胡雙燕，胡敏娟，張文毅，蔣展

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究揚(yáng)，南京市，210014）

0 引言

中國是世界上最大的辣椒生產(chǎn)國，全國共有28個(gè)省份種植辣椒，種植面積占蔬菜種植面積的12%以上[1]。育苗移栽是目前辣椒種植中普遍使用的種植技術(shù)，育苗移栽具有緩苗期短、出苗整齊、減少病蟲害等[2]優(yōu)勢。為減輕育苗移栽的人工成本和勞動(dòng)力壓力，我國研制出一系列的半自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)，目前，穴盤苗移栽機(jī)的研究逐漸從半自動(dòng)向全自動(dòng)過渡，全自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)不僅僅在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研制上，還要對移栽對象進(jìn)行機(jī)理性質(zhì)的研究，掌握其生物學(xué)特性與力學(xué)特性，為全自動(dòng)移栽機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供移栽對象特性參數(shù)與設(shè)計(jì)依據(jù)。

目前，與蔬菜移栽相關(guān)的穴盤苗力學(xué)特性的研究主要是集中在與夾缽式取苗相關(guān)的缽體的各項(xiàng)力學(xué)特性的研究而與夾莖式取苗相關(guān)的莖稈的力學(xué)特性的研究相對較少。毛罕平、韓綠化等[3-4]利用黃瓜作為研究對象，研究了穴盤苗拉拔力與基質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，進(jìn)行了平板壓縮、加卸載循環(huán)和蠕變試驗(yàn)，研究了穴盤苗缽體的壓縮特性和塑變能力，為夾缽式取苗提供理論數(shù)據(jù)。曹衛(wèi)彬等[5-8]利用番茄作為研究對象，研究了缽體抗壓強(qiáng)度、基質(zhì)破碎壓縮量等因素，構(gòu)建缽體力學(xué)模型，得到夾缽式取苗的最適夾持部位以及影響取苗、植苗成功率的因素，為番茄缽苗移栽機(jī)夾缽式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。廖慶喜等[9-11]以油菜基質(zhì)塊苗作為研究對象，對載苗基質(zhì)塊進(jìn)行力學(xué)、生物學(xué)特性研究。針對油菜毯狀苗在移栽過程中出現(xiàn)脫苗現(xiàn)象，構(gòu)建了栽植過程中運(yùn)移苗階段油菜毯狀苗苗塊的動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合基質(zhì)的力學(xué)特性參數(shù)，研究了苗塊發(fā)生脫苗的臨界條件。王英等[12]研究了與自動(dòng)移栽相關(guān)的幾種蔬菜的穴盤苗的力學(xué)特性，對比分析各種穴盤苗的夾取力大小和穴盤缽體的抗壓性能。除了蔬菜穴盤苗特性的研究，還有許多科研團(tuán)隊(duì)分別對水稻穴盤苗[13]、煙草缽苗、大豆莖稈等與移栽過程中的取苗部件設(shè)計(jì)相關(guān)的力學(xué)、生物學(xué)特性研究。

穴盤苗的力學(xué)特性既是決定取苗機(jī)構(gòu)的夾取方式、夾取力、夾取位置、夾取角度的重要因素[14]，本文通過對與夾莖式取苗移栽相關(guān)的辣椒莖稈的各項(xiàng)生物學(xué)特性與力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)，主要對適栽期的辣椒穴盤苗莖稈進(jìn)行拉伸、彎曲及壓縮試驗(yàn)，獲得了穴盤苗莖稈在外力作用下的力學(xué)參數(shù)、形變規(guī)律，為辣椒穴盤苗夾莖式取苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用蕭新19號(hào)甜椒穴盤苗，于2020年9月12日在南京市蔬菜花卉研究揚(yáng)溫室進(jìn)行育苗，育苗周期為45 d。穴盤規(guī)格為128穴（16×8），高度為45 mm，孔穴為正方形椎體，上、下孔邊長分別為32 mm、14 mm。育苗基質(zhì)為進(jìn)口泥炭、珍珠巖、蛭石體積比7∶2∶1，甜椒種子溫湯浸種，常溫平盤蛭石催芽，子葉展開移苗于128孔穴盤中，溫度白天控制在32℃以下，夜間控制在25℃以下，辣椒真葉出來以后伴澆水噴施育苗專用肥。

試驗(yàn)儀器主要有INSTRON3343型單立柱電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，量程為0～1 kN，由微機(jī)控制自動(dòng)完成加載、卸載及數(shù)據(jù)采集與分析。電子天平(精度0.01 g)及游標(biāo)高度尺(精度0.02 mm)等。

1.2 測試方法

1.2.1 辣椒穴盤苗形態(tài)特征試驗(yàn)

從整盤的適栽期辣椒穴盤苗中挑選30株長勢良好，且每穴只有一株、基質(zhì)完好且均勻的辣椒穴盤苗，作為此次試驗(yàn)的樣品，辣椒穴盤苗大致形態(tài)如圖1揚(yáng)示。

圖1 辣椒穴盤苗形態(tài)圖Fig.1 Seedling morphology of pepper pot

植株質(zhì)量、基質(zhì)質(zhì)量的測定：先用電子天平測定整個(gè)完整穴盤苗的質(zhì)量m，再將穴盤苗下方的基質(zhì)清理干凈，測出植株的質(zhì)量m0，則基質(zhì)的質(zhì)量為m-m0，基質(zhì)的密度計(jì)算如式（1）揚(yáng)示。

式中：a1——穴盤苗基質(zhì)塊的長度，mm；

b1——穴盤苗基質(zhì)塊的寬度，mm；

c1——穴盤苗基質(zhì)塊的高度，mm。

穴盤苗高度、缽體高度、葉面展幅、莖粗、最低位葉片與基質(zhì)上表面的距離的測量：用游標(biāo)高度尺測量穴盤苗高度h0、缽體高度h1、最低位葉片與基質(zhì)上表面的距離h2、根莖結(jié)合處的直徑為莖粗d。穴盤苗葉面展幅計(jì)算如式（2）揚(yáng)示。

式中：S——穴盤苗葉面展幅，mm2；

a——秧苗葉冠縱向最大距離，mm；

b——秧苗葉冠橫向最大距離，mm。

1.2.2 拉伸特性試驗(yàn)

辣椒穴盤苗幼苗莖稈的性質(zhì)并不屬于脆性或塑性的材料，直接運(yùn)用第一強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算誤差太大，通過綜合考慮，選擇莫爾—庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則作為分析判斷的依據(jù)。首先，將動(dòng)靜態(tài)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)調(diào)成拉伸測試方法，將辣椒穴盤苗的莖稈用夾具固定于測試裝置上，為了避免辣椒穴盤苗的根莖因?yàn)閵A具的擠壓和磨損造成損傷，在夾持位置包裹紗布，同時(shí)保持莖稈與水平面垂直，本次試驗(yàn)設(shè)置的對照變量為夾持位置與穴盤苗缽體上表面的距離，將莖稈分為兩段進(jìn)行測定，即0～20 mm、20～40 mm，設(shè)置加載速度為1 mm/s(準(zhǔn)靜態(tài)加載)，每次試驗(yàn)重復(fù)20次，取其平均值。通過對莖稈不同部位進(jìn)行夾持測定出不同夾取位置下的穴盤苗莖稈抗拉應(yīng)力，此外，得到拉伸載荷隨著拉伸位移變化的曲線，為取苗部件的夾持位置的確定提供理論數(shù)據(jù)支持。

1.2.3 彎曲特性試驗(yàn)

辣椒穴盤苗的莖稈屬于一般植物材料，根據(jù)作物生長特性，基本認(rèn)為其法向和縱向的細(xì)胞組成一致，可以按照同材料的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究。根據(jù)GB/T 1936.1木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)[15]和GB/T 1936.2木材抗彎彈性模量[16]的測試方法，本次試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法。

選取莖稈試樣分別在5、10、15、20、25 mm/min等5種不同的加載速度下進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)20次，取其平均值，通過測定不同加載速度對穴盤苗莖稈的彎曲應(yīng)力的影響，得到穴盤苗莖稈的彎曲應(yīng)力隨彎曲位移變化曲線以及載荷隨彎曲位移的變化曲線，討論在不同的加載速度作用下，試樣揚(yáng)能承受的最大載荷和彎曲應(yīng)力的變化規(guī)律，莖稈抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式如式（3）揚(yáng)示。

式中：σ1——抗彎強(qiáng)度，MPa；

Fmax——最大破壞載荷，N；

L——莖稈試樣的長度，mm；

D——莖稈直徑，mm。

1.2.4 壓縮特性試驗(yàn)

辣椒穴盤苗莖稈的壓縮試驗(yàn)主要是將穴盤苗莖稈水平放置在兩個(gè)夾具之間，將上面的夾具的位置調(diào)整到剛好接觸到莖稈的表面，設(shè)置壓縮位移為莖稈直徑，得到整個(gè)壓縮過程各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，便于進(jìn)行各個(gè)階段力學(xué)分析。分別在5、10、15、20、25 mm/min這5種不同的加載速度下進(jìn)行壓縮特性試驗(yàn)，旨在不同壓縮速度條件下進(jìn)行單因素壓縮試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的壓縮載荷、壓縮應(yīng)力的變化規(guī)律。莖稈壓縮作用下的應(yīng)力計(jì)算公式如式（4）揚(yáng)示。

式中：M——壓塊接觸試驗(yàn)到試樣產(chǎn)生破裂時(shí)壓塊的位移，mm。

1.2.5 辣椒穴盤苗脫盤夾取力試驗(yàn)

辣椒穴盤苗的根系屬于盤根稀疏型根系，比較容易將穴盤苗從穴盤中拔出，通過拉伸特性試驗(yàn)驗(yàn)證，辣椒穴盤苗莖稈的0～20 mm區(qū)間的拉伸特性優(yōu)于20～40 mm區(qū)間，因此選用0～20 mm區(qū)間作為測定夾取力的夾持部位，將辣椒穴盤苗莖稈0～20 mm區(qū)間用夾具固定于測試裝置上，保持莖稈與水平面垂直，將下方的苗缽利用夾具固定，保證既不隨著拉伸應(yīng)力的作用而向上移動(dòng)，也不會(huì)發(fā)生對穴盤的橫向擠壓造成形變。本試驗(yàn)的加載方式為靜力加載，將穴盤苗完整從穴盤中取出，即為試驗(yàn)結(jié)束，記錄最大夾取力、彈性模量，試驗(yàn)重復(fù)20次。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒穴盤苗的形態(tài)特征

隨機(jī)選取30株長勢良好，真葉完整的辣椒穴盤苗，按照辣椒穴盤苗形態(tài)特征試驗(yàn)方法對穴盤苗植株與基質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量測定，取其平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明：穴盤苗質(zhì)量的平均值為5.41 g，裸苗質(zhì)量的平均值為2.22 g，基質(zhì)質(zhì)量的平均值為3.19 g，具體質(zhì)量測定結(jié)果如表1揚(yáng)示。

表1 質(zhì)量測定結(jié)果Tab.1 Quality measurement results

穴盤苗的形態(tài)參數(shù)的測定主要包括穴盤苗高度、缽體高度、葉面展幅、莖粗、葉片數(shù)量、葉片分布情況、缽體高度、最低位葉片到基質(zhì)上表面距離這幾種指標(biāo)，隨機(jī)選取30株穴盤苗進(jìn)行上述指標(biāo)的測定，取其平均值，結(jié)果如表2揚(yáng)示。

表2 形態(tài)參數(shù)測定結(jié)果Tab.2 Results of morphological parameters determination

根據(jù)表1中的結(jié)果可以看出由于育苗過程中產(chǎn)生的邊際效應(yīng)[17]的影響，會(huì)造成各個(gè)植株的質(zhì)量存在一定的差異，整個(gè)穴盤苗的質(zhì)量范圍為4.22～6.39 g，基質(zhì)質(zhì)量范圍為2.26～4.12 g，植株質(zhì)量范圍為1.06～3.20 g。在整個(gè)穴盤苗的質(zhì)量占比中，基質(zhì)質(zhì)量占比約為60%，植株質(zhì)量占比約為40%。根據(jù)表2中的結(jié)果可知，辣椒穴盤苗形態(tài)上基本為對稱生長型蔬菜，真葉數(shù)量為6片。取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾取的部位為最低位葉片到基質(zhì)上表面這部分莖稈，長度范圍為44～56 mm。這部分莖稈最為粗壯，莖粗范圍為1.94～2.36 mm，而且表面光滑，不會(huì)損傷真葉。

辣椒穴盤苗移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中保持較快速度的取苗、栽植、立苗的動(dòng)作。辣椒穴盤苗的苗高、苗幅寬、莖部直徑、秧苗與基質(zhì)的質(zhì)量等分布對穩(wěn)苗、立苗效果會(huì)產(chǎn)生直接影響。當(dāng)苗高過大、莖粗過小或者秧苗與基質(zhì)塊的質(zhì)量比值過大時(shí)，會(huì)造成穴盤苗因落地時(shí)不易保持良好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致傾側(cè)、翻倒等影響栽植質(zhì)量；當(dāng)辣椒穴盤苗苗高過小時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)埋苗現(xiàn)象，影響移栽后的成活率。辣椒穴盤苗苗幅過大時(shí)，傷苗現(xiàn)象嚴(yán)重，也會(huì)對機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生干涉。辣椒穴盤苗的不同苗齡的形態(tài)特征差異較大，需要充分考慮辣椒穴盤苗的育苗時(shí)間和育苗高度、機(jī)具的適應(yīng)程度是提高辣椒穴盤苗質(zhì)量、增強(qiáng)立苗穩(wěn)定性和移栽成活率的關(guān)鍵。

2.2 辣椒穴盤苗莖稈的拉伸特性試驗(yàn)

辣椒形態(tài)參數(shù)測定的結(jié)果見表3，最低位葉片到基質(zhì)上表面的距離區(qū)間為[44 mm，56 mm]，按照拉伸特性試驗(yàn)方法將莖稈劃分成兩段，分別為0～20 mm，20～40 mm兩段測試區(qū)間進(jìn)行拉伸特性試驗(yàn)，拉伸特性試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4揚(yáng)示。

將表3、表4中莖稈在不同夾取部位下的拉伸特性試驗(yàn)結(jié)果對比分析可知，隨著夾取部位的上升，莖稈的直徑逐漸變小，由2.06～2.36 mm變?yōu)?.02～2.18 mm。與此同時(shí)，抗拉斷力、拉伸應(yīng)力、彈性模量等參數(shù)也隨著莖稈直徑的變小而變小，抗拉斷力的范圍由3.69～9.95 N變?yōu)?.32～9.87 N，拉伸應(yīng)力的范圍由0.40～1.17 MPa變 為0.33～1.16 MPa，彈 性 模 量 的 范 圍 由59.05～180.69 MPa變?yōu)?9.75～167.41 MPa。

表3 0～20 mm段拉伸特性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of tensile properties in 0～20 mm section

表4 20～40 mm段拉伸特性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of tensile properties of 20～40 mm section

圖2為0～20 mm、20～40 mm段莖稈的拉伸變形曲線及變化規(guī)律，曲線大致可以分為三段。圖3表示第一階段曲線呈現(xiàn)出隨著拉伸位移遞增而遞增的變化規(guī)律，其擬合公式分別為y=8.014 3x-0.513 3和y=4.684 4x+0.119 4。載荷隨著拉伸位移的變大而逐漸變大，達(dá)到抗拉斷力；第二段曲線，莖稈被拉斷，之后載荷呈階梯式迅速減小到0；第三段曲線是拉斷后的莖稈已經(jīng)不具備彈性，因此不再隨著拉伸位移的變化而變化，穩(wěn)定于0。通過觀察變化曲線，基本都在拉伸位移為1 mm時(shí)，達(dá)到抗拉斷力，載荷從0增加到抗拉斷力點(diǎn)揚(yáng)保持的增長斜率隨著夾取部位的上移而逐漸減小。經(jīng)過圖2和圖3對比分析可知隨著夾取部位的上移，莖稈的抗拉斷力在逐漸下降，峰值由7.66 N減小到4.29 N，相應(yīng)的擬合曲線的斜率也由8.014 3變?yōu)?.684 4。

莖稈的下部與上部的生物學(xué)特性存在較大差異，莖稈下部直接與根系相連，根的特性較強(qiáng)；莖稈上部存在與真葉相接，葉的特性較強(qiáng)，因此抗拉斷力的差異明顯。由于莖稈直徑隨著夾取部位的升高逐漸變小，因此抗拉強(qiáng)度降低，抗拉斷力變小。拉力逐漸增大到最值的過程中，穴盤苗基質(zhì)就會(huì)出現(xiàn)分離，而分離的基質(zhì)其實(shí)主要靠穴盤苗的盤根進(jìn)行結(jié)合。達(dá)到最值之后，隨著拉伸位移的繼續(xù)增加，盤踞的根系出現(xiàn)斷裂，分離的基質(zhì)就無法承受拉力，因此拉力就會(huì)呈現(xiàn)出階梯式減小直至變?yōu)?。由此可以推斷，育苗過程中盤根質(zhì)量、穴盤苗根系的生長情況是決定辣椒穴盤苗抗拉強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。根據(jù)表3、表4、圖2和圖3分析可知，在進(jìn)行移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，20～40 mm段莖稈的抗拉斷力過小，不適于確定為夾持部位；0～10 mm段雖然抗拉斷力較大，但是考慮到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)存在因?yàn)樘拷|(zhì)上表面而產(chǎn)生干涉的情況，揚(yáng)以10～20 mm段莖稈為取苗部件的最佳夾取部位。

圖2 不同位置辣椒穴盤苗莖稈拉伸變形曲線Fig.2 Stretch deformation curve of pepper stem in different positions

圖3 第一階段辣椒穴盤苗莖稈拉伸曲線變化規(guī)律Fig.3 Variation rule of tensile curve of pepper stem in the firststage

2.3 辣椒穴盤苗莖稈的彎曲特性試驗(yàn)

表5為辣椒莖稈的彎曲特性試驗(yàn)的結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明：分別在5、10、15、20、25 mm/min的加載速度下彎曲受到的最大載荷范圍為0.77～6.87 N，彎曲位移的范圍為0.68～2.30 mm，彈性模量的范圍為5.77～53.51 MPa。在5 mm/min的加載速度下，取得各項(xiàng)參數(shù)的最小值，而在25 mm/min的加載速度下，取得各項(xiàng)參數(shù)的最大值。

通過表5中的數(shù)據(jù)可以得到規(guī)律如下：隨著加載速度的逐漸增大，可以承受的載荷逐漸增大，彎曲彈性模量也逐漸增大。

表5 彎曲特性試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Bending characteristic test results

數(shù)據(jù)表明在莖稈可承受的載荷和彈性模量范圍內(nèi)且加載速度為單一變量的情況下，載荷和彈性模量都會(huì)隨著加載速度成正相關(guān)變化。從這一點(diǎn)也反映出辣椒莖稈呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的材料性質(zhì)，在常溫條件下不會(huì)出現(xiàn)性質(zhì)突變的情況，因此抗彎強(qiáng)度也可以保持穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于準(zhǔn)確的確定取苗機(jī)構(gòu)與之相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖4為不同加載速度下辣椒穴盤苗莖稈的載荷隨位移變化曲線，在5、10 mm/min的加載速度下，莖稈彎曲變形緩慢，隨著彎曲位移的增大，揚(yáng)受載荷先保持一定斜率勻速增加，這一階段為彈性變形階段；達(dá)到峰值之后，莖稈內(nèi)部組織受到一定程度不可逆轉(zhuǎn)的破壞，莖稈揚(yáng)能承受的載荷就會(huì)隨著彎曲位移增大而減小。最后由于彎曲位移的不斷增大，莖稈徹底失去彎曲彈性后，承受載荷就會(huì)緩慢遞減直至接近于0。夾具設(shè)定的加載速度越大，莖稈揚(yáng)承受的載荷越大，載荷的增長斜率也越大，變形程度也越大。15、20、25 mm/min的加載速度下，莖稈的彎曲變形比較劇烈，載荷快速地達(dá)到峰值，彈性變形階段較短，莖稈揚(yáng)達(dá)到的峰值也隨著加載速度的增大而增大，達(dá)到峰值揚(yáng)需要的彎曲位移量卻隨著加載速度的增大而減小。圖5為不同加載速度下彎曲應(yīng)力隨彎曲位移的變化曲線，莖稈的彎曲應(yīng)力是指在莖稈在最大彎矩對應(yīng)的截面上，離中性軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)在發(fā)生塑性變形之前揚(yáng)能承受的最大應(yīng)力，彎曲應(yīng)力的變化曲線與載荷的變化曲線基本一致。莖稈材料先隨著彎曲位移的逐漸增大，達(dá)到彎曲應(yīng)力的峰值，之后發(fā)生斷裂，彎曲應(yīng)力快速下降，最后趨于平穩(wěn)。

圖4 不同加載速度下辣椒穴盤苗莖稈彎曲變形曲線Fig.4 Stem bending deformation curve of pepper hole seedlings under different loading speeds

圖5 不同加載速度下莖稈彎曲應(yīng)力隨位移變化曲線Fig.5 Straw bending stress shift change curve under different loading speeds

移栽作業(yè)需要保證一定作業(yè)頻次，取苗部件的設(shè)計(jì)過程中，也要根據(jù)實(shí)際需要保證取苗速度。取苗機(jī)構(gòu)會(huì)對穴盤苗施加具有一定加載速度的力，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考各個(gè)加載速度下的莖稈的彎曲力學(xué)特性選擇與取苗速度相匹配的彎曲特性曲線，設(shè)計(jì)出與辣椒穴盤苗莖稈機(jī)理性相適度高的取苗機(jī)構(gòu)。

2.4 辣椒穴盤苗莖稈的壓縮特性試驗(yàn)

辣椒穴盤苗莖稈0～20mm段的壓縮特性試驗(yàn)結(jié)果如表6揚(yáng)示。該試驗(yàn)結(jié)果表明：分別在5、10、15、20、25 mm/min的加載速度下，壓縮力的范圍為5.07～18.14 N，抗壓強(qiáng)度的范圍為0.63～2.27 MPa。在加載速度為5 mm/min的情況下，各項(xiàng)參數(shù)最小，而在加載速度為25 mm/min時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)最大。

表6 壓縮特性試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Compression characteristic test results

對辣椒穴盤苗莖稈的抗壓特性進(jìn)行分析，由圖6可知，在不同加載速度下辣椒穴盤苗莖稈的壓縮特性曲線的變化趨勢基本一致，未出現(xiàn)較大幅度的變化，因此，辣椒穴盤苗莖稈的壓縮特性受加載速度的影響較小。

圖6 不同加載速度下載荷隨壓縮位移變化曲線Fig.6 Load compression displacement variation curve under different loading speeds

試分析主要原因：在移栽取苗過程中，對莖稈的壓縮其實(shí)是沿徑向壓縮，壓縮的最大位移量為莖稈的直徑，因此位移量較小，揚(yáng)以不同的加載速度導(dǎo)致發(fā)生變形的程度也較小。

圖7中徑向載荷壓縮位移變化曲線顯示：可以很明顯的看出曲線中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B，將曲線分成OA、AB兩個(gè)部分，OA段為加載載荷的初始階段，載荷與壓縮位移之間呈近似線性關(guān)系，OA段的線性增長擬合公式為y=13.392x-1.926 4。OA段為正壓力逐漸從0增加到莖稈的生物屈服點(diǎn)A，這一階段載荷并不會(huì)對莖稈表皮細(xì)胞造成傷害，不再施加壓力后莖稈還能恢復(fù)到正常狀態(tài)，也不會(huì)對穴盤苗移栽后的生長狀況產(chǎn)生影響。B點(diǎn)為莖稈的破裂點(diǎn)，AB段壓縮位移繼續(xù)增加，莖稈發(fā)生塑性變形過程，對莖稈表皮細(xì)胞造成永久的損傷，不再施加壓力后也不能恢復(fù)到正常狀態(tài)，壓縮到B點(diǎn)后的辣椒穴盤苗莖稈失去移栽成活的能力，無法保證移栽質(zhì)量。

圖7 辣椒穴盤苗莖稈徑向載荷隨壓縮位移變化曲線Fig.7 Load compression displacement curve of pepper hole seedling

辣椒穴盤苗取苗部件的設(shè)計(jì)中，取苗爪與辣椒穴盤苗莖稈直接作用，莖稈抗壓特性關(guān)系到取苗爪夾持力的設(shè)計(jì)，根據(jù)莖稈壓縮形變曲線可知，壓縮的位移量只能設(shè)計(jì)在莖稈發(fā)生生物屈服點(diǎn)之前，根據(jù)莖稈的形態(tài)特征參數(shù)，莖稈的直徑約為2 mm，將壓縮位移量設(shè)計(jì)為小于直徑的50%，可以保證辣椒穴盤苗莖稈只發(fā)生彈性形變，減少對莖稈表皮細(xì)胞的損傷。

2.5 辣椒穴盤苗夾取力試驗(yàn)

表7中的數(shù)據(jù)表明：穴盤苗的脫盤夾取力范圍為0.44～1.95 N。由穴盤苗的形態(tài)特征參數(shù)可知，單穴穴盤苗的總質(zhì)量的范圍為4.22～6.39 g，自身重力的范圍為0.041～0.063 N(g=9.807 m/s2)，可以看出穴盤苗重力很小，說明穴盤苗重力并不是影響脫盤夾取力的重要因素。

表7 夾取0～20 mm段穴盤苗莖稈脫盤夾取力試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of the test on the pulling force of 0～20 mm hole seedling

根據(jù)圖8中的曲線分析可知，脫盤夾取力先逐漸上升，這個(gè)階段是克服穴盤苗基質(zhì)與穴盤之間的靜摩擦力，當(dāng)脫盤夾取力達(dá)到最大值時(shí)，說明脫盤夾取力達(dá)到了基質(zhì)與穴盤之間的最大靜摩擦力。隨后，脫盤夾取力逐漸減小，說明基質(zhì)與穴盤之間的摩擦力的類型變?yōu)閯?dòng)摩擦。

圖8 辣椒穴盤苗脫盤夾取力—位移變化曲線Fig.8 Disc-clamping force-displacement curve of pepper hole seedling

隨著穴盤的逐漸上升，基質(zhì)從穴盤中脫離，脫盤夾取力逐漸減小趨近于穴盤苗的重力。由變化曲線可以確定脫盤夾取力的數(shù)值大小主要與克服穴盤苗基質(zhì)與穴盤之間的摩擦力有關(guān)，這個(gè)摩擦力的大小主要與穴盤苗植株根系的盤根程度以及基質(zhì)的緊實(shí)程度有關(guān)。進(jìn)行合理推斷，移栽機(jī)的取苗部件進(jìn)行取苗時(shí)，克服基質(zhì)與穴盤之間的摩擦力是影響取苗脫盤力的重要因素。

3 辣椒莖稈力學(xué)建模

3.1 建立莖稈模型

根據(jù)生物材料的角度進(jìn)行劃分，辣椒莖稈屬于無木質(zhì)部纖維材料，即試驗(yàn)材料具有各向同性且細(xì)胞中充滿液體。因?yàn)槔苯非o稈的力學(xué)性能受到加載速度的影響，揚(yáng)以屬于黏彈性材料[18-20]。將辣椒莖稈形狀簡化為內(nèi)部實(shí)心的圓柱體，假設(shè)莖稈材料均勻一致。根據(jù)復(fù)合材料學(xué)理論和莖稈各向同性的假設(shè)[21]建立模型。

不考慮實(shí)際取苗部件工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對莖稈的影響，保證取苗部件施加力的作用點(diǎn)保持不變，莖稈總是保持在同一平面內(nèi)。辣椒莖稈在仿真過程中含水率和溫度不發(fā)生變化[22]。

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，對辣椒穴盤苗莖稈中的10～20 mm部位進(jìn)行仿真分析，將取苗夾持部位的莖稈簡化假設(shè)長度10 mm，底面直徑2.1 mm的圓柱。莖稈內(nèi)部纖維和細(xì)胞排列沿軸向分布均勻，選用soild三維實(shí)體單元為材料單元[23]，通過對辣椒莖稈進(jìn)行壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)后，得到取苗爪設(shè)計(jì)中壓縮的位移量只能設(shè)計(jì)在莖稈發(fā)生生物屈服點(diǎn)[24]之前，即壓縮量為直徑的50%的臨界條件。

具體材料參數(shù)設(shè)置如表8揚(yáng)示。為驗(yàn)證壓縮量的臨界條件下，壓縮強(qiáng)度是否小于抗壓強(qiáng)度的范圍值，模擬辣椒莖稈在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上受徑向擠壓的情況，莖稈徑向受力如圖9揚(yáng)示。

表8 莖稈材料參數(shù)Tab.8 Stem material parameters

圖9 莖稈徑向受力示意圖Fig.9 Schematic diagram of radial force on stem

3.2 仿真結(jié)果分析

莖稈徑向壓縮應(yīng)力、應(yīng)變等效云圖如圖10和圖11揚(yáng)示。

圖10 莖稈徑向壓縮應(yīng)力等效云圖Fig.10 Equivalent cloud map of radial compressive‘stress of stem

圖11 莖稈徑向壓縮應(yīng)變等效云圖Fig.11 Equivalent cloud map of radial compression strain of stem

可知，在加載速度為25 mm/min、莖稈徑向壓縮量為50%時(shí)，應(yīng)力的變化范圍為0.18～0.51 MPa，小于表6中抗壓強(qiáng)度的范圍0.63～2.27 MPa，徑向壓縮最大受力位置為夾具與莖稈接觸面積的加載面上，且應(yīng)力由加載區(qū)域向周圍逐漸減弱。這與實(shí)際試驗(yàn)過程中破壞位置與破壞效果一致，既驗(yàn)證了仿真分析的可行性，也驗(yàn)證了在設(shè)計(jì)取苗部件時(shí)，夾取莖稈時(shí)最大徑向壓縮量為莖稈直徑的50%是可行的。

3.3 擬合曲線

實(shí)際取苗過程中莖粗是變化的，辣椒穴盤苗的莖粗基本范圍約為2.00～2.30 mm，為了研究不同莖稈直徑條件下，莖稈的壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變的變化規(guī)律，采用上述仿真分析的方式對莖粗為2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25、2.30 mm的穴盤苗莖稈，設(shè)置壓縮量為莖稈直徑的50%，同樣施加加載速度為25 mm/min載荷為18.136 N的力，進(jìn)行力學(xué)仿真，得到不同莖稈直徑揚(yáng)對應(yīng)的壓縮應(yīng)力、應(yīng)變[25]。擬合結(jié)果如圖12和圖13揚(yáng)示。

根據(jù)仿真分析得到的數(shù)據(jù)，擬合變化曲線，由圖12可知，莖稈直徑與受到的最大壓縮應(yīng)力之間呈現(xiàn)出線性遞減的變化趨勢，擬合表達(dá)式為y=-0.339 6x+1.238 7（相關(guān)系數(shù)R2=0.938）。由圖13可知，莖稈直徑與壓縮應(yīng)變之間也呈現(xiàn)遞減趨勢，揚(yáng)建立的擬合表達(dá) 式 為y=-2×10-6x+7×10-6（相 關(guān) 系 數(shù)R2=0.917）。曲線表明加載載荷大小一定的情況下，莖稈直徑越大，對加載載荷的承受能力越強(qiáng)，對集中加載載荷的分散適應(yīng)能力也有揚(yáng)增強(qiáng)。這也表明了在穴盤苗育苗階段需要更加重視穴盤苗莖稈直徑這一指標(biāo)，盡可能做到育成壯苗，將有利于完成夾莖式取苗過程。

圖12 最大壓縮應(yīng)力隨莖稈直徑變化曲線Fig.12 Curve of maximum compression stress changes with stem diameter

圖13 最大壓縮應(yīng)變隨莖稈直徑變化曲線Fig.13 Curve of maximum compressive strain curves with the stem diameter

4 結(jié)論

1）適栽期的辣椒穴盤苗的形態(tài)參數(shù)分布比較集中，苗高集中在150～170 mm，植株具有較大的葉面展幅、較小的莖粗。通過測定質(zhì)量，在整個(gè)穴盤苗的質(zhì)量占比中，基質(zhì)質(zhì)量占比約為60%，植株質(zhì)量占比約為40%。

2）辣椒穴盤苗莖稈的0～20 mm段的抗拉性能優(yōu)于20～40 mm段，為了避免夾持部位太靠近基質(zhì)而造成干涉，取苗機(jī)構(gòu)的最佳夾持部位選擇10～20 mm。通過對莖稈進(jìn)行彎曲特性試驗(yàn)，得到莖稈的彎曲應(yīng)力的變化規(guī)律，為設(shè)計(jì)出與辣椒穴盤苗莖稈機(jī)理性相適度高的取苗機(jī)構(gòu)提供了理論數(shù)據(jù)。

3）取苗爪設(shè)計(jì)中壓縮的位移量只能設(shè)計(jì)在莖稈發(fā)生生物屈服點(diǎn)之前，即壓縮量小于莖稈直徑的50%，這樣移栽后辣椒穴盤苗莖稈可以恢復(fù)到正常狀態(tài)。運(yùn)用ANSYS軟件對夾具作用部位莖稈10～20 mm段進(jìn)行靜力學(xué)仿真，模擬壓縮量為直徑50%、載荷為18.136 N這一極限狀態(tài)下，莖稈的受力情況與壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)基本一致，驗(yàn)證了壓縮極限位置設(shè)計(jì)的合理性和可行性。對不同直徑的莖稈進(jìn)行靜力學(xué)分析，探究了最大壓縮應(yīng)力與莖稈直徑之間的關(guān)系，并得到擬合表達(dá)式y(tǒng)=-0.339 6x+1.238 7（相關(guān)系數(shù)R2=0.938）。與此同時(shí)，根據(jù)不同莖稈直徑條件下的最大壓縮應(yīng)變的數(shù)值，進(jìn)行線性擬合分析，得到最大壓縮應(yīng)變與莖稈直徑之間的擬合表達(dá)式y(tǒng)=-2×10-6x+7×10-7（相關(guān)系數(shù)R2=0.917）。

4）對適栽期辣椒穴盤苗進(jìn)行了脫盤夾取力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：脫盤夾取力的范圍為0.44～1.95 N。對比辣椒穴盤苗莖稈的抗拉斷力的范圍為3.69～9.95 N，脫盤夾取力的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于辣椒拉伸特性中抗拉斷力的數(shù)值。取苗過程中基本上不會(huì)存在因取苗機(jī)構(gòu)將穴盤苗從穴盤中取出而導(dǎo)致辣椒莖稈拉斷、損傷的情況。移栽機(jī)構(gòu)在取苗過程中對穴盤苗的損傷主要是夾取時(shí)由于取苗爪夾取時(shí)對莖稈產(chǎn)生的徑向擠壓。