葉大鵬，青家興，林志強(qiáng)，賴鴻康，翁海勇，謝立敏

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,福州市,350100;2.福建省農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)重點實驗室,福州市,350100)

0 引言

“綠洲一號”為狼尾草屬牧草巨菌草的一類,可用以治理環(huán)境、修復(fù)土壤、培養(yǎng)食用菌類、制成動物飼料與能源燃料等,具有極大的使用與研究價值[1]。采用傳統(tǒng)扦插的方式種植“綠洲一號”,其成活率較低[2]?，F(xiàn)大部分“綠洲一號”種植方式采用穴盤苗移栽種植,主要以人工配合半機(jī)械化移栽設(shè)備完成,其工作效率無法滿足近年“綠洲一號”菌草的種植規(guī)模需求。移栽作業(yè)時,大部分由人工完成運(yùn)苗、取苗等工作,勞動強(qiáng)度較大,勞動效率較低[3-4]。探究“綠洲一號”穴盤苗莖稈的力學(xué)特性,可為后續(xù)取苗機(jī)構(gòu)執(zhí)行部件的取苗方式、力度以及取苗運(yùn)動軌跡提供可靠的力學(xué)理論支撐[5]。

現(xiàn)有關(guān)菌草穴盤苗莖稈力學(xué)的研究較少,大部分集中于成熟作物莖稈的力學(xué)特性研究[6],為后續(xù)的采摘收獲、種植等工作提供力學(xué)參考。為優(yōu)化取苗機(jī)構(gòu)的取苗成功率,謝守勇等[7]進(jìn)行辣椒穴盤苗莖稈的抗壓力學(xué)試驗,并以此為設(shè)計依據(jù),選定夾莖式取苗的高度并優(yōu)化苗夾的間距以及投苗位置。賈生濤等[8]對大蒜的形態(tài)特征進(jìn)行測量并完成回歸分析,得到不同種類大蒜主要以厚度以及長度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級,為后續(xù)大蒜排種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。為確定后續(xù)采摘、收獲的位置,李紅波[9]、史瑞杰[10]、高文碩[11]分別對谷子、胡麻莖稈以及金針菇進(jìn)行分段拉伸試驗,得到靠近根部位置的抗拉特性的參數(shù)均大于其他部位。馬秋成等[12]對蓮仁壓縮試驗建立有限元仿真模型,得到與試驗相近的仿真分析結(jié)果,表明應(yīng)力最大出現(xiàn)在加載載荷施加處,破碎也出現(xiàn)在該位置。董楸煌等[13]對成熟的巨菌草的莖稈進(jìn)行軸向壓縮以及徑向壓縮試驗,并通過ANNSY完成靜力學(xué)仿真分析,試驗與仿真均表明徑向壓縮要遠(yuǎn)小于軸向壓縮,并驗證了有限元分析法能滿足莖稈的力學(xué)分析。

本文對“綠洲一號”穴盤苗莖稈進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲以及穴盤苗拔取脫盤試驗,得到其對應(yīng)的力學(xué)特性曲線與參數(shù),為后續(xù)“綠洲一號”菌草移栽提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)業(yè)物料實驗室內(nèi)開展。試驗材料選用福建農(nóng)林大學(xué)旗山校區(qū)菌草研究中心溫室內(nèi)培育的“綠洲一號”穴盤苗。種植的穴盤規(guī)格為32穴(8行×4列),高度為110 mm,外形尺寸為540 mm×280 mm,單穴孔為長方形錐體,上口徑為60 mm×60 mm,下口徑為23 mm×23 mm。試驗采用的育苗基質(zhì)的配方比為珍珠巖∶蛭石∶泥炭=1∶1∶1?！熬G洲一號”種節(jié)泡水24 h,扦插32孔穴盤之中,溫室育苗30天。

試驗儀器選用ZT-969型單柱萬能材料試驗機(jī)(量程0～2 000 N,選擇配套的試樣夾具,可完成拉伸、壓縮、彎曲等試驗要求,儀器精度±1%)、電子秤(精度0.01 g)、電子游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)以及物料烘干箱等。

1.2 試驗方法

1.2.1 形態(tài)特征試驗

穴盤中挑選出20株長勢良好且基質(zhì)完整無損壞的穴盤苗,完成形態(tài)特征的測量。采用電子游標(biāo)卡尺對穴盤內(nèi)的自然狀態(tài)下的穴盤苗進(jìn)行測量并獲取穴盤苗高度、穴盤基質(zhì)上表面與第一片真葉高度、穴盤苗葉冠橫向最大、縱向最大距離以及靠近穴盤基質(zhì)底部的莖稈直徑。

將上述測量的穴盤苗取出,采用電子游標(biāo)卡尺測量其基質(zhì)高度以及上表面的寬度;采用電子秤測量整株穴盤苗總質(zhì)量、每株苗的基質(zhì)質(zhì)量以及去掉基質(zhì)的苗的質(zhì)量;取下穴盤苗的莖稈部分并測量其質(zhì)量,放入物料烘干箱內(nèi),采用70 ℃烘干6 h,測量其烘干后的質(zhì)量,得到莖稈的含水率。

1.2.2 莖稈拉伸試驗

莖稈拉伸試驗采用ZT-969型單柱萬能物料試驗機(jī),采用拉伸夾具將莖稈上下兩端固定于測試試驗機(jī)上,保證莖稈的軸線與試驗機(jī)的拉力方向平行。

本試驗將穴盤苗莖稈分為0～20 mm、20～40 mm兩段,分別測量其拉伸性能。設(shè)置加載速度分別為15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min,每種加載速度重復(fù)測試10次,計算其平均值。采用莖稈分段的試驗,測試其兩段的抗拉特性,為后續(xù)移栽的夾持段的選擇提供參考?！熬G洲一號”穴盤苗莖稈拉伸強(qiáng)度計算公式如式(1)所示。

σ1=Ft/A

(1)

式中:σ1——莖稈的抗拉強(qiáng)度,MPa;

Ft——拉伸破壞載荷,N;

A——拉伸破壞的莖稈的橫截面積,mm2。

1.2.3 莖稈徑向壓縮試驗

萬能物料試驗機(jī)調(diào)整至壓縮測試方法,選擇合適的壓縮試驗夾具。本試驗取莖稈的0～20 mm段以及20～40 mm段作為徑向壓縮試樣。試樣放置于壓縮夾具之間,調(diào)整上夾具,使其下降并輕觸試樣上表面,隨后試驗機(jī)開始加載測試,得到“綠洲一號”穴盤苗莖稈的壓縮特性曲線。為探究不同速度下莖稈的壓縮特性,得到對應(yīng)的壓縮載荷以及壓縮應(yīng)力,本試驗采用4種不同加載速度(15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min)分別進(jìn)行莖稈壓縮試驗,每種加載速度測試重復(fù)10次。“綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮強(qiáng)度[14]計算公式如式(2)所示。

(2)

式中:σ2——莖稈的抗壓強(qiáng)度,MPa;

Fc——莖稈壓縮破碎最大力,N;

d——莖稈直徑,mm;

s——莖稈壓縮破碎時上夾具的位移,mm;

l1——壓縮莖稈長度,mm。

1.2.4 莖稈彎曲試驗

根據(jù)GB/T 1936.1木材抗彎強(qiáng)度試驗和GB/T 1936.2木材抗彎彈性模量的測試方法,開展三點彎曲試驗。莖稈彎曲試驗采用ZT-969型單柱萬能物料試驗機(jī),取穴盤基質(zhì)上方莖稈0～40 mm段作為彎曲試驗的試樣,平均直徑4.2 mm,莖稈的含水率平均值為90.2%。試驗時,彎曲下夾具之間的跨距為20 mm,將莖稈試樣對稱放置于下夾具之間,試驗中,莖稈與加載力方向保持垂直,上方壓頭與試樣上表面輕觸[15]。開始加載測試,得到“綠洲一號”菌草莖稈的彎曲特性曲線。選取4個不同加載速度(15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min)對莖稈進(jìn)行彎曲試驗,每種加載速度測試重復(fù)10次。“綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲強(qiáng)度計算公式如式(3)所示。

(3)

式中:σ3——莖稈的抗彎強(qiáng)度,MPa;

Fb——彎曲加載最大力,N;

l2——莖稈彎曲試樣長度,mm;

I——截面對中性軸的力矩,mm4。

1.2.5 穴盤苗脫盤力試驗

“綠洲一號”穴盤苗的根系發(fā)達(dá),纏繞著培養(yǎng)基質(zhì),將穴盤苗拔出時,下方根系將會帶著部分培養(yǎng)基質(zhì)一起從穴盤內(nèi)拔出。試驗時,上夾具將莖稈上方部分加持,下方穴盤保持固定,上夾具向上加載至整株苗完全從穴盤內(nèi)脫離,試驗方才結(jié)束。該試驗重復(fù)20次,探究將“綠洲一號”穴盤苗拔取出穴盤所需的最大力。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 形態(tài)特征試驗分析

穴盤中挑選出20株長勢良好且基質(zhì)完整無損壞的“綠洲一號”穴盤苗進(jìn)行試驗,得到其形態(tài)特征參數(shù)以及質(zhì)量參數(shù),穴盤苗的形態(tài)如圖1所示。

圖1 “綠洲一號”穴盤苗形態(tài)特征

測量穴盤苗的形態(tài)參數(shù):穴盤苗高度h1、基質(zhì)上表面與第一片真葉的距離h3、葉面寬a、葉面高b、靠近穴盤基質(zhì)底部的莖稈直徑c、拔出穴盤苗后的基質(zhì)寬度w與高度h2、穴盤苗莖稈的含水率以及真葉數(shù)目,對上述參數(shù)進(jìn)行測量并完成數(shù)據(jù)處理,具體參數(shù)見表1。測量得到穴盤苗的質(zhì)量參數(shù):整株穴盤苗的平均質(zhì)量為128.29 g,每株苗的基質(zhì)的平均質(zhì)量為115.18 g,去掉基質(zhì)的苗的質(zhì)量平均值為13.11 g。

表1 “綠洲一號”穴盤苗形態(tài)參數(shù)

2.2 莖稈抗拉力學(xué)試驗分析

由前文基質(zhì)到第一片真葉的距離范圍為37.1～69.8 mm,平均值為45.97 mm。故本拉伸試驗將莖稈為兩段:0～20 mm段、20～40 mm段,分別進(jìn)行拉伸試驗,得到拉伸特征曲線如圖2所示,對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,結(jié)果見表2。

表2 “綠洲一號”穴盤苗拉伸力學(xué)特性參數(shù)

圖2 “綠洲一號”穴盤苗莖稈拉伸位移—載荷曲線

由圖2可知,曲線分為兩段:第Ⅰ段對應(yīng)曲線OA,拉伸載荷與拉伸位移呈現(xiàn)線性關(guān)系,拉伸載荷隨著拉伸位移增大逐漸增大,直到A點出現(xiàn)最大的拉斷力,莖稈開始出現(xiàn)斷裂,該段的擬合曲線為y=7.286x,相關(guān)性系數(shù)為0.987;第Ⅱ段對應(yīng)曲線AB,菌草莖稈持續(xù)被拉斷,到達(dá)B點,莖稈被完全拉斷,拉伸載荷變?yōu)? N。

由表2可以看出,莖稈從底部向上的莖稈直徑逐漸變小,莖稈的拉斷力范圍以及拉斷力的均值從0～20 mm段到20～40 mm段也逐漸減小;在15 min/mm與20 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段莖稈的拉伸強(qiáng)度大于20～40 mm段;25 min/mm與30 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段莖稈的拉伸強(qiáng)度小于20～40 mm段;在15 min/mm的拉伸速度下,0～20 mm段莖稈的彈性模量大于20～40 mm段,見圖3;其余壓縮速度下,0～20 mm段莖稈的彈性模量小于20～40 mm段。由于0～20 mm段莖稈的拉斷力大于20～40 mm段,故移栽選擇夾取部分為0～20 mm段莖稈。

圖3 不同段“綠洲一號”穴盤苗莖稈拉伸位移—載荷曲線

2.3 莖稈徑向抗壓力學(xué)試驗分析

將穴盤苗莖稈的0～20 mm、20～40 mm兩段作為壓縮試樣,采用15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min四種加載速度進(jìn)行莖稈的壓縮特性試驗,得到其壓縮特性曲線如圖4所示,并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,見表3。

表3 “綠洲一號”穴盤苗壓縮力學(xué)特性參數(shù)

圖4 “綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮位移—載荷曲線

由圖4可以看出:曲線分三段:第Ⅰ段為OA段所對應(yīng)的彈性階段、第Ⅱ段為AB段對應(yīng)屈服階段、第Ⅲ段為BC對應(yīng)壓緊階段[16]。彈性階段的壓縮位移與壓縮載荷呈近似線性關(guān)系,該段的擬合曲線為y=28.392x,相關(guān)性系數(shù)為0.999;壓縮載荷達(dá)到A點所對應(yīng)的最大壓縮載荷時,莖稈將破碎,A點對應(yīng)的載荷為最大壓縮力;壓縮位移達(dá)到第Ⅱ段時,壓縮位移逐漸增大,壓縮載荷呈現(xiàn)波動的趨勢;在BC段時,壓縮位移逐漸增大,壓縮載荷急劇增長,試樣將被逐步壓緊。

由表3可以看出,0～20 mm段莖稈比20～40 mm段莖稈的直徑更大,在四種壓縮速度之下,0～20 mm段莖稈的最大壓縮力均大于20～40 mm段莖稈(圖5)。在15 mm/min與30 mm/min的壓縮條件下,0～20 mm段莖稈的抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及其余參數(shù)均高于20～40 mm段。在20 mm/min與25 mm/min的壓縮條件下,20～40 mm莖稈的彈性模量大于0～20 mm段,但其他的壓縮力學(xué)特性參數(shù)仍小于0～20 mm段莖稈。移栽夾持段應(yīng)選擇0～20 mm段,該段擁有較大的抗壓力學(xué)性能。

圖5 不同段“綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮位移—載荷曲線

2.4 莖稈抗彎力學(xué)試驗分析

本試驗取“綠洲一號”穴盤苗莖稈0～40 mm作為彎曲試樣,開展莖稈的彎曲特性試驗,得到其彎曲特性曲線見圖6,并對其結(jié)果分析,具體參數(shù)見表4。

表4 “綠洲一號”穴盤苗彎曲力學(xué)特性參數(shù)

圖6 “綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲位移—載荷曲線

由圖6可以看出,曲線分3個階段:第Ⅰ段對應(yīng)曲線OA:彎曲載荷逐漸增加,莖稈彎曲變形位移隨之增加,呈線性關(guān)系,該段擬合曲線為y=1.748x,相關(guān)性系數(shù)為0.964。當(dāng)載荷增大到達(dá)A點時的載荷,莖稈變發(fā)生最大的彎曲破裂,不能恢復(fù)原狀,故稱A點對應(yīng)的載荷為彎曲最大載荷;第Ⅱ段對應(yīng)曲線OB:彎曲位移繼續(xù)增大,莖稈繼續(xù)被壓彎且承受載荷的能力下降;第Ⅲ段為B點及以后曲線,試樣被破壞,不具有抗彎能力,載荷趨于穩(wěn)定。

采用15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min四種加載速度進(jìn)行“綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲特性試驗。表4數(shù)據(jù)表明:莖稈的最大彎曲載荷平均值為10.07 N,最大彎曲位移的平均值為8.22 mm,最大彎曲彈性模量平均值為7.51 MPa,抗彎強(qiáng)度最大的平均值為3.95 MPa;莖稈彎曲的特性曲線其規(guī)律大致相同,同組參數(shù)的數(shù)值波動范圍較小。在4種不同的加載速度下,15 mm/min的壓縮速度下的抗彎強(qiáng)度與彎曲彈性模量均值最小。選取直徑相近的試驗莖稈的彎曲特性曲線,比較彎曲特性曲線(圖7)。

圖7 4種加載速度下“綠洲一號”穴盤苗莖稈彎曲位移—載荷曲線

從圖7可以看出,30 mm/min的加載速度之下試驗得到的抗彎強(qiáng)度以及彎曲彈性模量最大。彎曲壓頭的加載速度越大,莖稈承受載荷的能力逐漸上升,抗彎強(qiáng)度以及彎曲彈性模量逐漸增大。

2.5 穴盤苗脫盤力試驗分析

試驗中將莖稈部分通過上夾具夾持,將下方穴盤固定,開展穴盤苗脫盤力測試試驗,直到穴盤苗完全拔出。試驗結(jié)果表明:“綠洲一號”穴盤苗最大脫盤力的范圍為2.01～10.81 N、平均值為5.16 N、標(biāo)準(zhǔn)差為2.43。據(jù)表2數(shù)據(jù)分析,存在菌草脫盤力大于少數(shù)較細(xì)的“綠洲一號”穴盤苗莖稈的拉斷力,表明夾莖稈取苗方式能夠滿足取苗工作要求。在基質(zhì)含水率80%左右的條件下拔取穴盤苗,拔出具有完整的基質(zhì)菌草苗較少,大部分為帶有部分基質(zhì)或完全不帶基質(zhì),見圖8。

圖8 “綠洲一號”穴盤苗脫盤拔出實物圖

當(dāng)拔取完整的基質(zhì)的穴盤苗(圖1)時,其拔取位移—載荷曲線(圖9)分為三段:第Ⅰ段為曲線OA,該段變形位移與載荷呈現(xiàn)線性關(guān)系[17],擬合得到拔取位移與載荷關(guān)系式為y=1.687x,相關(guān)性系數(shù)為0.991。A點對應(yīng)的載荷為最大拔取力,此時的拔取力約等于穴盤基質(zhì)與穴盤之間靜摩擦力與整株菌草穴盤苗的重力之和;第Ⅱ段為曲線AB,隨后拔取位移逐步增大、拔取力逐漸減少,此時穴盤基質(zhì)與穴盤之間靜摩擦力逐漸變?yōu)閯幽Σ亮?此時脫盤力逐漸減小;第Ⅲ段為曲線BC,整株穴盤苗被拔出時,脫盤力等于拔出的穴盤苗的整株重力。

圖9 “綠洲一號”穴盤苗拔取完整基質(zhì)拔取位移—載荷曲線

3 莖稈仿真分析

3.1 莖稈仿真模型建立

為探究試驗方案的可行性,觀察莖稈壓縮時應(yīng)力的分布以及判斷莖稈破碎的位置,本文采用有限元方法建立了莖稈的徑向壓縮仿真。莖稈的有限元仿真模型為長度20 mm、直徑為4.5 mm的實心圓柱體,并進(jìn)行模型簡化:材料均勻,具有各向同性、忽略壓縮時含水率與溫度的變化影響[18]。仿真所建立的材料屬性:彈性模量設(shè)定為含水率87.8%的0～20 mm段莖稈在壓縮試驗中測試所得的彈性模量值3.10 MPa;由植物材料泊松比大致范圍為0.2～0.5[19],故選取莖稈泊松比為0.4;選擇0.5 mm的劃分網(wǎng)格精度。在ANASYS2019中建立上下兩個壓盤,對該莖稈模型進(jìn)行施加力進(jìn)行仿真壓縮。選取上訴莖稈的壓縮試驗數(shù)據(jù)中的6個載荷:10.42 N、20.668 N、30.377 N、39.668 N、59.968 N、70.56 N作為壓縮仿真載荷并完成壓縮試驗與仿真的試驗誤差對比。

3.2 莖稈仿真分析

由圖10、圖11可知:仿真得到的徑向壓縮應(yīng)力為0.409～3.2 MPa,徑向壓縮時莖稈的上頂圓弧面處的應(yīng)力與應(yīng)變均為最大,這與徑向壓縮試驗的莖稈破碎的位置一致。

圖10 “綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮的應(yīng)力仿真

圖11 “綠洲一號”穴盤苗莖稈壓縮的位移仿真

采用6個載荷進(jìn)行仿真分析得到仿真壓縮載荷—變形曲線(圖12),其曲線與試驗得到曲線的相關(guān)系數(shù)為0.993,得到仿真值與試驗值的偏差范圍為3.5%～15.5%。故有限元分析法能夠仿真模擬“綠洲一號”穴盤苗莖稈的力學(xué)特性。仿真值仍然與試驗值存在偏差,大致原因可能有:試驗中的莖稈不均勻,仍然存在各向異性;試驗壓縮會造成莖稈含水率的急劇變化;簡化的圓柱體模型與試驗中的莖稈存在偏差等[20]。

圖12 試驗值與仿真值偏差圖

4 結(jié)論

1) “綠洲一號”穴盤苗的整體高度范圍為205.2～302.9 mm,其葉面寬、葉面高都比較大、莖稈較細(xì),莖稈的含水率在86.2%～95.23%之間。穴盤苗的質(zhì)量大部分集中在基質(zhì)上,去掉基質(zhì)的苗的質(zhì)量占整株質(zhì)量約10%。

2) 拉伸試驗中,在4種拉伸加載速度下,0～20 mm段莖稈的最大拉伸力均大于20～40 mm段莖稈,部分20～40 mm段莖稈的彈性模量大于0～20 mm段莖稈。壓縮試驗中,探究了莖稈的兩段壓縮特性關(guān)系,0～20 mm段莖稈的最大壓縮力均大于20～40 mm段莖稈。彎曲試驗中,相近直徑的莖稈,壓縮速度越大,試驗測試得到的抗彎強(qiáng)度以及彈性模量也越大。綜上所述,移栽夾持部分選擇0～20 mm段莖稈。

3) 建立有限元仿真模型,得到仿真壓縮載荷—變形曲線,與試驗曲線趨勢相近,其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.993,得到的仿真值與試驗值最大偏差為15.5%,說明有限元分析法能夠模擬莖稈的壓縮力學(xué)特性。