穴盤苗自動取苗裝置的物料特性分析

張振國　張學軍　曹衛彬等

摘要：為了設計機構合理的穴盤苗自動移栽機取苗裝置，以新疆地區大面積種植的石番36番茄穴盤苗為試驗對象，對穴盤苗的苗高、株高、葉面展幅、莖粗等形態參數和穴盤苗的基質含水率、不同含水率的翻轉比、摩擦角以及穴盤苗的基質頂出力和抗壓力等物理特性進行了測定。研究結果，穴盤苗壯苗的平均株高為181.2 mm，葉面展幅 99.4 mm，莖粗3.3 mm，真葉片數3～5張；經過試驗驗證，得出基質含水率的適宜范圍為25%～35%，基質頂出力的范圍為1.2～3.0 N，基質抗壓力的范圍為1.5～6.0 N，摩擦角的范圍為30°～40°，含水率為30%時穴盤苗的翻轉比范圍為9.6～15.0。

關鍵詞：穴盤苗；自動取苗；物料特性

中圖分類號： S223 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0348-04

新疆是我國重要的番茄生產基地，目前的番茄種植主要以人工取苗移栽為主，人工取苗具有效率低、勞動強度大、成本高等缺點，自動取苗移栽是提高番茄種植效率、擴大番茄種植面積的方法之一。隨著經濟社會的進步，穴盤育苗移栽已成為新疆地區農業種植的重要部分。隨著農業產業結構調整，農業勞動力緊缺，人工移栽成本隨著勞動力的轉移越來越高。新疆地處我國西北地區，冬季寒冷干燥、無霜期短，農作物不宜早播。新疆是世界第二大番茄醬產區，新疆地區大部分番茄醬廠規模較小，吞吐量有限。收獲期大量番茄積壓，造成番茄腐爛，給農民造成很大的經濟損失。因此，番茄移栽可使番茄成熟期錯開，以便番茄醬廠更好解決處理番茄能力有限的問題[1-5]。

為了減小取苗過程中對穴盤苗的損失，必須對穴盤苗的物料特性進行研究。目前，國內學者對取苗末端執行器的研究主要集中在取苗裝置的研發上[6-10]，僅僅實現了取苗的基本要求，無法將取苗裝置與穴盤苗本身的物料特性有效結合起來進行分析設計。繆小花等以黃瓜穴盤苗為對象，測試拉拔力，運用正交試驗分析填充量、基質成分體積比、含水率對拉拔力及缽體抗壓性能的影響，進行取苗末端執行器夾取的設計[11]。韓綠化等通過對穴盤苗進行夾苗拉拔試驗、缽體摩擦試驗、缽體平板壓縮抗壓試驗，研究分析了與自動移栽相關的穴盤苗力學特性，為自動取苗末端執行器機構設計提供依據[12-13]。宋建農等通過對水稻穴盤秧苗的抗拉力學特性和穴盤拔秧性能的試驗研究，為水稻穴盤秧苗拔秧機構的設計提供理論依據[14]。張麗華等通過對移栽對象特性的分析，對指針夾緊式穴盤苗移栽爪進行了設計[15]。上述研究的物料都不是新疆地區大面積移栽種植的番茄、棉花和線辣椒等作物。

本研究重點對新疆本地種植的番茄穴盤苗的物料特性進行研究，以期為適合新疆地區穴盤苗自動取苗裝置自動取喂苗提供理論參考。

1 取苗裝置的基本組成及工作原理

1.1 取苗裝置的基本組成

石河子大學機械電氣工程學院研制的穴盤苗自動取苗裝置見圖1[16]。自動取苗裝置是利用機械代替人工取苗完成自動取苗的一種機構[17]，是由機架、輸送帶支架調節架、帶支架、輸送帶、投苗板、頂苗裝置、頂桿導軌、頂桿連接梁、頂桿電機等組成。

1.2 取苗裝置的工作原理

穴盤苗自動取苗裝置的取苗過程由頂苗過程和落苗過程組成。

1.2.1 穴盤苗的頂出過程 頂出過程是頂桿與穴盤苗后部基質的作用過程。此過程需要先將穴盤固定到傾斜的輸送帶上，通過步進電機帶動輸送帶間歇轉動，每間隔相同的時間轉動1次。頂桿在頂桿電機帶動下自動伸出，把同一排16株番茄穴盤苗同時頂出。此時頂桿電機退回，頂桿在復位彈簧的作用下自動彈回，等待下一個頂出過程。

1.2.2 穴盤苗的落苗過程 被頂出的穴盤苗在投苗板的作用下，由自重的作用繞著穴盤苗的重心產生翻轉。在投苗板的落苗口的限制下穴盤苗基質垂直向下落下，到達下面的穴盤苗輸送帶。

依次重復上述過程，可以實現連續均勻的投送苗的過程。頂桿在頂出最后一排穴盤苗后，穴盤沿滑軌落入接苗盤的機構后，進入下一個苗盤的取苗過程[16]。

2 材料與方法

2.1 試驗實施

試驗于新疆石河子大學農業機械重點實驗室進行。根據新疆農業的實際情況，選用新疆農民普遍使用的穴苗孔上端的長、寬均為30 mm、下端長寬均為14 mm、穴苗孔深度 46 mm、底部圓孔直徑為7 mm、容積為16 mL、厚度為1 mm的倒金字塔形的128穴穴盤。在石河子大學農試場的溫室培育的穴盤苗，育苗基質為新疆農八師附近沙灣縣配制的有機基質育苗，其中總養分≥2%，有機質含量≥28%。穴盤苗于2012年7月15日播種，7月18日出苗，22日出苗率已經達到80%以上，8月20日番茄苗基本達到根系發達、高度適中、無病蟲害等要求，番茄品種為石番36，番茄穴盤苗以約35 d苗齡為試驗對象，試驗用苗如圖2-a所示。

2.2 分析測定

對穴盤苗株高、葉面展幅、莖粗等用精度為0.1 mm的游標卡尺測量，測量方式見圖2-b；用精度為0.1 g的JJ3000電子天平測得穴盤苗的質量；用精度值為0.001 g的MA45C-000230V1水分測試儀進行番茄穴盤苗含水率的測定；用試驗力測量范圍為0.04～2.00 kN、有效拉伸空間為 800 mm 的CMT4203微機控制電子萬能試驗機測量穴盤苗的頂出力、抗壓力。

3 結果與分析

3.1 穴盤苗的形態特性

穴盤苗的株高、葉面展幅、莖粗等因素是評價壯苗標準的重要形態參數（表1），直接影響取苗裝置的實際作業效果。因此，測量自然環境下番茄穴盤苗自身形態特性，是設計出結構合理的取苗裝置的關鍵。根據測量所得的番茄穴盤苗的形態參數，培育的番茄穴盤與新疆地區移栽的穴盤苗生長情況一致，能滿足新疆地區穴盤苗的移栽標準。endprint

3.2 番茄穴盤苗的物理特性

針對新疆地區農作物的種植特點和實際的農藝要求，為設計出機構合理的取苗裝置，對穴盤苗的物理特性進行研究。番茄穴盤苗的物理特性研究包括穴盤苗基質含水率、穴盤苗不同含水率的翻轉比、摩擦角以及穴盤苗的基質頂出力和抗壓力的測定。

3.2.1 穴盤苗基質含水率

當含水率低于25%時，由于基質過于干燥、易碎，很難被頂桿頂出；當基質含水率高于35%時，基質濕度太大，基質強度比較低，也很難被頂桿頂出。原因是含水率太低或者太高時基質與苗盤間的黏滯性降低，不利于移栽的作業。經過反復試驗，得出適宜取苗的基質含水率的范圍為25%～35%。

3.2.2 基質的強度 基質強度是土壤力學中最基本的部分。基質的抗壓強度既受基質本身配比的影響，又受生長環境的影響。在穴盤苗基質力學性質的研究中，對不同組成的育苗基質進行強度試驗，將含沙的基質與草炭以2 ∶3比例混合，再以5～7 kg/cm2的壓力進行壓實的基質塊為硬土，以1～2 kg/cm2 的壓力進行壓實的基質塊為軟土[18]。基質的強度測定是對穴盤苗基質的頂出力與抗壓力的測量，作為最終取苗成功率的試驗研究理論依據。

3.2.2.1 基質頂出力 基質頂出力是指頂桿將基質從穴盤中頂出來需要的力，主要包括穴盤苗自身的重力、穴盤苗基質與穴盤的黏滯力以及穴盤苗與周圍穴盤苗相互之間的干涉力等組成。對穴盤苗基質頂出力的測定結果：基質含水率為25%時，基質頂出力約為1.2 N；基質含水率為30%時，基質頂出力約為2.5 N；基質含水率為35%時，基質頂出力約為30 N（圖3）。由此可以看出，基質的頂出力隨著含水率的增大而增大，且受穴盤苗自身質量的影響較大。

3.2.2.2 基質抗壓力 基質抗壓力是指一定含水率的基質塊可以承受頂桿的最大壓力[19]。對穴盤苗進行基質抗壓力的測定結果：基質含水率為25%時，基質抗壓力約為1.5 N；基質含水率為30%時，基質抗壓力約為6.0 N；基質含水率為35%時，基質抗壓力約為3.1 N（圖4）。由此可以看出，基質抗壓力隨著含水率的增大先提高后降低，且受穴盤苗自身質量的影響較大。在穴盤苗完整的情況下，含水率在20%～35%之間，在軟土強度試驗中澆水量對基質強度并無明顯影響，但在有根系的硬土塊試驗中，基質含水率對基質抗壓力影響比較大。原因在于含水率太低或者太高時，基質與苗盤間的黏滯性降低，不利于移栽作業。

3.2.3 穴盤苗的摩擦角 穴盤苗的摩擦角是制約頂出成功率的關鍵因素之一。摩擦角測量是通過隨機選擇32株穴盤苗，要求表面濕度近似于移栽含水率，置于和穴盤材料相同的聚苯乙烯塑料板上，將塑料板一端升高，逐漸增大傾斜角直至穴盤基質開始下滑，記錄下此時塑料板與水平面之間的夾角（用角度測量儀），測量穴盤基質的摩擦角，求其平均值作為試驗的參數。穴盤苗的摩擦角測定結果：基質含水率為25%時，穴盤苗的摩擦角約為30°；基質含水率為30%時，穴盤苗的摩擦角約為35°；基質含水率為35%時，穴盤苗的摩擦角約為40°（圖5）。由此可以看出，穴盤苗的摩擦角隨著含水率的增大而增大，并受穴盤苗自身質量的影響較大。

3.2.4 穴盤苗翻轉比

4 結論

為使設計的取苗裝置更適合加工番茄穴盤苗移栽的實際要求，對穴盤苗的特性進行了分析研究。隨著苗齡的增長，穴盤苗表現出的自身特性是根系發達，可以完全包裹基質的完整穴盤苗，平均株高181.2 mm、葉面展幅79.4 mm、莖粗 3.3 mm、真葉片數3～5張，能滿足新疆地區穴盤苗的移栽標準，可作為后續取苗裝置試驗臺的試驗對象。

為保證取苗成功率，對穴盤苗的物理特性進行了有針對性的研究。穴盤苗物理特性主要包括穴盤苗的含水率、翻轉比、摩擦角以及基質頂出力和抗壓力。經過試驗驗證，得出基質含水率的適宜取值范圍為25%～35%。當穴盤苗的含水率為25%～35%時，基質頂出力的范圍為1.2～3.0 N，基質抗壓力的范圍為1.5～6.0 N，摩擦角的范圍為30～40°。在穴盤苗的含水率為30%時，穴盤苗的翻轉比的范圍為9.6～15.0。

本試驗僅對石番36番茄穴盤苗進行了試驗測定，但對不同移栽品種或同品種不同種植狀態下的穴盤苗均可采用相似的方法測定。本研究關于物料特性的分析為設計自動取苗裝置的有關參數提供了計算依據。

參考文獻：

[1]胡 潔，蒲春玲.兵團番茄產業化發展問題思考[J]. 新疆農墾經濟，2010（1）：52-56.

[2]陳更新，李吉新，閆向輝. 兵團農二師辣椒、番茄機械育苗移栽技術推廣應用[J]. 新疆農機化，2008（1）：29-30.

[3]姚曉敏.育苗移栽：兵團農業工廠化生產序曲[N]. 兵團建設. 2007-06-15.

[4]姜 帆. 新疆生產建設兵團掀起農業種植技術推廣熱潮[N]. 經濟日報. 2007-05-15（1）.

[5]許美榮，于建義，張錫玉，等. 工廠化穴盤育苗技術[J]. 中國果菜，2009（7）：33-35.

[6]孫國祥，汪小旵，何國敏，等. 穴盤苗移栽機末端執行器設計與虛擬樣機分析[J]. 農業機械學報，2010，41（10）：48-53.

[7]張振國，曹衛彬，王 僑，等. 穴盤苗自動移栽機的發展現狀與展望[J]. 農機化研究，2013，5（5）：237-241.[HJ1.7mm]

[8]張振國. 穴盤苗移栽機自動取苗裝置的設計與仿真[D]. 石河子：石河子大學，2013.

[9]徐洪廣，趙 勻，張允慧，等. 水稻缽苗移栽機變性卵形齒輪分秧機構的運動機理分析[J]. 農業工程學報，2012，28（11）：9-15.

[10]陳建能，黃前澤，王 英，等. 缽苗移栽機橢圓齒輪行星系植苗機構運動學建模與分析[J]. 農業工程學報，2012，28（5）：6-12.

[11]繆小花，毛罕平，韓綠化，等. 黃瓜穴盤苗拉拔力及缽體抗壓性能影響因素分析[J]. 農業機械學報，2013（增刊）：27-32.

[12]韓綠化，毛罕平，胡建平，等. 穴盤苗自動移栽缽體力學特性試驗[J]. 農業工程學報，2013，2（2）：24-29.

[13]韓綠化，毛罕平，繆小花，等. 基于穴盤苗力學特性的自動取苗末端執行器設計[J]. 農業機械學報，2013，44（11）：260-265.

[14]宋建農，王 蘋，魏文軍，等. 水稻秧苗抗拉力學特性及穴盤拔秧性能的力學試驗研究[J]. 農業工程學報，2003，19（6）：10-13.

[15]張麗華，邱立春，田素博，等. 指針夾緊式穴盤苗移栽爪設計[J]. 沈陽農業大學學報，2010，41（2）：235-237.

[16]張振國，曹衛彬，王 鵬，等. 番茄穴盤苗自動移栽機頂桿式取苗裝置的設計——基于UG三維軟件[J]. 農機化研究，2013（4）：72-75.

[17]Kutz L J. Robotic transplanting of bedding plants[J]. Transactions of the ASAE，1987，30（3）：586-590.

[18]鄭經偉，黃裕益，陳衍君. 氣壓式假植機之研究（I）-設計與試驗[J]. 農業機械學刊，1997，6（4）：49-60.

[19]李建剛. 移栽機械臂及其控制器的研究[D]. 南京：南京農業大學，2009：30-35.endprint