關(guān)鍵詞：水稻；缽苗；力學(xué)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(jī)械化栽培重點(diǎn)方向[2-3]。為培養(yǎng)適合于機(jī)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(jī)和缽苗移栽機(jī)[4]。

水稻缽苗移栽機(jī)主要發(fā)展方向是通過對國外栽植法引進(jìn)與參考[5-7]。國內(nèi)研制缽苗移栽機(jī)主要采用雙曲柄五桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)缽苗移栽，作業(yè)時(shí)夾秧片尖點(diǎn)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(zhuǎn)保證機(jī)構(gòu)在軌跡關(guān)鍵位置取秧夾片張開與閉合，實(shí)現(xiàn)取秧、帶苗及插秧動作。水稻缽苗移栽機(jī)利用推秧機(jī)構(gòu)將缽苗從缽盤底部整排頂出，由接秧機(jī)構(gòu)將缽苗進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，整排缽苗被送至橫向分秧機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、輸送和栽植4個(gè)動作[8-10]。缽苗移栽機(jī)作業(yè)時(shí)由于操縱器與缽苗交互作用，機(jī)械裝置工作參數(shù)與秧苗力學(xué)特性等因素有關(guān)，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(dǎo)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(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與苗缽力學(xué)性能密切相關(guān)。為實(shí)現(xiàn)水稻缽苗自動移栽機(jī)高效取秧，研究水稻穴盤缽苗缽體力學(xué)特性具有重要意義[11-15]。

國內(nèi)外很多研究主要針對蔬菜自動移栽機(jī)取苗、栽植相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及對穴盤苗缽力學(xué)特性進(jìn)行分析[16-17]。高國華等[18]設(shè)計(jì)斜入式穴盤苗移栽手爪，以紅掌穴苗為對象開展試驗(yàn)，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(shè)計(jì)輸送帶式缽苗分苗裝置，以油菜缽苗為對象開展試驗(yàn)，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(yùn)送平穩(wěn)和缽體完整的要求。童俊華等[20]設(shè)計(jì)可調(diào)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(yàn)，探討影響抓苗移栽可靠性的因素，優(yōu)化了移栽機(jī)器人對指針夾持苗垛的參數(shù)。目前對自動移栽機(jī)的研究主要集中于經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，而對穴盤缽體力學(xué)特性研究大多著眼于不同作物品種的力學(xué)特性試驗(yàn)、解決種植缽體損傷和維護(hù)其完整性等方面，圍繞水稻穴盤秧苗和基于苗缽機(jī)械性能的自動移栽機(jī)械裝置參數(shù)優(yōu)選研究鮮有報(bào)道。

為研究水稻穴盤秧苗缽體力學(xué)特性對減少缽苗移栽時(shí)缽體損傷、保證苗缽?fù)暾缘囊?guī)律，優(yōu)化移栽機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以培雜泰豐雜交稻種為試驗(yàn)材料，利用2SJB-500型水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線進(jìn)行精密播種，對秧苗生長質(zhì)量進(jìn)行考察，利用TA-XT2i型質(zhì)地分析儀，先后進(jìn)行平板壓縮、加卸載和蠕變試驗(yàn)，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(xué)分析

為研究水稻穴盤缽苗缽體力學(xué)特性對減少缽苗移栽時(shí)缽體損傷、保證苗缽?fù)暾缘囊?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(nèi)壁插入秧盤穴格，當(dāng)夾片插入到苗缽深度d時(shí)，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(jìn)行力學(xué)分析，兩側(cè)面受力如圖1所示。其中，兩片取苗夾片與缽體側(cè)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(zhì)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(rèn)為缽體兩側(cè)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=μN(yùn)1=Ff2=μN(yùn)2，其中μ為靜摩擦系數(shù)。

穴盤苗穴栽時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)致取苗夾片無法夾取缽體。TINGKC等[21]研究表明，穴盤的結(jié)構(gòu)特征及苗齡的影響使幼苗根系附著于穴孔內(nèi)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(dǎo)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(yàn)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(zhì)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(zhì)。選用廣州生升農(nóng)業(yè)公司配制的水稻育秧基質(zhì)，成分有泥炭、蛭石、椰糠、黏土、生長調(diào)節(jié)劑和專用肥。pH值5.0～6.0，有機(jī)質(zhì)含量gt;45%。

2.2 試驗(yàn)儀器

（1）101-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京耐恒檢測設(shè)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(xué)工程學(xué)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(jìn)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(diào)控。

（4）TA-XT2i型質(zhì)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(shè)備和輕型葉片測試設(shè)備。

2.3 樣本制備

（1）稻種用清水選種后，用小型智能催芽機(jī)恒溫催芽，芽長≤2mm，含水率達(dá)到24%進(jìn)行播種試驗(yàn)。

（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(yàn)共30盤。

（3）試驗(yàn)前2～3d適當(dāng)減少澆水，降低溫度，進(jìn)行煉苗處理。缽苗根系盤結(jié)、缽?fù)翂K不松散，缽苗盤面不串根，認(rèn)為完成育苗工作，樣本制備完畢。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 秧苗生長質(zhì)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(jì)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(jì)算3種出苗率。

（3）秧苗素質(zhì)。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(rèn)缽苗品質(zhì)。

2.4.2 苗缽含水率測定

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

2.4.3 力學(xué)特性試驗(yàn)

利用TA-XT2i型質(zhì)地分析儀對缽體進(jìn)行平板壓縮、加卸載循環(huán)和蠕變試驗(yàn)。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(fù)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(gè)壓縮量反復(fù)10次，蠕變試驗(yàn)測試1、2、3、4和5N各個(gè)加載力下的缽體蠕變特性，每個(gè)測試力維持時(shí)間30s，反復(fù)10次。

3 結(jié)果與分析

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

3.1 生長質(zhì)量試驗(yàn)

播種后第8、12、16和20天，挑選5個(gè)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(yàn)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(shí)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(jì)與計(jì)算出苗率、成苗率和小苗率，試驗(yàn)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(gè)缽體，觀測葉齡，使用精度0.02mm游標(biāo)卡尺測量苗高、苗莖寬，計(jì)算壯苗指數(shù)，數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2 含水率試驗(yàn)

播種后第20天，選擇出苗整齊的3盤秧苗進(jìn)行試驗(yàn)，每盤任意抽選30株，用游標(biāo)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(jī)選取5株缽苗，裁掉上端秧苗，采取干濕質(zhì)量法測定缽體的含水率。對5株缽苗編號并記錄對應(yīng)缽體干、濕質(zhì)量，得出含水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示，含水率35.76～54.08%。

3.3 抗壓特性試驗(yàn)

采用平板壓縮對缽體力學(xué)特性進(jìn)行測定，選擇P50平板探頭，圖4為TA-XT2i型質(zhì)地分析儀加載情況，圖5為加載速度1mm/s時(shí)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(guān)系如式（6）所示，決定系數(shù)R2=0.996，缽體受壓時(shí)抗壓力與變形關(guān)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(jìn)行求導(dǎo)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(dāng)其lt;3.15mm，抗壓力增加緩慢，體現(xiàn)屈服軟化；當(dāng)其gt;3.15mm，抗壓力增加顯著，體現(xiàn)壓實(shí)硬化?？蓪?.15mm點(diǎn)定義為屈服點(diǎn)，記為A，此時(shí)抗壓力6.76N，B點(diǎn)對應(yīng)正切斜率K0=6.66，曲線AB段割線斜率K1=2.11，可得屈服點(diǎn)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(dāng)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(zhì)復(fù)合型特性，利用此特性方便移栽時(shí)從穴盤孔夾取缽體。

3.4 加卸載特性試驗(yàn)

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(guān)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(xué)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(fù)程度，表示缽體彈性恢復(fù)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(dāng)壓縮變形量在2～4和4～6mm區(qū)間增加時(shí)，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(nèi)化為缽體結(jié)構(gòu)各組分之間的形變強(qiáng)化能，體現(xiàn)在缽體結(jié)構(gòu)夯實(shí)，表明穴盤缽苗缽體在加卸載過程中塑性應(yīng)變耗能增加，展現(xiàn)較強(qiáng)塑性變形特性。針對5種壓縮量下的彈性度，當(dāng)缽體壓縮變形成倍增加時(shí)，其壓縮彈性恢復(fù)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(diǎn)。在水稻穴盤缽苗機(jī)械化、自動化移栽過程中，在取缽苗時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(nèi)的黏附力，應(yīng)適當(dāng)增大夾緊功效變形量，讓缽體在適宜范圍內(nèi)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(yàn)

3.5.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用單因素重復(fù)試驗(yàn)方法，其他可控因素假設(shè)一致。對1、2、3、4和5N這5種加載力下的缽體蠕變特性進(jìn)行測試，每一個(gè)試驗(yàn)力持續(xù)時(shí)間30s，記錄每組試驗(yàn)力下缽體應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系對應(yīng)，結(jié)果如圖10所示。

3.5.2 結(jié)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(gòu)方程

由圖11可知，當(dāng)伯格斯四元件模型受瞬間拉應(yīng)力σ0時(shí)，首先發(fā)生應(yīng)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(yīng)變，黏性元件ηkV也因黏滯性影響未發(fā)生應(yīng)變；當(dāng)蠕變開始時(shí)，在恒力作用下開爾文體和黏性元件ηkV開始發(fā)生應(yīng)變；當(dāng)載荷卸除時(shí)，彈簧元件Ek0瞬間恢復(fù)到ε0=0狀態(tài)，而彈簧元件Ek受黏滯作用緩慢恢復(fù)至初位置，但黏性元件ηkV由于無應(yīng)力作用無法恢復(fù)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)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(guān)系數(shù)R2來測評Burgers模型的擬合程度，當(dāng)R2數(shù)值越接近1時(shí)，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(shí)測曲線對比，R2都在0.99以上，說明Burgers模型能夠準(zhǔn)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(shí)彈性系數(shù)、延遲時(shí)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(qiáng)。在瞬時(shí)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(zhì)粒之間在壓縮加載情況下相互滑動的不協(xié)調(diào)性，以及對植物根系包裹作用的影響不均勻性。在1s內(nèi)，當(dāng)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(yàn)結(jié)果也表明缽體內(nèi)基質(zhì)粒間的黏彈性流變不明顯。

4 多種苗缽力學(xué)特性對比試驗(yàn)

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(yàn)測試對象，進(jìn)行平板壓縮試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每種穴盤缽苗選取20個(gè)缽體樣本，試驗(yàn)結(jié)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(guān)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(jié)果相似。對于缽苗自動移栽機(jī)要求取秧機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)在移栽取秧時(shí)適應(yīng)這種差異性。因此，針對抗壓力不足的缽體，應(yīng)對育苗措施適宜改進(jìn)，使缽體在壓縮加載變形過程中表現(xiàn)較強(qiáng)的抗壓能力，也可在適當(dāng)范圍內(nèi)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(jié)束語

（1）以培雜泰豐雜交稻種為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)時(shí)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(yàn)結(jié)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(diǎn)。當(dāng)加載力為1、2、3、4和5N時(shí)，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(diǎn)。穴盤缽苗缽體面對外界加卸載時(shí)表現(xiàn)較強(qiáng)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(yīng)的黏彈性參數(shù)。分析多種稻種穴盤缽體力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，不同穴盤缽苗缽體的抗壓力與變形關(guān)系遵循非線性曲線。