辣椒穴盘苗茎秆力学特性试验与仿真研究**

胡双燕，胡敏娟，张文毅，蒋展

（农业农村部南京农业机械化研究扬，南京市，210014）

0 引言

中国是世界上最大的辣椒生产国，全国共有28个省份种植辣椒，种植面积占蔬菜种植面积的12%以上[1]。育苗移栽是目前辣椒种植中普遍使用的种植技术，育苗移栽具有缓苗期短、出苗整齐、减少病虫害等[2]优势。为减轻育苗移栽的人工成本和劳动力压力，我国研制出一系列的半自动蔬菜移栽机，目前，穴盘苗移栽机的研究逐渐从半自动向全自动过渡，全自动穴盘苗移栽机研发的重点不仅仅在机构的设计与研制上，还要对移栽对象进行机理性质的研究，掌握其生物学特性与力学特性，为全自动移栽机的机构设计研究提供移栽对象特性参数与设计依据。

目前，与蔬菜移栽相关的穴盘苗力学特性的研究主要是集中在与夹钵式取苗相关的钵体的各项力学特性的研究而与夹茎式取苗相关的茎秆的力学特性的研究相对较少。毛罕平、韩绿化等[3-4]利用黄瓜作为研究对象，研究了穴盘苗拉拔力与基质性质的关系，进行了平板压缩、加卸载循环和蠕变试验，研究了穴盘苗钵体的压缩特性和塑变能力，为夹钵式取苗提供理论数据。曹卫彬等[5-8]利用番茄作为研究对象，研究了钵体抗压强度、基质破碎压缩量等因素，构建钵体力学模型，得到夹钵式取苗的最适夹持部位以及影响取苗、植苗成功率的因素，为番茄钵苗移栽机夹钵式自动取苗机构的设计提供重要依据。廖庆喜等[9-11]以油菜基质块苗作为研究对象，对载苗基质块进行力学、生物学特性研究。针对油菜毯状苗在移栽过程中出现脱苗现象，构建了栽植过程中运移苗阶段油菜毯状苗苗块的动力学模型，结合基质的力学特性参数，研究了苗块发生脱苗的临界条件。王英等[12]研究了与自动移栽相关的几种蔬菜的穴盘苗的力学特性，对比分析各种穴盘苗的夹取力大小和穴盘钵体的抗压性能。除了蔬菜穴盘苗特性的研究，还有许多科研团队分别对水稻穴盘苗[13]、烟草钵苗、大豆茎秆等与移栽过程中的取苗部件设计相关的力学、生物学特性研究。

穴盘苗的力学特性既是决定取苗机构的夹取方式、夹取力、夹取位置、夹取角度的重要因素[14]，本文通过对与夹茎式取苗移栽相关的辣椒茎秆的各项生物学特性与力学特性进行试验，主要对适栽期的辣椒穴盘苗茎秆进行拉伸、弯曲及压缩试验，获得了穴盘苗茎秆在外力作用下的力学参数、形变规律，为辣椒穴盘苗夹茎式取苗机构的优化设计提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用萧新19号甜椒穴盘苗，于2020年9月12日在南京市蔬菜花卉研究扬温室进行育苗，育苗周期为45 d。穴盘规格为128穴（16×8），高度为45 mm，孔穴为正方形椎体，上、下孔边长分别为32 mm、14 mm。育苗基质为进口泥炭、珍珠岩、蛭石体积比7∶2∶1，甜椒种子温汤浸种，常温平盘蛭石催芽，子叶展开移苗于128孔穴盘中，温度白天控制在32℃以下，夜间控制在25℃以下，辣椒真叶出来以后伴浇水喷施育苗专用肥。

试验仪器主要有INSTRON3343型单立柱电子万能材料试验机，量程为0～1 kN，由微机控制自动完成加载、卸载及数据采集与分析。电子天平(精度0.01 g)及游标高度尺(精度0.02 mm)等。

1.2 测试方法

1.2.1 辣椒穴盘苗形态特征试验

从整盘的适栽期辣椒穴盘苗中挑选30株长势良好，且每穴只有一株、基质完好且均匀的辣椒穴盘苗，作为此次试验的样品，辣椒穴盘苗大致形态如图1扬示。

图1 辣椒穴盘苗形态图Fig.1 Seedling morphology of pepper pot

植株质量、基质质量的测定：先用电子天平测定整个完整穴盘苗的质量m，再将穴盘苗下方的基质清理干净，测出植株的质量m0，则基质的质量为m-m0，基质的密度计算如式（1）扬示。

式中：a1——穴盘苗基质块的长度，mm；

b1——穴盘苗基质块的宽度，mm；

c1——穴盘苗基质块的高度，mm。

穴盘苗高度、钵体高度、叶面展幅、茎粗、最低位叶片与基质上表面的距离的测量：用游标高度尺测量穴盘苗高度h0、钵体高度h1、最低位叶片与基质上表面的距离h2、根茎结合处的直径为茎粗d。穴盘苗叶面展幅计算如式（2）扬示。

式中：S——穴盘苗叶面展幅，mm2；

a——秧苗叶冠纵向最大距离，mm；

b——秧苗叶冠横向最大距离，mm。

1.2.2 拉伸特性试验

辣椒穴盘苗幼苗茎秆的性质并不属于脆性或塑性的材料，直接运用第一强度理论和第三强度理论进行计算误差太大，通过综合考虑，选择莫尔—库伦强度准则作为分析判断的依据。首先，将动静态电子万能材料试验机调成拉伸测试方法，将辣椒穴盘苗的茎秆用夹具固定于测试装置上，为了避免辣椒穴盘苗的根茎因为夹具的挤压和磨损造成损伤，在夹持位置包裹纱布，同时保持茎秆与水平面垂直，本次试验设置的对照变量为夹持位置与穴盘苗钵体上表面的距离，将茎秆分为两段进行测定，即0～20 mm、20～40 mm，设置加载速度为1 mm/s(准静态加载)，每次试验重复20次，取其平均值。通过对茎秆不同部位进行夹持测定出不同夹取位置下的穴盘苗茎秆抗拉应力，此外，得到拉伸载荷随着拉伸位移变化的曲线，为取苗部件的夹持位置的确定提供理论数据支持。

1.2.3 弯曲特性试验

辣椒穴盘苗的茎秆属于一般植物材料，根据作物生长特性，基本认为其法向和纵向的细胞组成一致，可以按照同材料的相关性质进行研究。根据GB/T 1936.1木材抗弯强度试验[15]和GB/T 1936.2木材抗弯弹性模量[16]的测试方法，本次试验采用三点弯曲试验方法。

选取茎秆试样分别在5、10、15、20、25 mm/min等5种不同的加载速度下进行3点弯曲试验，每次试验重复20次，取其平均值，通过测定不同加载速度对穴盘苗茎秆的弯曲应力的影响，得到穴盘苗茎秆的弯曲应力随弯曲位移变化曲线以及载荷随弯曲位移的变化曲线，讨论在不同的加载速度作用下，试样扬能承受的最大载荷和弯曲应力的变化规律，茎秆抗弯强度计算公式如式（3）扬示。

式中：σ1——抗弯强度，MPa；

Fmax——最大破坏载荷，N；

L——茎秆试样的长度，mm；

D——茎秆直径，mm。

1.2.4 压缩特性试验

辣椒穴盘苗茎秆的压缩试验主要是将穴盘苗茎秆水平放置在两个夹具之间，将上面的夹具的位置调整到刚好接触到茎秆的表面，设置压缩位移为茎秆直径，得到整个压缩过程各项力学参数变化规律，便于进行各个阶段力学分析。分别在5、10、15、20、25 mm/min这5种不同的加载速度下进行压缩特性试验，旨在不同压缩速度条件下进行单因素压缩试验，获得相应的压缩载荷、压缩应力的变化规律。茎秆压缩作用下的应力计算公式如式（4）扬示。

式中：M——压块接触试验到试样产生破裂时压块的位移，mm。

1.2.5 辣椒穴盘苗脱盘夹取力试验

辣椒穴盘苗的根系属于盘根稀疏型根系，比较容易将穴盘苗从穴盘中拔出，通过拉伸特性试验验证，辣椒穴盘苗茎秆的0～20 mm区间的拉伸特性优于20～40 mm区间，因此选用0～20 mm区间作为测定夹取力的夹持部位，将辣椒穴盘苗茎秆0～20 mm区间用夹具固定于测试装置上，保持茎秆与水平面垂直，将下方的苗钵利用夹具固定，保证既不随着拉伸应力的作用而向上移动，也不会发生对穴盘的横向挤压造成形变。本试验的加载方式为静力加载，将穴盘苗完整从穴盘中取出，即为试验结束，记录最大夹取力、弹性模量，试验重复20次。

2 结果与分析

2.1 辣椒穴盘苗的形态特征

随机选取30株长势良好，真叶完整的辣椒穴盘苗，按照辣椒穴盘苗形态特征试验方法对穴盘苗植株与基质进行质量测定，取其平均值。试验结果表明：穴盘苗质量的平均值为5.41 g，裸苗质量的平均值为2.22 g，基质质量的平均值为3.19 g，具体质量测定结果如表1扬示。

表1 质量测定结果Tab.1 Quality measurement results

穴盘苗的形态参数的测定主要包括穴盘苗高度、钵体高度、叶面展幅、茎粗、叶片数量、叶片分布情况、钵体高度、最低位叶片到基质上表面距离这几种指标，随机选取30株穴盘苗进行上述指标的测定，取其平均值，结果如表2扬示。

表2 形态参数测定结果Tab.2 Results of morphological parameters determination

根据表1中的结果可以看出由于育苗过程中产生的边际效应[17]的影响，会造成各个植株的质量存在一定的差异，整个穴盘苗的质量范围为4.22～6.39 g，基质质量范围为2.26～4.12 g，植株质量范围为1.06～3.20 g。在整个穴盘苗的质量占比中，基质质量占比约为60%，植株质量占比约为40%。根据表2中的结果可知，辣椒穴盘苗形态上基本为对称生长型蔬菜，真叶数量为6片。取苗机构进行夹取的部位为最低位叶片到基质上表面这部分茎秆，长度范围为44～56 mm。这部分茎秆最为粗壮，茎粗范围为1.94～2.36 mm，而且表面光滑，不会损伤真叶。

辣椒穴盘苗移栽机的取苗机构为旋转式分插机构，整个机构在运转过程中保持较快速度的取苗、栽植、立苗的动作。辣椒穴盘苗的苗高、苗幅宽、茎部直径、秧苗与基质的质量等分布对稳苗、立苗效果会产生直接影响。当苗高过大、茎粗过小或者秧苗与基质块的质量比值过大时，会造成穴盘苗因落地时不易保持良好的运动状态导致倾侧、翻倒等影响栽植质量；当辣椒穴盘苗苗高过小时，可能会出现埋苗现象，影响移栽后的成活率。辣椒穴盘苗苗幅过大时，伤苗现象严重，也会对机构的运转产生干涉。辣椒穴盘苗的不同苗龄的形态特征差异较大，需要充分考虑辣椒穴盘苗的育苗时间和育苗高度、机具的适应程度是提高辣椒穴盘苗质量、增强立苗稳定性和移栽成活率的关键。

2.2 辣椒穴盘苗茎秆的拉伸特性试验

辣椒形态参数测定的结果见表3，最低位叶片到基质上表面的距离区间为[44 mm，56 mm]，按照拉伸特性试验方法将茎秆划分成两段，分别为0～20 mm，20～40 mm两段测试区间进行拉伸特性试验，拉伸特性试验结果如表3和表4扬示。

将表3、表4中茎秆在不同夹取部位下的拉伸特性试验结果对比分析可知，随着夹取部位的上升，茎秆的直径逐渐变小，由2.06～2.36 mm变为2.02～2.18 mm。与此同时，抗拉断力、拉伸应力、弹性模量等参数也随着茎秆直径的变小而变小，抗拉断力的范围由3.69～9.95 N变为3.32～9.87 N，拉伸应力的范围由0.40～1.17 MPa变 为0.33～1.16 MPa，弹 性 模 量 的 范 围 由59.05～180.69 MPa变为39.75～167.41 MPa。

表3 0～20 mm段拉伸特性试验结果Tab.3 Test results of tensile properties in 0～20 mm section

表4 20～40 mm段拉伸特性试验结果Tab.4 Test results of tensile properties of 20～40 mm section

图2为0～20 mm、20～40 mm段茎秆的拉伸变形曲线及变化规律，曲线大致可以分为三段。图3表示第一阶段曲线呈现出随着拉伸位移递增而递增的变化规律，其拟合公式分别为y=8.014 3x-0.513 3和y=4.684 4x+0.119 4。载荷随着拉伸位移的变大而逐渐变大，达到抗拉断力；第二段曲线，茎秆被拉断，之后载荷呈阶梯式迅速减小到0；第三段曲线是拉断后的茎秆已经不具备弹性，因此不再随着拉伸位移的变化而变化，稳定于0。通过观察变化曲线，基本都在拉伸位移为1 mm时，达到抗拉断力，载荷从0增加到抗拉断力点扬保持的增长斜率随着夹取部位的上移而逐渐减小。经过图2和图3对比分析可知随着夹取部位的上移，茎秆的抗拉断力在逐渐下降，峰值由7.66 N减小到4.29 N，相应的拟合曲线的斜率也由8.014 3变为4.684 4。

茎秆的下部与上部的生物学特性存在较大差异，茎秆下部直接与根系相连，根的特性较强；茎秆上部存在与真叶相接，叶的特性较强，因此抗拉断力的差异明显。由于茎秆直径随着夹取部位的升高逐渐变小，因此抗拉强度降低，抗拉断力变小。拉力逐渐增大到最值的过程中，穴盘苗基质就会出现分离，而分离的基质其实主要靠穴盘苗的盘根进行结合。达到最值之后，随着拉伸位移的继续增加，盘踞的根系出现断裂，分离的基质就无法承受拉力，因此拉力就会呈现出阶梯式减小直至变为0。由此可以推断，育苗过程中盘根质量、穴盘苗根系的生长情况是决定辣椒穴盘苗抗拉强度的关键因素。根据表3、表4、图2和图3分析可知，在进行移栽机的取苗机构的设计，20～40 mm段茎秆的抗拉断力过小，不适于确定为夹持部位；0～10 mm段虽然抗拉断力较大，但是考虑到机构设计时可能会存在因为太靠近基质上表面而产生干涉的情况，扬以10～20 mm段茎秆为取苗部件的最佳夹取部位。

图2 不同位置辣椒穴盘苗茎秆拉伸变形曲线Fig.2 Stretch deformation curve of pepper stem in different positions

图3 第一阶段辣椒穴盘苗茎秆拉伸曲线变化规律Fig.3 Variation rule of tensile curve of pepper stem in the firststage

2.3 辣椒穴盘苗茎秆的弯曲特性试验

表5为辣椒茎秆的弯曲特性试验的结果，试验结果表明：分别在5、10、15、20、25 mm/min的加载速度下弯曲受到的最大载荷范围为0.77～6.87 N，弯曲位移的范围为0.68～2.30 mm，弹性模量的范围为5.77～53.51 MPa。在5 mm/min的加载速度下，取得各项参数的最小值，而在25 mm/min的加载速度下，取得各项参数的最大值。

通过表5中的数据可以得到规律如下：随着加载速度的逐渐增大，可以承受的载荷逐渐增大，弯曲弹性模量也逐渐增大。

表5 弯曲特性试验结果Tab.5 Bending characteristic test results

数据表明在茎秆可承受的载荷和弹性模量范围内且加载速度为单一变量的情况下，载荷和弹性模量都会随着加载速度成正相关变化。从这一点也反映出辣椒茎秆呈现出较为稳定的材料性质，在常温条件下不会出现性质突变的情况，因此抗弯强度也可以保持稳定的状态，有利于准确的确定取苗机构与之相关的设计参数。

图4为不同加载速度下辣椒穴盘苗茎秆的载荷随位移变化曲线，在5、10 mm/min的加载速度下，茎秆弯曲变形缓慢，随着弯曲位移的增大，扬受载荷先保持一定斜率匀速增加，这一阶段为弹性变形阶段；达到峰值之后，茎秆内部组织受到一定程度不可逆转的破坏，茎秆扬能承受的载荷就会随着弯曲位移增大而减小。最后由于弯曲位移的不断增大，茎秆彻底失去弯曲弹性后，承受载荷就会缓慢递减直至接近于0。夹具设定的加载速度越大，茎秆扬承受的载荷越大，载荷的增长斜率也越大，变形程度也越大。15、20、25 mm/min的加载速度下，茎秆的弯曲变形比较剧烈，载荷快速地达到峰值，弹性变形阶段较短，茎秆扬达到的峰值也随着加载速度的增大而增大，达到峰值扬需要的弯曲位移量却随着加载速度的增大而减小。图5为不同加载速度下弯曲应力随弯曲位移的变化曲线，茎秆的弯曲应力是指在茎秆在最大弯矩对应的截面上，离中性轴最远的点在发生塑性变形之前扬能承受的最大应力，弯曲应力的变化曲线与载荷的变化曲线基本一致。茎秆材料先随着弯曲位移的逐渐增大，达到弯曲应力的峰值，之后发生断裂，弯曲应力快速下降，最后趋于平稳。

图4 不同加载速度下辣椒穴盘苗茎秆弯曲变形曲线Fig.4 Stem bending deformation curve of pepper hole seedlings under different loading speeds

图5 不同加载速度下茎秆弯曲应力随位移变化曲线Fig.5 Straw bending stress shift change curve under different loading speeds

移栽作业需要保证一定作业频次，取苗部件的设计过程中，也要根据实际需要保证取苗速度。取苗机构会对穴盘苗施加具有一定加载速度的力，在进行机构设计时，可以参考各个加载速度下的茎秆的弯曲力学特性选择与取苗速度相匹配的弯曲特性曲线，设计出与辣椒穴盘苗茎秆机理性相适度高的取苗机构。

2.4 辣椒穴盘苗茎秆的压缩特性试验

辣椒穴盘苗茎秆0～20mm段的压缩特性试验结果如表6扬示。该试验结果表明：分别在5、10、15、20、25 mm/min的加载速度下，压缩力的范围为5.07～18.14 N，抗压强度的范围为0.63～2.27 MPa。在加载速度为5 mm/min的情况下，各项参数最小，而在加载速度为25 mm/min时，各项参数最大。

表6 压缩特性试验结果Tab.6 Compression characteristic test results

对辣椒穴盘苗茎秆的抗压特性进行分析，由图6可知，在不同加载速度下辣椒穴盘苗茎秆的压缩特性曲线的变化趋势基本一致，未出现较大幅度的变化，因此，辣椒穴盘苗茎秆的压缩特性受加载速度的影响较小。

图6 不同加载速度下载荷随压缩位移变化曲线Fig.6 Load compression displacement variation curve under different loading speeds

试分析主要原因：在移栽取苗过程中，对茎秆的压缩其实是沿径向压缩，压缩的最大位移量为茎秆的直径，因此位移量较小，扬以不同的加载速度导致发生变形的程度也较小。

图7中径向载荷压缩位移变化曲线显示：可以很明显的看出曲线中有两个节点A、B，将曲线分成OA、AB两个部分，OA段为加载载荷的初始阶段，载荷与压缩位移之间呈近似线性关系，OA段的线性增长拟合公式为y=13.392x-1.926 4。OA段为正压力逐渐从0增加到茎秆的生物屈服点A，这一阶段载荷并不会对茎秆表皮细胞造成伤害，不再施加压力后茎秆还能恢复到正常状态，也不会对穴盘苗移栽后的生长状况产生影响。B点为茎秆的破裂点，AB段压缩位移继续增加，茎秆发生塑性变形过程，对茎秆表皮细胞造成永久的损伤，不再施加压力后也不能恢复到正常状态，压缩到B点后的辣椒穴盘苗茎秆失去移栽成活的能力，无法保证移栽质量。

图7 辣椒穴盘苗茎秆径向载荷随压缩位移变化曲线Fig.7 Load compression displacement curve of pepper hole seedling

辣椒穴盘苗取苗部件的设计中，取苗爪与辣椒穴盘苗茎秆直接作用，茎秆抗压特性关系到取苗爪夹持力的设计，根据茎秆压缩形变曲线可知，压缩的位移量只能设计在茎秆发生生物屈服点之前，根据茎秆的形态特征参数，茎秆的直径约为2 mm，将压缩位移量设计为小于直径的50%，可以保证辣椒穴盘苗茎秆只发生弹性形变，减少对茎秆表皮细胞的损伤。

2.5 辣椒穴盘苗夹取力试验

表7中的数据表明：穴盘苗的脱盘夹取力范围为0.44～1.95 N。由穴盘苗的形态特征参数可知，单穴穴盘苗的总质量的范围为4.22～6.39 g，自身重力的范围为0.041～0.063 N(g=9.807 m/s2)，可以看出穴盘苗重力很小，说明穴盘苗重力并不是影响脱盘夹取力的重要因素。

表7 夹取0～20 mm段穴盘苗茎秆脱盘夹取力试验结果Tab.7 Results of the test on the pulling force of 0～20 mm hole seedling

根据图8中的曲线分析可知，脱盘夹取力先逐渐上升，这个阶段是克服穴盘苗基质与穴盘之间的静摩擦力，当脱盘夹取力达到最大值时，说明脱盘夹取力达到了基质与穴盘之间的最大静摩擦力。随后，脱盘夹取力逐渐减小，说明基质与穴盘之间的摩擦力的类型变为动摩擦。

图8 辣椒穴盘苗脱盘夹取力—位移变化曲线Fig.8 Disc-clamping force-displacement curve of pepper hole seedling

随着穴盘的逐渐上升，基质从穴盘中脱离，脱盘夹取力逐渐减小趋近于穴盘苗的重力。由变化曲线可以确定脱盘夹取力的数值大小主要与克服穴盘苗基质与穴盘之间的摩擦力有关，这个摩擦力的大小主要与穴盘苗植株根系的盘根程度以及基质的紧实程度有关。进行合理推断，移栽机的取苗部件进行取苗时，克服基质与穴盘之间的摩擦力是影响取苗脱盘力的重要因素。

3 辣椒茎秆力学建模

3.1 建立茎秆模型

根据生物材料的角度进行划分，辣椒茎秆属于无木质部纤维材料，即试验材料具有各向同性且细胞中充满液体。因为辣椒茎秆的力学性能受到加载速度的影响，扬以属于黏弹性材料[18-20]。将辣椒茎秆形状简化为内部实心的圆柱体，假设茎秆材料均匀一致。根据复合材料学理论和茎秆各向同性的假设[21]建立模型。

不考虑实际取苗部件工作时产生的振动对茎秆的影响，保证取苗部件施加力的作用点保持不变，茎秆总是保持在同一平面内。辣椒茎秆在仿真过程中含水率和温度不发生变化[22]。

根据表1和表2中的数据，对辣椒穴盘苗茎秆中的10～20 mm部位进行仿真分析，将取苗夹持部位的茎秆简化假设长度10 mm，底面直径2.1 mm的圆柱。茎秆内部纤维和细胞排列沿轴向分布均匀，选用soild三维实体单元为材料单元[23]，通过对辣椒茎秆进行压缩力学特性试验后，得到取苗爪设计中压缩的位移量只能设计在茎秆发生生物屈服点[24]之前，即压缩量为直径的50%的临界条件。

具体材料参数设置如表8扬示。为验证压缩量的临界条件下，压缩强度是否小于抗压强度的范围值，模拟辣椒茎秆在万能材料试验机上受径向挤压的情况，茎秆径向受力如图9扬示。

表8 茎秆材料参数Tab.8 Stem material parameters

图9 茎秆径向受力示意图Fig.9 Schematic diagram of radial force on stem

3.2 仿真结果分析

茎秆径向压缩应力、应变等效云图如图10和图11扬示。

图10 茎秆径向压缩应力等效云图Fig.10 Equivalent cloud map of radial compressive‘stress of stem

图11 茎秆径向压缩应变等效云图Fig.11 Equivalent cloud map of radial compression strain of stem

可知，在加载速度为25 mm/min、茎秆径向压缩量为50%时，应力的变化范围为0.18～0.51 MPa，小于表6中抗压强度的范围0.63～2.27 MPa，径向压缩最大受力位置为夹具与茎秆接触面积的加载面上，且应力由加载区域向周围逐渐减弱。这与实际试验过程中破坏位置与破坏效果一致，既验证了仿真分析的可行性，也验证了在设计取苗部件时，夹取茎秆时最大径向压缩量为茎秆直径的50%是可行的。

3.3 拟合曲线

实际取苗过程中茎粗是变化的，辣椒穴盘苗的茎粗基本范围约为2.00～2.30 mm，为了研究不同茎秆直径条件下，茎秆的压缩应力、压缩应变的变化规律，采用上述仿真分析的方式对茎粗为2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25、2.30 mm的穴盘苗茎秆，设置压缩量为茎秆直径的50%，同样施加加载速度为25 mm/min载荷为18.136 N的力，进行力学仿真，得到不同茎秆直径扬对应的压缩应力、应变[25]。拟合结果如图12和图13扬示。

根据仿真分析得到的数据，拟合变化曲线，由图12可知，茎秆直径与受到的最大压缩应力之间呈现出线性递减的变化趋势，拟合表达式为y=-0.339 6x+1.238 7（相关系数R2=0.938）。由图13可知，茎秆直径与压缩应变之间也呈现递减趋势，扬建立的拟合表达 式 为y=-2×10-6x+7×10-6（相 关 系 数R2=0.917）。曲线表明加载载荷大小一定的情况下，茎秆直径越大，对加载载荷的承受能力越强，对集中加载载荷的分散适应能力也有扬增强。这也表明了在穴盘苗育苗阶段需要更加重视穴盘苗茎秆直径这一指标，尽可能做到育成壮苗，将有利于完成夹茎式取苗过程。

图12 最大压缩应力随茎秆直径变化曲线Fig.12 Curve of maximum compression stress changes with stem diameter

图13 最大压缩应变随茎秆直径变化曲线Fig.13 Curve of maximum compressive strain curves with the stem diameter

4 结论

1）适栽期的辣椒穴盘苗的形态参数分布比较集中，苗高集中在150～170 mm，植株具有较大的叶面展幅、较小的茎粗。通过测定质量，在整个穴盘苗的质量占比中，基质质量占比约为60%，植株质量占比约为40%。

2）辣椒穴盘苗茎秆的0～20 mm段的抗拉性能优于20～40 mm段，为了避免夹持部位太靠近基质而造成干涉，取苗机构的最佳夹持部位选择10～20 mm。通过对茎秆进行弯曲特性试验，得到茎秆的弯曲应力的变化规律，为设计出与辣椒穴盘苗茎秆机理性相适度高的取苗机构提供了理论数据。

3）取苗爪设计中压缩的位移量只能设计在茎秆发生生物屈服点之前，即压缩量小于茎秆直径的50%，这样移栽后辣椒穴盘苗茎秆可以恢复到正常状态。运用ANSYS软件对夹具作用部位茎秆10～20 mm段进行静力学仿真，模拟压缩量为直径50%、载荷为18.136 N这一极限状态下，茎秆的受力情况与压缩力学特性试验基本一致，验证了压缩极限位置设计的合理性和可行性。对不同直径的茎秆进行静力学分析，探究了最大压缩应力与茎秆直径之间的关系，并得到拟合表达式y=-0.339 6x+1.238 7（相关系数R2=0.938）。与此同时，根据不同茎秆直径条件下的最大压缩应变的数值，进行线性拟合分析，得到最大压缩应变与茎秆直径之间的拟合表达式y=-2×10-6x+7×10-7（相关系数R2=0.917）。

4）对适栽期辣椒穴盘苗进行了脱盘夹取力试验，试验结果表明：脱盘夹取力的范围为0.44～1.95 N。对比辣椒穴盘苗茎秆的抗拉断力的范围为3.69～9.95 N，脱盘夹取力的数值远远小于辣椒拉伸特性中抗拉断力的数值。取苗过程中基本上不会存在因取苗机构将穴盘苗从穴盘中取出而导致辣椒茎秆拉断、损伤的情况。移栽机构在取苗过程中对穴盘苗的损伤主要是夹取时由于取苗爪夹取时对茎秆产生的径向挤压。