活動苗盤脫苗力學分析及粘附力影響因素試驗研究

馮世杰，顏 波，全 偉，吳明亮,3

活動苗盤脫苗力學分析及粘附力影響因素試驗研究

馮世杰1,2，顏 波1，全 偉1，吳明亮1,3※

（1. 湖南農業大學工學院，長沙 410128； 2. 信陽農林學院園藝學院，信陽 464000；3. 湖南現代農業裝備工程技術研究中心，長沙 410128）

為解決缽苗移栽過程中，因苗缽與苗盤間粘附力導致取苗過程中苗缽破損，進而影響取苗成功率及栽后幼苗長勢的問題，對活動苗盤開啟脫苗時苗缽和苗盤側板進行受力分析并對苗缽與側板間粘附力影響因素進行研究。發現苗缽粘附力與苗盤開啟峰值力之間存在正相關關系，苗盤側板傾角與苗缽粘附力呈負相關關系，苗盤開啟部件速度和基質含水率與苗缽粘附力呈正相關關系。為進一步研究各因素對苗缽粘附力的影響規律，以苗盤開啟峰值力表征苗缽粘附力作為優化指標，以苗盤側板傾角、苗盤開啟部件速度和基質含水率為試驗因素，利用響應曲面方法進行優化試驗設計，同時測算各試驗組合中苗缽基質損失率。當苗盤側板傾角為9.24°、基質含水率為55%、苗盤開啟部件速度為7.98 mm/s時，苗盤開啟峰值力可以達到最小值6.97 N，即苗缽與側板間粘附力達到最小值；應用優化后調整的參數進行的驗證試驗表明：苗盤脫苗開啟峰值力最小值為7.12 N，相對預測值誤差為2.1%，苗缽基質損失率為3.14%，相較于優化前最低4.39%的基質損失率，基質損失率明顯降低，證明了粘附力變化影響苗缽基質損失率。該研究結果可為進一步研究缽苗移栽過程中基質損失機理提供理論支撐。

機械化；移栽；優化；苗盤；開啟峰值力；粘附力；試驗

0 引 言

缽苗機械移栽是現代農業的一種種植方式，它可以增加復種指數、提高幼苗的質量和成活率，在提高農業生產效益中具有不可替代的作用[1-3]。

現有缽盤育苗移栽過程中，存在苗缽基質損失率高及由基質損失導致取苗不成功等問題[4-5]。針對這些問題國內學者進行了大量的研究，其中韓綠化等[6-10]通過對苗缽本身的力學特性進行研究來降低苗缽破損率，提高取苗成功率；高國華等[11-15]通過設計新型取苗爪并優化其工作參數來降低苗缽破損、提高取苗成功率；金鑫等[16-19]通過設計新型取送苗機構來降低基質損失率、提高取苗成功率；蔣蘭等[20]建立移栽過程中苗塊的動力學模型，研究毯狀苗基質脫落的主影響要因素。

上述研究均直接或間接的將苗缽與苗盤間的粘附力視為取苗過程中苗缽基質損失的一個影響因素。任露泉等[21-24]研究發現，土壤粘附力受土壤含水率、土壤與非土材料之間的正壓力、土壤與非土材料分離速度等因素影響。本研究希望通過對苗缽與苗盤間粘附力影響因素的研究，尋求通過降低苗缽與苗盤間粘附力來解決取苗過程中苗缽基質破損的問題?；诖?，本文在已有活動苗盤及相關試驗研究基礎上[25-26]，取活動苗盤單個缽體為研究對象（簡稱單缽苗盤），用橡膠圈代替原活動苗盤中的扭力彈簧，對單缽苗盤脫苗過程中粘附力及其影響因素進行試驗研究，獲取脫苗過程中最小粘附力產生的參數組合，為取苗過程中苗缽基質損失機理的研究提供理論支持。

1 單缽苗盤脫苗開啟過程及力學分析

1.1 單缽苗盤脫苗開啟過程

圖1為單缽苗盤和苗盤開啟部件。脫苗時單缽苗盤（圖1a）的Ω形側板在開啟部件（圖1b）的短推板作用下克服橡膠圈的束縛力繞連接支撐軸外擺，直至完全開啟；隨后在繼續上行的短推板作用下Ω形側板繼續保持完全開啟狀態；當開啟部件的長推板與T形側板相作用時，T形側板克服橡膠圈的束縛力繞連接支撐軸外擺，直至單缽苗盤缽穴形狀由倒四棱臺變成四棱柱，此時苗缽和苗盤完全分離，脫苗過程結束。

1.軸套 2.連接支撐軸 3.T形側板 4.橡膠圈 5.Ω形側板 6.長推板 7.短推板 8.正方形底板

1.Shaft sleeve 2.Connection support axis 3.T shape side plate 4.Rubber ring 5.Ω shape side plate 6.Long push plate 7.Short push plate 8.Square bottom plate

注：1、、11為推板矩形部分寬度，m；為推板梯形部分高度，m；1為短推板的高度，m；2為長推板的高度，m；、11為推板頂部寬度，m；、11為推板與側板初始接觸點；為推板梯形部分傾角，(°)。

Note:1,,11are rectangular portion widths of push plate，m;is height of trapezoidal part of push plate, m;1is height of short push plate, m;2is height of long push plate, m;,11are widths of push plate top, m;,,1,1are starting points of contact between push plate and side plate;trapezoidal inclination of push plate, (°).

圖1 單缽苗盤和苗盤開啟部件結構示意圖

Fig.1 Structure diagram of singlepot movable tray and opening parts

1.2 單缽苗盤脫苗開啟過程力學分析

通過對苗盤開啟過程分析可知，脫苗過程中苗盤所受到的力在Ω形側板開啟時、Ω形側板開啟后和T形側板開啟時這3個時刻最具代表性，受力分析如圖2所示。依據苗盤設計值[26]，苗盤缽穴上口寬=55 mm，側板上下邊距離=55 mm（圖2b），當相對兩側板繞連接支撐軸內擺至下邊相交時，側板傾角取最大值，由幾何關系得max=30°，即側板傾角取值范圍為：0＜＜30°。受力分析中，忽略了連接支撐軸和軸套形成的鉸接點處的相關力。

1.2.1 脫苗過程中Ω形側板開啟時刻受力

脫苗過程中Ω形側板開啟受力指脫苗時上行短推板的1、1兩點與Ω形側板接觸時刻的受力（1、1兩點受力相同，取1點分析），如圖2a所示。支持力1垂直于短推板斜面；1在水平方向分量為F1，豎直方向分量為F1；F在Ω形側板上的作用點為Ω形側板與苗缽接觸面的幾何中心處，F垂直于側板指向苗缽。在開啟部件作用下Ω形側板克服橡膠圈的彈力F1和粘附力F繞連接支撐軸外擺，至短推板的1、1兩點與Ω形側板接觸，此時Ω形側板完全開啟，此時單缽苗盤中的苗缽與T形側板保持相對靜止。要使Ω形側板順利開啟，其擺動切線方向的合力方程為

注：F為苗缽對側板的壓力，N；F為苗缽對側板粘附力，kPa；F1、F2、F3為橡皮圈3個不同長度時拉力，N；F為苗缽對側板的摩擦力，N；13為推板對側板支持力，N；F為推板與Ω形側板間的摩擦力，N；1為Ω形側板開啟時短推板向上推力，N；2為Ω形側板開啟后短推板向上推力，N；3為T形側板開啟時長推板向上推力，N；F1、F3為13的切向分量，N；F1、F3為13的法向分量，N；F1、F3為1、3在水平方向分量，N；F1、F3為1、3在豎直方向分量，N；F為短推板對開啟后Ω形側板的支持力，N；為側板傾角，(°)；1為苗缽的重力，N；2為單塊側板的重力，N。

Note:Fis pressure of seedling pot against side plate, N;Fis adhesion force between soil matrix and side plate, kPa;F1,F2,F3are tension of rubber ring at three different lengths, N;Fis friction of seedling pot against side plate, N;1,3are supporting force of push plate against side plate，N; Fis friction between push plate and Ω shape side plate，N;1isthrust of short push plate against Ω shape side plate, N;2is thrust of short push plate against after Ω shape side plate opening, N;3is thrust of long push plate against T shape side plate, N;F1,F3are tangential components of1,3, N;F1,F3are normal components of1,3, N;F1,F3are level components of1and3，N；F1,F3are vertical components of1,3，N；Fis supporting force of short push plate against after Ω shape side plate opening，N；is side plate angle, (°);1is weight of seedling, N;2is weight of single side plate, N.

圖2 苗盤脫苗過程受力分析

Fig.2 Force analysis of detaching process of seedling from movable tray

據參考文獻[21]可知=60°，對式（1）整理得

由于Ω形側板開啟時1=4F1=41cos，所以此時開啟部件豎直方向推力最小值為