活動(dòng)苗盤脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗(yàn)研究

馮世杰，顏 波，全 偉，吳明亮,3

活動(dòng)苗盤脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗(yàn)研究

馮世杰1,2，顏 波1，全 偉1，吳明亮1,3※

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2. 信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院園藝學(xué)院，信陽(yáng) 464000；3. 湖南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410128）

為解決缽苗移栽過(guò)程中，因苗缽與苗盤間粘附力導(dǎo)致取苗過(guò)程中苗缽破損，進(jìn)而影響取苗成功率及栽后幼苗長(zhǎng)勢(shì)的問(wèn)題，對(duì)活動(dòng)苗盤開啟脫苗時(shí)苗缽和苗盤側(cè)板進(jìn)行受力分析并對(duì)苗缽與側(cè)板間粘附力影響因素進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)苗缽粘附力與苗盤開啟峰值力之間存在正相關(guān)關(guān)系，苗盤側(cè)板傾角與苗缽粘附力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，苗盤開啟部件速度和基質(zhì)含水率與苗缽粘附力呈正相關(guān)關(guān)系。為進(jìn)一步研究各因素對(duì)苗缽粘附力的影響規(guī)律，以苗盤開啟峰值力表征苗缽粘附力作為優(yōu)化指標(biāo)，以苗盤側(cè)板傾角、苗盤開啟部件速度和基質(zhì)含水率為試驗(yàn)因素，利用響應(yīng)曲面方法進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)測(cè)算各試驗(yàn)組合中苗缽基質(zhì)損失率。當(dāng)苗盤側(cè)板傾角為9.24°、基質(zhì)含水率為55%、苗盤開啟部件速度為7.98 mm/s時(shí)，苗盤開啟峰值力可以達(dá)到最小值6.97 N，即苗缽與側(cè)板間粘附力達(dá)到最小值；應(yīng)用優(yōu)化后調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)表明：苗盤脫苗開啟峰值力最小值為7.12 N，相對(duì)預(yù)測(cè)值誤差為2.1%，苗缽基質(zhì)損失率為3.14%，相較于優(yōu)化前最低4.39%的基質(zhì)損失率，基質(zhì)損失率明顯降低，證明了粘附力變化影響苗缽基質(zhì)損失率。該研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究缽苗移栽過(guò)程中基質(zhì)損失機(jī)理提供理論支撐。

機(jī)械化；移栽；優(yōu)化；苗盤；開啟峰值力；粘附力；試驗(yàn)

0 引 言

缽苗機(jī)械移栽是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一種種植方式，它可以增加復(fù)種指數(shù)、提高幼苗的質(zhì)量和成活率，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益中具有不可替代的作用[1-3]。

現(xiàn)有缽盤育苗移栽過(guò)程中，存在苗缽基質(zhì)損失率高及由基質(zhì)損失導(dǎo)致取苗不成功等問(wèn)題[4-5]。針對(duì)這些問(wèn)題國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其中韓綠化等[6-10]通過(guò)對(duì)苗缽本身的力學(xué)特性進(jìn)行研究來(lái)降低苗缽破損率，提高取苗成功率；高國(guó)華等[11-15]通過(guò)設(shè)計(jì)新型取苗爪并優(yōu)化其工作參數(shù)來(lái)降低苗缽破損、提高取苗成功率；金鑫等[16-19]通過(guò)設(shè)計(jì)新型取送苗機(jī)構(gòu)來(lái)降低基質(zhì)損失率、提高取苗成功率；蔣蘭等[20]建立移栽過(guò)程中苗塊的動(dòng)力學(xué)模型，研究毯狀苗基質(zhì)脫落的主影響要因素。

上述研究均直接或間接的將苗缽與苗盤間的粘附力視為取苗過(guò)程中苗缽基質(zhì)損失的一個(gè)影響因素。任露泉等[21-24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤粘附力受土壤含水率、土壤與非土材料之間的正壓力、土壤與非土材料分離速度等因素影響。本研究希望通過(guò)對(duì)苗缽與苗盤間粘附力影響因素的研究，尋求通過(guò)降低苗缽與苗盤間粘附力來(lái)解決取苗過(guò)程中苗缽基質(zhì)破損的問(wèn)題?；诖耍疚脑谝延谢顒?dòng)苗盤及相關(guān)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上[25-26]，取活動(dòng)苗盤單個(gè)缽體為研究對(duì)象（簡(jiǎn)稱單缽苗盤），用橡膠圈代替原活動(dòng)苗盤中的扭力彈簧，對(duì)單缽苗盤脫苗過(guò)程中粘附力及其影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取脫苗過(guò)程中最小粘附力產(chǎn)生的參數(shù)組合，為取苗過(guò)程中苗缽基質(zhì)損失機(jī)理的研究提供理論支持。

1 單缽苗盤脫苗開啟過(guò)程及力學(xué)分析

1.1 單缽苗盤脫苗開啟過(guò)程

圖1為單缽苗盤和苗盤開啟部件。脫苗時(shí)單缽苗盤（圖1a）的Ω形側(cè)板在開啟部件（圖1b）的短推板作用下克服橡膠圈的束縛力繞連接支撐軸外擺，直至完全開啟；隨后在繼續(xù)上行的短推板作用下Ω形側(cè)板繼續(xù)保持完全開啟狀態(tài)；當(dāng)開啟部件的長(zhǎng)推板與T形側(cè)板相作用時(shí)，T形側(cè)板克服橡膠圈的束縛力繞連接支撐軸外擺，直至單缽苗盤缽穴形狀由倒四棱臺(tái)變成四棱柱，此時(shí)苗缽和苗盤完全分離，脫苗過(guò)程結(jié)束。

1.軸套 2.連接支撐軸 3.T形側(cè)板 4.橡膠圈 5.Ω形側(cè)板 6.長(zhǎng)推板 7.短推板 8.正方形底板

1.Shaft sleeve 2.Connection support axis 3.T shape side plate 4.Rubber ring 5.Ω shape side plate 6.Long push plate 7.Short push plate 8.Square bottom plate

注：1、、11為推板矩形部分寬度，m；為推板梯形部分高度，m；1為短推板的高度，m；2為長(zhǎng)推板的高度，m；、11為推板頂部寬度，m；、11為推板與側(cè)板初始接觸點(diǎn)；為推板梯形部分傾角，(°)。

Note:1,,11are rectangular portion widths of push plate，m;is height of trapezoidal part of push plate, m;1is height of short push plate, m;2is height of long push plate, m;,11are widths of push plate top, m;,,1,1are starting points of contact between push plate and side plate;trapezoidal inclination of push plate, (°).

圖1 單缽苗盤和苗盤開啟部件結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure diagram of singlepot movable tray and opening parts

1.2 單缽苗盤脫苗開啟過(guò)程力學(xué)分析

通過(guò)對(duì)苗盤開啟過(guò)程分析可知，脫苗過(guò)程中苗盤所受到的力在Ω形側(cè)板開啟時(shí)、Ω形側(cè)板開啟后和T形側(cè)板開啟時(shí)這3個(gè)時(shí)刻最具代表性，受力分析如圖2所示。依據(jù)苗盤設(shè)計(jì)值[26]，苗盤缽穴上口寬=55 mm，側(cè)板上下邊距離=55 mm（圖2b），當(dāng)相對(duì)兩側(cè)板繞連接支撐軸內(nèi)擺至下邊相交時(shí)，側(cè)板傾角取最大值，由幾何關(guān)系得max=30°，即側(cè)板傾角取值范圍為：0＜＜30°。受力分析中，忽略了連接支撐軸和軸套形成的鉸接點(diǎn)處的相關(guān)力。

1.2.1 脫苗過(guò)程中Ω形側(cè)板開啟時(shí)刻受力

脫苗過(guò)程中Ω形側(cè)板開啟受力指脫苗時(shí)上行短推板的1、1兩點(diǎn)與Ω形側(cè)板接觸時(shí)刻的受力（1、1兩點(diǎn)受力相同，取1點(diǎn)分析），如圖2a所示。支持力1垂直于短推板斜面；1在水平方向分量為F1，豎直方向分量為F1；F在Ω形側(cè)板上的作用點(diǎn)為Ω形側(cè)板與苗缽接觸面的幾何中心處，F垂直于側(cè)板指向苗缽。在開啟部件作用下Ω形側(cè)板克服橡膠圈的彈力F1和粘附力F繞連接支撐軸外擺，至短推板的1、1兩點(diǎn)與Ω形側(cè)板接觸，此時(shí)Ω形側(cè)板完全開啟，此時(shí)單缽苗盤中的苗缽與T形側(cè)板保持相對(duì)靜止。要使Ω形側(cè)板順利開啟，其擺動(dòng)切線方向的合力方程為

注：F為苗缽對(duì)側(cè)板的壓力，N；F為苗缽對(duì)側(cè)板粘附力，kPa；F1、F2、F3為橡皮圈3個(gè)不同長(zhǎng)度時(shí)拉力，N；F為苗缽對(duì)側(cè)板的摩擦力，N；13為推板對(duì)側(cè)板支持力，N；F為推板與Ω形側(cè)板間的摩擦力，N；1為Ω形側(cè)板開啟時(shí)短推板向上推力，N；2為Ω形側(cè)板開啟后短推板向上推力，N；3為T形側(cè)板開啟時(shí)長(zhǎng)推板向上推力，N；F1、F3為13的切向分量，N；F1、F3為13的法向分量，N；F1、F3為1、3在水平方向分量，N；F1、F3為1、3在豎直方向分量，N；F為短推板對(duì)開啟后Ω形側(cè)板的支持力，N；為側(cè)板傾角，(°)；1為苗缽的重力，N；2為單塊側(cè)板的重力，N。

Note:Fis pressure of seedling pot against side plate, N;Fis adhesion force between soil matrix and side plate, kPa;F1,F2,F3are tension of rubber ring at three different lengths, N;Fis friction of seedling pot against side plate, N;1,3are supporting force of push plate against side plate，N; Fis friction between push plate and Ω shape side plate，N;1isthrust of short push plate against Ω shape side plate, N;2is thrust of short push plate against after Ω shape side plate opening, N;3is thrust of long push plate against T shape side plate, N;F1,F3are tangential components of1,3, N;F1,F3are normal components of1,3, N;F1,F3are level components of1and3，N；F1,F3are vertical components of1,3，N；Fis supporting force of short push plate against after Ω shape side plate opening，N；is side plate angle, (°);1is weight of seedling, N;2is weight of single side plate, N.

圖2 苗盤脫苗過(guò)程受力分析

Fig.2 Force analysis of detaching process of seedling from movable tray

據(jù)參考文獻(xiàn)[21]可知=60°，對(duì)式（1）整理得

由于Ω形側(cè)板開啟時(shí)1=4F1=41cos，所以此時(shí)開啟部件豎直方向推力最小值為