番茄缽苗莖稈力學特性試驗研究

馬曉曉,李 華,2,葛 云,李樹峰,趙永滿,余思遙

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832003;2.嶺南師范學院 機電工程學院,廣東 湛江 524048)

0 引言

新疆是我國番茄的主產區,番茄產業在新疆農業生產中占有非常重要的地位[1-2]。近年來,隨著作物育苗移栽技術的大力推廣,新疆番茄育苗移栽種植規模也在不斷擴大,移栽過程主要以人工作業為主、半自動移栽機械作業為輔。作業過程中,取苗投苗作業均需人工完成,存在自動化程度低、勞動強度大、效率低及作業成本高等問題,嚴重制約了新疆育苗移栽技術的發展[3-4]。因此,研發能夠實現自動取苗投苗作業功能的自動移栽機成為趨勢和必然,而取苗機構的設計是其關鍵技術之一。

在取苗機構設計過程中,開展與機械自動取苗相關的番茄缽苗自身力學特性研究,可為取苗機構的取苗軌跡、夾取方式及執行末端結構參數等設計提供重要的理論依據,是取苗機構設計的重要前提。對于番茄缽苗夾莖式取苗機構而言,開展番茄缽苗莖稈的力學特性試驗研究非常必要。目前,有關番茄缽苗莖稈力學特性的研究報道較少,相關研究主要集中在水稻、煙草及棉花等作物幼苗莖稈力學特性的研究方面。馬瑞峻等[5-6]利用自制拔斷力測試系統對單株穴盤水稻缽苗進行拔斷力研究,發現莖稈拔斷力從莖部向上逐漸減小;同時,利用微控電子萬能試驗機對穴盤水稻缽苗莖稈進行了拉伸試驗研究,結果表明:拉伸時,缽苗莖稈外鞘斷裂前應力-應變呈線性關系,且平均斷裂應力大小隨加載速度的增加而呈線性增加。宋建農等[7]利用萬能材料試驗機對不同秧齡的水稻缽苗莖稈進行了抗拉斷力試驗,發現抗拉斷力與缽苗秧齡、缽苗高度及夾苗高度有關。尚蕾等[8]對煙草進行缽苗拔取及缽苗莖稈拉伸、壓縮、彎曲和剪切力學試驗,獲取了缽苗拔取力、缽苗莖稈抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度及煙草缽苗莖稈彈性模量。惠東志[9]等對煙苗抗拉斷力與取苗力進行試驗研究,發現單株煙苗抗拉斷力遠遠大于拔取力。董欣等[10]對移栽期煙草缽苗莖稈的不同部位進行了剪切試驗,發現煙草缽苗莖稈剪切部位對剪切破壞載荷及剪切功耗均存在顯著影響。王會麗等[11]對棉花幼苗進行不同加載速度下的剪切和彎曲試驗,發現不同品種棉花幼苗的剪切強度和彎曲強度均隨加載速度的增大而增大。

對番茄缽苗莖稈力學特性開展研究有助于掌握番茄缽苗在自動取苗過程中的機械損傷特性規律,對解決自動取苗過程中的傷苗問題也有重要意義[12]。因此,本文重點對適栽期番茄缽苗莖稈開展了拉伸、彎曲及壓縮試驗,獲得了番茄缽苗莖稈在外力作用下的力學參數變化規律及其破壞損傷規律,研究結果可為番茄缽苗自動移栽機械取投苗機構的設計提供重要參考。

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

試驗于2018年9月20日在石河子大學農業部西北農業裝備重點實驗室進行。試驗材料選用新疆大面積種植的“石番36號”加工番茄缽苗,如圖1所示。育苗穴盤材質為聚氯乙烯塑料,苗盤規格為16×8穴(即每個苗盤有16行,8列),外形尺寸為540mm×280mm,穴孔呈倒金字塔狀。試驗采用新疆加工番茄缽苗常用的有機營養育苗基質,配方比為泥炭:蛭石:珍珠巖=1:1:1。根據新疆加工番茄育苗技術特點及要求,番茄苗適合移栽的苗齡為45天左右,缽苗形成后缽苗根系在基質里穿插、纏繞、網絡,形成根土復合體即缽體[13-14]。因此,本次試驗育苗時間選擇為2018年8月15日—2018年9月20日,缽苗苗齡為45天。隨機選取20株番茄苗,利用游標卡尺測量番茄缽苗形態特性參數,莖稈含水率采用干濕質量法測量,測得番茄缽苗主要形態特性參數如表1所示。

圖1 番茄缽苗Fig.1 Tomato seedlings。

表1 番茄缽苗主要形態特性參數Table 1 Main morphological characteristic parameters of tomato seedlings。

續表1。

1.2 試驗設備

試驗主要設備為DF-9000型動靜態電子萬能材料試驗機(臺灣高鐵檢測儀器公司),使用夾具為試驗機配套夾具,可進行拉伸、剪切等試驗,儀器精度±0.5%,由微機控制自動完成加載、卸載及數據采集與分析。壓縮試驗采用TA.XT plus型質構儀 (英國Stable Micro System公司),測試速度范圍為0.01～40mm/s,測試距離精度為0.001mm,測試力量精度為0.1g,探頭選擇直徑為5mm的P5圓柱形探頭。試驗用其它設備有TD型電子天平(精度0.01 g)及游標卡尺(精度0.02 mm)等。試驗主要設備如圖2所示。

圖2 試驗主要設備Fig.2 Test main equipment。

1.3 試驗方法

1.3.1 莖稈拉伸試驗

缽苗莖稈拉伸試驗設備為DF-9000型動靜態電子萬能材料試驗機,采用拉伸夾具將缽苗莖稈固定在測試臺上,且使莖稈和水平面保持垂直。通過試驗,研究同一秧齡缽苗不同夾持位置對缽苗莖稈抗拉斷力的影響及番茄缽苗莖稈拉伸時的應力-應變曲線。

試驗機配有兩個夾頭,可以將番茄缽苗莖稈的兩端夾在夾頭上。為避免夾具在夾緊幼苗莖稈時幼苗莖桿兩端發生破壞或滑移以致無法拉斷缽苗,在莖稈試樣兩端附著紗布,然后涂抹萬能膠,待膠水干燥后進行試驗[15]。試驗時,下拉伸夾具夾持缽苗的根部,上拉伸夾具夾持位置距缽苗基質上表面的距離分別取10、20、30、40、50mm,設置加載速度為1mm/ s(準靜態加載),預加載荷為10N。莖稈拉伸試驗如圖3所示。

1.3.2 莖稈彎曲試驗

根據GB/T1936.1木材抗彎強度試驗和GB/T1936.2木材抗彎彈性模量的測試方法,進行3點彎曲試驗的設計[16]。缽苗莖稈抗彎性能試驗測試儀器為DF-9000型動靜態電子萬能材料試驗機,試驗取樣部位為缽苗基質表面以上0～40mm段,平均直徑為2.6mm,含水率約79.43%。試驗時,試樣水平放置在夾具的支座和探頭之間,支座跨距為20mm,預加載荷為10N(保證探頭與試樣密切接觸),加載速度為10mm/min,直至莖稈斷裂。番茄缽苗莖稈抗彎性能試驗如圖4所示。

圖4 番茄缽苗莖稈彎曲試驗Fig. 4 Stem bending test of tomato seedlings。

為研究在不同加載速度下番茄缽苗莖稈抗彎力學特性,選取番茄缽苗莖稈試樣分別在5、10、15、20、25 mm/min等5種不同的加載速度下進行3點彎曲試驗,每次試驗重復10次,取其平均值。

1.3.3 莖稈壓縮試驗

夾莖取苗機構夾持番茄缽苗莖稈時會對莖稈產生擠壓,取苗頻率不同,苗針夾持莖稈的速度不同。因此,對番茄缽苗莖稈樣本進行不同部位、不同壓縮速度條件下的單因素壓縮試驗,獲得相應的力學特性參數,分析不同因素對力學參數的影響。

番茄缽苗莖稈抗壓性能試驗采用TA.XT plus 質構儀和柱形探頭P/5(直徑5 mm),壓縮試驗如圖5所示。壓縮試驗前,將試樣放于探頭與金屬板之間,確保試樣位于探頭的中心位置,保證試驗初始階段探頭與試樣充分接觸。試驗時,輸入試驗所需數據、試驗類型的選擇及試驗參數,設置壓縮高度比為60%,即壓縮時探頭的位移為試樣直徑的60%。

圖5 番茄缽苗莖稈壓縮試驗Fig.5 Tomato seedling stem compression test。

為研究一定加載速度下番茄缽苗莖稈不同部位的壓縮特性,取番茄缽苗缽體以上0～10mm段和10～20mm段為試樣,設置加載速度為10mm/min。試驗將莖稈分為兩組,每10個試樣為1組,番茄缽苗莖稈不同部位詳細參數如表2所示。通過試驗獲得番茄缽苗莖稈不同部位在同一加載速度下的壓縮特性指標,即最大載荷、抗壓強度及彈性模量。

表2 番茄缽苗莖稈不同部位的數據參數Table 2 Data parameters of different parts of tomato seedling stem。

為研究不同加載速度對番茄缽苗莖稈同一部位力學特性的影響,取50株番茄缽苗樣本,隨機分成5組,每組10株,分別對番茄缽苗缽體以上10～20 mm段莖稈重復進行加載速度為5、10、15、20、25mm/min 的單因素壓縮試驗,從而獲得番茄缽苗莖稈缽體以上10～20 mm段不同加載速度下的壓縮特性指標[17]。

2 試驗結果與分析

2.1 番茄缽苗莖稈抗拉力學試驗

表3為不同夾持位置下番茄缽苗莖稈拉伸試驗結果。由表3可知:隨著夾持位置的上升,番茄缽苗莖稈斷裂應力在減小,變化范圍為0.78～4.32MPa,平均值為2.52MPa。在不同夾持位置下,缽苗莖稈總體斷裂應變為4.13%～11.24%,平均值為6.76%;斷裂應力為0.78～4.32MPa,平均值為2.52MPa;彈性模量為13.37～54.38 MPa,平均值為34.71MPa。

表3 不同夾持部位下番茄缽苗莖稈拉伸試驗結果Table 3 Tensile test results of tomato seedling stems under different clamping positions。

圖6為夾具在不同夾持位置下與缽苗莖稈抗拉斷力關系曲線圖。由圖6可看出:夾具不同夾持位置對缽苗莖稈的抗拉斷力具有較大影響,莖稈抗拉斷力隨夾持位置的升高而降低;當夾持位置高于第1片真葉位置時,拉斷力急劇下降,原因是由于葉、莖強度差別較大。一般缽苗莖稈被拉斷時,拉斷位置在上拉伸夾具下部。缽苗莖稈強度隨上拉伸夾具位置升高而下降,主要是由于缽苗莖稈斷面尺寸變小,導致強度下降所致。

圖6 夾具夾持位置與莖稈抗拉斷力關系曲線Fig.6 Relationship between clamp clamping position and stem tensile strength。

結合夾具夾持位置與莖稈抗拉斷力關系曲線,考慮到移栽機自動取苗機構夾莖取苗時夾持位置過低會與穴苗盤產生干涉,因此選擇夾持位置為距缽體上表面的距離10～20 mm。根據試驗得到夾持位置距缽體上表面20 mm距離下番茄缽苗莖稈的應力—應變曲線,如圖7所示。

圖7 應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curve。

通過應力-應變曲線分析圖形的樣本參數分別為:試件標距20mm、直徑2.6mm,番茄缽苗莖稈拉伸時的平均拉斷力為16.97N、彈性模量為39.20MPa、強度極限為3.20MPa。由番茄缽苗莖稈拉伸試驗的應力-應變曲線可以看出:①在單向靜態拉伸條件下,莖稈試樣容易產生2次斷裂,與缽苗莖稈結構有關。第1次斷裂發生在A點,表現為缽苗莖稈表皮斷裂,斷裂位置多在試樣上部;第2次斷裂發生在B點,表現為莖稈內部斷裂,斷裂位置多在試樣底部。②在第1次斷裂前,應力-應變曲線呈線性關系,沒有明顯的屈服過程,符合胡克定律,這一階段為拉伸時的彈性階段,曲線的斜率即為番茄缽苗莖稈的彈性模量,整個拉伸過程中最大拉伸力出現在第1次斷裂時。

2.2 番茄缽苗莖稈抗彎性能試驗

圖8所示為莖稈試樣載荷-位移曲線。試驗開始,當探頭接觸到試件時,計算機系統開始采集數據點,并由試驗樣機附帶軟件繪制載荷位移曲線。在初始階段可以看出:莖稈所受載荷與位移呈線性關系,表明番茄缽苗莖稈抗彎彈性階段特性符合胡克定律;當曲線到達A點時,莖稈發生屈服,對應載荷為屈服載荷;繼續加載,載荷增長速度逐漸減小,曲線到達峰值點B點,莖稈抗彎強度達到極限,莖稈下側面發生折斷,載荷急劇變小。

圖8 番茄缽苗莖稈抗彎性能試驗載荷—位移曲線圖Fig.8 Load-displacement curve of the bending resistance test of tomato seedling stalk。

試驗結果表明:在含水率差異不大的情況下,試件的彈性模量E無明顯變化,平均值為34.92MPa;抗彎強度最大值為54.25MPa,最小值為36.63MPa,平均值為43.58MPa。

番茄缽苗莖稈試樣不同加載速度下的試驗結果如表4所示。

表4 不同加載速度下番茄缽苗莖稈抗彎試驗結果Table 4 Results of bending test of tomato seedling stalks at different loading speeds。

由表4可知:在加載速度為5～25mm/min范圍內,番茄缽苗莖稈試樣的彎曲彈性模量均值范圍為21.20～46.43MPa;當加載速度為5mm/min時,番茄缽苗莖稈試樣彈性模量均值最小;當加載速度取值為15mm/min時,番茄缽苗莖稈試樣彈性模量均值最大。番茄缽苗莖稈試樣抗彎強度均值為33.86～61.69MPa,番茄缽苗莖稈為一種非均質、各向異性的生物質高分子材料,具有粘彈性,其強度主要受溫度和變形速度的影響,在室溫一定情況下,其抗彎強度均值隨加載速度增大而增加。

圖9為不同加載速度下番茄缽苗莖稈載荷-位移曲線。由圖9可知:探頭的加載速度越大,莖稈所受反力越大;加載位移在2～6 mm處,載荷出現最大值;曲線平滑上升為彈性變形階段,加載速度越大,曲線斜率越大;當載荷達到最大值以后,莖稈內部開始被破壞,可理解為塑性變形;力值曲線下降,試樣完全被破壞,最后趨于穩定。因此,在取樣部位相同的情況下,加載速度大,所用的彎曲載荷力越大。

圖9 不同加載速度下番茄缽苗莖稈載荷—位移曲線Fig.9 Load and displacement curves of tomato seedlings under different loading speeds。

2.3 番茄缽苗莖稈抗壓性能試驗

圖10、圖11分別為加載速度10mm/min時番茄缽苗莖稈壓縮破裂特征及典型力-變形試驗曲線,曲線均顯示兩個可見特征點,即S點和B點。由圖11可以看出:用柱形探頭時,加載的初始區段壓力隨變形的增加而近似呈線性關系;當壓力達到FS時,番茄缽苗莖稈表皮細胞開始出現微觀結構的破壞,出現第1個峰值點S, 稱之為生物屈服點,壓力小于FS時的負載不會使莖稈產生損傷;當壓力達到FS時,繼續增加壓力,壓縮進入塑性變形過程,產生永久性的變形和損傷;當壓力達到FB時,出現第2個峰值點B,莖稈表皮破裂,點B稱為破裂點。破裂點對應于宏觀結構的破壞,這時細胞發生滑移、變形和破裂,B點一般遠離生物屈服點S。

圖10 加載及破裂特征Fig.10 Loading and rupture characteristics。

圖11 抗壓力—變形曲線Fig.11 Resistance to pressure-deformation curve。

2.3.1 莖稈不同部位抗壓特性分析

圖12為番茄缽苗缽體以上0～10mm段和10～20mm段在10mm/min的加載速度下壓縮力與變形之間的關系曲線。分析試驗過程可知:試驗開始時,隨著探頭不斷向下運動,番茄缽苗莖稈的變形量增加,莖稈被壓縮,因此壓縮力不斷增加;當變形達到試樣直徑的60%時,試驗停止。番茄缽苗莖稈的直徑隨著高度的增加而有所減小,故其承受載荷的能力有所減小。總之,在加載速度一定的情況下,最大壓縮力隨著取樣高度的增加而減小,莖稈根部最大壓縮力值最大。壓縮試驗結果表明:番茄缽苗莖稈0～10mm段最大壓縮力為33.65N,抗壓強度為1.75MPa;番茄缽苗莖稈10～20mm段最大壓縮力為23.52N,抗壓強度為1.22MPa。

圖12 番茄缽苗莖稈不同部位受壓力—變形曲線Fig.12 Pressure-deformation curve of different parts of tomato seedling stem。

2.3.2 莖稈不同加載速度抗壓特性分析

圖13為番茄缽苗莖稈在5種加載速度下的受壓力—變形曲線。由圖13可知:在壓縮初始階段曲線緩慢上升,受壓力-變形曲線與加載速度基本無關;隨著壓縮變形量的增大,不同加載速度下的曲線產生分離,在達到壓縮破裂點之后又迅速下降;當速度從5mm/min增大至25mm/min時,破裂力依次增大,在25mm/min時達到最大,此時壓縮力為16.83 N。番茄缽苗莖稈相同部位在一定壓縮位移下,加載速度增大,壓縮載荷隨之增大。

圖13 番茄缽苗莖稈不同加載速度受壓力—變形曲線Fig.13 Pressure-deformation curves of different loading speeds of tomato seedling stems。

3 結論

1) 拉伸試驗表明:番茄缽苗莖稈因其結構特點通常出現2次斷裂,1次斷裂前,應力—應變為線性關系,沒有明顯的屈服過程,最大拉伸力出現在第1次斷裂時,且平均抗拉斷力大小隨夾持位置的升高而減小。試驗表明:番茄缽苗莖稈距缽體上表面10～20mm段平均拉斷力為16.97N,斷裂應力為2.547～3.715MPa,斷裂應變為5.520%～9.405%。

2) 彎曲試驗表明:番茄缽苗莖稈抗彎力隨加載速度增大而增大,抗彎彈性階段特性符合胡克定律;當莖稈抗彎強度達到極限時,莖稈下側面發生折斷,載荷急劇變小,表現為明顯的脆斷性。試驗表明:番茄缽苗莖稈距缽體上表面0～40mm段彎曲時的平均最大壓力為1.79N、彈性模量為34.92MPa,抗彎強度為43.58MPa。

3) 壓縮試驗表明:番茄缽苗莖稈抗壓力-變形曲線在初始區段壓力隨變形的增加而近似呈線性關系,當壓力達到破裂點時,莖稈表皮破裂。在相同加載速度下,番茄缽苗莖稈最大壓縮力隨著取樣高度的增加而減小;相同取樣部位在一定壓縮位移條件下,加載速度增大,壓縮載荷增大,對應破裂力增大。試驗表明:番茄缽苗莖稈10～20mm段最大壓縮力為23.52N,抗壓強度為1.22MPa。