番茄苗缽頂取式機械力學特性試驗

劉衛想，姬江濤，金　鑫，王世光，呂黃珍

(1.河南科技大學 農業工程學院，河南 洛陽　471003；2.中國農業機械化科學研究院，北京　100083)

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番茄苗缽頂取式機械力學特性試驗

劉衛想1，姬江濤1，金鑫1，王世光2，呂黃珍2

(1.河南科技大學 農業工程學院，河南 洛陽471003；2.中國農業機械化科學研究院，北京100083)

摘要：取苗成功率和取苗質量除了與取苗機構的結構有關外，苗缽的力學特性也是重要的因素。為此，對番茄苗缽進行了頂出力和抗壓性能試驗，分析了不同基質含水率、頂桿直徑和頂苗速度對頂出率的影響，并通過試驗建立了基質苗在不同含水率下的抗壓力與壓縮量的變化曲線。結果表明：頂苗速度、頂桿直徑和基質含水率對頂出率的顯著性影響程度由大到小依次為B、C、A；隨著基質含水率的上升、頂桿直徑的減小，頂出率會逐漸下降；在含水率為35.09%、頂桿直徑為8mm時，頂出率達到100%；在含水率為57.23%、頂桿直徑為5mm時，頂出率最低，僅為81.25%；基質塊抗壓力隨壓縮量的增加呈加速上升趨勢，在壓縮量到達12mm時，3種含水率下的抗壓力分別為48.89、43.87、35.85N。此研究結果為取苗機構的設計提供了理論依據。

關鍵詞：取苗機構；力學特性；番茄苗缽；頂出力；抗壓力

0引言

隨著國外取苗機構[1-3]的發展，國內一些高校及科研院所也開展了對取苗技術的研究。例如，吉林工業大學范云翔等設計了一種溫室移栽機[4]；浙江理工大學趙勻等通過建立移栽機取苗機構優化數學模型和計算機輔助分析，開發了橢圓-不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機構[5]；中國農業機械化科學研究院研制了一種配合吊杯式移栽機的齒輪—五桿機械式取苗投苗機構[6]；江蘇大學從穴盤苗的力學特性入手，通過試驗對穴盤苗的抗壓特性和蠕變特性進行了分析[7]，并在此基礎上進行了自動取苗末端執行器的相關研究[8]；嚴宵月等研發了整排取苗間隔放苗移栽機[9]；南京農業大學開展了穴盤苗移栽機自動取喂系統的研究[10]；南京農業大學的胡敏娟研制了取苗器的試驗系統[11]；中國農業機械化科學研究院楊傳華開展了基于PLC自動控制技術的缽苗蔬菜移栽機自動輸送裝置[12]及蔬菜穴盤苗自動輸送技術與機構的研究[13]；石河子大學王僑設計了自適應Fuzzy-PID控制器[14]。穴盤苗的自動取苗過程是一個系統工程，無論是秧苗的物理特性，還是基質塊的力學特性都會影響到取苗質量，這是設計取苗機構的重要依據。然而，這些研究主要集中在對取苗機構的研究上，對取苗缽體的力學特性、不同取苗方式對缽體破損率的相關研究還相對較少。

為此，本文選目前應用廣泛的128穴的塑料穴盤為試驗穴盤，以不同基質成分、含水率、填充量、頂桿直徑、頂苗速度及夾持力等為因素，進行頂出和夾持的變形及損失率試驗，來研究穴盤苗的力學特性，為取苗機構的設計提供理論基礎。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

番茄穴盤苗，品種為以色列1918。考慮到取苗效率與取苗機構的空間布置，選用規格為16×8無棱邊128穴可彎卷的聚乙烯塑料穴盤,苗齡分別為50天和52天。基質主要成分及比例為：泥炭70%、珍珠巖15%、蛭石15%。在北京魏善莊蔬菜育苗基地完成育苗，出苗率98%以上，盤根情況良好。隨機取30株進行測量，苗高為12.1～15.8cm，苗徑為2.86～2.32mm，苗高平均值為13.21cm，苗徑平均值為3.08mm。試驗所用基質苗情況如圖1所示。

1.2儀器設備

基于PLC控制的蔬菜穴盤苗自動輸送試驗臺，i2000型電子天平，DZG-6020型真空烘箱，游標卡尺(量程200mm，精度0.02mm)。

美國英特朗公司生產的Instron3367型萬能材料試驗機，用于測量樣品受力時，載荷與位移或時間的變化；載苗臺傾斜角為13°，可使基質苗側面平行于試驗機探頭。

圖1　試驗所用基質苗及其主要形態參數

1.3試驗方法

1.3.1頂出力試驗

選取基質含水率、頂苗桿直徑和頂苗速度3個試驗因素，各試驗因素分別取3個水平。試驗因素與水平如表1所示。

表1　頂出率試驗因素水平表

試驗裝置如圖2所示。頂苗桿的材料為冷拔圓鋼，直徑分別為5、6、8mm并排安裝在試驗臺的頂苗位置上，從左到右依次為4個直徑8mm頂桿、4個直徑6mm頂桿、4個直徑5mm頂桿。

(a)

(b)

(c)

試驗前將所有基質苗澆水至飽和，2h后進行第1次試驗，之后間隔4h做一組試驗，以區分低、中、高3種基質含水率；然后，用干濕質量法測試含水率。試驗后測得每個等級的含水率平均值分別為35.09%、46.17%、57.23%。在每組試驗前，將頂苗機構的轉速分別調整至40、80、120r/min，對應的瞬時取苗速度分別為0.41、0.82、1.23m/s。

采用正交試驗法，選取正交表L9(34)安排試驗方案,對每組進行48次試驗，以頂出成功率為試驗指標，即是否能將苗完全頂出苗穴。

1.3.2基質苗抗壓性能試驗

將基質苗放置于載苗臺上，使基質苗的側面盡量平行于試驗臺的平板探頭，分別進行低、中、高3種含水率的測試，含水率的控制方法與上節相同，其試驗系統如圖3所示。

圖3　基質苗抗壓力試驗系統

試驗時，首先將試驗臺的上平板探頭下降到與基質苗剛剛接觸處，將下降位移(即基質塊的壓縮量)設定為12mm，速度調節至50mm/min，每0.1s采集一次位移和載荷，生成數據點和變化曲線，如圖4所示。

圖4　數據采集結果

2結果與分析

2.1頂出力試驗

試驗安排與結果如表2和表3所示。

由表3可知：頂桿直徑、基質含水率對頂出率的影響為高度顯著，而頂苗速度對頂出率沒有顯著影響；各因素對頂出率的敏感性由大到小依次為B、C、A。對于頂出率的控制，頂桿直徑和基質含水率起到主要作用。

表2　頂出率正交試驗安排與結果

表3　頂出率方差分析

隨著頂桿直徑的減小，頂桿頂端與基質底面的接觸面積減小，頂桿對基質的局部壓強增大，使基質底部產生變形，受力處凹陷，頂桿插入到基質苗當中，無法克服基質塊與孔壁的附著力將基質苗頂出。在含水率較低時，頂桿直徑對頂出率的影響差異不大，均能有較高的頂出成功率(≥93.75)。但是，在含水率較高時，這種差異變得非常明顯，直徑5mm頂桿和6mm頂桿的頂出成功率分別為81.25%和83.33%。分析其原因：隨著基質含水率的上升，缽體的剛性降低，頂桿更容易插入到基質中，甚至沒有生長在缽體中心的基質苗會被穿透，如圖5所示。所以在移栽機頂苗部件的設計中，在保證苗盤輸送及頂苗位置精度的前提下，應盡量將頂桿直徑設計大些。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　(b)

2.2基質苗抗壓性能試驗

試驗后每種含水率取10個樣品進行含水率測定，分別測得3種基質含水率的平均數為27.09%、43.1%、56.61%。根據位移載荷試驗測定的結果，導出試驗數據，繪制不同含水率下基質塊抗壓力與壓縮量的關系曲線，如圖6所示；關鍵點數據結果如表4所示。表4中關鍵數據點為每個含水率隨機取10株基質苗在各個時間點的平均數，總數據點共有145個。

對3種基質含水率下，基質塊的載荷與壓縮量的數據進行多項式回歸，得到載荷與壓縮量之間的關系式：

1)低含水率(27.07%)為

F=0.0423x3-0.4974x2+3.9445x-2.065

R2=0.9297

2)中含水率(43.1%)為

F=0.0217x3-0.1311x2+1.9269x-1.0778

R2=0.9324

3)高含水率(56.61%)為

F=0.0236x3-0.1519x2+1.4807x-2.7278

R2=0.9049

3種含水率下的決定系數R2分別為0.929 7、0.932 4、0.904 9，相關性系數遠大于其臨界值[rmin]=0.159。根據測定的結果和擬合的曲線得出3種含水率的載荷-壓縮量曲線的趨勢較為接近，都是隨著壓縮量的逐漸增大，基質塊的抗壓力隨之增大。在壓縮量小于4mm時，曲線上升較為平緩，說明基質塊在不斷被壓實；當壓縮量為4mm時，3種含水率下基質的抗壓力分別為8.57、5.75、4.21N，差別相對較小；在此之后，抗壓力隨著壓縮量的增大而顯著增大，符合生物質的壓實硬化特性；在壓縮量到達12mm時，3種含水率下的抗壓力分別為48.89、43.87、35.85N，差別逐漸增大。

(a)　低含水率(27.07%)

(b)　中含水率(43.1%)

(c)　高含水率(56.61%)

試驗中發現：含水率較低的基質塊在受壓之后缽體容易發生破裂、坍塌，而含水率較高的基質塊取保持了較好的完整性，如圖7所示。這主要是由于含水率較低時，基質塊邊緣受擠壓后，顆粒之間的粘結狀態發生斷裂，沒有水分的存在，基質顆粒難以聚合在一起，所以在較低含水率時，基質塊邊緣容易發生脫落、坍塌，但是中部由于盤根作用，依然能有較高的抗壓力。

表4　抗壓力-壓縮量試驗關鍵數據點結果

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

3結論

1)試驗結果表明：頂苗速度、頂桿直徑和基質含水率對頂出率的顯著性影響程度由大到小依次為B、C、A；隨著基質含水率的上升、頂桿直徑的減小，頂出率會逐漸下降。在含水率為35.09%、頂桿直徑為8mm時、頂出率達到100%；在含水率為57.23%、頂桿直徑為5mm時，頂出率為81.25%。

2)含水率分別為35.09%、46.17%、57.23%下的基質抗壓力隨壓縮量的增加呈加速上升趨勢。在壓縮量到達12mm時，3種含水率下的抗壓力分別為48.89、43.87、35.85N。并且較低的含水率具有較好的抗壓特性，但較低含水率的基質塊在受壓后在沒有根系纏繞包裹基質邊緣的部位容易出現坍塌、斷裂等現象，較高含水率的基質在受壓后雖然受壓變成扁狀，但卻能依然保持較好的完整性。

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Mechanical Properties Test of Tomato Seeding in Process of Push-out and Clamping

Liu Weixiang1， Ji Jiangtao1， Jin Xin1， Wang Shiguang2，Lv Huangzhen2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;2 Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：Besides the structure factor of pick-up seedling mechanism, the mechanical properties of seeding was also important factor. Push-out force and compressive properties test of tomato seedling was made in order to analyze the influence rule of the factors of water content, diameter of mandril,and push-out speed on push-out rate. And got the changing curve between compressive resistance and compression of seedling pot in the different water content.The results showed the moisture content and mandril diameter had significant effect on the push-out rate, but the push-out speed had no significant effect on it. The push-out rate decreased with the incerease of moisture content and the decrease of mandril diameter.The push-out rate achieve 100% was substrate at 35.09% moisture content, meanwhile the mandril diameter was 8mm. The push-out rate was only 81.25% when substrate at 35.09% moisture content, meanwhile the mandril diameter was 5mm. Compressive resistance of the capacity was accelerated increasing with the increase of compression, and the pressure force was 48.89N, 43.87N, 35.85N when the compression reach 12mm at the three moisture content. The study results provided the theoretical basis for the the pick-up seedling mechanism.

Key words：pick-up seedling mechanism; mechanical properties; tomato seedling; push-out force; compressive resistance

文章編號：1003-188X(2016)07-0202-05

中圖分類號：S223.92

文獻標識碼：A

作者簡介：劉衛想(1990-)，女，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)lwx326@163.com。通訊作者：金鑫(1986-)，男，河南新縣人，講師，博士研究生，(E-mail)jx771@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51505130)；河南省教育廳科技攻關項目(13A460234)；河南科技大學青年基金項目(2015QN004)

收稿日期：2015-09-19