水稻穴盤秧苗缽體力學特性試驗研究

關鍵詞：水稻；缽苗；力學特性；壓縮；加卸載循環(huán)；蠕變

0 引言

我國水稻種植方式主要方式有直播和插秧2種[1]。由于缽苗移栽的秧苗自帶營養(yǎng)缽，種植在養(yǎng)分集中、水溫較高的水田表層部位，能起到不損傷根系、延長作物生長期作用，所以缽苗移栽目前正逐步成為水稻機械化栽培重點方向[2-3]。為培養(yǎng)適合于機械化栽培的缽體壯秧苗，目前主要發(fā)展與缽體軟秧盤配合操作的育秧機和缽苗移栽機[4]。

水稻缽苗移栽機主要發(fā)展方向是通過對國外栽植法引進與參考[5-7]。國內研制缽苗移栽機主要采用雙曲柄五桿機構實現(xiàn)缽苗移栽，作業(yè)時夾秧片尖點形成與移栽要求配合的“8”字形軌跡，栽植臂撥叉與凸輪相對旋轉保證機構在軌跡關鍵位置取秧夾片張開與閉合，實現(xiàn)取秧、帶苗及插秧動作。水稻缽苗移栽機利用推秧機構將缽苗從缽盤底部整排頂出，由接秧機構將缽苗進行翻轉，整排缽苗被送至橫向分秧機構的輸送帶上，由輸送帶將缽苗送至栽植缺口處，缽苗從缺口落下通過栽植機構的旋轉擺桿將缽苗按一定的深度植入田中，移栽分別完成取秧、翻轉、輸送和栽植4個動作[8-10]。缽苗移栽機作業(yè)時由于操縱器與缽苗交互作用，機械裝置工作參數(shù)與秧苗力學特性等因素有關，會對苗缽整體性能和秧苗栽植存活率產(chǎn)生重要影響，從而導致幼苗在移栽過程中出現(xiàn)缽體破損。缽體損壞除與種植機結構有關，還與苗缽力學性能密切相關。為實現(xiàn)水稻缽苗自動移栽機高效取秧，研究水稻穴盤缽苗缽體力學特性具有重要意義[11-15]。

國內外很多研究主要針對蔬菜自動移栽機取苗、栽植相關機構進行設計及對穴盤苗缽力學特性進行分析[16-17]。高國華等[18]設計斜入式穴盤苗移栽手爪，以紅掌穴苗為對象開展試驗，探討影響移栽成功率的因素，得到手爪工作的較優(yōu)參數(shù)組合。廖慶喜等[19]設計輸送帶式缽苗分苗裝置，以油菜缽苗為對象開展試驗，探討影響缽苗在送苗階段和分苗階段的因素，獲得了缽體運送平穩(wěn)和缽體完整的要求。童俊華等[20]設計可調節(jié)指針夾持壓縮苗垛的測力平臺，以黃瓜缽苗為對象開展試驗，探討影響抓苗移栽可靠性的因素，優(yōu)化了移栽機器人對指針夾持苗垛的參數(shù)。目前對自動移栽機的研究主要集中于經(jīng)濟價值較高的作物取苗機構設計與優(yōu)化，而對穴盤缽體力學特性研究大多著眼于不同作物品種的力學特性試驗、解決種植缽體損傷和維護其完整性等方面，圍繞水稻穴盤秧苗和基于苗缽機械性能的自動移栽機械裝置參數(shù)優(yōu)選研究鮮有報道。

為研究水稻穴盤秧苗缽體力學特性對減少缽苗移栽時缽體損傷、保證苗缽完整性的規(guī)律，優(yōu)化移栽機執(zhí)行機構，以培雜泰豐雜交稻種為試驗材料，利用2SJB-500型水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線進行精密播種，對秧苗生長質量進行考察，利用TA-XT2i型質地分析儀，先后進行平板壓縮、加卸載和蠕變試驗，獲得水稻穴盤缽苗缽體的抗壓縮特性、加卸載特性和蠕變特性。

1 穴盤缽苗脫盤力學分析

為研究水稻穴盤缽苗缽體力學特性對減少缽苗移栽時缽體損傷、保證苗缽完整性的規(guī)律，以水稻苗缽為分析對象，對于夾持取苗脫盤，夾片沿穴盤格內壁插入秧盤穴格，當夾片插入到苗缽深度d時，兩夾片之間以β角夾持缽體，克服缽體與穴盤之間的黏附力和摩擦阻力可將缽體順利脫盤。對穴盤苗缽體進行力學分析，兩側面受力如圖1所示。其中，兩片取苗夾片與缽體側面接觸過程中產(chǎn)生彈力N和摩擦力Ff，分別記為N1、N2和Ff1、Ff2，苗缽質量為m，缽體下部受支撐彈力為N0，缽體重力為G。由于缽體在測前、測試和測后速度均為1mm/s，保持受力平衡，則有Ff1cos 2+Ff2cos 2+N1sin 2+N2sin 2?GN0（1）

因缽苗缽體形狀規(guī)則，認為缽體兩側面受力均勻一致，所以N1=N2，則取苗夾片與缽體的摩擦力滿足Ff1=μN1=Ff2=μN2，其中μ為靜摩擦系數(shù)。

穴盤苗穴栽時受到的彈力和靜摩擦力很小，而通過缽體托盤受力分析得出夾持力遠遠大于重力和摩擦力等作用。缽體夾持力會使缽體產(chǎn)生壓縮變形，超過一定限度缽體會發(fā)生破碎散落，導致取苗夾片無法夾取缽體。TINGKC等[21]研究表明，穴盤的結構特征及苗齡的影響使幼苗根系附著于穴孔內壁，在缽苗缽體根土與穴孔間建立了黏附力，黏附力過大會導致穴盤缽苗難以從孔穴中提取出來，甚至破壞根土。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

（1）秧盤。采用軟塑缽體盤，秧盤長度590mm、寬度285mm、穴孔深度18mm，穴孔為倒錐形，穴孔橫縱成行排列，每盤共14行×29列均勻分布（406穴），行列間距均20mm[22]。

（2）稻種。選用培雜泰豐雜交稻種。稻種千粒質量21.4g、整精米率55.6%、堊白粒率19%、堊白度3.9%，發(fā)芽率≥80%。

（3）育秧基質。選用廣州生升農(nóng)業(yè)公司配制的水稻育秧基質，成分有泥炭、蛭石、椰糠、黏土、生長調節(jié)劑和專用肥。pH值5.0～6.0，有機質含量gt;45%。

2.2 試驗儀器

（1）101-3型電熱鼓風干燥箱，北京耐恒檢測設備科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。

（2）2SJB-500型水稻精密播種育秧生產(chǎn)線，如圖2所示。

（3）立體育秧溫室，華南農(nóng)業(yè)大學工程學院的育秧溫室（113°E，23.16°N）。溫室規(guī)格（長×寬×高）為8m×7m×2.3m；育秧室含工廠化育秧溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，能進行溫度、濕度、光照度、二氧化碳含量及環(huán)境監(jiān)控和智能調控。

（4）TA-XT2i型質地分析儀，英國StableMicroSystem公司。測試頭有錐形、圓柱形、針形、球形，含拉伸測試設備和輕型葉片測試設備。

2.3 樣本制備

（1）稻種用清水選種后，用小型智能催芽機恒溫催芽，芽長≤2mm，含水率達到24%進行播種試驗。

（2）利用2SJB-500型水稻精密播種育秧生產(chǎn)線完成精密穴盤播種作業(yè)，保證播種合格率（1～3粒/穴）≥90%，本次育秧試驗共30盤。

（3）試驗前2～3d適當減少澆水，降低溫度，進行煉苗處理。缽苗根系盤結、缽土塊不松散，缽苗盤面不串根，認為完成育苗工作，樣本制備完畢。

2.4 試驗方法

2.4.1 秧苗生長質量測試

（1）苗高。播種后第8、12、16和20天挑選生長發(fā)育中等的5穴缽苗，測量水稻缽苗最高生根處至最長葉片頂端長度并求平均值。

（2）出苗率。栽種后20d，取3組每組100穴幼苗，分析出苗率、成苗率和小苗率。統(tǒng)計每組總苗數(shù)和小苗數(shù)，小苗是指苗高低于平均苗高1/2的缽苗，成苗數(shù)為總苗數(shù)減去小苗數(shù)。根據(jù)下式計算3種出苗率。

（3）秧苗素質。播種后第20天，選取3盤缽苗，每盤中選取長勢中等的缽苗20缽，測量葉齡。用千分尺測量幼苗高度和莖寬（距根處1cm）。依據(jù)式（4）測算壯苗指數(shù)值，將根和莖葉在80°C烘干處理，確認缽苗品質。

2.4.2 苗缽含水率測定

依據(jù)標準NYT52—1987《土壤水分測定法》測量含水量。用天平測量缽體濕質量，記為M1，再利用電熱鼓風干燥箱將缽體在105°C恒溫環(huán)境下烘干5～7h，待質量穩(wěn)定冷卻后取出，再稱量缽體干質量，記為M2，依據(jù)式（5）計算缽體含水率W0。

2.4.3 力學特性試驗

利用TA-XT2i型質地分析儀對缽體進行平板壓縮、加卸載循環(huán)和蠕變試驗。選擇50N力程傳感器，平板壓縮測試壓縮量10mm的缽體抗壓特性，重復20次，加卸載循環(huán)測試2、3、4、5和6mm不同壓縮位移下的缽體加卸載特性，每個壓縮量反復10次，蠕變試驗測試1、2、3、4和5N各個加載力下的缽體蠕變特性，每個測試力維持時間30s，反復10次。

3 結果與分析

育秧試驗于2022年3月24日—4月12日（共20d）進行，秧苗在溫室中培育至移栽期（第20天）；力學特性試驗于2022年4月12日在華南農(nóng)業(yè)大學工程學院進行。

3.1 生長質量試驗

播種后第8、12、16和20天，挑選5個缽體中等水平生長的穴盤缽苗，測定缽苗最高生根處至最長葉片頂端的長度，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。不同生長期穴盤秧苗的苗高不同，隨著培育時間加長，苗高增加；播種后第8、12、16、20天，缽苗平均苗高分別為8.5、12.3、16.7和17.6cm。

播種后第20天，統(tǒng)計與計算出苗率、成苗率和小苗率，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

播種后第20天，每盤中選取長勢中等缽苗20個缽體，觀測葉齡，使用精度0.02mm游標卡尺測量苗高、苗莖寬，計算壯苗指數(shù)，數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2 含水率試驗

播種后第20天，選擇出苗整齊的3盤秧苗進行試驗，每盤任意抽選30株，用游標卡尺（精度0.02）測量缽體邊長和高度，上下邊長、高度分別記為c、k、h，如圖3所示。缽體上邊長17.76～19.32mm、下邊長7.14～9.76mm、高度15.36～17.94mm。

隨機選取5株缽苗，裁掉上端秧苗，采取干濕質量法測定缽體的含水率。對5株缽苗編號并記錄對應缽體干、濕質量，得出含水率試驗數(shù)據(jù)，結果如表4所示，含水率35.76～54.08%。

3.3 抗壓特性試驗

采用平板壓縮對缽體力學特性進行測定，選擇P50平板探頭，圖4為TA-XT2i型質地分析儀加載情況，圖5為加載速度1mm/s時缽體平板壓縮的抗壓力與變形曲線（壓縮量10mm）。缽體平板壓縮抗壓力與變形的關系如式（6）所示，決定系數(shù)R2=0.996，缽體受壓時抗壓力與變形關系表現(xiàn)為非線性，表明沒有明顯線彈性。

如圖6所示，對式（6）進行求導數(shù)，獲得抗壓力與變形變化趨勢。在變形3.15mm左右，抗壓力隨變形的變化趨勢表現(xiàn)差異。當其lt;3.15mm，抗壓力增加緩慢，體現(xiàn)屈服軟化；當其gt;3.15mm，抗壓力增加顯著，體現(xiàn)壓實硬化?？蓪?.15mm點定義為屈服點，記為A，此時抗壓力6.76N，B點對應正切斜率K0=6.66，曲線AB段割線斜率K1=2.11，可得屈服點A的切線斜率K2=0.89，該斜率可用來定義缽體壓縮剛度。缽體壓縮變形破壞特征如圖7所示，當缽體變形過大，下邊遍布根系擺脫缽體而皺褶（圖7b）。上端根系少，變形超出定值，沒有根系的地方發(fā)生破碎（圖7c），缽體（含水率在35.76%～54.08%）呈平薄狀，以此來維持栽培根系?基質復合型特性，利用此特性方便移栽時從穴盤孔夾取缽體。

3.4 加卸載特性試驗

3.4.1 缽體加卸載曲線

缽體在壓縮量2、3、4、5和6mm下的加卸載力與變形曲線如圖8所示，表明缽體加載力、卸載力與位移呈非線性關系，并且加卸載力與變形曲線在壓縮量2、3、4、5、6mm下變化方向相同。

3.4.2 缽體加卸載力學特性分析

滯后損失隨壓縮量增加顯著上升，如圖9a所示；彈性度隨壓縮量的增加而降低，而彈性度表征缽體的彈性恢復程度，表示缽體彈性恢復程度逐漸降低，如圖9b所示；缽體抗壓峰值力與壓縮量的變化趨勢一致，如圖9c所示。針對5種壓縮量下的滯后損失，當壓縮變形量在2～4和4～6mm區(qū)間增加時，滯后損失ΔEp分別記為ΔEp1和ΔEp2，并且ΔEp2=4.3ΔEp1，此類壓縮消耗的損失能隨著缽體變形的增大，逐漸內化為缽體結構各組分之間的形變強化能，體現(xiàn)在缽體結構夯實，表明穴盤缽苗缽體在加卸載過程中塑性應變耗能增加，展現(xiàn)較強塑性變形特性。針對5種壓縮量下的彈性度，當缽體壓縮變形成倍增加時，其壓縮彈性恢復能力明顯減弱。針對5種壓縮量下的抗壓峰值力，在4mm的壓縮量前后，展現(xiàn)峰值上升變化陡點。在水稻穴盤缽苗機械化、自動化移栽過程中，在取缽苗時執(zhí)行機構會對缽體產(chǎn)生夾持作用力，依據(jù)這類壓縮加載可塑性的特征，可有效克服來自缽盤內的黏附力，應適當增大夾緊功效變形量，讓缽體在適宜范圍內盡可能產(chǎn)生大的變形，以此緩解黏附力影響。

3.5 缽體蠕變特性試驗

3.5.1 試驗結果

試驗采用單因素重復試驗方法，其他可控因素假設一致。對1、2、3、4和5N這5種加載力下的缽體蠕變特性進行測試，每一個試驗力持續(xù)時間30s，記錄每組試驗力下缽體應力與應變關系對應，結果如圖10所示。

3.5.2 結果分析

本研究選取MATLAB軟件四元器件Burgers黏彈性模型來表述穴盤苗缽蠕變特性，模型如圖11所示。

四元器件Burgers黏彈性模型本構方程

由圖11可知，當伯格斯四元件模型受瞬間拉應力σ0時，首先發(fā)生應變的為彈簧元件Ek0，而彈簧元件Ek在阻尼器ηk的黏滯功效下使得開爾文體未發(fā)生應變，黏性元件ηkV也因黏滯性影響未發(fā)生應變；當蠕變開始時，在恒力作用下開爾文體和黏性元件ηkV開始發(fā)生應變；當載荷卸除時，彈簧元件Ek0瞬間恢復到ε0=0狀態(tài)，而彈簧元件Ek受黏滯作用緩慢恢復至初位置，但黏性元件ηkV由于無應力作用無法恢復至初位置，造成模型永久形變。對缽體平板壓縮加載蠕變試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得出不同壓力（1、2、3、4、5N）加載下缽體蠕變特性方程如下。

式（8）～式（12）提取對應不同壓力下缽體的蠕變黏彈性參數(shù)，如表5所示。利用相關系數(shù)R2來測評Burgers模型的擬合程度，當R2數(shù)值越接近1時，Burgers模型擬合的程度越佳。通過Burgers模型得到的擬合曲線方程與實測曲線對比，R2都在0.99以上，說明Burgers模型能夠準確地反映缽體在恒載狀態(tài)下的蠕變特性。

由表5可知，缽體瞬時彈性系數(shù)、延遲時間隨外界壓縮加載力的增大而減小，說明缽體的壓縮彈性降低；而延遲彈性系數(shù)增大，說明缽體的壓縮延遲彈性行為在不斷增強。在瞬時和延遲黏性特性上，缽體體現(xiàn)不均勻性，可能因素在于基質粒之間在壓縮加載情況下相互滑動的不協(xié)調性，以及對植物根系包裹作用的影響不均勻性。在1s內，當加載力為1、2、3、4和5N，缽體的平均蠕變量依次為0.0055、0.0055、0.0056、0.0057和0.0059mm。雖然缽體蠕變量很小，但這種改變對快速取出苗缽的夾緊松弛特性并不能形成很大影響，而試驗結果也表明缽體內基質粒間的黏彈性流變不明顯。

4 多種苗缽力學特性對比試驗

以五優(yōu)1179（粵審稻2015014）、五優(yōu)6133（粵審稻20180013）、順兩優(yōu)1179（粵審稻2015059）和特優(yōu)2068（粵審稻2013017）4種成形缽苗缽體為試驗測試對象，進行平板壓縮試驗。為保證試驗準確性，每種穴盤缽苗選取20個缽體樣本，試驗結果如圖12所示。

分析可知，6mm平板壓縮下不同穴盤苗缽體的抗壓力與變形關系為非線性曲線，沒有明顯線彈性，這與培雜泰豐稻苗缽壓縮測試結果相似。對于缽苗自動移栽機要求取秧機構能取出各種類型的秧苗，不同種類的穴盤缽苗缽體抗壓力與變形的變化趨勢相同，但缽苗缽體處理之間的抗壓力差異明顯，要求取秧機構在移栽取秧時適應這種差異性。因此，針對抗壓力不足的缽體，應對育苗措施適宜改進，使缽體在壓縮加載變形過程中表現(xiàn)較強的抗壓能力，也可在適當范圍內增大缽體的加載變形量，使缽體在大幅變形下表現(xiàn)較大抗壓力，減緩不同穴盤缽苗缽體處理間抗壓力顯著差異問題的影響。

5 結束語

（1）以培雜泰豐雜交稻種為試驗對象，試驗時穴盤苗苗齡28d，缽體含水率35.76%～54.08%。對缽苗缽體平板壓縮、加卸載循環(huán)和蠕變試驗結果表明，平板壓縮變形3.15mm左右抗壓力隨變形的變化趨勢差異明顯，在壓縮量4mm左右，抗壓力出現(xiàn)峰值上升變化陡點。當加載力為1、2、3、4和5N時，缽體平均蠕變量0.0055、0.0055、0.0056、0.0057和0.0059mm。

（2）平板壓縮過程中，缽體無明顯屈服破壞點。穴盤缽苗缽體面對外界加卸載時表現(xiàn)較強塑變能力。選用Burgers模型可有效表征穴盤缽苗缽體的壓縮蠕變特性，獲得了對應的黏彈性參數(shù)。分析多種稻種穴盤缽體力學特性發(fā)現(xiàn)，不同穴盤缽苗缽體的抗壓力與變形關系遵循非線性曲線。