisture content. The study results provided the theoretical basis for the the pick-up seedling mechanism.

Key words：pick-up seedling mechanism; mechanical properties; tomato seedling; push-out force; compressive resistance

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0202-05

中圖分類號(hào)：S223.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉衛(wèi)想(1990-)，女，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)lwx326@163.com。通訊作者：金鑫(1986-)，男，河南新縣人，講師，博士研究生，(E-mail)jx771@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505130)；河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(13A460234)；河南科技大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2015QN004)

收稿日期：2015-09-19