蔬菜穴盤苗缽體壓縮-力松弛特性

韓綠化， 趙崢嶸， 馬國鑫， 葉夢蝶， 毛罕平， 胡建平

(江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室/江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術研究重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

近年來，我國穴盤苗自動移栽技術研究倍受關注[1]，新型取苗機構及末端執(zhí)行器不斷出現(xiàn)[2-6]，但移栽作業(yè)仍然停留在半機械作業(yè)水平，主要原因是穴盤苗自動取苗的效果不理想，移栽機具與育苗工藝互不適應。實現(xiàn)穴盤苗自動高效移栽，不僅與機具設計息息相關，還涉及到育苗問題，即培育適合移栽的高質量穴盤苗[7]。

經(jīng)過“九五”“十五”一批工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程項目開展，我國已初步建立了穴盤育苗技術體系，并將其成功應用于工廠化育苗生產(chǎn)中[8]，但目前的育苗工作僅僅圍繞育苗質量，沒有考慮與自動移栽相關的質量特性，包括株型控制、缽體力學特性等。事實上，對自動移栽機具的研發(fā)應將穴盤苗本身的力學特性與機構設計結合起來考慮，只有通過研究穴盤苗的物理力學特性，堅持農(nóng)機與農(nóng)藝相結合，才能使所研制的自動移栽機滿足自動移栽種植要求。

各種農(nóng)業(yè)物料具有自身的生物力學特點，探討農(nóng)業(yè)物料機械作用力學特性，可為研制現(xiàn)代化農(nóng)機具提供依據(jù)[9-12]。對于穴盤苗而言，主要采用輕型育苗基質，以不同孔穴的穴盤作為容器來培育種苗。成苗后，根系在育苗基質中穿插、纏繞和網(wǎng)絡，形成育苗基質-幼苗根系復合體。自動取苗機構作業(yè)時，一般采用夾取針插入缽體夾持將穴盤苗取出，再帶苗至栽植點放苗，這就要求自動取苗機構的夾取方案要適應穴孔取苗的特點，同時穴盤苗本身應具有良好的抗壓能力以及保持這種抗壓能力的穩(wěn)定性。

本試驗利用流變學方法研究穴盤苗缽體壓縮力-松弛特性，建立壓縮力及松弛模型，分析穴盤苗缽體壓縮加載力-變形變化規(guī)律，指導機械化移栽幼苗水分管理，并為自動移栽機構設計提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

育苗對象為津研系統(tǒng)黃瓜良種津優(yōu)1號，育苗穴盤為常州君和YMAS128CE穴盤，128穴，穴孔為倒金字塔正方形錐體，上圍尺寸為27 mm，下圍尺寸為15 mm，高度為40 mm。育苗基質為江蘇中諾有機基質營養(yǎng)土，主要成分為優(yōu)質泥炭、蛭石、腐熟植物秸稈、蘑菇下腳料、酒渣等，其理化特性如表1所示。

表1 育苗基質的理化特性

注：EC測量按1：2稀釋法進行。

在江蘇大學Venlo型玻璃智能溫室育苗，育苗方法和苗期管理均按照NY/T 2119—2012《蔬菜穴盤育苗通則》進行。育苗第15天追施營養(yǎng)液，營養(yǎng)液為磷酸二氫鉀1 500倍液和硝酸鈣2 000倍液，用量為 0.15 L/盤。苗齡為23 d，2子葉1心葉。試驗前澆透水，待基質水分擴散均勻開始測試。

試驗儀器為TA-XT2i型質地分析儀(英國SMS公司)，采用P100平板探頭。由于穴盤苗缽體為四棱臺形狀，所以構建傾斜載物臺，圖1為該試驗機及穴盤苗加載情況。

1.2 試驗方法

試驗測試在(25±3) ℃的環(huán)境溫度下完成，采用自然蒸發(fā)水分的措施將穴盤苗缽體分3個含水率水平，分別為含水率A1≤55%、含水率A2為55%～65%、含水率 A3≥65%。

穴盤苗缽體壓縮-力松弛測試采用平板壓縮方式，由上而下加載， 選用50 N力程傳感器，測試前、測試過程中、測試后探頭移動速度均為1 mm/s(準靜態(tài)加載)，壓縮量分別為2、4、6、8、10 mm，力松弛試驗保持時間為120 s，進行不同含水率、壓縮變形下穴盤苗缽體壓縮力松弛測試，每個壓縮量重復10次試驗。由計算機自動記錄數(shù)據(jù)和曲線。

典型的壓縮-力松弛曲線如圖2所示。其中，力-變形曲線(即加載曲線)表征物料受栽變形的抵抗能力，試驗儀器以一定速度使物料達到所測變形量，此時有最大峰值力Ff，然后保持這種變形到一定時間，記錄力-時間變化曲線(即松弛曲線)，利用流變學模型分析保持時間內(nèi)最大峰值力Ff隨時間的變化規(guī)律。

通常采用廣義Maxwell模型擬合分析力松弛特性，其松弛力的一般表達形式為[13-16]：

(1)

式中：F(t)表示任意時刻t時的力，N；Fi表示各Maxwell元件中彈簧的衰減力，N；τi表示各Maxwell元件中力松弛時間常量，s；t表示試驗時間，s。

2 結果與分析

2.1 缽體壓縮力學特性

圖3為加載速度為1 mm/s時不同含水率下穴盤苗缽體平板壓縮力與變形關系，表征缽體抵抗外界壓縮的能力。

事實上，在含水率范圍為54.21%～60.47%時，穴盤苗缽體受壓過程中，其抗壓力與變形關系為非線性曲線，沒有明顯的線彈性[17]。對試驗數(shù)據(jù)進行曲線回歸分析，得到不同含水率水平下穴盤苗缽體平板壓縮的抗壓力與變形間的關系式，如下所示：

含水率A1：FA1=0.054 6x3-0.590 9x2_3.046 6x-0.139 7，r2=0.998 8；

(2)

含水率A2：FA2=0.066 4x3-0.633 3x2+3.127 7x-0.009 6，r2=0.999 5；

(3)

含水率A3：FA3=0.045 4x3-0.391 3x2+2.274 9x-0.088 9，r2=0.999 6。

(4)

從回歸分析結果來看，不同含水率下穴盤苗缽體平板壓縮的抗壓力與變形關系遵從三次多項式變化規(guī)律，對回歸方程求導，得到穴盤苗缽體壓縮剛度與變形之間的關系，反映缽體受壓變形能力，結果如圖4所示。

由圖4可知，在不同含水率下，穴盤苗缽體的壓縮剛度先減小后增大，呈拋物線變化趨勢。對缽體壓縮剛度-變形關系曲線分析得到，在10 mm壓縮下，存在3個相交點，分別為點K1(2.29，1.19)、K2(2.74，1.15)、K3(4.95，1.73)，可以得出當缽體變形小于2.29 mm時，含水率A1下缽體剛度大于含水率A3下缽體剛度，同時小于含水率A2下缽體剛度；當缽體變形在2.29～2.74 mm之間時，含水率A3下缽體剛度大于含水率A1下缽體剛度，同時小于含水率A2下缽體剛度；當缽體變形在2.74～4.95 mm之間時，含水率A2下缽體剛度大于含水率A1下缽體剛度，同時小于含水率A3下缽體剛度；當缽體變形大于4.95 mm時，含水率A2下缽體剛度大于含水率A3下的缽體剛度，同時含水率A3缽體剛度大于含水率A1下缽體剛度。

綜合分析，穴盤苗缽體在不同含水率、不同壓縮變形下具有不一樣的壓縮剛度，表現(xiàn)不同的抗壓能力。利用自動取苗機構夾取長在穴盤孔穴的幼苗時，應根據(jù)育苗基質的特性(即氣體孔隙度、持水力等)，確定合適的穴盤苗缽體含水率，以明確缽體抗壓力與壓縮變形的變化關系，使機構設計有所參照，便于設計合理的夾持力度。同時，在自動移栽機作業(yè)時，應調(diào)控好待移栽穴盤苗缽體含水量，使取苗機構適應夾持變形規(guī)律。在調(diào)整機器作業(yè)參數(shù)時，根據(jù)穴盤苗含水率水平，確定合適的夾持力度，使穴盤苗缽體受壓變形滿足自動夾取需要。

2.2 缽體力松弛特性

將力松弛曲線數(shù)據(jù)在SPSS 18.0統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析軟件中進行曲線擬合，得到廣義Maxwell模型參數(shù)(表2)。

表2 不同含水率下穴盤苗缽體力松弛特性指標

由表2可知，穴盤苗缽體平板壓縮力松弛特性可用二單元Maxwell模型描述，不同含水率、壓縮變形下擬合方程相關系數(shù)均大于0.97。由于穴盤苗缽體是根-土復合體，對于黏彈性而言，松弛時間越長，其彈性就越顯著，表現(xiàn)出越好的彈性應變能力，松弛時間越短，其黏性就越顯著，受壓變形發(fā)生顆粒滑移，從而減弱抗壓能力。因此，表2中第1單元的松弛時間較長，可以用來衡量彈性的好壞，第2單元的松弛時間較短，可以用來衡量黏性的好壞。不同含水率穴盤苗缽體黏彈性如圖5所示。

由圖5-a可知，當缽體含水率處于A1、A2水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性松弛時間先減小后增大，壓縮量6 mm為過渡轉折點，說明缽體受壓后彈性松弛能力在增強中逐漸減弱；當缽體含水率處于A3水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性松弛時間有所減小，但基本保持平穩(wěn)，說明缽體受壓后其彈性能力保持穩(wěn)定。在相同壓縮變形下，當缽體變形量低于4 mm時，彈性松弛能力由低到高為含水率A3>含水率A2>含水率A1；當缽體變形量處于4～6 mm 之間時，以及缽體變形量高于8 mm時，彈性松弛能力由高到低為含水率A2>含水率A3>含水率A1；當缽體變形量處于6～8 mm之間時，彈性松弛能力由高到低為含水率 A2> 含水率A1>含水率A3。通過以上分析可以得出，穴盤苗缽體在不同含水率、變形下的彈性松弛能力顯著不同，因此在設計自動取苗機構時須要考慮對象的特性變化，以設計適應對象特性的作業(yè)機構。

由圖5-b可知，當缽體含水率處于A1、A2水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體黏性松弛時間呈“增大—減小—增大”變化；當缽體含水率處于A3水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體黏性松弛時間有所增大，但基本保持平穩(wěn)。在相同壓縮變形下，當缽體變形量低于6 mm時，黏性松弛能力由高到低為含水率A3>含水率A1>含水率A2；當缽體變形量處于6～10 mm之間時，黏性松弛能力由高到低為含水率A1>含水率A3>含水率A2。通過以上分析，可以得出穴盤苗缽體在不同含水率、變形下的黏性松弛能力有所不同。

綜合以上分析，針對穴盤苗自動移栽鉗夾式取苗的情況，要求缽體具有良好的彈性應變能力，并且應保持這種彈性能力穩(wěn)定，表現(xiàn)在缽體力松弛特性方面，就要求缽體壓縮后其彈性、黏性松弛能力弱，即缽體彈性、黏性松弛時間長。

3 結論

在不同含水率下，穴盤苗缽體平板壓縮的抗壓力與變形呈非線性變化，遵從三次多項式規(guī)律，其壓縮剛度先減小后增大。在相同壓縮變形下，不同含水率的缽體具有不同的壓縮剛度，表現(xiàn)出不同的抗壓能力。設計自動取苗機構時，應根據(jù)夾取力要求確定合適的缽體夾持力度，既保證足夠的夾持力，又不破壞缽體。

穴盤苗缽體壓縮力松弛特性可用二單元Maxwell模型描述，得出不同含水率水平下番茄穴盤苗缽體力松弛本構方程和相應的流變學參數(shù)。

在力松弛特性方面，當缽體含水率處于A1、A2水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性松弛能力先增強后減弱，而黏性松弛時間呈“減小—增大—減小”變化，當缽體含水率處于A3水平時，隨著壓縮變形的增大，穴盤苗缽體彈性、黏性松弛時間保持平穩(wěn)。