韩绿化， 赵峥嵘， 马国鑫， 叶梦蝶， 毛罕平， 胡建平

(江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室/江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室，江苏镇江 212013)

近年来，我国穴盘苗自动移栽技术研究倍受关注[1]，新型取苗机构及末端执行器不断出现[2-6]，但移栽作业仍然停留在半机械作业水平，主要原因是穴盘苗自动取苗的效果不理想，移栽机具与育苗工艺互不适应。实现穴盘苗自动高效移栽，不仅与机具设计息息相关，还涉及到育苗问题，即培育适合移栽的高质量穴盘苗[7]。

经过“九五”“十五”一批工厂化高效农业示范工程项目开展，我国已初步建立了穴盘育苗技术体系，并将其成功应用于工厂化育苗生产中[8]，但目前的育苗工作仅仅围绕育苗质量，没有考虑与自动移栽相关的质量特性，包括株型控制、钵体力学特性等。事实上，对自动移栽机具的研发应将穴盘苗本身的力学特性与机构设计结合起来考虑，只有通过研究穴盘苗的物理力学特性，坚持农机与农艺相结合，才能使所研制的自动移栽机满足自动移栽种植要求。

各种农业物料具有自身的生物力学特点，探讨农业物料机械作用力学特性，可为研制现代化农机具提供依据[9-12]。对于穴盘苗而言，主要采用轻型育苗基质，以不同孔穴的穴盘作为容器来培育种苗。成苗后，根系在育苗基质中穿插、缠绕和网络，形成育苗基质-幼苗根系复合体。自动取苗机构作业时，一般采用夹取针插入钵体夹持将穴盘苗取出，再带苗至栽植点放苗，这就要求自动取苗机构的夹取方案要适应穴孔取苗的特点，同时穴盘苗本身应具有良好的抗压能力以及保持这种抗压能力的稳定性。

本试验利用流变学方法研究穴盘苗钵体压缩力-松弛特性，建立压缩力及松弛模型，分析穴盘苗钵体压缩加载力-变形变化规律，指导机械化移栽幼苗水分管理，并为自动移栽机构设计提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

育苗对象为津研系统黄瓜良种津优1号，育苗穴盘为常州君和YMAS128CE穴盘，128穴，穴孔为倒金字塔正方形锥体，上围尺寸为27 mm，下围尺寸为15 mm，高度为40 mm。育苗基质为江苏中诺有机基质营养土，主要成分为优质泥炭、蛭石、腐熟植物秸秆、蘑菇下脚料、酒渣等，其理化特性如表1所示。

表1 育苗基质的理化特性

注：EC测量按1：2稀释法进行。

在江苏大学Venlo型玻璃智能温室育苗，育苗方法和苗期管理均按照NY/T 2119—2012《蔬菜穴盘育苗通则》进行。育苗第15天追施营养液，营养液为磷酸二氢钾1 500倍液和硝酸钙2 000倍液，用量为 0.15 L/盘。苗龄为23 d，2子叶1心叶。试验前浇透水，待基质水分扩散均匀开始测试。

试验仪器为TA-XT2i型质地分析仪(英国SMS公司)，采用P100平板探头。由于穴盘苗钵体为四棱台形状，所以构建倾斜载物台，图1为该试验机及穴盘苗加载情况。

1.2 试验方法

试验测试在(25±3) ℃的环境温度下完成，采用自然蒸发水分的措施将穴盘苗钵体分3个含水率水平，分别为含水率A1≤55%、含水率A2为55%～65%、含水率 A3≥65%。

穴盘苗钵体压缩-力松弛测试采用平板压缩方式，由上而下加载， 选用50 N力程传感器，测试前、测试过程中、测试后探头移动速度均为1 mm/s(准静态加载)，压缩量分别为2、4、6、8、10 mm，力松弛试验保持时间为120 s，进行不同含水率、压缩变形下穴盘苗钵体压缩力松弛测试，每个压缩量重复10次试验。由计算机自动记录数据和曲线。

典型的压缩-力松弛曲线如图2所示。其中，力-变形曲线(即加载曲线)表征物料受栽变形的抵抗能力，试验仪器以一定速度使物料达到所测变形量，此时有最大峰值力Ff，然后保持这种变形到一定时间，记录力-时间变化曲线(即松弛曲线)，利用流变学模型分析保持时间内最大峰值力Ff随时间的变化规律。

通常采用广义Maxwell模型拟合分析力松弛特性，其松弛力的一般表达形式为[13-16]：

(1)

式中：F(t)表示任意时刻t时的力，N；Fi表示各Maxwell元件中弹簧的衰减力，N；τi表示各Maxwell元件中力松弛时间常量，s；t表示试验时间，s。

2 结果与分析

2.1 钵体压缩力学特性

图3为加载速度为1 mm/s时不同含水率下穴盘苗钵体平板压缩力与变形关系，表征钵体抵抗外界压缩的能力。

事实上，在含水率范围为54.21%～60.47%时，穴盘苗钵体受压过程中，其抗压力与变形关系为非线性曲线，没有明显的线弹性[17]。对试验数据进行曲线回归分析，得到不同含水率水平下穴盘苗钵体平板压缩的抗压力与变形间的关系式，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)

从回归分析结果来看，不同含水率下穴盘苗钵体平板压缩的抗压力与变形关系遵从三次多项式变化规律，对回归方程求导，得到穴盘苗钵体压缩刚度与变形之间的关系，反映钵体受压变形能力，结果如图4所示。

由图4可知，在不同含水率下，穴盘苗钵体的压缩刚度先减小后增大，呈抛物线变化趋势。对钵体压缩刚度-变形关系曲线分析得到，在10 mm压缩下，存在3个相交点，分别为点K1(2.29，1.19)、K2(2.74，1.15)、K3(4.95，1.73)，可以得出当钵体变形小于2.29 mm时，含水率A1下钵体刚度大于含水率A3下钵体刚度，同时小于含水率A2下钵体刚度；当钵体变形在2.29～2.74 mm之间时，含水率A3下钵体刚度大于含水率A1下钵体刚度，同时小于含水率A2下钵体刚度；当钵体变形在2.74～4.95 mm之间时，含水率A2下钵体刚度大于含水率A1下钵体刚度，同时小于含水率A3下钵体刚度；当钵体变形大于4.95 mm时，含水率A2下钵体刚度大于含水率A3下的钵体刚度，同时含水率A3钵体刚度大于含水率A1下钵体刚度。

综合分析，穴盘苗钵体在不同含水率、不同压缩变形下具有不一样的压缩刚度，表现不同的抗压能力。利用自动取苗机构夹取长在穴盘孔穴的幼苗时，应根据育苗基质的特性(即气体孔隙度、持水力等)，确定合适的穴盘苗钵体含水率，以明确钵体抗压力与压缩变形的变化关系，使机构设计有所参照，便于设计合理的夹持力度。同时，在自动移栽机作业时，应调控好待移栽穴盘苗钵体含水量，使取苗机构适应夹持变形规律。在调整机器作业参数时，根据穴盘苗含水率水平，确定合适的夹持力度，使穴盘苗钵体受压变形满足自动夹取需要。

2.2 钵体力松弛特性

将力松弛曲线数据在SPSS 18.0统计数据分析软件中进行曲线拟合，得到广义Maxwell模型参数(表2)。

表2 不同含水率下穴盘苗钵体力松弛特性指标

由表2可知，穴盘苗钵体平板压缩力松弛特性可用二单元Maxwell模型描述，不同含水率、压缩变形下拟合方程相关系数均大于0.97。由于穴盘苗钵体是根-土复合体，对于黏弹性而言，松弛时间越长，其弹性就越显著，表现出越好的弹性应变能力，松弛时间越短，其黏性就越显著，受压变形发生颗粒滑移，从而减弱抗压能力。因此，表2中第1单元的松弛时间较长，可以用来衡量弹性的好坏，第2单元的松弛时间较短，可以用来衡量黏性的好坏。不同含水率穴盘苗钵体黏弹性如图5所示。

由图5-a可知，当钵体含水率处于A1、A2水平时，随着压缩变形的增大，穴盘苗钵体弹性松弛时间先减小后增大，压缩量6 mm为过渡转折点，说明钵体受压后弹性松弛能力在增强中逐渐减弱；当钵体含水率处于A3水平时，随着压缩变形的增大，穴盘苗钵体弹性松弛时间有所减小，但基本保持平稳，说明钵体受压后其弹性能力保持稳定。在相同压缩变形下，当钵体变形量低于4 mm时，弹性松弛能力由低到高为含水率A3>含水率A2>含水率A1；当钵体变形量处于4～6 mm 之间时，以及钵体变形量高于8 mm时，弹性松弛能力由高到低为含水率A2>含水率A3>含水率A1；当钵体变形量处于6～8 mm之间时，弹性松弛能力由高到低为含水率 A2> 含水率A1>含水率A3。通过以上分析可以得出，穴盘苗钵体在不同含水率、变形下的弹性松弛能力显著不同，因此在设计自动取苗机构时须要考虑对象的特性变化，以设计适应对象特性的作业机构。

由图5-b可知，当钵体含水率处于A1、A2水平时，随着压缩变形的增大，穴盘苗钵体黏性松弛时间呈“增大—减小—增大”变化；当钵体含水率处于A3水平时，随着压缩变形的增大，穴盘苗钵体黏性松弛时间有所增大，但基本保持平稳。在相同压缩变形下，当钵体变形量低于6 mm时，黏性松弛能力由高到低为含水率A3>含水率A1>含水率A2；当钵体变形量处于6～10 mm之间时，黏性松弛能力由高到低为含水率A1>含水率A3>含水率A2。通过以上分析，可以得出穴盘苗钵体在不同含水率、变形下的黏性松弛能力有所不同。

综合以上分析，针对穴盘苗自动移栽钳夹式取苗的情况，要求钵体具有良好的弹性应变能力，并且应保持这种弹性能力稳定，表现在钵体力松弛特性方面，就要求钵体压缩后其弹性、黏性松弛能力弱，即钵体弹性、黏性松弛时间长。

3 结论

在不同含水率下，穴盘苗钵体平板压缩的抗压力与变形呈非线性变化，遵从三次多项式规律，其压缩刚度先减小后增大。在相同压缩变形下，不同含水率的钵体具有不同的压缩刚度，表现出不同的抗压能力。设计自动取苗机构时，应根据夹取力要求确定合适的钵体夹持力度，既保证足够的夹持力，又不破坏钵体。

穴盘苗钵体压缩力松弛特性可用二单元Maxwell模型描述，得出不同含水率水平下番茄穴盘苗钵体力松弛本构方程和相应的流变学参数。

在力松弛特性方面，当钵体含水率处于A1、A2水平时，随着压缩变形的增大，穴盘苗钵体弹性松弛能力先增强后减弱，而黏性松弛时间呈“减小—增大—减小”变化，当钵体含水率处于A3水平时，随着压缩变形的增大，穴盘苗钵体弹性、黏性松弛时间保持平稳。