蔬菜穴盤苗缽體壓縮-力松弛特性

韓綠化， 趙崢嶸， 馬國鑫， 葉夢蝶， 毛罕平， 胡建平

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室/江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

近年來，我國穴盤苗自動移栽技術(shù)研究倍受關(guān)注[1]，新型取苗機構(gòu)及末端執(zhí)行器不斷出現(xiàn)[2-6]，但移栽作業(yè)仍然停留在半機械作業(yè)水平，主要原因是穴盤苗自動取苗的效果不理想，移栽機具與育苗工藝互不適應(yīng)。實現(xiàn)穴盤苗自動高效移栽，不僅與機具設(shè)計息息相關(guān)，還涉及到育苗問題，即培育適合移栽的高質(zhì)量穴盤苗[7]。

經(jīng)過“九五”“十五”一批工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程項目開展，我國已初步建立了穴盤育苗技術(shù)體系，并將其成功應(yīng)用于工廠化育苗生產(chǎn)中[8]，但目前的育苗工作僅僅圍繞育苗質(zhì)量，沒有考慮與自動移栽相關(guān)的質(zhì)量特性，包括株型控制、缽體力學(xué)特性等。事實上，對自動移栽機具的研發(fā)應(yīng)將穴盤苗本身的力學(xué)特性與機構(gòu)設(shè)計結(jié)合起來考慮，只有通過研究穴盤苗的物理力學(xué)特性，堅持農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合，才能使所研制的自動移栽機滿足自動移栽種植要求。

各種農(nóng)業(yè)物料具有自身的生物力學(xué)特點，探討農(nóng)業(yè)物料機械作用力學(xué)特性，可為研制現(xiàn)代化農(nóng)機具提供依據(jù)[9-12]。對于穴盤苗而言，主要采用輕型育苗基質(zhì)，以不同孔穴的穴盤作為容器來培育種苗。成苗后，根系在育苗基質(zhì)中穿插、纏繞和網(wǎng)絡(luò)，形成育苗基質(zhì)-幼苗根系復(fù)合體。自動取苗機構(gòu)作業(yè)時，一般采用夾取針插入缽體夾持將穴盤苗取出，再帶苗至栽植點放苗，這就要求自動取苗機構(gòu)的夾取方案要適應(yīng)穴孔取苗的特點，同時穴盤苗本身應(yīng)具有良好的抗壓能力以及保持這種抗壓能力的穩(wěn)定性。

本試驗利用流變學(xué)方法研究穴盤苗缽體壓縮力-松弛特性，建立壓縮力及松弛模型，分析穴盤苗缽體壓縮加載力-變形變化規(guī)律，指導(dǎo)機械化移栽幼苗水分管理，并為自動移栽機構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

育苗對象為津研系統(tǒng)黃瓜良種津優(yōu)1號，育苗穴盤為常州君和YMAS128CE穴盤，128穴，穴孔為倒金字塔正方形錐體，上圍尺寸為27 mm，下圍尺寸為15 mm，高度為40 mm。育苗基質(zhì)為江蘇中諾有機基質(zhì)營養(yǎng)土，主要成分為優(yōu)質(zhì)泥炭、蛭石、腐熟植物秸稈、蘑菇下腳料、酒渣等，其理化特性如表1所示。

表1 育苗基質(zhì)的理化特性

注：EC測量按1：2稀釋法進行。

在江蘇大學(xué)Venlo型玻璃智能溫室育苗，育苗方法和苗期管理均按照NY/T 2119—2012《蔬菜穴盤育苗通則》進行。育苗第15天追施營養(yǎng)液，營養(yǎng)液為磷酸二氫鉀1 500倍液和硝酸鈣2 000倍液，用量為 0.15 L/盤。苗齡為23 d，2子葉1心葉。試驗前澆透水，待基質(zhì)水分擴散均勻開始測試。

試驗儀器為TA-XT2i型質(zhì)地分析儀(英國SMS公司)，采用P100平板探頭。由于穴盤苗缽體為四棱臺形狀，所以構(gòu)建傾斜載物臺，圖1為該試驗機及穴盤苗加載情況。

1.2 試驗方法

試驗測試在(25±3) ℃的環(huán)境溫度下完成，采用自然蒸發(fā)水分的措施將穴盤苗缽體分3個含水率水平，分別為含水率A1≤55%、含水率A2為55%～65%、含水率 A3≥65%。

穴盤苗缽體壓縮-力松弛測試采用平板壓縮方式，由上而下加載， 選用50 N力程傳感器，測試前、測試過程中、測試后探頭移動速度均為1 mm/s(準靜態(tài)加載)，壓縮量分別為2、4、6、8、10 mm，力松弛試驗保持時間為120 s，進行不同含水率、壓縮變形下穴盤苗缽體壓縮力松弛測試，每個壓縮量重復(fù)10次試驗。由計算機自動記錄數(shù)據(jù)和曲線。

典型的壓縮-力松弛曲線如圖2所示。其中，力-變形曲線(即加載曲線)表征物料受栽變形的抵抗能力，試驗儀器以一定速度使物料達到所測變形量，此時有最大峰值力Ff，然后保持這種變形到一定時間，記錄力-時間變化曲線(即松弛曲線)，利用流變學(xué)模型分析保持時間內(nèi)最大峰值力Ff隨時間的變化規(guī)律。

通常采用廣義Maxwell模型擬合分析力松弛特性，其松弛力的一般表達形式為[13-16]：

(1)

式中：F(t)表示任意時刻t時的力，N；Fi表示各Maxwell元件中彈簧的衰減力，N；τi表示各Maxwell元件中力松弛時間常量，s；t表示試驗時間，s。

2 結(jié)果與分析

2.1 缽體壓縮力學(xué)特性

圖3為加載速度為1 mm/s時不同含水率下穴盤苗缽體平板壓縮力與變形關(guān)系，表征缽體抵抗外界壓縮的能力。

事實上，在含水率范圍為54.21%～60.47%時，穴盤苗缽體受壓過程中，其抗壓力與變形關(guān)系為非線性曲線，沒有明顯的線彈性[17]。對試驗數(shù)據(jù)進行曲線回歸分析，得到不同含水率水平下穴盤苗缽體平板壓縮的抗壓力與變形間的關(guān)系式，如下所示：

含水率A1：FA1=0.054 6x3-0.590 9x2_3.046 6x-0.139 7，r2=0.998 8；

(2)

含水率A2：FA2=0.066 4x3-0.633 3x2+3.127 7x-0.009 6，r2=0.999 5；

(3)

含水率A3：FA3=0.045 4x3-0.391 3x2+2.274 9x-0.088 9，r2=0.999 6。

(4)

從回歸分析結(jié)果來看，不同含水率下穴盤苗缽體平板壓縮的抗壓力與變形關(guān)系遵從三次多項式變化規(guī)律，對回歸方程求導(dǎo)，得到穴盤苗缽體壓縮剛度與變形之間的關(guān)系，反映缽體受壓變形能力，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在不同含水率下，穴盤苗缽體的壓縮剛度先減小后增大，呈拋物線變化趨勢。對缽體壓縮剛度-變形關(guān)系曲線分析得到，在10 mm壓縮下，存在3個相交點，分別為點K1(2.29，1.19)、K2(2.74，1.15)、K3(4.95，1.73)，可以得出當(dāng)缽體變形小于2.29 mm時，含水率A1下缽體剛度大于含水率A3下缽體剛度，同時小于含水率A2下缽體剛度；當(dāng)缽體變形在2.29～2.74 mm之間時，含水率A3下缽體剛度大于含水率A1下缽體剛度，同時小于含水率A2下缽體剛度；當(dāng)缽體變形在2.74～4.95 mm之間時，含水率A2下缽體剛度大于含水率A1下缽體剛度，同時小于含水率A3下缽體剛度；當(dāng)缽體變形大于4.95 mm時，含水率A2下缽體剛度大于含水率A3下的缽體剛度，同時含水率A3缽體剛度大于含水率A1下缽體剛度。

綜合分析，穴盤苗缽體在不同含水率、不同壓縮變形下具有不一樣的壓縮剛度，表現(xiàn)不同的抗壓能力。利用自動取苗機構(gòu)夾取長在穴盤孔穴的幼苗時，應(yīng)根據(jù)育苗基質(zhì)的特性(即氣體孔隙度、持水力等)，確定合適的穴盤苗缽體含水率，以明確缽體抗壓力與壓縮變形的變化關(guān)系，使機構(gòu)設(shè)計有所參照，便于設(shè)計合理的夾持力度。同時，在自動移栽機作業(yè)時，應(yīng)調(diào)控好待移栽穴盤苗缽體含水量，使取苗機構(gòu)適應(yīng)夾持變形規(guī)律。在調(diào)整機器作業(yè)參數(shù)時，根據(jù)穴盤苗含水率水平，確定合適的夾持力度，使穴盤苗缽體受壓變形滿足自動夾取需要。

2.2 缽體力松弛特性

將力松弛曲線數(shù)據(jù)在SPSS 18.0統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析軟件中進行曲線擬合，得到廣義Maxwell模型參數(shù)(表2)。

表2 不同含水率下穴盤苗缽體力松弛特性指標

由表2可知，穴盤苗缽體平板壓縮力松弛特性可用二單元Maxwell模型描述，不同含水率、壓縮變形下擬合方程相關(guān)系數(shù)均大于0.97。由于穴盤苗缽體是根-土復(fù)合體，對于黏彈性而言，松弛時間越長，其彈性就越顯著，表現(xiàn)出越好的彈性應(yīng)變能力，松弛時間越短，其黏性就越顯著，受壓變形發(fā)生顆粒滑移，從而減弱抗壓能力。因此，表2中第1單元的松弛時間較長，可以用來衡量彈性的好壞，第2單元的松弛時間較短，可以用來衡量黏性的好壞。不同含水率穴盤苗缽體黏彈性如圖5所示。

由圖5-a可知，當(dāng)缽體含水率處于A1、A2水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性松弛時間先減小后增大，壓縮量6 mm為過渡轉(zhuǎn)折點，說明缽體受壓后彈性松弛能力在增強中逐漸減弱；當(dāng)缽體含水率處于A3水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性松弛時間有所減小，但基本保持平穩(wěn)，說明缽體受壓后其彈性能力保持穩(wěn)定。在相同壓縮變形下，當(dāng)缽體變形量低于4 mm時，彈性松弛能力由低到高為含水率A3>含水率A2>含水率A1；當(dāng)缽體變形量處于4～6 mm 之間時，以及缽體變形量高于8 mm時，彈性松弛能力由高到低為含水率A2>含水率A3>含水率A1；當(dāng)缽體變形量處于6～8 mm之間時，彈性松弛能力由高到低為含水率 A2> 含水率A1>含水率A3。通過以上分析可以得出，穴盤苗缽體在不同含水率、變形下的彈性松弛能力顯著不同，因此在設(shè)計自動取苗機構(gòu)時須要考慮對象的特性變化，以設(shè)計適應(yīng)對象特性的作業(yè)機構(gòu)。

由圖5-b可知，當(dāng)缽體含水率處于A1、A2水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體黏性松弛時間呈“增大—減小—增大”變化；當(dāng)缽體含水率處于A3水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體黏性松弛時間有所增大，但基本保持平穩(wěn)。在相同壓縮變形下，當(dāng)缽體變形量低于6 mm時，黏性松弛能力由高到低為含水率A3>含水率A1>含水率A2；當(dāng)缽體變形量處于6～10 mm之間時，黏性松弛能力由高到低為含水率A1>含水率A3>含水率A2。通過以上分析，可以得出穴盤苗缽體在不同含水率、變形下的黏性松弛能力有所不同。

綜合以上分析，針對穴盤苗自動移栽鉗夾式取苗的情況，要求缽體具有良好的彈性應(yīng)變能力，并且應(yīng)保持這種彈性能力穩(wěn)定，表現(xiàn)在缽體力松弛特性方面，就要求缽體壓縮后其彈性、黏性松弛能力弱，即缽體彈性、黏性松弛時間長。

3 結(jié)論

在不同含水率下，穴盤苗缽體平板壓縮的抗壓力與變形呈非線性變化，遵從三次多項式規(guī)律，其壓縮剛度先減小后增大。在相同壓縮變形下，不同含水率的缽體具有不同的壓縮剛度，表現(xiàn)出不同的抗壓能力。設(shè)計自動取苗機構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)夾取力要求確定合適的缽體夾持力度，既保證足夠的夾持力，又不破壞缽體。

穴盤苗缽體壓縮力松弛特性可用二單元Maxwell模型描述，得出不同含水率水平下番茄穴盤苗缽體力松弛本構(gòu)方程和相應(yīng)的流變學(xué)參數(shù)。

在力松弛特性方面，當(dāng)缽體含水率處于A1、A2水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性松弛能力先增強后減弱，而黏性松弛時間呈“減小—增大—減小”變化，當(dāng)缽體含水率處于A3水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性、黏性松弛時間保持平穩(wěn)。