穴盘苗自动取苗装置的物料特性分析

张振国　张学军　曹卫彬等

摘要：为了设计机构合理的穴盘苗自动移栽机取苗装置，以新疆地区大面积种植的石番36番茄穴盘苗为试验对象，对穴盘苗的苗高、株高、叶面展幅、茎粗等形态参数和穴盘苗的基质含水率、不同含水率的翻转比、摩擦角以及穴盘苗的基质顶出力和抗压力等物理特性进行了测定。研究结果，穴盘苗壮苗的平均株高为181.2 mm，叶面展幅 99.4 mm，茎粗3.3 mm，真叶片数3～5张；经过试验验证，得出基质含水率的适宜范围为25%～35%，基质顶出力的范围为1.2～3.0 N，基质抗压力的范围为1.5～6.0 N，摩擦角的范围为30°～40°，含水率为30%时穴盘苗的翻转比范围为9.6～15.0。

关键词：穴盘苗；自动取苗；物料特性

中图分类号： S223 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）03-0348-04

新疆是我国重要的番茄生产基地，目前的番茄种植主要以人工取苗移栽为主，人工取苗具有效率低、劳动强度大、成本高等缺点，自动取苗移栽是提高番茄种植效率、扩大番茄种植面积的方法之一。随着经济社会的进步，穴盘育苗移栽已成为新疆地区农业种植的重要部分。随着农业产业结构调整，农业劳动力紧缺，人工移栽成本随着劳动力的转移越来越高。新疆地处我国西北地区，冬季寒冷干燥、无霜期短，农作物不宜早播。新疆是世界第二大番茄酱产区，新疆地区大部分番茄酱厂规模较小，吞吐量有限。收获期大量番茄积压，造成番茄腐烂，给农民造成很大的经济损失。因此，番茄移栽可使番茄成熟期错开，以便番茄酱厂更好解决处理番茄能力有限的问题[1-5]。

为了减小取苗过程中对穴盘苗的损失，必须对穴盘苗的物料特性进行研究。目前，国内学者对取苗末端执行器的研究主要集中在取苗装置的研发上[6-10]，仅仅实现了取苗的基本要求，无法将取苗装置与穴盘苗本身的物料特性有效结合起来进行分析设计。缪小花等以黄瓜穴盘苗为对象，测试拉拔力，运用正交试验分析填充量、基质成分体积比、含水率对拉拔力及钵体抗压性能的影响，进行取苗末端执行器夹取的设计[11]。韩绿化等通过对穴盘苗进行夹苗拉拔试验、钵体摩擦试验、钵体平板压缩抗压试验，研究分析了与自动移栽相关的穴盘苗力学特性，为自动取苗末端执行器机构设计提供依据[12-13]。宋建农等通过对水稻穴盘秧苗的抗拉力学特性和穴盘拔秧性能的试验研究，为水稻穴盘秧苗拔秧机构的设计提供理论依据[14]。张丽华等通过对移栽对象特性的分析，对指针夹紧式穴盘苗移栽爪进行了设计[15]。上述研究的物料都不是新疆地区大面积移栽种植的番茄、棉花和线辣椒等作物。

本研究重点对新疆本地种植的番茄穴盘苗的物料特性进行研究，以期为适合新疆地区穴盘苗自动取苗装置自动取喂苗提供理论参考。

1 取苗装置的基本组成及工作原理

1.1 取苗装置的基本组成

石河子大学机械电气工程学院研制的穴盘苗自动取苗装置见图1[16]。自动取苗装置是利用机械代替人工取苗完成自动取苗的一种机构[17]，是由机架、输送带支架调节架、带支架、输送带、投苗板、顶苗装置、顶杆导轨、顶杆连接梁、顶杆电机等组成。

1.2 取苗装置的工作原理

穴盘苗自动取苗装置的取苗过程由顶苗过程和落苗过程组成。

1.2.1 穴盘苗的顶出过程 顶出过程是顶杆与穴盘苗后部基质的作用过程。此过程需要先将穴盘固定到倾斜的输送带上，通过步进电机带动输送带间歇转动，每间隔相同的时间转动1次。顶杆在顶杆电机带动下自动伸出，把同一排16株番茄穴盘苗同时顶出。此时顶杆电机退回，顶杆在复位弹簧的作用下自动弹回，等待下一个顶出过程。

1.2.2 穴盘苗的落苗过程 被顶出的穴盘苗在投苗板的作用下，由自重的作用绕着穴盘苗的重心产生翻转。在投苗板的落苗口的限制下穴盘苗基质垂直向下落下，到达下面的穴盘苗输送带。

依次重复上述过程，可以实现连续均匀的投送苗的过程。顶杆在顶出最后一排穴盘苗后，穴盘沿滑轨落入接苗盘的机构后，进入下一个苗盘的取苗过程[16]。

2 材料与方法

2.1 试验实施

试验于新疆石河子大学农业机械重点实验室进行。根据新疆农业的实际情况，选用新疆农民普遍使用的穴苗孔上端的长、宽均为30 mm、下端长宽均为14 mm、穴苗孔深度 46 mm、底部圆孔直径为7 mm、容积为16 mL、厚度为1 mm的倒金字塔形的128穴穴盘。在石河子大学农试场的温室培育的穴盘苗，育苗基质为新疆农八师附近沙湾县配制的有机基质育苗，其中总养分≥2%，有机质含量≥28%。穴盘苗于2012年7月15日播种，7月18日出苗，22日出苗率已经达到80%以上，8月20日番茄苗基本达到根系发达、高度适中、无病虫害等要求，番茄品种为石番36，番茄穴盘苗以约35 d苗龄为试验对象，试验用苗如图2-a所示。

2.2 分析测定

对穴盘苗株高、叶面展幅、茎粗等用精度为0.1 mm的游标卡尺测量，测量方式见图2-b；用精度为0.1 g的JJ3000电子天平测得穴盘苗的质量；用精度值为0.001 g的MA45C-000230V1水分测试仪进行番茄穴盘苗含水率的测定；用试验力测量范围为0.04～2.00 kN、有效拉伸空间为 800 mm 的CMT4203微机控制电子万能试验机测量穴盘苗的顶出力、抗压力。

3 结果与分析

3.1 穴盘苗的形态特性

穴盘苗的株高、叶面展幅、茎粗等因素是评价壮苗标准的重要形态参数（表1），直接影响取苗装置的实际作业效果。因此，测量自然环境下番茄穴盘苗自身形态特性，是设计出结构合理的取苗装置的关键。根据测量所得的番茄穴盘苗的形态参数，培育的番茄穴盘与新疆地区移栽的穴盘苗生长情况一致，能满足新疆地区穴盘苗的移栽标准。endprint

3.2 番茄穴盘苗的物理特性

针对新疆地区农作物的种植特点和实际的农艺要求，为设计出机构合理的取苗装置，对穴盘苗的物理特性进行研究。番茄穴盘苗的物理特性研究包括穴盘苗基质含水率、穴盘苗不同含水率的翻转比、摩擦角以及穴盘苗的基质顶出力和抗压力的测定。

3.2.1 穴盘苗基质含水率

当含水率低于25%时，由于基质过于干燥、易碎，很难被顶杆顶出；当基质含水率高于35%时，基质湿度太大，基质强度比较低，也很难被顶杆顶出。原因是含水率太低或者太高时基质与苗盘间的黏滞性降低，不利于移栽的作业。经过反复试验，得出适宜取苗的基质含水率的范围为25%～35%。

3.2.2 基质的强度 基质强度是土壤力学中最基本的部分。基质的抗压强度既受基质本身配比的影响，又受生长环境的影响。在穴盘苗基质力学性质的研究中，对不同组成的育苗基质进行强度试验，将含沙的基质与草炭以2 ∶3比例混合，再以5～7 kg/cm2的压力进行压实的基质块为硬土，以1～2 kg/cm2 的压力进行压实的基质块为软土[18]。基质的强度测定是对穴盘苗基质的顶出力与抗压力的测量，作为最终取苗成功率的试验研究理论依据。

3.2.2.1 基质顶出力 基质顶出力是指顶杆将基质从穴盘中顶出来需要的力，主要包括穴盘苗自身的重力、穴盘苗基质与穴盘的黏滞力以及穴盘苗与周围穴盘苗相互之间的干涉力等组成。对穴盘苗基质顶出力的测定结果：基质含水率为25%时，基质顶出力约为1.2 N；基质含水率为30%时，基质顶出力约为2.5 N；基质含水率为35%时，基质顶出力约为30 N（图3）。由此可以看出，基质的顶出力随着含水率的增大而增大，且受穴盘苗自身质量的影响较大。

3.2.2.2 基质抗压力 基质抗压力是指一定含水率的基质块可以承受顶杆的最大压力[19]。对穴盘苗进行基质抗压力的测定结果：基质含水率为25%时，基质抗压力约为1.5 N；基质含水率为30%时，基质抗压力约为6.0 N；基质含水率为35%时，基质抗压力约为3.1 N（图4）。由此可以看出，基质抗压力随着含水率的增大先提高后降低，且受穴盘苗自身质量的影响较大。在穴盘苗完整的情况下，含水率在20%～35%之间，在软土强度试验中浇水量对基质强度并无明显影响，但在有根系的硬土块试验中，基质含水率对基质抗压力影响比较大。原因在于含水率太低或者太高时，基质与苗盘间的黏滞性降低，不利于移栽作业。

3.2.3 穴盘苗的摩擦角 穴盘苗的摩擦角是制约顶出成功率的关键因素之一。摩擦角测量是通过随机选择32株穴盘苗，要求表面湿度近似于移栽含水率，置于和穴盘材料相同的聚苯乙烯塑料板上，将塑料板一端升高，逐渐增大倾斜角直至穴盘基质开始下滑，记录下此时塑料板与水平面之间的夹角（用角度测量仪），测量穴盘基质的摩擦角，求其平均值作为试验的参数。穴盘苗的摩擦角测定结果：基质含水率为25%时，穴盘苗的摩擦角约为30°；基质含水率为30%时，穴盘苗的摩擦角约为35°；基质含水率为35%时，穴盘苗的摩擦角约为40°（图5）。由此可以看出，穴盘苗的摩擦角随着含水率的增大而增大，并受穴盘苗自身质量的影响较大。

3.2.4 穴盘苗翻转比

4 结论

为使设计的取苗装置更适合加工番茄穴盘苗移栽的实际要求，对穴盘苗的特性进行了分析研究。随着苗龄的增长，穴盘苗表现出的自身特性是根系发达，可以完全包裹基质的完整穴盘苗，平均株高181.2 mm、叶面展幅79.4 mm、茎粗 3.3 mm、真叶片数3～5张，能满足新疆地区穴盘苗的移栽标准，可作为后续取苗装置试验台的试验对象。

为保证取苗成功率，对穴盘苗的物理特性进行了有针对性的研究。穴盘苗物理特性主要包括穴盘苗的含水率、翻转比、摩擦角以及基质顶出力和抗压力。经过试验验证，得出基质含水率的适宜取值范围为25%～35%。当穴盘苗的含水率为25%～35%时，基质顶出力的范围为1.2～3.0 N，基质抗压力的范围为1.5～6.0 N，摩擦角的范围为30～40°。在穴盘苗的含水率为30%时，穴盘苗的翻转比的范围为9.6～15.0。

本试验仅对石番36番茄穴盘苗进行了试验测定，但对不同移栽品种或同品种不同种植状态下的穴盘苗均可采用相似的方法测定。本研究关于物料特性的分析为设计自动取苗装置的有关参数提供了计算依据。

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