與自動(dòng)移栽相關(guān)的不同蔬菜穴盤(pán)苗力學(xué)特性

胡 靜，韓綠化，溫貽芳，于 霜，儲(chǔ)建華，楊 揚(yáng)

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

與傳統(tǒng)直播方式相比，穴盤(pán)育苗移栽有以下優(yōu)點(diǎn)：①縮短蔬菜生長(zhǎng)周期，有利茬口安排，提高土地利用率，增加經(jīng)濟(jì)收入；②移栽后作物幼苗根系發(fā)達(dá)、成熟一致，可為后續(xù)管理、收獲等環(huán)節(jié)提供便利條件。但是，由于沒(méi)有合適的配套機(jī)械，長(zhǎng)期以來(lái)蔬菜幼苗移栽作業(yè)一直以人工為主，勞動(dòng)力成本占蔬菜生產(chǎn)成本的50%以上。雖然國(guó)內(nèi)已研發(fā)鉗夾式、鏈夾式、吊籃式、導(dǎo)苗管式、輸送帶式等移栽機(jī)[1]，但這些移栽機(jī)處于半自動(dòng)作業(yè)水平。工作時(shí)，由人工分苗后，將秧苗投入到栽植器進(jìn)行栽插入土，受人工操作影響，作業(yè)效率低，而且長(zhǎng)期工作，人力消耗大。

目前，主要研究熱點(diǎn)是穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)，集中在取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研發(fā)上[2-6]。通過(guò)機(jī)構(gòu)尺度綜合，配合虛擬仿真和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化出合理的取苗軌跡，得到最優(yōu)取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗要求，再配置到半自動(dòng)移栽機(jī)上，實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)研發(fā)。因此，所設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)僅僅滿(mǎn)足特定的試驗(yàn)情況，很難適用多種穴盤(pán)苗移栽要求。

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)物料的抗壓、拉伸、蠕變等力學(xué)特性研究一直備受關(guān)注，這些力學(xué)特性研究為設(shè)計(jì)制造有關(guān)的種植、收獲、加工和品質(zhì)檢測(cè)等農(nóng)業(yè)機(jī)械和系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)[7-10]。

不同穴盤(pán)苗的幼苗植株、根系有所區(qū)別，所生產(chǎn)的穴盤(pán)苗缽體質(zhì)量不同，自動(dòng)移栽時(shí)應(yīng)采取不同的夾取策略，以適應(yīng)自動(dòng)高效取苗要求。本文以黃瓜、辣椒、茄子3種主要的茄果類(lèi)蔬菜穴盤(pán)苗作為對(duì)象，測(cè)試分析穴盤(pán)苗的力學(xué)特性，探討其共性與個(gè)性特點(diǎn)，充分認(rèn)識(shí)茄果類(lèi)蔬菜穴盤(pán)苗，為自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)研發(fā)提供對(duì)象特性參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)于2016年9-10月在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。育苗對(duì)象為津優(yōu)1號(hào)黃瓜、永紅加州特大牛角王辣椒、魯壽超利茄子，育苗穴盤(pán)為常州君和YMAS128CE穴盤(pán)，128孔穴，上圍尺寸為540mm×280mm，高度為40mm，孔穴為正方形錐體，上、下口徑長(zhǎng)分別為27、15mm。在Venlo型玻璃溫室育苗，育苗基質(zhì)為鎮(zhèn)江培蕾基質(zhì)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的育苗有機(jī)土，固體物質(zhì)含量65%，有25%的通氣孔隙和50%的持水孔隙，大小孔隙比在1∶2～4之間。2016年9月3日育苗，基質(zhì)填充前潤(rùn)濕，用平板輻條輕刮多余的基質(zhì)，采用穴盤(pán)疊加壓實(shí)基質(zhì)，利用點(diǎn)穴器對(duì)穴壓窩，手工播種，表面覆蓋一層蛭石。種子播種后澆透水，放進(jìn)溫室催芽，環(huán)境溫度控制在25～30℃。當(dāng)種子開(kāi)始萌發(fā)出土?xí)r，白天溫度控制在(25±2)℃，晚上溫度控制在(16±2)℃。出芽后依據(jù)育苗基質(zhì)濕潤(rùn)程度澆水，第20天進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)灌溉，營(yíng)養(yǎng)液為磷酸二氫鉀1 500倍和硝酸鈣2 000倍的溶液，每盤(pán)用量0.15L。當(dāng)穴盤(pán)苗具有可拉性，即可以用手捏緊幼苗將穴盤(pán)苗從穴盤(pán)苗孔穴里拉拔出來(lái)，保持缽體完整性，從而完成穴盤(pán)育苗工作。黃瓜、辣椒、茄子穴盤(pán)苗苗齡分別為25、45、40天。試驗(yàn)前對(duì)穴盤(pán)苗澆水浸透，保證試驗(yàn)時(shí)含水率均勻一致。采用干濕重法測(cè)缽體的含水率，濕重范圍為12.51～14.62g，干重范圍為3.71～5.15g，含水率范圍為66.38%～72.14%。

試驗(yàn)儀器為WDW350005微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可根據(jù)GB、ASTM、JIS、DIN等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸、壓縮、剪切、撕裂等實(shí)驗(yàn)，能檢測(cè)出試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉(壓、彎)強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度及彈性模量等參數(shù)，儀器精度±0.5%，由微機(jī)控制，自動(dòng)完成加載與卸載，以及數(shù)據(jù)采集與分析。

1.2 試驗(yàn)方法

測(cè)試?yán)忬w與穴盤(pán)孔穴的黏附特性，將穴盤(pán)固定在測(cè)試臺(tái)上，采用附著橡膠皮墊的夾具柔性?shī)A住秧苗莖干拉拔穴盤(pán)苗，測(cè)試從穴盤(pán)中成功夾苗拉拔出缽體的力學(xué)特性。試驗(yàn)時(shí)，加載速度為1mm/s(準(zhǔn)靜態(tài)加載)，每一個(gè)試驗(yàn)對(duì)象測(cè)試20個(gè)試樣。

缽體抗壓試驗(yàn)采用平板壓縮方式，將缽體安放在試驗(yàn)臺(tái)架上，調(diào)整位置角度，使試驗(yàn)機(jī)平板垂直下降時(shí)對(duì)缽體均勻加載，測(cè)試12mm壓縮深度下的試驗(yàn)力與位移的關(guān)系，分析不同壓縮量下缽體的抗壓力學(xué)特性，加載速度為1mm/s。每一個(gè)試驗(yàn)對(duì)象測(cè)試20個(gè)試樣。

幼苗莖葉拉伸試驗(yàn)采用夾具夾緊拉斷，測(cè)試幼苗莖、葉的拉伸破壞力，測(cè)量拉斷處截面面積，加載速度為1mm/s。同缽體黏附試驗(yàn)一樣，夾具內(nèi)側(cè)固定橡膠皮墊柔性?shī)A緊試樣。每一個(gè)試驗(yàn)對(duì)象測(cè)試20個(gè)試樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 穴盤(pán)苗缽體拉拔力學(xué)試驗(yàn)

通過(guò)從穴盤(pán)中成功夾苗拉拔出缽體的力學(xué)測(cè)試，得到穴盤(pán)苗缽體與穴盤(pán)孔穴黏附特性，典型的試驗(yàn)力-位移曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 穴盤(pán)苗缽體黏附試驗(yàn)力-位移曲線(xiàn)Fig.1 Force-distance curve for adhesion tests of plug seedling bowls

由圖1可以看出，從穴盤(pán)中成功夾苗拉拔出缽體的力學(xué)測(cè)試分3個(gè)階段：①D1段為夾苗拉拔穴盤(pán)苗掙脫孔穴黏附的過(guò)程，從測(cè)試點(diǎn)開(kāi)始到最大試驗(yàn)力Fmax處，夾苗拉拔缽體的試驗(yàn)力與測(cè)試位移呈非線(xiàn)性變化規(guī)律。在此過(guò)程中，隨著夾苗拉拔試驗(yàn)的進(jìn)行，幼苗枝葉在拉伸作用下有所延展，通過(guò)力學(xué)傳遞，盤(pán)結(jié)在基質(zhì)土里的幼苗根系受牽拉作用松弛成形缽體。當(dāng)達(dá)到最大測(cè)試試驗(yàn)力Fmax時(shí)，穴盤(pán)苗缽體掙脫穴盤(pán)孔穴的黏附作用。若此時(shí)穴盤(pán)苗缽體保持整體性，則為成功取苗，定義最大試驗(yàn)力Fmax為穴盤(pán)苗缽體黏附試驗(yàn)拉拔力FL。②D2段為對(duì)穴盤(pán)苗拉拔實(shí)現(xiàn)完全脫離穴盤(pán)孔穴黏附的過(guò)程，在此過(guò)程中，穴盤(pán)苗缽體進(jìn)一步擺脫穴盤(pán)孔穴的黏附作用，同時(shí)秧苗枝葉也會(huì)相互糾纏，試驗(yàn)力將隨著從穴盤(pán)中夾苗拉拔缽體位移的增大逐漸減小，最終趨于平衡。③D3段為穴盤(pán)苗完全分離過(guò)程，在此過(guò)程中，穴盤(pán)苗缽體徹底脫離穴盤(pán)孔穴的黏附作用，測(cè)試試驗(yàn)力保持恒定數(shù)值FG，這個(gè)試驗(yàn)力為幼苗枝葉、根系和缽體重力的合力。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同茄果類(lèi)穴盤(pán)苗缽體黏附試驗(yàn)的拉拔力，如表1所示。

表1 穴盤(pán)苗缽體黏附試驗(yàn)

由表1可以看出：不同穴盤(pán)苗缽體黏附試驗(yàn)獲得的拉拔力不同，從平均拉拔力來(lái)看，拉拔力為辣椒>黃瓜>茄子，黃瓜和茄子穴盤(pán)苗的拉拔力相近，均小于辣椒穴盤(pán)苗的拉拔力，表明辣椒穴盤(pán)苗相對(duì)難以拉拔取苗。由于采用同樣的育苗工藝，育苗基質(zhì)相同，在同樣的環(huán)境下生產(chǎn)穴盤(pán)苗，測(cè)試前澆水一致，因此不同穴盤(pán)缽體的拉拔力差異只能來(lái)自幼苗根系的作用不同。黃瓜、辣椒、茄子3種穴盤(pán)苗幼苗根系干重平均值分別為0.026 6、0.041 8、0.039 5g，含根量大小依次為辣椒>茄子>黃瓜。雖然黃瓜含根量比茄子少，但黃瓜根毛密集，增大了吸附能力，所以黃瓜穴盤(pán)苗的拉拔力略大于茄子。

對(duì)穴盤(pán)苗缽體進(jìn)行靜力分析，兩側(cè)面受力如圖2所示。

圖2 穴盤(pán)苗缽體受力示意圖Fig.2 Force diagram of the plug seedling bowl

則

(1)

設(shè)定穴盤(pán)苗缽體的重力為G，在缽體外圍側(cè)面上對(duì)穴盤(pán)孔穴產(chǎn)生接觸彈力N(認(rèn)為缽體四側(cè)面受力均勻一致)，于是有摩擦力Ff，缽體下部受穴盤(pán)孔穴的支撐彈力N0作用。

在豎直方向上，∑F=0，即

4N1×sinθ+Ff總×cosθ+N0-G=0

(2)

4N1×(sinθ+μ×cosθ)+N0=G

(3)

通過(guò)電子天平測(cè)得不同茄果類(lèi)穴盤(pán)苗缽體平均質(zhì)量為14.7g，于是穴盤(pán)苗缽體的平均重力G為0.144N；通過(guò)查表得到根土與PVC塑料之間的常用靜摩擦因數(shù)μ為0.5，取其為成形缽體與塑料穴盤(pán)孔穴壁之間的摩擦因數(shù)；對(duì)所用穴盤(pán)測(cè)量，得到穴盤(pán)孔穴錐角θ為11°。由于穴盤(pán)孔穴下部有排水口，穴盤(pán)苗缽體與孔穴的接觸面積小，這里忽略不計(jì)支撐彈力N0作用。利用式(3)計(jì)算得，在缽體外圍側(cè)面上對(duì)穴盤(pán)孔穴產(chǎn)生接觸彈力N1=0.053N，總摩擦力Ff=0.106N。通過(guò)以上計(jì)算分析可得，采用穴盤(pán)育苗時(shí)，成形缽體與穴盤(pán)孔穴之間的接觸彈力和靜摩擦力很小，而通過(guò)從穴盤(pán)中夾苗拉拔出缽體的力學(xué)測(cè)試得得的拉拔力(見(jiàn)表1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穴盤(pán)苗缽體的重力和摩擦力等作用，可見(jiàn)從穴孔中拔取穴盤(pán)苗時(shí)還受其它力作用。

實(shí)際上，根據(jù)根土黏附性理論[15]，一定含水率的穴盤(pán)苗缽體對(duì)穴盤(pán)孔穴具有黏附作用，其成因主要是幼苗根系吸附、育苗基質(zhì)溶液粘滯及育苗基質(zhì)外層水膜作用等。因此，在機(jī)械夾取穴盤(pán)苗缽體的過(guò)程中，夾取針提供的夾取力主要用于克服黏附力作用，只有當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的垂直方向夾取力大于同方向的黏附力時(shí)才能將穴盤(pán)苗夾取出來(lái)。

2.2 穴盤(pán)苗缽體抗壓試驗(yàn)

圖3是3種典型的茄果類(lèi)穴盤(pán)苗缽體平板壓縮條件下試驗(yàn)力與變形曲線(xiàn)，是穴盤(pán)苗缽體在承受壓縮力作用下其自身表現(xiàn)的抗壓能力與變形之間關(guān)系，反映成形穴盤(pán)苗缽體的抗壓特性。

圖3 穴盤(pán)苗缽體的抗壓力-位移曲線(xiàn)Fig.3 Force-distance curve of compression experiment for plug seedlings

由圖3可以看出：穴盤(pán)苗缽體在平板壓縮時(shí)，其抗壓力與變形關(guān)系均呈非線(xiàn)性變化規(guī)律，在平板壓縮過(guò)程中看不出生物屈服點(diǎn)。不同壓縮量下穴盤(pán)苗缽體的抗壓力如圖4所示。

圖4 不同壓縮量下穴盤(pán)苗缽體的抗壓力Fig.4 Compressive force of differdnt compression degree for plug seedlings

由圖4可以看出：在同等壓縮量下，3種穴盤(pán)苗缽體的平板壓縮抗壓能力相近；隨著壓縮量的增大，3種穴盤(pán)苗缽體的抗壓能力均增大，表明育苗對(duì)象對(duì)缽體平板壓縮抗壓能力影響不顯著。

2.3 幼苗莖葉拉伸試驗(yàn)

穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽過(guò)程中，移栽頻率超過(guò)30株/min，取苗、投苗、植苗屬于快速作業(yè)，幼苗難免受到牽拉作用。對(duì)于穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽而言，夾取針緊緊抓住穴盤(pán)苗幼苗有利于取苗，但抓取力過(guò)大會(huì)傷苗，對(duì)穴盤(pán)苗后期生長(zhǎng)不利。因此，自動(dòng)取苗的傷苗率是一個(gè)重要的參數(shù)。物料的破壞強(qiáng)度值為

σ=F/A

(4)

式中F—物料的破壞力；

A—物料破壞處的橫截面面積。

2.3.1 莖稈拉伸破壞

3種穴盤(pán)苗莖稈拉伸破壞力如圖5所示。

圖5 穴盤(pán)苗莖稈拉伸破壞力Fig.5 Force of tensile damage behavior for plug seedling stems

由圖5可以看出：3種穴盤(pán)苗莖稈拉伸破壞力為辣椒>茄子>黃瓜；與辣椒、茄子穴盤(pán)苗相比，黃瓜穴盤(pán)苗莖稈更容易拉斷。因此，對(duì)于黃瓜穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽，不宜使夾取針抓住幼苗輔助取苗，否則容易拉斷幼苗。通過(guò)式(4)計(jì)算，得到黃瓜、辣椒、茄子3種穴盤(pán)苗莖干拉伸破壞強(qiáng)度平均值分別為0.79、2.61、2.11MPa。

2.3.2 葉子拉伸破壞

3種穴盤(pán)苗葉子拉伸破壞力如圖6所示。

圖6 穴盤(pán)苗葉子拉伸破壞力Fig.6 Force of tensile damage behavior for plug seedling leaves

由圖6可以看出：3種穴盤(pán)苗葉子拉伸破壞力為茄子>黃瓜>辣椒。通過(guò)式(4)計(jì)算，得到黃瓜、辣椒和茄子3種穴盤(pán)苗葉子拉伸破壞強(qiáng)度平均值分別為0.31、0.28、0.27MPa。與辣椒、茄子穴盤(pán)苗相比，黃瓜穴盤(pán)苗葉子比較硬，不易被拉斷破壞。對(duì)于新老葉子，其拉斷破壞強(qiáng)度不同，新葉子很脆弱，容易被破壞，且新葉子在幼苗頂部，一旦芽頂破壞直接影響植株生長(zhǎng)，所以在設(shè)計(jì)夾持器夾持和推苗裝置時(shí)，應(yīng)留足幼苗植株空間，讓出幼苗。

3 結(jié)論與討論

1)通過(guò)缽體黏附試驗(yàn)及對(duì)缽體進(jìn)行受力分析，得知在機(jī)械夾取穴盤(pán)苗缽體的過(guò)程中，夾取針提供的夾取力主要用于克服穴盤(pán)苗缽體與穴盤(pán)孔穴的黏附力作用，只有當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的垂直方向夾取力大于同方向的黏附力時(shí)才能將穴盤(pán)苗夾取出來(lái)。在同等的育苗條件下，黃瓜、茄子、辣椒穴盤(pán)苗的夾取力大小依次為辣椒>黃瓜>茄子。

2)對(duì)于黃瓜、辣椒和茄子3種穴盤(pán)苗，在所測(cè)試的含水率和壓實(shí)度下，其抗壓能力相近。但不同蔬菜穴盤(pán)苗缽體與穴盤(pán)孔穴的黏附力作用大小不一，在同等的取苗條件下，應(yīng)改善育苗農(nóng)藝，保證缽體抗壓能力的同時(shí)，對(duì)于大黏附力的穴盤(pán)苗采取相應(yīng)措施減弱穴盤(pán)孔穴對(duì)穴盤(pán)苗缽體的黏附作用，也可以適當(dāng)增加夾取針的夾緊力度。只有這樣，才能克服黏附力作用成功夾取穴盤(pán)苗，提高自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性。

3)穴盤(pán)苗拉伸試驗(yàn)表明：黃瓜穴盤(pán)苗更容易拉斷，新葉和幼苗頂部容易破壞。在設(shè)計(jì)取苗機(jī)構(gòu)、夾持器和推苗裝置時(shí)應(yīng)考慮必要的避苗措施，以提供足夠大的空間讓出幼苗植株。對(duì)于辣椒、茄子等莖干比較堅(jiān)硬的穴盤(pán)苗，可以設(shè)計(jì)夾取針抓住幼苗莖干，提供輔助力來(lái)取苗，減輕缽體夾取傷害度，一定程度上提高取苗成功率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張麗華，邱立春，田素博.穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2009，10(5):28-31.

[2] 張麗華，邱麗春，田素博，等.指針夾緊式穴盤(pán)苗移栽爪設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41(2)：235-237.

[3] 孫國(guó)祥，汪小旵，何國(guó)敏，等.穴盤(pán)苗移栽機(jī)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(10):47-53.

[4] 俞高紅，劉炳華，趙勻，等.橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(12):7-12.

[6] Mao Hanping, Ding Wenqin, Liu Fa, Hu Jianping. Structure Design and Simulation Analysis on the PlugSeedlings Auto-Transplanter [C]//IFIP Advances in Information and Communication Technology,Computer and Computing Technologies in Agriculture IV,2011：456～463.

[7] 王顯仁，師清翔，倪長(zhǎng)安，等.農(nóng)業(yè)物料靜載力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(3):243-245.

[8] 吳亞麗，郭玉明.果蔬生物力學(xué)性質(zhì)的研究進(jìn)展及應(yīng)用 [J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2009(3)：34-49.

[9] Zhu H X, Melrose J R.A mechanics model for the compression of plant and vegetative tissues [J].J Theor Biol, 2003, 21(1):89-101.

[10] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂(lè)，等.農(nóng)作物莖稈的力學(xué)特性研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(7):172-176.

[11] 宋建農(nóng)，王蘋(píng)，魏文軍，等.水稻幼苗抗拉力學(xué)特性及穴盤(pán)拔秧性能的力學(xué)試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(6):10-13.

[12] 馬瑞峻，區(qū)穎剛，趙祚喜，等.穴盤(pán)水稻幼苗拔斷力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，35(1):56-59.

[13] Yang Y, Ting, K C, Giacomelli G A.Factors affecting performance of sliding-needles gripper during robotic transplanting of seedlings [J].Transactions of the ASAE，1991，7(4): 493-498.

[15] Ren L Q, To ng J, Li J Q, et al. Soil adhesion and biomimetics of soil-engaging components: a review [J]. J. Agric. Engng . Res., 2001,79(3):239-263.