与自动移栽相关的不同蔬菜穴盘苗力学特性

胡 静，韩绿化，温贻芳，于 霜，储建华，杨 扬

(1.苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104；2.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

与传统直播方式相比，穴盘育苗移栽有以下优点：①缩短蔬菜生长周期，有利茬口安排，提高土地利用率，增加经济收入；②移栽后作物幼苗根系发达、成熟一致，可为后续管理、收获等环节提供便利条件。但是，由于没有合适的配套机械，长期以来蔬菜幼苗移栽作业一直以人工为主，劳动力成本占蔬菜生产成本的50%以上。虽然国内已研发钳夹式、链夹式、吊篮式、导苗管式、输送带式等移栽机[1]，但这些移栽机处于半自动作业水平。工作时，由人工分苗后，将秧苗投入到栽植器进行栽插入土，受人工操作影响，作业效率低，而且长期工作，人力消耗大。

目前，主要研究热点是穴盘苗自动移栽机，集中在取苗机构的设计和研发上[2-6]。通过机构尺度综合，配合虚拟仿真和试验设计，优化出合理的取苗轨迹，得到最优取苗机构参数组合，实现自动取苗要求，再配置到半自动移栽机上，实现穴盘苗自动移栽机研发。因此，所设计的取苗机构仅仅满足特定的试验情况，很难适用多种穴盘苗移栽要求。

近年来，农业物料的抗压、拉伸、蠕变等力学特性研究一直备受关注，这些力学特性研究为设计制造有关的种植、收获、加工和品质检测等农业机械和系统提供了设计依据[7-10]。

不同穴盘苗的幼苗植株、根系有所区别，所生产的穴盘苗钵体质量不同，自动移栽时应采取不同的夹取策略，以适应自动高效取苗要求。本文以黄瓜、辣椒、茄子3种主要的茄果类蔬菜穴盘苗作为对象，测试分析穴盘苗的力学特性，探讨其共性与个性特点，充分认识茄果类蔬菜穴盘苗，为自动移栽机取苗机构研发提供对象特性参数的设计依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试验于2016年9-10月在江苏大学现代农业装备与技术重点实验室进行。育苗对象为津优1号黄瓜、永红加州特大牛角王辣椒、鲁寿超利茄子，育苗穴盘为常州君和YMAS128CE穴盘，128孔穴，上围尺寸为540mm×280mm，高度为40mm，孔穴为正方形锥体，上、下口径长分别为27、15mm。在Venlo型玻璃温室育苗，育苗基质为镇江培蕾基质科技发展有限公司生产的育苗有机土，固体物质含量65%，有25%的通气孔隙和50%的持水孔隙，大小孔隙比在1∶2～4之间。2016年9月3日育苗，基质填充前润湿，用平板辐条轻刮多余的基质，采用穴盘叠加压实基质，利用点穴器对穴压窝，手工播种，表面覆盖一层蛭石。种子播种后浇透水，放进温室催芽，环境温度控制在25～30℃。当种子开始萌发出土时，白天温度控制在(25±2)℃，晚上温度控制在(16±2)℃。出芽后依据育苗基质湿润程度浇水，第20天进行营养灌溉，营养液为磷酸二氢钾1 500倍和硝酸钙2 000倍的溶液，每盘用量0.15L。当穴盘苗具有可拉性，即可以用手捏紧幼苗将穴盘苗从穴盘苗孔穴里拉拔出来，保持钵体完整性，从而完成穴盘育苗工作。黄瓜、辣椒、茄子穴盘苗苗龄分别为25、45、40天。试验前对穴盘苗浇水浸透，保证试验时含水率均匀一致。采用干湿重法测钵体的含水率，湿重范围为12.51～14.62g，干重范围为3.71～5.15g，含水率范围为66.38%～72.14%。

试验仪器为WDW350005微控电子万能试验机，可根据GB、ASTM、JIS、DIN等标准进行拉伸、压缩、剪切、撕裂等实验，能检测出试样的屈服强度、抗拉(压、弯)强度、定伸强度及弹性模量等参数，仪器精度±0.5%，由微机控制，自动完成加载与卸载，以及数据采集与分析。

1.2 试验方法

测试钵体与穴盘孔穴的黏附特性，将穴盘固定在测试台上，采用附着橡胶皮垫的夹具柔性夹住秧苗茎干拉拔穴盘苗，测试从穴盘中成功夹苗拉拔出钵体的力学特性。试验时，加载速度为1mm/s(准静态加载)，每一个试验对象测试20个试样。

钵体抗压试验采用平板压缩方式，将钵体安放在试验台架上，调整位置角度，使试验机平板垂直下降时对钵体均匀加载，测试12mm压缩深度下的试验力与位移的关系，分析不同压缩量下钵体的抗压力学特性，加载速度为1mm/s。每一个试验对象测试20个试样。

幼苗茎叶拉伸试验采用夹具夹紧拉断，测试幼苗茎、叶的拉伸破坏力，测量拉断处截面面积，加载速度为1mm/s。同钵体黏附试验一样，夹具内侧固定橡胶皮垫柔性夹紧试样。每一个试验对象测试20个试样。

2 结果与分析

2.1 穴盘苗钵体拉拔力学试验

通过从穴盘中成功夹苗拉拔出钵体的力学测试，得到穴盘苗钵体与穴盘孔穴黏附特性，典型的试验力-位移曲线如图1所示。

图1 穴盘苗钵体黏附试验力-位移曲线Fig.1 Force-distance curve for adhesion tests of plug seedling bowls

由图1可以看出，从穴盘中成功夹苗拉拔出钵体的力学测试分3个阶段：①D1段为夹苗拉拔穴盘苗挣脱孔穴黏附的过程，从测试点开始到最大试验力Fmax处，夹苗拉拔钵体的试验力与测试位移呈非线性变化规律。在此过程中，随着夹苗拉拔试验的进行，幼苗枝叶在拉伸作用下有所延展，通过力学传递，盘结在基质土里的幼苗根系受牵拉作用松弛成形钵体。当达到最大测试试验力Fmax时，穴盘苗钵体挣脱穴盘孔穴的黏附作用。若此时穴盘苗钵体保持整体性，则为成功取苗，定义最大试验力Fmax为穴盘苗钵体黏附试验拉拔力FL。②D2段为对穴盘苗拉拔实现完全脱离穴盘孔穴黏附的过程，在此过程中，穴盘苗钵体进一步摆脱穴盘孔穴的黏附作用，同时秧苗枝叶也会相互纠缠，试验力将随着从穴盘中夹苗拉拔钵体位移的增大逐渐减小，最终趋于平衡。③D3段为穴盘苗完全分离过程，在此过程中，穴盘苗钵体彻底脱离穴盘孔穴的黏附作用，测试试验力保持恒定数值FG，这个试验力为幼苗枝叶、根系和钵体重力的合力。通过试验测试，得到不同茄果类穴盘苗钵体黏附试验的拉拔力，如表1所示。

表1 穴盘苗钵体黏附试验

由表1可以看出：不同穴盘苗钵体黏附试验获得的拉拔力不同，从平均拉拔力来看，拉拔力为辣椒>黄瓜>茄子，黄瓜和茄子穴盘苗的拉拔力相近，均小于辣椒穴盘苗的拉拔力，表明辣椒穴盘苗相对难以拉拔取苗。由于采用同样的育苗工艺，育苗基质相同，在同样的环境下生产穴盘苗，测试前浇水一致，因此不同穴盘钵体的拉拔力差异只能来自幼苗根系的作用不同。黄瓜、辣椒、茄子3种穴盘苗幼苗根系干重平均值分别为0.026 6、0.041 8、0.039 5g，含根量大小依次为辣椒>茄子>黄瓜。虽然黄瓜含根量比茄子少，但黄瓜根毛密集，增大了吸附能力，所以黄瓜穴盘苗的拉拔力略大于茄子。

对穴盘苗钵体进行静力分析，两侧面受力如图2所示。

图2 穴盘苗钵体受力示意图Fig.2 Force diagram of the plug seedling bowl

则

(1)

设定穴盘苗钵体的重力为G，在钵体外围侧面上对穴盘孔穴产生接触弹力N(认为钵体四侧面受力均匀一致)，于是有摩擦力Ff，钵体下部受穴盘孔穴的支撑弹力N0作用。

在竖直方向上，∑F=0，即

4N1×sinθ+Ff总×cosθ+N0-G=0

(2)

4N1×(sinθ+μ×cosθ)+N0=G

(3)

通过电子天平测得不同茄果类穴盘苗钵体平均质量为14.7g，于是穴盘苗钵体的平均重力G为0.144N；通过查表得到根土与PVC塑料之间的常用静摩擦因数μ为0.5，取其为成形钵体与塑料穴盘孔穴壁之间的摩擦因数；对所用穴盘测量，得到穴盘孔穴锥角θ为11°。由于穴盘孔穴下部有排水口，穴盘苗钵体与孔穴的接触面积小，这里忽略不计支撑弹力N0作用。利用式(3)计算得，在钵体外围侧面上对穴盘孔穴产生接触弹力N1=0.053N，总摩擦力Ff=0.106N。通过以上计算分析可得，采用穴盘育苗时，成形钵体与穴盘孔穴之间的接触弹力和静摩擦力很小，而通过从穴盘中夹苗拉拔出钵体的力学测试得得的拉拔力(见表1)远远大于穴盘苗钵体的重力和摩擦力等作用，可见从穴孔中拔取穴盘苗时还受其它力作用。

实际上，根据根土黏附性理论[15]，一定含水率的穴盘苗钵体对穴盘孔穴具有黏附作用，其成因主要是幼苗根系吸附、育苗基质溶液粘滞及育苗基质外层水膜作用等。因此，在机械夹取穴盘苗钵体的过程中，夹取针提供的夹取力主要用于克服黏附力作用，只有当夹持机构产生的垂直方向夹取力大于同方向的黏附力时才能将穴盘苗夹取出来。

2.2 穴盘苗钵体抗压试验

图3是3种典型的茄果类穴盘苗钵体平板压缩条件下试验力与变形曲线，是穴盘苗钵体在承受压缩力作用下其自身表现的抗压能力与变形之间关系，反映成形穴盘苗钵体的抗压特性。

图3 穴盘苗钵体的抗压力-位移曲线Fig.3 Force-distance curve of compression experiment for plug seedlings

由图3可以看出：穴盘苗钵体在平板压缩时，其抗压力与变形关系均呈非线性变化规律，在平板压缩过程中看不出生物屈服点。不同压缩量下穴盘苗钵体的抗压力如图4所示。

图4 不同压缩量下穴盘苗钵体的抗压力Fig.4 Compressive force of differdnt compression degree for plug seedlings

由图4可以看出：在同等压缩量下，3种穴盘苗钵体的平板压缩抗压能力相近；随着压缩量的增大，3种穴盘苗钵体的抗压能力均增大，表明育苗对象对钵体平板压缩抗压能力影响不显著。

2.3 幼苗茎叶拉伸试验

穴盘苗自动移栽过程中，移栽频率超过30株/min，取苗、投苗、植苗属于快速作业，幼苗难免受到牵拉作用。对于穴盘苗自动移栽而言，夹取针紧紧抓住穴盘苗幼苗有利于取苗，但抓取力过大会伤苗，对穴盘苗后期生长不利。因此，自动取苗的伤苗率是一个重要的参数。物料的破坏强度值为

σ=F/A

(4)

式中F—物料的破坏力；

A—物料破坏处的横截面面积。

2.3.1 茎秆拉伸破坏

3种穴盘苗茎秆拉伸破坏力如图5所示。

图5 穴盘苗茎秆拉伸破坏力Fig.5 Force of tensile damage behavior for plug seedling stems

由图5可以看出：3种穴盘苗茎秆拉伸破坏力为辣椒>茄子>黄瓜；与辣椒、茄子穴盘苗相比，黄瓜穴盘苗茎秆更容易拉断。因此，对于黄瓜穴盘苗自动移栽，不宜使夹取针抓住幼苗辅助取苗，否则容易拉断幼苗。通过式(4)计算，得到黄瓜、辣椒、茄子3种穴盘苗茎干拉伸破坏强度平均值分别为0.79、2.61、2.11MPa。

2.3.2 叶子拉伸破坏

3种穴盘苗叶子拉伸破坏力如图6所示。

图6 穴盘苗叶子拉伸破坏力Fig.6 Force of tensile damage behavior for plug seedling leaves

由图6可以看出：3种穴盘苗叶子拉伸破坏力为茄子>黄瓜>辣椒。通过式(4)计算，得到黄瓜、辣椒和茄子3种穴盘苗叶子拉伸破坏强度平均值分别为0.31、0.28、0.27MPa。与辣椒、茄子穴盘苗相比，黄瓜穴盘苗叶子比较硬，不易被拉断破坏。对于新老叶子，其拉断破坏强度不同，新叶子很脆弱，容易被破坏，且新叶子在幼苗顶部，一旦芽顶破坏直接影响植株生长，所以在设计夹持器夹持和推苗装置时，应留足幼苗植株空间，让出幼苗。

3 结论与讨论

1)通过钵体黏附试验及对钵体进行受力分析，得知在机械夹取穴盘苗钵体的过程中，夹取针提供的夹取力主要用于克服穴盘苗钵体与穴盘孔穴的黏附力作用，只有当夹持机构产生的垂直方向夹取力大于同方向的黏附力时才能将穴盘苗夹取出来。在同等的育苗条件下，黄瓜、茄子、辣椒穴盘苗的夹取力大小依次为辣椒>黄瓜>茄子。

2)对于黄瓜、辣椒和茄子3种穴盘苗，在所测试的含水率和压实度下，其抗压能力相近。但不同蔬菜穴盘苗钵体与穴盘孔穴的黏附力作用大小不一，在同等的取苗条件下，应改善育苗农艺，保证钵体抗压能力的同时，对于大黏附力的穴盘苗采取相应措施减弱穴盘孔穴对穴盘苗钵体的黏附作用，也可以适当增加夹取针的夹紧力度。只有这样，才能克服黏附力作用成功夹取穴盘苗，提高自动取苗机构的适应性。

3)穴盘苗拉伸试验表明：黄瓜穴盘苗更容易拉断，新叶和幼苗顶部容易破坏。在设计取苗机构、夹持器和推苗装置时应考虑必要的避苗措施，以提供足够大的空间让出幼苗植株。对于辣椒、茄子等茎干比较坚硬的穴盘苗，可以设计夹取针抓住幼苗茎干，提供辅助力来取苗，减轻钵体夹取伤害度，一定程度上提高取苗成功率。

参考文献：

[1] 张丽华，邱立春，田素博.穴盘苗自动移栽机的研究进展[J].农业科技与装备，2009，10(5):28-31.

[2] 张丽华，邱丽春，田素博，等.指针夹紧式穴盘苗移栽爪设计[J].沈阳农业大学学报，2010，41(2)：235-237.

[3] 孙国祥，汪小旵，何国敏，等.穴盘苗移栽机末端执行器设计与虚拟样机分析[J].农业机械学报，2010，41(10):47-53.

[4] 俞高红，刘炳华，赵匀，等.椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗自动移栽机构运动机理分析[J].农业机械学报，2011，42(4):53-57.

[5] 叶秉良，俞高红，陈志威，等.偏心齿轮-非圆齿轮行星系取苗机构的运动学建模与参数优化[J].农业工程学报，2011，27(12):7-12.

[6] Mao Hanping, Ding Wenqin, Liu Fa, Hu Jianping. Structure Design and Simulation Analysis on the PlugSeedlings Auto-Transplanter [C]//IFIP Advances in Information and Communication Technology,Computer and Computing Technologies in Agriculture IV,2011：456～463.

[7] 王显仁，师清翔，倪长安，等.农业物料静载力学性能的研究现状及趋势[J].农机化研究，2010，32(3):243-245.

[8] 吴亚丽，郭玉明.果蔬生物力学性质的研究进展及应用 [J].农产品加工，2009(3)：34-49.

[9] Zhu H X, Melrose J R.A mechanics model for the compression of plant and vegetative tissues [J].J Theor Biol, 2003, 21(1):89-101.

[10] 刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等.农作物茎秆的力学特性研究进展[J].农业机械学报，2007，38(7):172-176.

[11] 宋建农，王苹，魏文军，等.水稻幼苗抗拉力学特性及穴盘拔秧性能的力学试验研究[J].农业工程学报，2003，19(6):10-13.

[12] 马瑞峻，区颖刚，赵祚喜，等.穴盘水稻幼苗拔断力学特性的试验研究[J].农业机械学报，2004，35(1):56-59.

[13] Yang Y, Ting, K C, Giacomelli G A.Factors affecting performance of sliding-needles gripper during robotic transplanting of seedlings [J].Transactions of the ASAE，1991，7(4): 493-498.

[15] Ren L Q, To ng J, Li J Q, et al. Soil adhesion and biomimetics of soil-engaging components: a review [J]. J. Agric. Engng . Res., 2001,79(3):239-263.