面向番茄自动整枝的茎秆夹持力学特性测量与分析

2023-10-17王博文张万豪冯青春

农机化研究 2023年12期

王博文,张万豪,冯青春

(1.新疆农业大学机电工程学院,乌鲁木齐 830052;2.北京市农林科学院智能装备技术研究中心,北京 100097;3.国家农业智能装备工程技术研究中心,北京 100097;4.农业智能装备技术北京市重点实验室,北京 100097)

0 引言

番茄是我国重要的蔬菜种植作物之一,因其果实风味独特、营养均衡而成为民众餐桌上常见的果蔬品类。番茄的食用方法多样,不仅可以鲜果生食,还可以经过加工烹饪后制成各种美食,其相关制品在我国的消费量巨大,深受我国民众的喜爱[1-3]。番茄具有较强的枝芽萌发能力,如不进行疏叶处理任由侧枝自由生长,不仅会额外消耗大量养分影响植株正常坐果,且繁密的枝叶遮挡阳光,对植株的透气性和接受光照造成影响,不利于果实的正常着色,影响番茄的商品性能,并导致植株的坐果率降低[4-6]。因此,在温室番茄种植过程中,通过整枝管理及时去除成熟变色果实附近的叶片和侧枝,可使整枝后具有更强的结果能力,植株更加健壮,负载能力及抵抗不利环境的能力显著提升。

当前,番茄整枝打叶主要依靠人工手持切刀或者徒手折拧的方式实现侧枝与主茎的分离,其整枝效果受主观影响较大且费力耗时,是温室番茄生产过程操作最复杂、投入人力最多的管理环节之一[7-8]。因此,研发便捷易用的智能化番茄整枝手爪是缓解人工作业劳动强度、降低果蔬生产成本及提高果蔬种植经济效益的有效途径。由于番茄植株娇嫩易损,为了确保在不损坏整个植株的前提下对侧枝进行安全摘除,还需要了解茎秆的多项力学特性,包括茎秆离层断裂与夹持压溃时的临界力约束。目前,针对植株组织力学特性测量,大多围绕果实、钵苗等目标,对于果蔬植株茎秆力学特性研究还未见报道[9-13]。

通过开展番茄茎秆力学特性的研究,对番茄整枝手爪末端的结构设计与材料的选取具有重要意义。为此,通过对番茄茎秆开展力学试验,获得了茎秆挤压、剪切及离层断裂等力学特性,测算了茎秆与典型工程材料间的最大静摩擦因数,确立了番茄整枝操作临界力学条件及整枝夹持机构柔性末端的最优夹持力学特性,旨在为设计一种自动化番茄整枝执行机构提供重要的理论依据。

1 番茄整枝原理与操作对象

1.1 温室番茄整枝操作原理

番茄作为喜温喜水性蔬菜品类,其最佳发育结果温度为15～29℃、环境湿度为45%～50%。传统露天种植番茄产量受环境和季节变化影响较大,远不能满足市场需求。近些年,随着设施农业技术的发展,番茄棚室种植(见图1)面积逐渐扩大,目前已成为设施栽培的主要蔬菜之一[14-16]。由于棚室内番茄种植通风条件差、光照弱且环境湿度大,因此需要控制番茄徒长并预防病害蔓延,根据番茄的这种生长特点,合理的温室番茄整枝管理是一项必不可少的环节。

图1 番茄棚室种植Fig.1 Tomato greenhouse planting

图2 MTS E43电子万能试验机Fig.2 MTS E43 Electronic universal testing machine

由于番茄侧枝与主茎结合处的韧皮部相连紧密,整枝时应当从叶柄末端对番茄目标侧枝进行去除,可以有效降低番茄整枝对植株造成的损害[17]。在目前番茄生产中多采用单干整枝法,该方法普遍适用于密植栽培的环境中,对每株番茄只保留1根主茎,而将所有侧枝全都陆续摘除,主茎保留有一定的果穗数摘心。番茄定植并在高度发育至40cm左右开始有倒伏现象,此时开始吊蔓并进行第1次抹杈;由于第1花穗下的第1侧枝生长速度快,若不及时抹除会消耗较多养分进而影响主茎和果实的生长发育,故本次抹杈首先以去除该侧枝为主,且由于抹杈过早会影响植株根系组织的正常发育并引发早衰,因此抹杈不易过早进行[18-20]。当侧枝生长至10cm左右达两叶一心时,对周围叶片和花果出现遮挡时抹除最为适宜。随着番茄植株的发育,在第1穗果迅速膨大进入结果期后,为促进果实发育,需陆续抹除剩余所有侧枝[21-22]。

通过对温室密植番茄进行修剪,不但能节省种植空间,减小植株养分的消耗,还能加快番茄果实的成熟,是促进花和果实发育、提高坐果率、加强番茄果品质量、提高番茄种植产量和经济效益的关键措施。

1.2 番茄植株外观形态特征测量

本文研究对象选取自荷兰引进的“佳丽14”番茄植株,因其种植适应性良好,果实外观品质与食用口感俱佳,在我国北方地区被广泛引进种植。经观测,“佳丽14”番茄植株呈半蔓生或半直立状,主茎沿预先搭好的支架生长,植株高度为1.7～2.1m;植株主茎分生出的侧枝节间距离较短,数量较多,约为10～16枝;种植间距约为0.6m,侧枝与主茎间的锐角夹角在60°～85°之间,主茎直径随高度提升先增大再减少。在番茄温室大棚中随机选取12株“佳丽14”番茄植株,利用游标卡尺及精度为1mm的直尺测量植株0～0.5m、0.5～1.0m和1.0～1.5m等3种不同高度处番茄植株主茎与相邻侧枝的形态特征参数,结果如表1所示。

表1 番茄植株形态特征参数Table1 Morphological characteristic parameters of tomato plant

2 茎秆关键力学特性测量

2.1 试验仪器

MTS E43型电子万能试验机适用于测量各种非金属材料的拉伸、压缩、弯曲及剪切等相关力学试验,如图1所示。试验机选配100N(±0.30%)和10kN(±0.20%)两种量程传感器,并可以在5～300N的范围内实现力控试验,满足对植物根茎不同部位的力学测量试验要求。MTS E43型电子万能试验机通过与PC机实现实时通讯,使用最高1000Hz的数据采样频率、丰富的试验方法标准库,通过控制TestSuite TW软件即可实现对实验数据实时设定及测试结果的精确检测。试验机特制固定夹具的安装采用装拆方便的模块化结构,根据不同测试对象的特点,选取恰当的夹具安装在万能试验机的标准接口上,即可满足对不同试验研究对象的测量需要。

2.2 表面摩擦特性的测量与分析

静摩擦力是指相互接触的两个物体保持相对静止但接触面间具有相对运动趋势时,起到阻碍两物体相对滑动的力。静摩擦因数是最大静摩擦力与正压力的比值,与接触物体间的粗糙程度、施加在接触面上的正压力有关,与接触面积无关[23]。因此,通过对番茄茎秆施加不同的静态载荷,测量其受到不同材料夹持时产生的最大静摩擦力,并利用最小二乘法优化求解番茄茎秆与4种常见工程材料间的最大静摩擦因数。

测量番茄茎秆与不同材料间的静摩擦因数对面向番茄自动整枝手爪末端材料的选取、明确番茄侧枝在整枝手爪夹持时产生的拉力能否实现离层断裂的力学特性具有重要意义。本次测试分别选取不锈钢金属板(Ra0.8)、聚氯乙烯(PVC)板、硬质橡胶和硅胶4种典型工程材料作为对比来测量其与番茄茎秆间的静摩擦因数,测量方法如图3所示。

将两组待测材料分别置于电子万能试验机压头和工作台上,并将待测茎秆置于试验材料之间,设定电子万能试验机压头对待测番茄茎秆分别加载5～30N的6组逐次增大的静态载荷,使用拉力仪通过扎带与茎秆相连接并向外匀速直线拉动,直至番茄茎秆发生匀速运动,同时读取拉力仪数据,即可得出番茄茎秆与对比材料间的静摩擦力。分别对每组静态载荷随机选取5个样本,计算选取样本静摩擦力的平均值作为番茄茎秆与对比材料间的最大静摩擦力。其中,番茄茎秆与对比材料间的最大摩擦力Ff满足

Ff=2fμ·FN

(1)

式中Ff—最大静摩擦力(N);

FN—正向压力(N);

fμ—最大静摩擦因数。

根据最小二乘法原理[24-25],通过最小化试验实测摩擦力与理论摩擦力间误差的平方和最小来求出未知数据,并结合式(1)中Ff的值,即取拟合函数为

(2)

式中Ffi—理论最大摩擦力(N);

FNi—茎秆受到的正向压力(N);

fμ—最大静摩擦因数。

为了损失函数的最小化,需要对拟合函数s求导,并令导数值等于0,即此时误差最小,经化简得

(3)

式中Ffi—理论最大摩擦力(F);

FNi—茎秆受到的正向压力(N);

fμ—最大静摩擦因数。

在受到不同静态载荷的情况下,测算出每组番茄茎秆与4种典型材料间的最大静摩擦力(见表2),并通过最小二乘法最小化误差的平方和分别计算得出番茄茎秆与不同材料间的最大静摩擦因数。

试验结果表明:在受到相同静态载荷时,番茄茎秆与硬质橡胶间的最大静摩擦力最大,与不锈钢金属板(Ra0.8)间的最大静摩擦力最小,番茄茎秆与不锈钢金属板、PVC、硬质橡胶和硅胶间的最大静摩擦因数分别为0.23、0.28、0.38、0.36。

2.3 挤压特性的测量与分析

准确获取番茄茎秆挤压破损力学特性参数是面向番茄自动整枝手爪无损夹持末端设计的前提。在番茄进入结果期后,为促进果实发育需要陆续抹除其它所有侧枝,需要探究挤压破损力学特性与番茄茎秆直径、成熟度间的关系,对进入结果期不同天数和直径的番茄侧枝进行挤压试验。

番茄从第1穗果迅速膨大进入结果期到果实成熟收获需要约40～50天[26],故分别选用进入结果期后1～40天不等的番茄侧枝按成熟度的不同平均分成4组,并对每组侧枝按直径不同分别选取5次数据的平均值作为试验最终结果。采取如图4所示的试验装置来测量茎秆发生挤压坍塌的极限值。

将待测茎秆置于电子万能试验机压头与工作台之间,启动电子万能实验机使压头以2mm/s的速度匀速下压直至将待测茎秆压溃,记录茎秆压溃时所能承受的最大压力,即为番茄侧枝挤压破损的极限值,结果如表3所示。

表3 茎秆挤压破损力测量结果Table 3 Measurement results of stem extrusion damage force

由表3可知:番茄进入结果期后,随着侧枝木质化程度提升,挤压破损力从第1天到第40天提升约1.3倍,且从第21天到40天的变化最显著。由此可见,番茄茎秆发生压溃时受自身成熟度影响显著,茎秆木质化程度越高受到挤压发生压溃所能承受的压力越大;而挤压破损力随茎秆直径增大所受影响不显著,但总体趋势呈缓慢上升。

2.4 侧枝离层断裂特性的测量与分析

明确番茄侧枝离层断裂特性参数是面向番茄自动整枝手爪能否有效摘除目标侧枝的关键。因此,通过如图5所示的试验方法,分别测量番茄侧枝离层断裂力学特性参数,通过固定番茄主茎,使用电子万能试验机上夹具夹持侧枝以2mm/s的速度匀速向上提升直至将侧枝从主茎完全分离,分别测定在外力作用下番茄侧枝离层断裂的力学特性与侧枝直径和成熟度间的关系。

1.固定底座 2.电子万能试验机工作台 3.下固定夹 4.番茄茎秆 5.上固定夹图5 茎秆离层断裂测量试验Fig.5 Stem a bscission layer cracking force measurement

分别选用结果期后1～40天不等的番茄侧枝按成熟度的不同平均分成4组,根据侧枝直径的不同分别进行试验,选取5次试验结果的平均值作为测量结果,如表4所示。

表4 茎秆离层断裂力测量结果Table 4 Measurement results of stem delamination breaking force

由表4可知:随着番茄植株木质化程度的提升,茎秆离层断力显著增大,且从结果期21天至40天离层断力的提升最为显著;另外,茎秆拉伸断裂力会受直径影响,茎秆直径越大,侧枝离层断裂力也越大。

2.5 侧枝剪切断裂特性的测量与分析

剪切也是整枝操作的主要方式之一,侧枝剪切断裂特性的测量与分析对明确不同刀刃对番茄侧枝的剪切效果具有重要意义。现选用同一阶段直径4～10mm的番茄侧枝分别测试不同形状及开刃方式的刀片对番茄侧枝的剪切效果,刀片材质均选用厚度为0.1mm的高速钢,开刃形状分别为U型、V型和平口刀刃,开刃类型分别为单侧开刃和双侧开刃,如图6所示。

使用万能试验机的固定夹爪分别夹持待测刀刃,试验机压头以2mm/s的速度匀速下降对固定于切台的番茄侧枝进行切割,分别将直径为6～10mm的番茄侧枝样本的分为3组,每组分别使用单侧开刃和双侧开刃两种刀刃进行切割,测量方法如图7所示。每次试验测试5组取其平均值,剪切测量结果均值如表5所示。

表5 茎秆剪切断裂力测量结果Table 5 Measurement results of stem shear fracture N

1.固定底座 2.电子万能试验机工作台 3.番茄茎秆 4.电子万能试验机压头 5.固定夹爪 6.待测刀刃图7 茎秆剪切断裂测量试验Fig.7 Stem shear fracture force measurement

由表5可知:侧枝剪切断裂力值随侧枝直径增长而变大,对于相同形状的刀刃,双侧开刃比单侧开刃省力约30%;V型双侧开刃剪切断裂力小于其他两种刀刃,剪切效果最佳。

3 侧枝夹持机构材料特性确定

3.1 整枝操作临界力学条件

通过在番茄侧枝根部的离层组织处实现与主茎的分离,可以保护植株主茎并减小番茄整枝对植物本身造成的损害;经过对番茄茎秆挤压破损力学特性的相关试验与分析,可以确定对于茎秆的无损夹持力学的约束,即选用合适的柔性材料在不损坏番茄侧枝的情况下夹持并向外拉动实现侧枝去除。

在茎秆离层断裂特性的相关试验中,使用电子万能试验机夹持侧枝直至从番茄主茎分离,从而测出茎秆离层断裂力的相关数据。若番茄侧枝所受拉力超过其离层断裂力,即可以将主茎上的待剪侧枝从根部的离层组织处有效去除。根据番茄的整枝操作原理,为减小植株养分的额外消耗、提高果品质量,在番茄进入结果期后应尽快抹除主茎上的所有侧枝。为了提高自动整枝手爪的适用性,选取番茄结果期11～20天直径大于10mm的目标侧枝,由番茄茎秆关键力学特性测量结果显示,其主茎分离时所需拉力Fmin=34.6N,受到挤压所能承受的压力FNmax=62.6N,即在整枝过程中对番茄侧枝所产生的拉力F0≥Fmin、FN

3.2 最优夹持材料力学特性确定

为了明确柔性夹持末端对番茄茎秆的无损夹持力学特性,根据表面摩擦特性的测量与分析结果显示,4种典型工程材料中硬质橡胶与番茄茎秆的最大静摩擦因数最大,故选作整枝手爪的末端材料最为恰当。根据茎秆的无损可靠夹持力学约束,使手爪在夹持茎秆时产生足够的摩擦力,以便于在自动整枝过程中提供足够的拉力有效去除所需要修剪的番茄侧枝。

整枝手爪末端结构示意图如图8所示。底座两端各开有中心间距为36mm的通孔,1对结构相同的末端手指固定于底座上;末端手指由直径为4mm的铁芯和厚度L=13mm的柔性材料组成。现选取直径为10mm的番茄茎秆作为试验对象,研究柔性末端的无损夹持。当两个柔性末端夹持试验茎秆时,柔性末端发生形变与试验茎秆形成接触曲面,经测算取接触面积A=70mm2。由番茄茎秆的无损可靠夹持力学约束可知,茎秆受到夹持时不发生破损所能承受的压力为55N。综合以上数据,用以计算所需柔性材料的弹性模量。