番茄苗钵顶取式机械力学特性试验

刘卫想，姬江涛，金　鑫，王世光，吕黄珍

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳　471003；2.中国农业机械化科学研究院，北京　100083)



番茄苗钵顶取式机械力学特性试验

刘卫想1，姬江涛1，金鑫1，王世光2，吕黄珍2

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳471003；2.中国农业机械化科学研究院，北京100083)

摘要：取苗成功率和取苗质量除了与取苗机构的结构有关外，苗钵的力学特性也是重要的因素。为此，对番茄苗钵进行了顶出力和抗压性能试验，分析了不同基质含水率、顶杆直径和顶苗速度对顶出率的影响，并通过试验建立了基质苗在不同含水率下的抗压力与压缩量的变化曲线。结果表明：顶苗速度、顶杆直径和基质含水率对顶出率的显著性影响程度由大到小依次为B、C、A；随着基质含水率的上升、顶杆直径的减小，顶出率会逐渐下降；在含水率为35.09%、顶杆直径为8mm时，顶出率达到100%；在含水率为57.23%、顶杆直径为5mm时，顶出率最低，仅为81.25%；基质块抗压力随压缩量的增加呈加速上升趋势，在压缩量到达12mm时，3种含水率下的抗压力分别为48.89、43.87、35.85N。此研究结果为取苗机构的设计提供了理论依据。

关键词：取苗机构；力学特性；番茄苗钵；顶出力；抗压力

0引言

随着国外取苗机构[1-3]的发展，国内一些高校及科研院所也开展了对取苗技术的研究。例如，吉林工业大学范云翔等设计了一种温室移栽机[4]；浙江理工大学赵匀等通过建立移栽机取苗机构优化数学模型和计算机辅助分析，开发了椭圆-不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构[5]；中国农业机械化科学研究院研制了一种配合吊杯式移栽机的齿轮—五杆机械式取苗投苗机构[6]；江苏大学从穴盘苗的力学特性入手，通过试验对穴盘苗的抗压特性和蠕变特性进行了分析[7]，并在此基础上进行了自动取苗末端执行器的相关研究[8]；严宵月等研发了整排取苗间隔放苗移栽机[9]；南京农业大学开展了穴盘苗移栽机自动取喂系统的研究[10]；南京农业大学的胡敏娟研制了取苗器的试验系统[11]；中国农业机械化科学研究院杨传华开展了基于PLC自动控制技术的钵苗蔬菜移栽机自动输送装置[12]及蔬菜穴盘苗自动输送技术与机构的研究[13]；石河子大学王侨设计了自适应Fuzzy-PID控制器[14]。穴盘苗的自动取苗过程是一个系统工程，无论是秧苗的物理特性，还是基质块的力学特性都会影响到取苗质量，这是设计取苗机构的重要依据。然而，这些研究主要集中在对取苗机构的研究上，对取苗钵体的力学特性、不同取苗方式对钵体破损率的相关研究还相对较少。

为此，本文选目前应用广泛的128穴的塑料穴盘为试验穴盘，以不同基质成分、含水率、填充量、顶杆直径、顶苗速度及夹持力等为因素，进行顶出和夹持的变形及损失率试验，来研究穴盘苗的力学特性，为取苗机构的设计提供理论基础。

1试验材料与方法

1.1试验材料

番茄穴盘苗，品种为以色列1918。考虑到取苗效率与取苗机构的空间布置，选用规格为16×8无棱边128穴可弯卷的聚乙烯塑料穴盘,苗龄分别为50天和52天。基质主要成分及比例为：泥炭70%、珍珠岩15%、蛭石15%。在北京魏善庄蔬菜育苗基地完成育苗，出苗率98%以上，盘根情况良好。随机取30株进行测量，苗高为12.1～15.8cm，苗径为2.86～2.32mm，苗高平均值为13.21cm，苗径平均值为3.08mm。试验所用基质苗情况如图1所示。

1.2仪器设备

基于PLC控制的蔬菜穴盘苗自动输送试验台，i2000型电子天平，DZG-6020型真空烘箱，游标卡尺(量程200mm，精度0.02mm)。

美国英特朗公司生产的Instron3367型万能材料试验机，用于测量样品受力时，载荷与位移或时间的变化；载苗台倾斜角为13°，可使基质苗侧面平行于试验机探头。

图1　试验所用基质苗及其主要形态参数

1.3试验方法

1.3.1顶出力试验

选取基质含水率、顶苗杆直径和顶苗速度3个试验因素，各试验因素分别取3个水平。试验因素与水平如表1所示。

表1　顶出率试验因素水平表

试验装置如图2所示。顶苗杆的材料为冷拔圆钢，直径分别为5、6、8mm并排安装在试验台的顶苗位置上，从左到右依次为4个直径8mm顶杆、4个直径6mm顶杆、4个直径5mm顶杆。

(a)

(b)

(c)

试验前将所有基质苗浇水至饱和，2h后进行第1次试验，之后间隔4h做一组试验，以区分低、中、高3种基质含水率；然后，用干湿质量法测试含水率。试验后测得每个等级的含水率平均值分别为35.09%、46.17%、57.23%。在每组试验前，将顶苗机构的转速分别调整至40、80、120r/min，对应的瞬时取苗速度分别为0.41、0.82、1.23m/s。

采用正交试验法，选取正交表L9(34)安排试验方案,对每组进行48次试验，以顶出成功率为试验指标，即是否能将苗完全顶出苗穴。

1.3.2基质苗抗压性能试验

将基质苗放置于载苗台上，使基质苗的侧面尽量平行于试验台的平板探头，分别进行低、中、高3种含水率的测试，含水率的控制方法与上节相同，其试验系统如图3所示。

图3　基质苗抗压力试验系统

试验时，首先将试验台的上平板探头下降到与基质苗刚刚接触处，将下降位移(即基质块的压缩量)设定为12mm，速度调节至50mm/min，每0.1s采集一次位移和载荷，生成数据点和变化曲线，如图4所示。

图4　数据采集结果

2结果与分析

2.1顶出力试验

试验安排与结果如表2和表3所示。

由表3可知：顶杆直径、基质含水率对顶出率的影响为高度显著，而顶苗速度对顶出率没有显著影响；各因素对顶出率的敏感性由大到小依次为B、C、A。对于顶出率的控制，顶杆直径和基质含水率起到主要作用。

表2　顶出率正交试验安排与结果

表3　顶出率方差分析

随着顶杆直径的减小，顶杆顶端与基质底面的接触面积减小，顶杆对基质的局部压强增大，使基质底部产生变形，受力处凹陷，顶杆插入到基质苗当中，无法克服基质块与孔壁的附着力将基质苗顶出。在含水率较低时，顶杆直径对顶出率的影响差异不大，均能有较高的顶出成功率(≥93.75)。但是，在含水率较高时，这种差异变得非常明显，直径5mm顶杆和6mm顶杆的顶出成功率分别为81.25%和83.33%。分析其原因：随着基质含水率的上升，钵体的刚性降低，顶杆更容易插入到基质中，甚至没有生长在钵体中心的基质苗会被穿透，如图5所示。所以在移栽机顶苗部件的设计中，在保证苗盘输送及顶苗位置精度的前提下，应尽量将顶杆直径设计大些。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　(b)

2.2基质苗抗压性能试验

试验后每种含水率取10个样品进行含水率测定，分别测得3种基质含水率的平均数为27.09%、43.1%、56.61%。根据位移载荷试验测定的结果，导出试验数据，绘制不同含水率下基质块抗压力与压缩量的关系曲线，如图6所示；关键点数据结果如表4所示。表4中关键数据点为每个含水率随机取10株基质苗在各个时间点的平均数，总数据点共有145个。

对3种基质含水率下，基质块的载荷与压缩量的数据进行多项式回归，得到载荷与压缩量之间的关系式：

1)低含水率(27.07%)为

F=0.0423x3-0.4974x2+3.9445x-2.065

R2=0.9297

2)中含水率(43.1%)为

F=0.0217x3-0.1311x2+1.9269x-1.0778

R2=0.9324

3)高含水率(56.61%)为

F=0.0236x3-0.1519x2+1.4807x-2.7278

R2=0.9049

3种含水率下的决定系数R2分别为0.929 7、0.932 4、0.904 9，相关性系数远大于其临界值[rmin]=0.159。根据测定的结果和拟合的曲线得出3种含水率的载荷-压缩量曲线的趋势较为接近，都是随着压缩量的逐渐增大，基质块的抗压力随之增大。在压缩量小于4mm时，曲线上升较为平缓，说明基质块在不断被压实；当压缩量为4mm时，3种含水率下基质的抗压力分别为8.57、5.75、4.21N，差别相对较小；在此之后，抗压力随着压缩量的增大而显著增大，符合生物质的压实硬化特性；在压缩量到达12mm时，3种含水率下的抗压力分别为48.89、43.87、35.85N，差别逐渐增大。

(a)　低含水率(27.07%)

(b)　中含水率(43.1%)

(c)　高含水率(56.61%)

试验中发现：含水率较低的基质块在受压之后钵体容易发生破裂、坍塌，而含水率较高的基质块取保持了较好的完整性，如图7所示。这主要是由于含水率较低时，基质块边缘受挤压后，颗粒之间的粘结状态发生断裂，没有水分的存在，基质颗粒难以聚合在一起，所以在较低含水率时，基质块边缘容易发生脱落、坍塌，但是中部由于盘根作用，依然能有较高的抗压力。

表4　抗压力-压缩量试验关键数据点结果

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

3结论

1)试验结果表明：顶苗速度、顶杆直径和基质含水率对顶出率的显著性影响程度由大到小依次为B、C、A；随着基质含水率的上升、顶杆直径的减小，顶出率会逐渐下降。在含水率为35.09%、顶杆直径为8mm时、顶出率达到100%；在含水率为57.23%、顶杆直径为5mm时，顶出率为81.25%。

2)含水率分别为35.09%、46.17%、57.23%下的基质抗压力随压缩量的增加呈加速上升趋势。在压缩量到达12mm时，3种含水率下的抗压力分别为48.89、43.87、35.85N。并且较低的含水率具有较好的抗压特性，但较低含水率的基质块在受压后在没有根系缠绕包裹基质边缘的部位容易出现坍塌、断裂等现象，较高含水率的基质在受压后虽然受压变成扁状，但却能依然保持较好的完整性。

参考文献：

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[13]杨传华.蔬菜穴盘苗自动输送技术与机构研究[D].北京：中国农业机械化科学研究院,2014.

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Mechanical Properties Test of Tomato Seeding in Process of Push-out and Clamping

Liu Weixiang1， Ji Jiangtao1， Jin Xin1， Wang Shiguang2，Lv Huangzhen2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;2 Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：Besides the structure factor of pick-up seedling mechanism, the mechanical properties of seeding was also important factor. Push-out force and compressive properties test of tomato seedling was made in order to analyze the influence rule of the factors of water content, diameter of mandril,and push-out speed on push-out rate. And got the changing curve between compressive resistance and compression of seedling pot in the different water content.The results showed the moisture content and mandril diameter had significant effect on the push-out rate, but the push-out speed had no significant effect on it. The push-out rate decreased with the incerease of moisture content and the decrease of mandril diameter.The push-out rate achieve 100% was substrate at 35.09% moisture content, meanwhile the mandril diameter was 8mm. The push-out rate was only 81.25% when substrate at 35.09% moisture content, meanwhile the mandril diameter was 5mm. Compressive resistance of the capacity was accelerated increasing with the increase of compression, and the pressure force was 48.89N, 43.87N, 35.85N when the compression reach 12mm at the three moisture content. The study results provided the theoretical basis for the the pick-up seedling mechanism.

Key words：pick-up seedling mechanism; mechanical properties; tomato seedling; push-out force; compressive resistance

文章编号：1003-188X(2016)07-0202-05

中图分类号：S223.92

文献标识码：A

作者简介：刘卫想(1990-)，女，河南周口人，硕士研究生，(E-mail)lwx326@163.com。通讯作者：金鑫(1986-)，男，河南新县人，讲师，博士研究生，(E-mail)jx771@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51505130)；河南省教育厅科技攻关项目(13A460234)；河南科技大学青年基金项目(2015QN004)

收稿日期：2015-09-19