番茄钵苗茎秆力学特性试验研究

马晓晓,李 华,2,葛 云,李树峰,赵永满,余思遥

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832003;2.岭南师范学院 机电工程学院,广东 湛江 524048)

0 引言

新疆是我国番茄的主产区,番茄产业在新疆农业生产中占有非常重要的地位[1-2]。近年来,随着作物育苗移栽技术的大力推广,新疆番茄育苗移栽种植规模也在不断扩大,移栽过程主要以人工作业为主、半自动移栽机械作业为辅。作业过程中,取苗投苗作业均需人工完成,存在自动化程度低、劳动强度大、效率低及作业成本高等问题,严重制约了新疆育苗移栽技术的发展[3-4]。因此,研发能够实现自动取苗投苗作业功能的自动移栽机成为趋势和必然,而取苗机构的设计是其关键技术之一。

在取苗机构设计过程中,开展与机械自动取苗相关的番茄钵苗自身力学特性研究,可为取苗机构的取苗轨迹、夹取方式及执行末端结构参数等设计提供重要的理论依据,是取苗机构设计的重要前提。对于番茄钵苗夹茎式取苗机构而言,开展番茄钵苗茎秆的力学特性试验研究非常必要。目前,有关番茄钵苗茎秆力学特性的研究报道较少,相关研究主要集中在水稻、烟草及棉花等作物幼苗茎秆力学特性的研究方面。马瑞峻等[5-6]利用自制拔断力测试系统对单株穴盘水稻钵苗进行拔断力研究,发现茎秆拔断力从茎部向上逐渐减小;同时,利用微控电子万能试验机对穴盘水稻钵苗茎秆进行了拉伸试验研究,结果表明:拉伸时,钵苗茎秆外鞘断裂前应力-应变呈线性关系,且平均断裂应力大小随加载速度的增加而呈线性增加。宋建农等[7]利用万能材料试验机对不同秧龄的水稻钵苗茎秆进行了抗拉断力试验,发现抗拉断力与钵苗秧龄、钵苗高度及夹苗高度有关。尚蕾等[8]对烟草进行钵苗拔取及钵苗茎秆拉伸、压缩、弯曲和剪切力学试验,获取了钵苗拔取力、钵苗茎秆抗拉强度、抗压强度、抗剪强度及烟草钵苗茎秆弹性模量。惠东志[9]等对烟苗抗拉断力与取苗力进行试验研究,发现单株烟苗抗拉断力远远大于拔取力。董欣等[10]对移栽期烟草钵苗茎秆的不同部位进行了剪切试验,发现烟草钵苗茎秆剪切部位对剪切破坏载荷及剪切功耗均存在显著影响。王会丽等[11]对棉花幼苗进行不同加载速度下的剪切和弯曲试验,发现不同品种棉花幼苗的剪切强度和弯曲强度均随加载速度的增大而增大。

对番茄钵苗茎秆力学特性开展研究有助于掌握番茄钵苗在自动取苗过程中的机械损伤特性规律,对解决自动取苗过程中的伤苗问题也有重要意义[12]。因此,本文重点对适栽期番茄钵苗茎秆开展了拉伸、弯曲及压缩试验,获得了番茄钵苗茎秆在外力作用下的力学参数变化规律及其破坏损伤规律,研究结果可为番茄钵苗自动移栽机械取投苗机构的设计提供重要参考。

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

试验于2018年9月20日在石河子大学农业部西北农业装备重点实验室进行。试验材料选用新疆大面积种植的“石番36号”加工番茄钵苗,如图1所示。育苗穴盘材质为聚氯乙烯塑料,苗盘规格为16×8穴(即每个苗盘有16行,8列),外形尺寸为540mm×280mm,穴孔呈倒金字塔状。试验采用新疆加工番茄钵苗常用的有机营养育苗基质,配方比为泥炭:蛭石:珍珠岩=1:1:1。根据新疆加工番茄育苗技术特点及要求,番茄苗适合移栽的苗龄为45天左右,钵苗形成后钵苗根系在基质里穿插、缠绕、网络,形成根土复合体即钵体[13-14]。因此,本次试验育苗时间选择为2018年8月15日—2018年9月20日,钵苗苗龄为45天。随机选取20株番茄苗,利用游标卡尺测量番茄钵苗形态特性参数,茎秆含水率采用干湿质量法测量,测得番茄钵苗主要形态特性参数如表1所示。

图1 番茄钵苗Fig.1 Tomato seedlings。

表1 番茄钵苗主要形态特性参数Table 1 Main morphological characteristic parameters of tomato seedlings。

续表1。

1.2 试验设备

试验主要设备为DF-9000型动静态电子万能材料试验机(台湾高铁检测仪器公司),使用夹具为试验机配套夹具,可进行拉伸、剪切等试验,仪器精度±0.5%,由微机控制自动完成加载、卸载及数据采集与分析。压缩试验采用TA.XT plus型质构仪 (英国Stable Micro System公司),测试速度范围为0.01～40mm/s,测试距离精度为0.001mm,测试力量精度为0.1g,探头选择直径为5mm的P5圆柱形探头。试验用其它设备有TD型电子天平(精度0.01 g)及游标卡尺(精度0.02 mm)等。试验主要设备如图2所示。

图2 试验主要设备Fig.2 Test main equipment。

1.3 试验方法

1.3.1 茎秆拉伸试验

钵苗茎秆拉伸试验设备为DF-9000型动静态电子万能材料试验机,采用拉伸夹具将钵苗茎秆固定在测试台上,且使茎秆和水平面保持垂直。通过试验,研究同一秧龄钵苗不同夹持位置对钵苗茎秆抗拉断力的影响及番茄钵苗茎秆拉伸时的应力-应变曲线。

试验机配有两个夹头,可以将番茄钵苗茎秆的两端夹在夹头上。为避免夹具在夹紧幼苗茎秆时幼苗茎杆两端发生破坏或滑移以致无法拉断钵苗,在茎秆试样两端附着纱布,然后涂抹万能胶,待胶水干燥后进行试验[15]。试验时,下拉伸夹具夹持钵苗的根部,上拉伸夹具夹持位置距钵苗基质上表面的距离分别取10、20、30、40、50mm,设置加载速度为1mm/ s(准静态加载),预加载荷为10N。茎秆拉伸试验如图3所示。

1.3.2 茎秆弯曲试验

根据GB/T1936.1木材抗弯强度试验和GB/T1936.2木材抗弯弹性模量的测试方法,进行3点弯曲试验的设计[16]。钵苗茎秆抗弯性能试验测试仪器为DF-9000型动静态电子万能材料试验机,试验取样部位为钵苗基质表面以上0～40mm段,平均直径为2.6mm,含水率约79.43%。试验时,试样水平放置在夹具的支座和探头之间,支座跨距为20mm,预加载荷为10N(保证探头与试样密切接触),加载速度为10mm/min,直至茎秆断裂。番茄钵苗茎秆抗弯性能试验如图4所示。

图4 番茄钵苗茎秆弯曲试验Fig. 4 Stem bending test of tomato seedlings。

为研究在不同加载速度下番茄钵苗茎秆抗弯力学特性,选取番茄钵苗茎秆试样分别在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10次,取其平均值。

1.3.3 茎秆压缩试验

夹茎取苗机构夹持番茄钵苗茎秆时会对茎秆产生挤压,取苗频率不同,苗针夹持茎秆的速度不同。因此,对番茄钵苗茎秆样本进行不同部位、不同压缩速度条件下的单因素压缩试验,获得相应的力学特性参数,分析不同因素对力学参数的影响。

番茄钵苗茎秆抗压性能试验采用TA.XT plus 质构仪和柱形探头P/5(直径5 mm),压缩试验如图5所示。压缩试验前,将试样放于探头与金属板之间,确保试样位于探头的中心位置,保证试验初始阶段探头与试样充分接触。试验时,输入试验所需数据、试验类型的选择及试验参数,设置压缩高度比为60%,即压缩时探头的位移为试样直径的60%。

图5 番茄钵苗茎秆压缩试验Fig.5 Tomato seedling stem compression test。

为研究一定加载速度下番茄钵苗茎秆不同部位的压缩特性,取番茄钵苗钵体以上0～10mm段和10～20mm段为试样,设置加载速度为10mm/min。试验将茎秆分为两组,每10个试样为1组,番茄钵苗茎秆不同部位详细参数如表2所示。通过试验获得番茄钵苗茎秆不同部位在同一加载速度下的压缩特性指标,即最大载荷、抗压强度及弹性模量。

表2 番茄钵苗茎秆不同部位的数据参数Table 2 Data parameters of different parts of tomato seedling stem。

为研究不同加载速度对番茄钵苗茎秆同一部位力学特性的影响,取50株番茄钵苗样本,随机分成5组,每组10株,分别对番茄钵苗钵体以上10～20 mm段茎秆重复进行加载速度为5、10、15、20、25mm/min 的单因素压缩试验,从而获得番茄钵苗茎秆钵体以上10～20 mm段不同加载速度下的压缩特性指标[17]。

2 试验结果与分析

2.1 番茄钵苗茎秆抗拉力学试验

表3为不同夹持位置下番茄钵苗茎秆拉伸试验结果。由表3可知:随着夹持位置的上升,番茄钵苗茎秆断裂应力在减小,变化范围为0.78～4.32MPa,平均值为2.52MPa。在不同夹持位置下,钵苗茎秆总体断裂应变为4.13%～11.24%,平均值为6.76%;断裂应力为0.78～4.32MPa,平均值为2.52MPa;弹性模量为13.37～54.38 MPa,平均值为34.71MPa。

表3 不同夹持部位下番茄钵苗茎秆拉伸试验结果Table 3 Tensile test results of tomato seedling stems under different clamping positions。

图6为夹具在不同夹持位置下与钵苗茎秆抗拉断力关系曲线图。由图6可看出:夹具不同夹持位置对钵苗茎秆的抗拉断力具有较大影响,茎秆抗拉断力随夹持位置的升高而降低;当夹持位置高于第1片真叶位置时,拉断力急剧下降,原因是由于叶、茎强度差别较大。一般钵苗茎秆被拉断时,拉断位置在上拉伸夹具下部。钵苗茎秆强度随上拉伸夹具位置升高而下降,主要是由于钵苗茎秆断面尺寸变小,导致强度下降所致。

图6 夹具夹持位置与茎秆抗拉断力关系曲线Fig.6 Relationship between clamp clamping position and stem tensile strength。

结合夹具夹持位置与茎秆抗拉断力关系曲线,考虑到移栽机自动取苗机构夹茎取苗时夹持位置过低会与穴苗盘产生干涉,因此选择夹持位置为距钵体上表面的距离10～20 mm。根据试验得到夹持位置距钵体上表面20 mm距离下番茄钵苗茎秆的应力—应变曲线,如图7所示。

图7 应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curve。

通过应力-应变曲线分析图形的样本参数分别为:试件标距20mm、直径2.6mm,番茄钵苗茎秆拉伸时的平均拉断力为16.97N、弹性模量为39.20MPa、强度极限为3.20MPa。由番茄钵苗茎秆拉伸试验的应力-应变曲线可以看出:①在单向静态拉伸条件下,茎秆试样容易产生2次断裂,与钵苗茎秆结构有关。第1次断裂发生在A点,表现为钵苗茎秆表皮断裂,断裂位置多在试样上部;第2次断裂发生在B点,表现为茎秆内部断裂,断裂位置多在试样底部。②在第1次断裂前,应力-应变曲线呈线性关系,没有明显的屈服过程,符合胡克定律,这一阶段为拉伸时的弹性阶段,曲线的斜率即为番茄钵苗茎秆的弹性模量,整个拉伸过程中最大拉伸力出现在第1次断裂时。

2.2 番茄钵苗茎秆抗弯性能试验

图8所示为茎秆试样载荷-位移曲线。试验开始,当探头接触到试件时,计算机系统开始采集数据点,并由试验样机附带软件绘制载荷位移曲线。在初始阶段可以看出:茎秆所受载荷与位移呈线性关系,表明番茄钵苗茎秆抗弯弹性阶段特性符合胡克定律;当曲线到达A点时,茎秆发生屈服,对应载荷为屈服载荷;继续加载,载荷增长速度逐渐减小,曲线到达峰值点B点,茎秆抗弯强度达到极限,茎秆下侧面发生折断,载荷急剧变小。

图8 番茄钵苗茎秆抗弯性能试验载荷—位移曲线图Fig.8 Load-displacement curve of the bending resistance test of tomato seedling stalk。

试验结果表明:在含水率差异不大的情况下,试件的弹性模量E无明显变化,平均值为34.92MPa;抗弯强度最大值为54.25MPa,最小值为36.63MPa,平均值为43.58MPa。

番茄钵苗茎秆试样不同加载速度下的试验结果如表4所示。

表4 不同加载速度下番茄钵苗茎秆抗弯试验结果Table 4 Results of bending test of tomato seedling stalks at different loading speeds。

由表4可知:在加载速度为5～25mm/min范围内,番茄钵苗茎秆试样的弯曲弹性模量均值范围为21.20～46.43MPa;当加载速度为5mm/min时,番茄钵苗茎秆试样弹性模量均值最小;当加载速度取值为15mm/min时,番茄钵苗茎秆试样弹性模量均值最大。番茄钵苗茎秆试样抗弯强度均值为33.86～61.69MPa,番茄钵苗茎秆为一种非均质、各向异性的生物质高分子材料,具有粘弹性,其强度主要受温度和变形速度的影响,在室温一定情况下,其抗弯强度均值随加载速度增大而增加。

图9为不同加载速度下番茄钵苗茎秆载荷-位移曲线。由图9可知:探头的加载速度越大,茎秆所受反力越大;加载位移在2～6 mm处,载荷出现最大值;曲线平滑上升为弹性变形阶段,加载速度越大,曲线斜率越大;当载荷达到最大值以后,茎秆内部开始被破坏,可理解为塑性变形;力值曲线下降,试样完全被破坏,最后趋于稳定。因此,在取样部位相同的情况下,加载速度大,所用的弯曲载荷力越大。

图9 不同加载速度下番茄钵苗茎秆载荷—位移曲线Fig.9 Load and displacement curves of tomato seedlings under different loading speeds。

2.3 番茄钵苗茎秆抗压性能试验

图10、图11分别为加载速度10mm/min时番茄钵苗茎秆压缩破裂特征及典型力-变形试验曲线,曲线均显示两个可见特征点,即S点和B点。由图11可以看出:用柱形探头时,加载的初始区段压力随变形的增加而近似呈线性关系;当压力达到FS时,番茄钵苗茎秆表皮细胞开始出现微观结构的破坏,出现第1个峰值点S, 称之为生物屈服点,压力小于FS时的负载不会使茎秆产生损伤;当压力达到FS时,继续增加压力,压缩进入塑性变形过程,产生永久性的变形和损伤;当压力达到FB时,出现第2个峰值点B,茎秆表皮破裂,点B称为破裂点。破裂点对应于宏观结构的破坏,这时细胞发生滑移、变形和破裂,B点一般远离生物屈服点S。

图10 加载及破裂特征Fig.10 Loading and rupture characteristics。

图11 抗压力—变形曲线Fig.11 Resistance to pressure-deformation curve。

2.3.1 茎秆不同部位抗压特性分析

图12为番茄钵苗钵体以上0～10mm段和10～20mm段在10mm/min的加载速度下压缩力与变形之间的关系曲线。分析试验过程可知:试验开始时,随着探头不断向下运动,番茄钵苗茎秆的变形量增加,茎秆被压缩,因此压缩力不断增加;当变形达到试样直径的60%时,试验停止。番茄钵苗茎秆的直径随着高度的增加而有所减小,故其承受载荷的能力有所减小。总之,在加载速度一定的情况下,最大压缩力随着取样高度的增加而减小,茎秆根部最大压缩力值最大。压缩试验结果表明:番茄钵苗茎秆0～10mm段最大压缩力为33.65N,抗压强度为1.75MPa;番茄钵苗茎秆10～20mm段最大压缩力为23.52N,抗压强度为1.22MPa。

图12 番茄钵苗茎秆不同部位受压力—变形曲线Fig.12 Pressure-deformation curve of different parts of tomato seedling stem。

2.3.2 茎秆不同加载速度抗压特性分析

图13为番茄钵苗茎秆在5种加载速度下的受压力—变形曲线。由图13可知:在压缩初始阶段曲线缓慢上升,受压力-变形曲线与加载速度基本无关;随着压缩变形量的增大,不同加载速度下的曲线产生分离,在达到压缩破裂点之后又迅速下降;当速度从5mm/min增大至25mm/min时,破裂力依次增大,在25mm/min时达到最大,此时压缩力为16.83 N。番茄钵苗茎秆相同部位在一定压缩位移下,加载速度增大,压缩载荷随之增大。

图13 番茄钵苗茎秆不同加载速度受压力—变形曲线Fig.13 Pressure-deformation curves of different loading speeds of tomato seedling stems。

3 结论

1) 拉伸试验表明:番茄钵苗茎秆因其结构特点通常出现2次断裂,1次断裂前,应力—应变为线性关系,没有明显的屈服过程,最大拉伸力出现在第1次断裂时,且平均抗拉断力大小随夹持位置的升高而减小。试验表明:番茄钵苗茎秆距钵体上表面10～20mm段平均拉断力为16.97N,断裂应力为2.547～3.715MPa,断裂应变为5.520%～9.405%。

2) 弯曲试验表明:番茄钵苗茎秆抗弯力随加载速度增大而增大,抗弯弹性阶段特性符合胡克定律;当茎秆抗弯强度达到极限时,茎秆下侧面发生折断,载荷急剧变小,表现为明显的脆断性。试验表明:番茄钵苗茎秆距钵体上表面0～40mm段弯曲时的平均最大压力为1.79N、弹性模量为34.92MPa,抗弯强度为43.58MPa。

3) 压缩试验表明:番茄钵苗茎秆抗压力-变形曲线在初始区段压力随变形的增加而近似呈线性关系,当压力达到破裂点时,茎秆表皮破裂。在相同加载速度下,番茄钵苗茎秆最大压缩力随着取样高度的增加而减小;相同取样部位在一定压缩位移条件下,加载速度增大,压缩载荷增大,对应破裂力增大。试验表明:番茄钵苗茎秆10～20mm段最大压缩力为23.52N,抗压强度为1.22MPa。