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，由于沒有合適的配套機(jī)械，長(zhǎng)期以來蔬菜幼苗移栽作業(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)僅僅滿足特定的試驗(yàn)情況，很難適用多種穴盤苗移栽要求。

近年來，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]。

不同穴盤苗的幼苗植株、根系有所區(qū)別，所生產(chǎn)的穴盤苗缽體質(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種主要的茄果類蔬菜穴盤苗作為對(duì)象，測(cè)試分析穴盤苗的力學(xué)特性，探討其共性與個(gè)性特點(diǎn)，充分認(rèn)識(shí)茄果類蔬菜穴盤苗，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，育苗穴盤為常州君和YMAS128CE穴盤，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，每盤用量0.15L。當(dāng)穴盤苗具有可拉性，即可以用手捏緊幼苗將穴盤苗從穴盤苗孔穴里拉拔出來，保持缽體完整性，從而完成穴盤育苗工作。黃瓜、辣椒、茄子穴盤苗苗齡分別為25、45、40天。試驗(yàn)前對(duì)穴盤苗澆水浸透，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與穴盤孔穴的黏附特性，將穴盤固定在測(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苗，測(cè)試從穴盤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 穴盤苗缽體拉拔力學(xué)試驗(yàn)

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

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

由圖1可以看出，從穴盤中成功夾苗拉拔出缽體的力學(xué)測(cè)試分3個(gè)階段：①D1段為夾苗拉拔穴盤苗掙脫孔穴黏附的過程，從測(cè)試點(diǎn)開始到最大試驗(yàn)力Fmax處，夾苗拉拔缽體的試驗(yàn)力與測(cè)試位移呈非線性變化規(guī)律。在此過程中，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，通過力學(xué)傳遞，盤結(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)，穴盤苗缽體掙脫穴盤孔穴的黏附作用。若此時(shí)穴盤苗缽體保持整體性，則為成功取苗，定義最大試驗(yàn)力Fmax為穴盤苗缽體黏附試驗(yàn)拉拔力FL。②D2段為對(duì)穴盤苗拉拔實(shí)現(xiàn)完全脫離穴盤孔穴黏附的過程，在此過程中，穴盤苗缽體進(jìn)一步擺脫穴盤孔穴的黏附作用，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段為穴盤苗完全分離過程，在此過程中，穴盤苗缽體徹底脫離穴盤孔穴的黏附作用，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。通過試驗(yàn)測(cè)試，得到不同茄果類穴盤苗缽體黏附試驗(yàn)的拉拔力，如表1所示。

表1 穴盤苗缽體黏附試驗(yàn)

由表1可以看出：不同穴盤苗缽體黏附試驗(yàn)獲得的拉拔力不同，從平均拉拔力來看，拉拔力為辣椒>黃瓜>茄子，黃瓜和茄子穴盤苗的拉拔力相近，均小于辣椒穴盤苗的拉拔力，表明辣椒穴盤苗相對(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)穴盤苗，測(cè)試前澆水一致，因此不同穴盤缽體的拉拔力差異只能來自幼苗根系的作用不同。黃瓜、辣椒、茄子3種穴盤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，所以黃瓜穴盤苗的拉拔力略大于茄子。

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

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

則

(1)

設(shè)定穴盤苗缽體的重力為G，在缽體外圍側(cè)面上對(duì)穴盤孔穴產(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)

通過電子天平測(cè)得不同茄果類穴盤苗缽體平均質(zhì)量為14.7g，于是穴盤苗缽體的平均重力G為0.144N；通過查表得到根土與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孔穴壁之間的摩擦因數(shù)；對(duì)所用穴盤測(cè)量，得到穴盤孔穴錐角θ為11°。由于穴盤孔穴下部有排水口，穴盤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)穴盤孔穴產(chǎn)生接觸彈力N1=0.053N，總摩擦力Ff=0.106N。通過以上計(jì)算分析可得，采用穴盤育苗時(shí)，成形缽體與穴盤孔穴之間的接觸彈力和靜摩擦力很小，而通過從穴盤中夾苗拉拔出缽體的力學(xué)測(cè)試得得的拉拔力(見表1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穴盤苗缽體的重力和摩擦力等作用，可見從穴孔中拔取穴盤苗時(shí)還受其它力作用。

實(shí)際上，根據(jù)根土黏附性理論[15]，一定含水率的穴盤苗缽體對(duì)穴盤孔穴具有黏附作用，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)械夾取穴盤苗缽體的過程中，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)才能將穴盤苗夾取出來。

2.2 穴盤苗缽體抗壓試驗(yàn)

圖3是3種典型的茄果類穴盤苗缽體平板壓縮條件下試驗(yàn)力與變形曲線，是穴盤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，反映成形穴盤苗缽體的抗壓特性。

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

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

圖4 不同壓縮量下穴盤苗缽體的抗壓力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)

穴盤苗自動(dòng)移栽過程中，移栽頻率超過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)于穴盤苗自動(dòng)移栽而言，夾取針緊緊抓住穴盤苗幼苗有利于取苗，但抓取力過大會(huì)傷苗，對(duì)穴盤苗后期生長(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種穴盤苗莖稈拉伸破壞力如圖5所示。

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

由圖5可以看出：3種穴盤苗莖稈拉伸破壞力為辣椒>茄子>黃瓜；與辣椒、茄子穴盤苗相比，黃瓜穴盤苗莖稈更容易拉斷。因此，對(duì)于黃瓜穴盤苗自動(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。通過式(4)計(jì)算，得到黃瓜、辣椒、茄子3種穴盤苗莖干拉伸破壞強(qiáng)度平均值分別為0.79、2.61、2.11MPa。

2.3.2 葉子拉伸破壞

3種穴盤苗葉子拉伸破壞力如圖6所示。

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

由圖6可以看出：3種穴盤苗葉子拉伸破壞力為茄子>黃瓜>辣椒。通過式(4)計(jì)算，得到黃瓜、辣椒和茄子3種穴盤苗葉子拉伸破壞強(qiáng)度平均值分別為0.31、0.28、0.27MPa。與辣椒、茄子穴盤苗相比，黃瓜穴盤苗葉子比較硬，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)械夾取穴盤苗缽體的過程中，夾取針提供的夾取力主要用于克服穴盤苗缽體與穴盤孔穴的黏附力作用，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)才能將穴盤苗夾取出來。在同等的育苗條件下，黃瓜、茄子、辣椒穴盤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。但不同蔬菜穴盤苗缽體與穴盤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)于大黏附力的穴盤苗采取相應(yīng)措施減弱穴盤孔穴對(duì)穴盤苗缽體的黏附作用，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苗，提高自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性。

3)穴盤苗拉伸試驗(yàn)表明：黃瓜穴盤苗更容易拉斷，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)硬的穴盤苗，可以設(shè)計(jì)夾取針抓住幼苗莖干，提供輔助力來取苗，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，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，魏文軍，等.水稻幼苗抗拉力學(xué)特性及穴盤拔秧性能的力學(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.