胡 靜，韓綠化，溫貽芳，于 霜，儲建華，楊 揚

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，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：①縮短蔬菜生長周期，有利茬口安排，提高土地利用率，增加經(jīng)濟收入；②移栽后作物幼苗根系發(fā)達、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械，長期以來蔬菜幼苗移栽作業(yè)一直以人工為主，勞動力成本占蔬菜生產(chǎn)成本的50%以上。雖然國內(nèi)已研發(fā)鉗夾式、鏈夾式、吊籃式、導苗管式、輸送帶式等移栽機[1]，但這些移栽機處于半自動作業(yè)水平。工作時，由人工分苗后，將秧苗投入到栽植器進行栽插入土，受人工操作影響，作業(yè)效率低，而且長期工作，人力消耗大。

目前，主要研究熱點是穴盤苗自動移栽機，集中在取苗機構(gòu)的設計和研發(fā)上[2-6]。通過機構(gòu)尺度綜合，配合虛擬仿真和試驗設計，優(yōu)化出合理的取苗軌跡，得到最優(yōu)取苗機構(gòu)參數(shù)組合，實現(xiàn)自動取苗要求，再配置到半自動移栽機上，實現(xiàn)穴盤苗自動移栽機研發(fā)。因此，所設計的取苗機構(gòu)僅僅滿足特定的試驗情況，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、蠕變等力學特性研究一直備受關(guān)注，這些力學特性研究為設計制造有關(guān)的種植、收獲、加工和品質(zhì)檢測等農(nóng)業(yè)機械和系統(tǒng)提供了設計依據(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，自動移栽時應采取不同的夾取策略，以適應自動高效取苗要求。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象，測試分析穴盤苗的力學特性，探討其共性與個性特點，充分認識茄果類蔬菜穴盤苗，為自動移栽機取苗機構(gòu)研發(fā)提供對象特性參數(shù)的設計依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗于2016年9-10月在江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)重點實驗室進行。育苗對象為津優(yōu)1號黃瓜、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)填充前潤濕，用平板輻條輕刮多余的基質(zhì)，采用穴盤疊加壓實基質(zhì)，利用點穴器對穴壓窩，手工播種，表面覆蓋一層蛭石。種子播種后澆透水，放進溫室催芽，環(huán)境溫度控制在25～30℃。當種子開始萌發(fā)出土時，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)濕潤程度澆水，第20天進行營養(yǎng)灌溉，營養(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。試驗前對穴盤苗澆水浸透，保證試驗時含水率均勻一致。采用干濕重法測缽體的含水率，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%。

試驗儀器為WDW350005微控電子萬能試驗機，可根據(jù)GB、ASTM、JIS、DIN等標準進行拉伸、壓縮、剪切、撕裂等實驗，能檢測出試樣的屈服強度、抗拉(壓、彎)強度、定伸強度及彈性模量等參數(shù)，儀器精度±0.5%，由微機控制，自動完成加載與卸載，以及數(shù)據(jù)采集與分析。

1.2 試驗方法

測試缽體與穴盤孔穴的黏附特性，將穴盤固定在測試臺上，采用附著橡膠皮墊的夾具柔性夾住秧苗莖干拉拔穴盤苗，測試從穴盤中成功夾苗拉拔出缽體的力學特性。試驗時，加載速度為1mm/s(準靜態(tài)加載)，每一個試驗對象測試20個試樣。

缽體抗壓試驗采用平板壓縮方式，將缽體安放在試驗臺架上，調(diào)整位置角度，使試驗機平板垂直下降時對缽體均勻加載，測試12mm壓縮深度下的試驗力與位移的關(guān)系，分析不同壓縮量下缽體的抗壓力學特性，加載速度為1mm/s。每一個試驗對象測試20個試樣。

幼苗莖葉拉伸試驗采用夾具夾緊拉斷，測試幼苗莖、葉的拉伸破壞力，測量拉斷處截面面積，加載速度為1mm/s。同缽體黏附試驗一樣，夾具內(nèi)側(cè)固定橡膠皮墊柔性夾緊試樣。每一個試驗對象測試20個試樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 穴盤苗缽體拉拔力學試驗

通過從穴盤中成功夾苗拉拔出缽體的力學測試，得到穴盤苗缽體與穴盤孔穴黏附特性，典型的試驗力-位移曲線如圖1所示。

圖1 穴盤苗缽體黏附試驗力-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測試分3個階段：①D1段為夾苗拉拔穴盤苗掙脫孔穴黏附的過程，從測試點開始到最大試驗力Fmax處，夾苗拉拔缽體的試驗力與測試位移呈非線性變化規(guī)律。在此過程中，隨著夾苗拉拔試驗的進行，幼苗枝葉在拉伸作用下有所延展，通過力學傳遞，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。當達到最大測試試驗力Fmax時，穴盤苗缽體掙脫穴盤孔穴的黏附作用。若此時穴盤苗缽體保持整體性，則為成功取苗，定義最大試驗力Fmax為穴盤苗缽體黏附試驗拉拔力FL。②D2段為對穴盤苗拉拔實現(xiàn)完全脫離穴盤孔穴黏附的過程，在此過程中，穴盤苗缽體進一步擺脫穴盤孔穴的黏附作用，同時秧苗枝葉也會相互糾纏，試驗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，測試試驗力保持恒定數(shù)值FG，這個試驗力為幼苗枝葉、根系和缽體重力的合力。通過試驗測試，得到不同茄果類穴盤苗缽體黏附試驗的拉拔力，如表1所示。

表1 穴盤苗缽體黏附試驗

由表1可以看出：不同穴盤苗缽體黏附試驗獲得的拉拔力不同，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。

對穴盤苗缽體進行靜力分析，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)

設定穴盤苗缽體的重力為G，在缽體外圍側(cè)面上對穴盤孔穴產(chǎn)生接觸彈力N(認為缽體四側(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)；對所用穴盤測量，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，這里忽略不計支撐彈力N0作用。利用式(3)計算得，在缽體外圍側(cè)面上對穴盤孔穴產(chǎn)生接觸彈力N1=0.053N，總摩擦力Ff=0.106N。通過以上計算分析可得，采用穴盤育苗時，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測試得得的拉拔力(見表1)遠遠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還受其它力作用。

實際上，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，只有當夾持機構(gòu)產(chǎn)生的垂直方向夾取力大于同方向的黏附力時才能將穴盤苗夾取出來。

2.2 穴盤苗缽體抗壓試驗

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，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。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，表明育苗對象對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

穴盤苗自動移栽過程中，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。對于穴盤苗自動移栽而言，夾取針緊緊抓住穴盤苗幼苗有利于取苗，但抓取力過大會傷苗，對穴盤苗后期生長不利。因此，自動取苗的傷苗率是一個重要的參數(shù)。物料的破壞強度值為

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，對于黃瓜穴盤苗自動移栽，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)計算，得到黃瓜、辣椒、茄子3種穴盤苗莖干拉伸破壞強度平均值分別為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)計算，得到黃瓜、辣椒和茄子3種穴盤苗葉子拉伸破壞強度平均值分別為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。對于新老葉子，其拉斷破壞強度不同，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，所以在設計夾持器夾持和推苗裝置時，應留足幼苗植株空間，讓出幼苗。

3 結(jié)論與討論

1)通過缽體黏附試驗及對缽體進行受力分析，得知在機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，只有當夾持機構(gòu)產(chǎn)生的垂直方向夾取力大于同方向的黏附力時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)對于黃瓜、辣椒和茄子3種穴盤苗，在所測試的含水率和壓實度下，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，應改善育苗農(nóng)藝，保證缽體抗壓能力的同時，對于大黏附力的穴盤苗采取相應措施減弱穴盤孔穴對穴盤苗缽體的黏附作用，也可以適當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，提高自動取苗機構(gòu)的適應性。

3)穴盤苗拉伸試驗表明：黃瓜穴盤苗更容易拉斷，新葉和幼苗頂部容易破壞。在設計取苗機構(gòu)、夾持器和推苗裝置時應考慮必要的避苗措施，以提供足夠大的空間讓出幼苗植株。對于辣椒、茄子等莖干比較堅硬的穴盤苗，可以設計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。

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