活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究

冯世杰，颜 波，全 伟，吴明亮,3

活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究

冯世杰1,2，颜 波1，全 伟1，吴明亮1,3※

（1. 湖南农业大学工学院，长沙 410128； 2. 信阳农林学院园艺学院，信阳 464000；3. 湖南现代农业装备工程技术研究中心，长沙 410128）

为解决钵苗移栽过程中，因苗钵与苗盘间粘附力导致取苗过程中苗钵破损，进而影响取苗成功率及栽后幼苗长势的问题，对活动苗盘开启脱苗时苗钵和苗盘侧板进行受力分析并对苗钵与侧板间粘附力影响因素进行研究。发现苗钵粘附力与苗盘开启峰值力之间存在正相关关系，苗盘侧板倾角与苗钵粘附力呈负相关关系，苗盘开启部件速度和基质含水率与苗钵粘附力呈正相关关系。为进一步研究各因素对苗钵粘附力的影响规律，以苗盘开启峰值力表征苗钵粘附力作为优化指标，以苗盘侧板倾角、苗盘开启部件速度和基质含水率为试验因素，利用响应曲面方法进行优化试验设计，同时测算各试验组合中苗钵基质损失率。当苗盘侧板倾角为9.24°、基质含水率为55%、苗盘开启部件速度为7.98 mm/s时，苗盘开启峰值力可以达到最小值6.97 N，即苗钵与侧板间粘附力达到最小值；应用优化后调整的参数进行的验证试验表明：苗盘脱苗开启峰值力最小值为7.12 N，相对预测值误差为2.1%，苗钵基质损失率为3.14%，相较于优化前最低4.39%的基质损失率，基质损失率明显降低，证明了粘附力变化影响苗钵基质损失率。该研究结果可为进一步研究钵苗移栽过程中基质损失机理提供理论支撑。

机械化；移栽；优化；苗盘；开启峰值力；粘附力；试验

0 引 言

钵苗机械移栽是现代农业的一种种植方式，它可以增加复种指数、提高幼苗的质量和成活率，在提高农业生产效益中具有不可替代的作用[1-3]。

现有钵盘育苗移栽过程中，存在苗钵基质损失率高及由基质损失导致取苗不成功等问题[4-5]。针对这些问题国内学者进行了大量的研究，其中韩绿化等[6-10]通过对苗钵本身的力学特性进行研究来降低苗钵破损率，提高取苗成功率；高国华等[11-15]通过设计新型取苗爪并优化其工作参数来降低苗钵破损、提高取苗成功率；金鑫等[16-19]通过设计新型取送苗机构来降低基质损失率、提高取苗成功率；蒋兰等[20]建立移栽过程中苗块的动力学模型，研究毯状苗基质脱落的主影响要因素。

上述研究均直接或间接的将苗钵与苗盘间的粘附力视为取苗过程中苗钵基质损失的一个影响因素。任露泉等[21-24]研究发现，土壤粘附力受土壤含水率、土壤与非土材料之间的正压力、土壤与非土材料分离速度等因素影响。本研究希望通过对苗钵与苗盘间粘附力影响因素的研究，寻求通过降低苗钵与苗盘间粘附力来解决取苗过程中苗钵基质破损的问题。基于此，本文在已有活动苗盘及相关试验研究基础上[25-26]，取活动苗盘单个钵体为研究对象（简称单钵苗盘），用橡胶圈代替原活动苗盘中的扭力弹簧，对单钵苗盘脱苗过程中粘附力及其影响因素进行试验研究，获取脱苗过程中最小粘附力产生的参数组合，为取苗过程中苗钵基质损失机理的研究提供理论支持。

1 单钵苗盘脱苗开启过程及力学分析

1.1 单钵苗盘脱苗开启过程

图1为单钵苗盘和苗盘开启部件。脱苗时单钵苗盘（图1a）的Ω形侧板在开启部件（图1b）的短推板作用下克服橡胶圈的束缚力绕连接支撑轴外摆，直至完全开启；随后在继续上行的短推板作用下Ω形侧板继续保持完全开启状态；当开启部件的长推板与T形侧板相作用时，T形侧板克服橡胶圈的束缚力绕连接支撑轴外摆，直至单钵苗盘钵穴形状由倒四棱台变成四棱柱，此时苗钵和苗盘完全分离，脱苗过程结束。

1.轴套 2.连接支撑轴 3.T形侧板 4.橡胶圈 5.Ω形侧板 6.长推板 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为推板矩形部分宽度，m；为推板梯形部分高度，m；1为短推板的高度，m；2为长推板的高度，m；、11为推板顶部宽度，m；、11为推板与侧板初始接触点；为推板梯形部分倾角，(°)。

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, (°).

图1 单钵苗盘和苗盘开启部件结构示意图

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

1.2 单钵苗盘脱苗开启过程力学分析

通过对苗盘开启过程分析可知，脱苗过程中苗盘所受到的力在Ω形侧板开启时、Ω形侧板开启后和T形侧板开启时这3个时刻最具代表性，受力分析如图2所示。依据苗盘设计值[26]，苗盘钵穴上口宽=55 mm，侧板上下边距离=55 mm（图2b），当相对两侧板绕连接支撑轴内摆至下边相交时，侧板倾角取最大值，由几何关系得max=30°，即侧板倾角取值范围为：0＜＜30°。受力分析中，忽略了连接支撑轴和轴套形成的铰接点处的相关力。

1.2.1 脱苗过程中Ω形侧板开启时刻受力

脱苗过程中Ω形侧板开启受力指脱苗时上行短推板的1、1两点与Ω形侧板接触时刻的受力（1、1两点受力相同，取1点分析），如图2a所示。支持力1垂直于短推板斜面；1在水平方向分量为F1，竖直方向分量为F1；F在Ω形侧板上的作用点为Ω形侧板与苗钵接触面的几何中心处，F垂直于侧板指向苗钵。在开启部件作用下Ω形侧板克服橡胶圈的弹力F1和粘附力F绕连接支撑轴外摆，至短推板的1、1两点与Ω形侧板接触，此时Ω形侧板完全开启，此时单钵苗盘中的苗钵与T形侧板保持相对静止。要使Ω形侧板顺利开启，其摆动切线方向的合力方程为

注：F为苗钵对侧板的压力，N；F为苗钵对侧板粘附力，kPa；F1、F2、F3为橡皮圈3个不同长度时拉力，N；F为苗钵对侧板的摩擦力，N；13为推板对侧板支持力，N；F为推板与Ω形侧板间的摩擦力，N；1为Ω形侧板开启时短推板向上推力，N；2为Ω形侧板开启后短推板向上推力，N；3为T形侧板开启时长推板向上推力，N；F1、F3为13的切向分量，N；F1、F3为13的法向分量，N；F1、F3为1、3在水平方向分量，N；F1、F3为1、3在竖直方向分量，N；F为短推板对开启后Ω形侧板的支持力，N；为侧板倾角，(°)；1为苗钵的重力，N；2为单块侧板的重力，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.

图2 苗盘脱苗过程受力分析

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

据参考文献[21]可知=60°，对式（1）整理得

由于Ω形侧板开启时1=4F1=41cos，所以此时开启部件竖直方向推力最小值为