尚 蕾，宋占華，李玉道，王麗軍，李法德,2*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018）

目前我國(guó)煙草移栽機(jī)仍停留在半機(jī)械化作業(yè)水平，移栽過程中需要人工從育苗盤中取苗并投入移栽機(jī)水平轉(zhuǎn)動(dòng)的喂入器中，勞動(dòng)強(qiáng)度大，移栽效率低[1]。雖然國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)取苗末端執(zhí)行器進(jìn)行了研究，但是主要集中在對(duì)蔬菜花卉取苗機(jī)構(gòu)的研發(fā)上[2-5]，并沒有將取苗機(jī)構(gòu)與蔬菜花卉的機(jī)械物理特性參數(shù)有效的結(jié)合起來進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，更沒有研究煙苗的機(jī)械物理特性參數(shù)。國(guó)內(nèi)研發(fā)的取苗末端執(zhí)行器的工作原理主要為，在驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在適當(dāng)?shù)奈恢貌迦胗绫P的穴腔、夾緊基質(zhì)、拔出秧苗、運(yùn)動(dòng)至投苗點(diǎn)松開基質(zhì)，從而達(dá)到自動(dòng)取苗投苗的目的。但是，由于作業(yè)對(duì)象的柔嫩性、不規(guī)則性和環(huán)境的復(fù)雜多變性[6-7]，以及移栽期的煙苗具有只有側(cè)根、無明顯主根且易受損的特征，在機(jī)械化取苗過程中，如果取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易造成對(duì)煙草缽苗的機(jī)械損傷，從而影響煙苗移栽后的成活率。因此，為保證煙苗移栽質(zhì)量，確保煙苗不受傷害，必須對(duì)煙草缽苗的機(jī)械物理特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，這些參數(shù)主要包括煙苗拔出穴腔所需的拔取力、煙苗莖稈拉斷力、抗壓強(qiáng)度等。通過研究分析，為機(jī)械化取苗投苗部件設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用煙苗品種為“革新一號(hào)”，取自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室大棚。根據(jù)農(nóng)藝要求，煙草缽苗取出后置于空曠通風(fēng)處3～4 d進(jìn)行煉苗[8]。移栽前16 h給煙草缽苗澆水。試驗(yàn)用煙苗高度為（169.09±54.4）mm。營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)表面以上 4 cm處莖稈直徑為（4.55±0.55） mm，莖稈的含水率為(85.15±2.21)%。營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)含水率為（52.70±6.50）%。單株葉數(shù)6～8片，根系發(fā)達(dá)。缽盤共100孔穴，尺寸為605 mm×330 mm，高度為45 mm，穴腔上、下口直徑分別為44 mm和12 mm。測(cè)試地點(diǎn)為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，室內(nèi)溫度25 ℃左右。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司）、DZF-605型真空干燥箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司）、JA5003A型電子天平（0.001 g 上海精天電子儀器有限公司）以及游標(biāo)卡尺等。

1.3 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)前的第3天對(duì)缽苗進(jìn)行第1次澆水；試驗(yàn)前的第2天進(jìn)行第2次澆水，試驗(yàn)前1 d的下午進(jìn)行最后1次澆水[9]，以確保試驗(yàn)期間煙苗營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)足夠濕潤(rùn)，煙苗容易拔出。

在進(jìn)行煙苗拔取、拉伸、壓縮等力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，萬能試驗(yàn)機(jī)以均勻速率加載荷，在 1.5～2 min內(nèi)使試樣破壞[10]，依此確定每種試驗(yàn)萬能試驗(yàn)機(jī)的加載速率。由于煙苗莖稈直徑較小，且相鄰煙苗煙葉交錯(cuò)，為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前利用剪刀對(duì)煙苗進(jìn)行手工去葉處理。測(cè)量營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的含水率前，將煙苗莖稈從營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)表面處用剪刀剪斷，然后把營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)從穴腔中全部取出并將營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)里面的煙苗根部手工去掉。

試樣（煙苗莖稈、營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)）的含水率測(cè)定采用烘干法。取樣后立即稱量并填入記錄表，將同組試樣一并放入干燥箱內(nèi)，在（105±2） ℃的溫度下干燥8 h后，從中選定2～3個(gè)試樣進(jìn)行第1次稱量，以后每隔2 h稱量1次，至最后2次稱量之差不超過0.002 g時(shí)，即認(rèn)為試樣達(dá)到全干。然后將試樣從干燥箱內(nèi)取出放入裝有干燥劑的玻璃干燥器中，蓋好干燥器蓋，待試樣冷卻至室溫后，取出稱量，然后計(jì)算含水率[11]。

1.3.1 煙苗拔取力和拉斷力試驗(yàn) 取生長(zhǎng)狀況良好且營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)未與缽盤脫離的缽苗在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行缽苗拔取試驗(yàn)，測(cè)量試樣的高度、直徑以及含水率。試驗(yàn)前，利用萬能試驗(yàn)機(jī)的夾具夾持煙苗莖稈的上端，人工手持秧苗缽盤，啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)，以100 mm/min速度加載，將煙苗連同營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)一同拉出穴腔，同時(shí)，測(cè)量并記錄拔取力的大小。

拔取力試驗(yàn)完成后，重新選樣，從煙苗營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)表面向上取80 mm，制成煙苗拉斷試驗(yàn)試樣。為防止試驗(yàn)時(shí)試樣被夾持部位受損，首先對(duì)煙苗試樣兩端進(jìn)行包裹軟紙?zhí)幚怼Ｔ囼?yàn)中利用萬能試驗(yàn)機(jī)的夾具夾持在試樣兩端，以100 mm/min速度加載，同時(shí)記錄載荷的大小。

煙苗抗拉強(qiáng)度計(jì)算式為

式中：——抗拉強(qiáng)度，MPa

——破壞載荷，N

——試樣直徑，mm

1.3.2 煙苗徑向壓縮試驗(yàn) 從煙苗營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)表面向上取 40 mm長(zhǎng)莖稈，制成煙苗徑向壓縮試驗(yàn)試樣。測(cè)量試樣的直徑和含水率。試樣夾具采用平面壓塊，將試樣置于球面滑動(dòng)支座中心位置。以 10 mm/min速度加載，記錄破壞載荷。

煙苗徑向抗壓強(qiáng)度計(jì)算式為

式中：——抗壓強(qiáng)度，MPa

——試樣長(zhǎng)度，mm

1.3.3 煙苗軸向壓縮試驗(yàn) 煙苗軸向壓縮試驗(yàn)取樣如圖1所示。測(cè)量試樣的直徑和含水率。試樣夾具采用平面壓塊，將試樣置于球面滑動(dòng)支座中心位置，以10 mm/min速度加載，記錄破壞載荷。

煙苗軸向抗壓強(qiáng)度計(jì)算式為

圖1 煙苗試樣取樣圖Fig.1 Sampling plan of tobacco seedlings

1.3.4 煙苗彎曲試驗(yàn) 從煙苗營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)表面向上取100 mm，分別采用三點(diǎn)彎曲方法（圖2）和懸臂彎曲方法（圖 3）進(jìn)行試驗(yàn)。采用三點(diǎn)彎曲法時(shí)，兩支座間距離為60 mm，壓頭在莖稈的中部施加壓力；采用懸臂彎曲法時(shí)，壓頭與支座的水平距離為 30 mm。試驗(yàn)裝置的支座及壓頭端部的曲率半徑均為10 mm，以50 mm/min速度加載。

圖2 簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)Fig.2 Simply supported beam test

1.3.5 煙苗剪切試驗(yàn) 從煙苗營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)表面向上取70 mm，制成煙苗剪切試驗(yàn)試樣。測(cè)量試樣的直徑和含水率。將試樣置于V型夾具上，剪切試樣中部。以50 mm/min速率加載，記錄破壞載荷。煙苗剪切試驗(yàn)示意圖如圖4所示。

圖3 懸臂梁試驗(yàn)Fig.3 Cantilever beam test

圖4 剪切試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of shearing test

煙苗剪切強(qiáng)度計(jì)算式為：

式中：——剪切強(qiáng)度，Mpa

2 結(jié) 果

2.1 煙苗拔取力和拉斷力

從圖 5可以看出，單株煙苗拉斷力（31.49±12.08）N遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從穴盤中拔出煙苗所需的拔取力（2.09±1.28）N，故采用拔取的方式將煙苗從穴盤中拔出是可行的；煙苗拔取力因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)基質(zhì)與穴盤的黏連程度不同會(huì)有較大變化。從圖6可以看出，隨營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)含水率的升高，拔取力有下降趨勢(shì)，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)含水率達(dá)到58.50%時(shí)，拔取力達(dá)到最小值，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)含水率繼續(xù)增加時(shí)，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)粘滯力增大，拔取力顯著增大。因此，為了更好地從穴盤中拔取煙苗并保證營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的完整性，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的含水率應(yīng)控制在55%～60%。

2.2 煙苗莖稈壓縮

由圖7可知，在一定加載速率下（10 mm/min）壓力隨著位移先是緩慢升高，然后急劇上升，最后達(dá)到平穩(wěn)。在此過程中，煙苗莖稈首先發(fā)生彈性形變，當(dāng)位移在0.5～1 mm時(shí)，煙苗莖稈表皮組織被破壞，隨著位移繼續(xù)增大，當(dāng)壓力達(dá)到120 N時(shí)，煙苗莖稈芯部組織被破壞。

圖5 拔取力和拉斷力Fig.5 The plucking force and the broken pulling force

圖6 拔取力與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)含水率Fig.6 Relationship between the plucking force and the moisture content

圖7 煙苗壓縮試驗(yàn)Fig.7 The relationship between the deformation and the compression

從圖8可以看出，在相同的加載速率條件下，煙苗莖稈的抗拉強(qiáng)度較大，其徑向抗壓強(qiáng)度顯著低于軸向抗壓強(qiáng)度（p＜0.01）。并且，煙苗莖稈下部和中部的軸向抗壓強(qiáng)度沒有顯著性差異（p＞0.05）。當(dāng)采用機(jī)械化取苗裝置從穴腔中拔取煙苗時(shí)，對(duì)煙苗莖稈施加的夾緊強(qiáng)度應(yīng)小于（0.096±0.043）MPa。

圖8 煙苗的力學(xué)物理特性Fig.8 The mechanical properties of the tobacco seedlings

2.3 煙苗莖稈彎曲

在相同的加載速率條件下，測(cè)試簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)、懸臂梁試驗(yàn)中煙苗莖稈的彈性模量。由圖9可知，力均隨位移先增大后減小，且曲線走向一致。由圖中直線段斜率計(jì)算得煙苗莖稈簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)、懸臂梁試驗(yàn)的彈性模量分別為（0.0042±0.0018）MPa、（0.0130±0.0062）MPa。簡(jiǎn)支梁彎曲試驗(yàn)中對(duì)煙苗莖稈的兩端僅用支座進(jìn)行簡(jiǎn)單支撐，在力的作用下很容易產(chǎn)生位移，而懸臂梁彎曲試驗(yàn)中煙苗莖稈的一端被支座夾緊固定，在力的作用下不容易產(chǎn)生位移，故煙苗莖稈簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)彈性模量顯著低于懸臂梁試驗(yàn)彈性模量（p＜0.01）。

由圖 3、4可以看出，煙苗莖稈撓度較大，試驗(yàn)中并沒有出現(xiàn)煙苗莖稈被折斷的情況。這與前人的研究結(jié)果是一致的，即煙苗莖稈柔韌性好，可繞指[12]。

2.4 煙苗莖稈剪切

從圖 10可知，剪切強(qiáng)度隨著位移變化平緩上升后迅速下降。煙苗莖稈在剪切力的作用下首先發(fā)生彈性變形，至煙苗莖稈組織被破壞后剪切強(qiáng)度驟減。位移為2 mm時(shí)，煙苗莖稈在剪切力的作用下，被剪切部位下凹，莖稈兩端翹起，使得剪切強(qiáng)度有小幅度下降趨勢(shì)。煙苗莖稈被切斷時(shí)剪切強(qiáng)度較大，可見煙苗莖稈柔韌性好，不易切斷。

圖9 彎曲試驗(yàn)力-位移曲線Fig.9 The relationship between the deformation and the compression force during bending test

圖10 煙苗剪切試驗(yàn)Fig.10 The shear test of tobacco seedlings

3 小 結(jié)

研究結(jié)果表明，煙苗拔取力隨營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)含水率的增加逐漸降低，當(dāng)含水率達(dá)到58.5%時(shí)，煙苗拔取力達(dá)到最小值（2.09±1.28）N，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的含水率超過60%后，煙苗拔取力迅速增大；移栽時(shí)為更好地從穴盤中拔出煙苗，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的含水率應(yīng)控制在55%～60%。

煙苗的拉斷力為（31.49±12.08）N，遠(yuǎn)大于從穴盤中拔出煙苗所需的拔取力，故采用拔取的方式將煙苗從穴盤中拔出是可行的。

煙苗莖稈抗拉強(qiáng)度為（1.96±0.68）MPa；徑向抗壓強(qiáng)度為（0.096±0.043）MPa；煙苗莖稈軸向抗壓強(qiáng)度中部為（1.20±0.34）MPa、下部為（1.28±0.28）MPa；煙苗莖稈簡(jiǎn)支梁、懸臂梁試驗(yàn)彈性模量分別為（0.0042±0.0018）MPa、（0.0130±0.0062）MPa；剪切強(qiáng)度為（1.64±0.39）MPa。因此，為保證煙苗不受損傷，當(dāng)采用機(jī)械化取苗裝置拔煙苗時(shí)，對(duì)煙苗莖稈施加的夾緊強(qiáng)度應(yīng)小于（0.096±0.043）MPa。

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