第 35 卷 第 12 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.35 No.12 2019 年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 21 活動(dòng)苗盤(pán)脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗(yàn)研究馮世杰1,2，顏 波1，全 偉1，吳明亮1,3（ 1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2. 信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院園藝學(xué)院，信陽(yáng) 464000； 3. 湖南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410128） 摘 要： 為解決缽苗移栽過(guò)程中，因苗缽與苗盤(pán)間粘附力導(dǎo)致取苗過(guò)程中苗缽破損，進(jìn)而影響取苗成功率及栽后幼苗長(zhǎng)勢(shì)的問(wèn)題，對(duì)活動(dòng)苗盤(pán)開(kāi)啟脫苗時(shí)苗缽和苗盤(pán)側(cè)板進(jìn)行受力分析并對(duì)苗缽與側(cè)板間粘附力影響因素進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)苗缽粘附力與苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力之間存在正相關(guān)關(guān)系，苗盤(pán)側(cè)板傾角與苗缽粘附力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度和基質(zhì)含水率與苗缽粘附力呈正相關(guān)關(guān)系。為進(jìn)一步研究各因素對(duì)苗缽粘附力的影響規(guī)律，以苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力表征苗缽粘附力作為優(yōu)化指標(biāo)，以苗盤(pán)側(cè)板傾角、苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度和基質(zhì)含水率為試驗(yàn)因素，利用響應(yīng)曲面方法進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)測(cè)算各試驗(yàn)組合中苗缽基質(zhì)損失率。當(dāng)苗盤(pán)側(cè)板傾角為 9.24°、基質(zhì)含水率為 55%、苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度為 7.98 mm/s 時(shí)，苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力可以達(dá)到最小值 6.97 N，即苗缽與側(cè)板間粘附力達(dá)到最小值；應(yīng)用優(yōu)化后調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)表明：苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟峰值力最小值為 7.12 N，相對(duì)預(yù)測(cè)值誤差為 2.1%，苗缽基質(zhì)損失率為 3.14%，相較于優(yōu)化前最低 4.39%的基質(zhì)損失率，基質(zhì)損失率明顯降低，證明了粘附力變化影響苗缽基質(zhì)損失率。該研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究缽苗移栽過(guò)程中基質(zhì)損失機(jī)理提供理論支撐。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械化；移栽；優(yōu)化；苗盤(pán)；開(kāi)啟峰值力；粘附力；試驗(yàn) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.003 中圖分類號(hào)： S223.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1002-6819(2019)-12-0021-08 馮世杰， 顏 波， 全 偉， 吳明亮. 活動(dòng)苗盤(pán)脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗(yàn)研究J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2019， 35(12)：2128. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003 http:/www.tcsae.org Feng Shijie, Yan Bo, Quan Wei, Wu Mingliang. Mechanical analysis of seedling detaching from movable tray and influence factors of adhesionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 21 28. (in Chinese with English abstract) doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.003 http:/www.tcsae.org 0 引 言缽苗機(jī)械移栽是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一種種植方式，它可以增加復(fù)種指數(shù)、提高幼苗的質(zhì)量和成活率，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益中具有不可替代的作用1-3。 現(xiàn)有缽盤(pán)育苗移栽過(guò)程中，存在苗缽基質(zhì)損失率高及由基質(zhì)損失導(dǎo)致取苗不成功等問(wèn)題4-5。針對(duì)這些問(wèn)題國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其中韓綠化等6-10通過(guò)對(duì)苗缽本身的力學(xué)特性進(jìn)行研究來(lái)降低苗缽破損率，提高取苗成功率；高國(guó)華等11-15通過(guò)設(shè)計(jì)新型取苗爪并優(yōu)化其工作參數(shù)來(lái)降低苗缽破損、 提高取苗成功率； 金鑫等16-19通過(guò)設(shè)計(jì)新型取送苗機(jī)構(gòu)來(lái)降低基質(zhì)損失率、提高取苗成功率；蔣蘭等20建立移栽過(guò)程中苗塊的動(dòng)力學(xué)模型，研究毯狀苗基質(zhì)脫落的主影響要因素。 上述研究均直接或間接的將苗缽與苗盤(pán)間的粘附力視為取苗過(guò)程中苗缽基質(zhì)損失的一個(gè)影響因素。任露泉收稿日期： 2018-12-16 修訂日期： 2019-05-10 基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（ 2014BAD11B03） ；湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)點(diǎn)項(xiàng)目（ 2017NK2131） 作者簡(jiǎn)介：馮世杰，博士生，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。 Email： fsj_6688126.com 通信作者：吳明亮，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，Email： mlwuhunau.edu.cn 等21-24研究發(fā)現(xiàn)，土壤粘附力受土壤含水率、土壤與非土材料之間的正壓力、土壤與非土材料分離速度等因素影響。本研究希望通過(guò)對(duì)苗缽與苗盤(pán)間粘附力影響因素的研究，尋求通過(guò)降低苗缽與苗盤(pán)間粘附力來(lái)解決取苗過(guò)程中苗缽基質(zhì)破損的問(wèn)題?；诖?，本文在已有活動(dòng)苗盤(pán)及相關(guān)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上25-26，取活動(dòng)苗盤(pán)單個(gè)缽體為研究對(duì)象（簡(jiǎn)稱單缽苗盤(pán)），用橡膠圈代替原活動(dòng)苗盤(pán)中的扭力彈簧，對(duì)單缽苗盤(pán)脫苗過(guò)程中粘附力及其影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取脫苗過(guò)程中最小粘附力產(chǎn)生的參數(shù)組合，為取苗過(guò)程中苗缽基質(zhì)損失機(jī)理的研究提供理論支持。 1 單缽苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟過(guò)程及力學(xué)分析 1.1 單缽苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟過(guò)程 圖 1 為單缽苗盤(pán)和苗盤(pán)開(kāi)啟部件。脫苗時(shí)單缽苗盤(pán)（圖 1a）的 形側(cè)板在開(kāi)啟部件（圖 1b）的短推板作用下克服橡膠圈的束縛力繞連接支撐軸外擺，直至完全開(kāi)啟；隨后在繼續(xù)上行的短推板作用下 形側(cè)板繼續(xù)保持完全開(kāi)啟狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)啟部件的長(zhǎng)推板與 T 形側(cè)板相作用時(shí)， T 形側(cè)板克服橡膠圈的束縛力繞連接支撐軸外擺，直至單缽苗盤(pán)缽穴形狀由倒四棱臺(tái)變成四棱柱，此時(shí)苗缽和苗盤(pán)完全分離，脫苗過(guò)程結(jié)束。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 22 1.軸套 2.連接支撐軸 3.T形側(cè)板 4.橡膠圈 5. 形側(cè)板 6.長(zhǎng)推板 7.短推板 8.正方形底板 1.Shaft sleeve 2.Connection support axis 3.T shape side plate 4.Rubber ring 5. shape side plate 6.Long push plate 7.Short push plate 8.Square bottom plate 注： L1、 CD、 C1D1為推板矩形部分寬度， m； H 為推板梯形部分高度， m；H1為短推板的高度， m； H2為長(zhǎng)推板的高度， m； AF、 A1F1為推板頂部寬度， m； BE、 B1E1為推板與側(cè)板初始接觸點(diǎn)； 為推板梯形部分傾角， (°)。 Note: L1, CD, C1D1are rectangular portion widths of push plate， m; H is height of trapezoidal part of push plate, m; H1is height of short push plate, m; H2is height of long push plate, m; AF, A1F1are widths of push plate top, m; B, E, B1, E1are starting points of contact between push plate and side plate; is trapezoidal inclination of push plate, (°). 圖 1 單缽苗盤(pán)和苗盤(pán)開(kāi)啟部件結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure diagram of single pot movable tray and opening parts 1.2 單缽苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟過(guò)程力學(xué)分析 通過(guò)對(duì)苗盤(pán)開(kāi)啟過(guò)程分析可知，脫苗過(guò)程中苗盤(pán)所受到的力在 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí)、 形側(cè)板開(kāi)啟后和 T形側(cè)板開(kāi)啟時(shí)這 3 個(gè)時(shí)刻最具代表性， 受力分析如圖 2所示。依據(jù)苗盤(pán)設(shè)計(jì)值26，苗盤(pán)缽穴上口寬 L=55 mm，側(cè)板上下邊距離 H=55 mm（圖 2b），當(dāng)相對(duì)兩側(cè)板繞連接支撐軸內(nèi)擺至下邊相交時(shí)，側(cè)板傾角 取最大值，由幾何關(guān)系得 max=30°，即側(cè)板傾角取值范圍為： 0 30°。受力分析中，忽略了連接支撐軸和軸套形成的鉸接點(diǎn)處的相關(guān)力。 1.2.1 脫苗過(guò)程中 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí)刻受力 脫苗過(guò)程中 形側(cè)板開(kāi)啟受力指脫苗時(shí)上行短推板的 B1、 E1兩點(diǎn)與 形側(cè)板接觸時(shí)刻的受力（ B1、 E1兩點(diǎn)受力相同，取 B1點(diǎn)分析），如圖 2a 所示。支持力 F1垂直于短推板斜面； F1在水平方向分量為 FX1，豎直方向分量為 FY1； FG在 形側(cè)板上的作用點(diǎn)為 形側(cè)板與苗缽接觸面的幾何中心處， FN垂直于側(cè)板指向苗缽。在開(kāi)啟部件作用下 形側(cè)板克服橡膠圈的彈力 FL1和粘附力 FN繞連接支撐軸外擺，至短推板的 C1、 D1兩點(diǎn)與 形側(cè)板接觸，此時(shí) 形側(cè)板完全開(kāi)啟，此時(shí)單缽苗盤(pán)中的苗缽與 T 形側(cè)板保持相對(duì)靜止。要使 形側(cè)板順利開(kāi)啟，其擺動(dòng)切線方向的合力方程為 11112cossin( )sintG NLtFF FFFFmg （ 1） 注： FG為苗缽對(duì)側(cè)板的壓力， N； FN為苗缽對(duì)側(cè)板粘附力， kPa； FL1、 FL2、FL3為橡皮圈 3 個(gè)不同長(zhǎng)度時(shí)拉力， N； Ff為苗缽對(duì)側(cè)板的摩擦力， N； F1、F3為推板對(duì)側(cè)板支持力， N； FM為推板與 形側(cè)板間的摩擦力， N； T1為 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí)短推板向上推力， N； T2為 形側(cè)板開(kāi)啟后短推板向上推力，N； T3為 T 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)推板向上推力， N； Ft1、 Ft3為 F1、 F3的切向分量， N； Fn1、 Fn3為 F1、 F3的法向分量， N； FX1、 FX 3為 F1、 F3在水平方向分量， N； FY1、 FY 3為 F1、 F3在豎直方向分量， N； FK為短推板對(duì)開(kāi)啟后 形側(cè)板的支持力， N； 為側(cè)板傾角， (°)； m1g 為苗缽的重力， N； m2g 為單塊側(cè)板的重力， N。 Note: FGis pressure of seedling pot against side plate, N; FNis adhesion force between soil matrix and side plate, kPa; FL1, FL2, FL3are tension of rubber ring at three different lengths, N; Ffis friction of seedling pot against side plate, N; F1, F3are supporting force of push plate against side plate， N; FMis friction between push plate and shape side plate， N; T1 is thrust of short push plate against shape side plate, N; T2 is thrust of short push plate against after shape side plate opening, N; T3 is thrust of long push plate against T shape side plate, N; Ft1, Ft3are tangential components of F1, F3, N; Fn1, Fn3are normal components of F1, F3, N; FX1,FX 3 are level components of F1 and F3， N； FY1, FY 3 are vertical components of F1, F3， N； FKis supporting force of short push plate against after shape side plate opening， N； is side plate angle, (°); m1g is weight of seedling, N; m2g is weight of single side plate, N. 圖 2 苗盤(pán)脫苗過(guò)程受力分析 Fig.2 Force analysis of detaching process of seedling from movable tray 據(jù)參考文獻(xiàn) 21可知 =60°，對(duì)式（ 1）整理得 121cos sinsin( )NGLFFF mgF （ 2） 由于 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí) T1=4FY1=4F1cos，所以此時(shí)開(kāi)啟部件豎直方向推力最小值為 1212( cos sinsin( )NGLFFF mgT （ 3） 1.2.2 脫苗過(guò)程中 形側(cè)板開(kāi)啟后受力 脫苗過(guò)程中 形側(cè)板開(kāi)啟后受到的力只有繼續(xù)上行的短推板對(duì)其產(chǎn)生的摩擦力 FM如圖 2b 所示，摩擦力 FM持續(xù)到脫苗過(guò)程結(jié)束。 在短推板上行的過(guò)程中與單塊 形側(cè)板之間的摩擦力為 FM=2FL2， 為推板和側(cè)板之間的摩擦系數(shù)。 此時(shí)苗盤(pán)開(kāi)啟部件豎直方向的推力值為 22=4LTF （ 4） 1.2.3 脫苗過(guò)程中 T 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí)刻受力 脫苗過(guò)程中 T 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí)刻受力指脫苗時(shí)長(zhǎng)推板第 12 期 馮世杰等：活動(dòng)苗盤(pán)脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗(yàn)研究 23 的 B、 E 兩點(diǎn)與 T 形側(cè)板接觸時(shí)刻的受力，如圖 2c 所示。其中， F3垂直于長(zhǎng)推板斜面； F3在水平方向分量為 FX3，豎直方向分量為 FY3；側(cè)板還受到苗缽的壓力 FG、橡 膠 圈的作用力 FL3和苗缽的粘附力 FN， 其中 FG在 形側(cè)板上的作用點(diǎn)為 形側(cè)板與苗缽接觸面的幾何中心處， FL3的作用點(diǎn)為橡膠圈的安裝位置， FN垂直于側(cè)板指向苗缽。在 T3作用下 T 形側(cè)板克服橡膠圈的彈力 FL3和粘附力 FN繞連接支撐軸外擺，當(dāng)長(zhǎng)推板上行至 C、 D 兩點(diǎn)與 T 形側(cè)板接觸時(shí)， T 形側(cè)板完全開(kāi)啟。要保證 T 形側(cè)板順利開(kāi)啟，其擺動(dòng)切線方向的合力 方程為 323cos sinsin( )NGLFFF mgF （ 5） 因?yàn)?T 形側(cè)板開(kāi)啟時(shí) FY3=F3cos，同時(shí) 形側(cè)板與短推板之間有摩擦力存在，所以此時(shí)開(kāi)啟部件豎直方向的推力最小值為 3232cos sin2sin( )NGLLFFF mgTF （ 6） 通過(guò)對(duì)式（ 3）、式（ 4）、式（ 6）分析得 T3為脫苗過(guò)程中苗盤(pán)開(kāi)啟所需力的峰值。由式（ 6）可知在脫苗過(guò)程中苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力可視為粘附力 FN和一個(gè)具體的“數(shù)值力”之和，因此可用苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力來(lái)表征苗缽對(duì)苗盤(pán)側(cè)板的粘附力。 2 脫苗過(guò)程中粘附力影響因素 文獻(xiàn) 21-24表明：土壤與非土部件間的粘附力受兩者間的正壓力、實(shí)際接觸面積及兩者分離速度等因素影響。筆者在對(duì)活動(dòng)苗盤(pán)的設(shè)計(jì)、研究中發(fā)現(xiàn)：側(cè)板傾角決定了苗缽體積及苗缽對(duì)側(cè)板的法向壓力；側(cè)板與苗缽分離速度取決于開(kāi)啟部件運(yùn)行速度；基質(zhì)含水率即影響苗缽的質(zhì)量也影響苗缽與側(cè)板之間實(shí)際接觸面積。因此本文將苗盤(pán)側(cè)板傾角、開(kāi)啟部件速度及含水率作為活動(dòng)苗盤(pán)脫苗過(guò)程中粘附力主要影響因素進(jìn)行分析。 2.1 側(cè)板傾角對(duì)粘附力的影響 側(cè)板傾角 為苗盤(pán)側(cè)板與豎直方向的夾角，其值決定了苗缽的體積和質(zhì)量，隨著 值的變化苗缽對(duì)側(cè)板的法向作用力也隨之變化，為研究側(cè)板傾角與粘附力之間的關(guān)系，對(duì)單缽苗盤(pán)側(cè)板和缽苗進(jìn)行靜力學(xué)分析，如圖 3所示。其中 m1g、 m2g 分別為缽苗和苗盤(pán)側(cè)板自身重力，苗缽基質(zhì)對(duì)單塊側(cè)板壓力為 FG，側(cè)板對(duì)苗缽基質(zhì)的作用力為 FG。因缽苗基質(zhì)與側(cè)板處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，故基質(zhì)與側(cè)板間摩擦力 Ff和切向粘附力 w均忽略不計(jì)。 根據(jù)缽苗的靜力學(xué)分析可得 14sin 0GyF mg （ 7） 由式（ 7）得苗缽對(duì)單塊側(cè)板的法向壓力 FG為 3241 sin 2sin cot3GFgL （ 8） 式中 為苗缽基質(zhì)的密度， kg/m3； L 為苗缽上端面邊長(zhǎng)， m。 利用 MATLAB 的 plot 函數(shù)繪制式（ 8）在 取值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線圖，通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)曲線圖分析可知， 角與苗缽對(duì)側(cè)板的壓力之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。根據(jù)任露泉等研究結(jié)果27-28可知：側(cè)板傾角的值與苗缽對(duì)側(cè)板的粘附力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。 注： FG為側(cè)板對(duì)苗缽的作用力， N； M 為橡皮圈產(chǎn)生的力矩， N·m； Fx、Fy為支撐軸對(duì)軸套的作用力， N。 Note: FGis the force of the side plate against the seedling pot, N; M is the moment produced by the rubber ring, N·m; Fx, Fyare the force of the supporting shaft on the sleeve, N. 圖 3 苗缽及側(cè)板受力分析 Fig.3 Force analysis of seedling pot and side plate 2.2 苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度對(duì)粘附力的影響 苗盤(pán)脫苗過(guò)程中苗盤(pán)開(kāi)啟部件對(duì)側(cè)板作用，推動(dòng)側(cè)板繞連接支撐桿外擺使苗盤(pán)開(kāi)啟 , 圖 4 為側(cè)板開(kāi)啟過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析。其中側(cè)板繞連接支撐軸擺動(dòng)的角速度即苗盤(pán)開(kāi)啟速度由苗盤(pán)開(kāi)啟部件上行速度決定，為研究苗盤(pán)開(kāi)啟速度對(duì)苗缽與側(cè)板間粘附力的影響，將側(cè)板視作一輕質(zhì)桿 OB1， O 點(diǎn)與軸鉸接。選取 B1點(diǎn)作為研究的動(dòng)點(diǎn)，對(duì)苗盤(pán)開(kāi)啟過(guò)程中的側(cè)板進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析： B1點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是以 O 點(diǎn)為圓心 OB1為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)速度Va為 LOB1，方向與輕質(zhì)桿 OB1軸線垂直； B1點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為沿推板斜面的直線運(yùn)動(dòng)， 相對(duì)速度 Vr方向沿 B1C1；牽連運(yùn)動(dòng)為推板在豎直方向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)，牽連速度 Ve是推板上行速度，方向豎直向上。 注： FI為側(cè)板運(yùn)行慣性力， N； V0為推板向上運(yùn)行速度， m·s-1； Va為 B1點(diǎn)的絕對(duì)速度， m·s-1； Vr為 B1點(diǎn)的相對(duì)速度， m·s-1； Ve為 B1點(diǎn)的牽連速度，m·s-1； Ff1為推板與側(cè)板之間摩擦力， N。 Note: FIis the inertia force of side plate operation, N; V0 is upward running velocity of push plate, m·s-1; Vais absolute velocity of point B1, m·s-1； Vris relative velocity of point B1, m·s-1； Ve is following velocity of point B1, m·s-1；Ff1is the friction between push plate and side plate, N. 圖 4 側(cè)板開(kāi)啟過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析 Fig.4 Dynamic analysis in process of side plate opening 如圖 4 所示，根據(jù)速度合成定理得 cossineavv （ 9） 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 24 則根據(jù)已知條件得側(cè)板開(kāi)啟瞬時(shí)角加速度為 11121cos arccos2212 sin arccos22eeOBeOBOBvtvLvtLL（ 10） 結(jié)合圖 4 對(duì)側(cè)板的受力分析，由達(dá)朗貝爾原理得 111121212cos 314sin 60 2 22sin13cos sin 0221arccos22efLOBLNeOBmv mgmg F FLFmg F FvtL （ 11） 式中 LOB1為輕質(zhì)桿長(zhǎng)度， m； t1為側(cè)板與苗缽分離時(shí)間， s。 利用 MATLAB 的 plot 函數(shù)在 取值范圍內(nèi)繪制式 （ 10）的數(shù)據(jù)曲線圖，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)曲線圖分析可知苗缽對(duì)側(cè)板的粘附力與苗盤(pán)開(kāi)啟速度正相關(guān)。 2.3 含水率對(duì)粘附力的影響 根據(jù)塑限、液限的定義可知，缽苗生長(zhǎng)期間基質(zhì)含水量介于塑限和液限之間。粘附界面微粒在范德華力和氫鍵的作用下對(duì)緊靠其表面的水產(chǎn)生吸引力，在粘附界面表面微粒和側(cè)板之間形成獨(dú)立水環(huán)和水膜，此時(shí)粘附力取決于水環(huán)力和水膜粘滯力。設(shè)粘附界面表層微粒半徑為 R1，微粒團(tuán)聚體與側(cè)板之間水膜半徑為 R2，含水率變化對(duì)粘附力影響如圖 5 所示。粘附界面表層是由微粒及微粒團(tuán)聚體構(gòu)成的多層次結(jié)構(gòu)體。含水量低時(shí)，距離側(cè)板最近的突起微粒和微粒團(tuán)聚體與側(cè)板之間形成水環(huán)和水膜，如圖 5a 所示。隨著含水量升高，距離側(cè)板較近的不同層次上的突起微粒和微粒團(tuán)聚體與側(cè)板之間也逐漸形成水環(huán)和水膜，且已有水膜的半徑逐漸增大，如圖5b 所示。因此，隨著含水量的升高水環(huán)數(shù)量增加、水膜的面積增大。 注： R1為突起微粒半徑， m； R2為粘附界面水膜半徑（低含水率）， m； R2為髙含水率水膜半徑， m； 為水與側(cè)板接觸角， (°)。 Note: R1 is particulate radius, m; R2is water film radius of adhesion interface of low moisture content, m; R2 is water film radius of high moisture content, m; is contact angle between water and side plat, (°). 圖 5 含水率對(duì)水環(huán)和水膜的影響示意圖 Fig.5 Effect of moisture content on water ring and water film 由水環(huán)粘附力表達(dá)式29（ 12） 和水膜粘附力表達(dá)式30（ 13），得苗缽對(duì)側(cè)板粘附力表達(dá)式（ 14）。 4cosLVFR 1水環(huán)（ 12） 式中 R1為突起微粒半徑， m； LV為水的表面張力，N/m； 水與固體材料的接觸角， (°)。 24222123 114RFt hh 水膜（ 13） 式中 為土壤水黏度； R2為粘附界面水膜半徑（低含水率）， m； h1為土壤與固體材料表面初始距離， m；h2為土壤與固體材料表面分離距離， m； t2為土壤和非土物質(zhì)分離所用時(shí)間， s。 42211123 114cos4nmNLViiRFRt hh 21（ 14） 由式（ 14）可知，當(dāng)含水率升高時(shí)粘附界面與側(cè)板間的水環(huán)數(shù)量 n 增加、水膜半徑 R2變大且數(shù)量 m 增多，即苗缽對(duì)側(cè)板的粘附力 FN隨含水率升高而變大。 3 脫苗試驗(yàn) 為深入研究上述因素對(duì)苗缽粘附力的影響，進(jìn)行三因素試驗(yàn)。由于脫苗時(shí)苗缽與側(cè)板間的粘附力值不能通過(guò)試驗(yàn)直接獲得，且從式（ 6）可知苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟峰值力為粘附力與一個(gè)數(shù)值力的和，因此試驗(yàn)中以苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟峰值力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)研究各試驗(yàn)因素對(duì)脫苗過(guò)程中苗缽與側(cè)板間粘附力的影響。 3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備 試驗(yàn)于 2018 年 3 月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行，圖 6 為試驗(yàn)材料及試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)缽苗在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園培育， 品種為湘雜油 420， 苗齡 35 d。苗缽基質(zhì)由泥炭、蛭石、珍珠巖、耘園壤土按 4:2:2:1 體積比配制，壓實(shí)度為 1.1。育苗盤(pán)為自制單缽苗盤(pán)如圖 1a所示。試驗(yàn)儀器為 CMT6104 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳新三思），選用量程為 980 N 的拉壓傳感器，測(cè)量精度為 0.01 N，橫梁速度調(diào)節(jié)范圍 0.001 500 mm/min，根據(jù)單缽苗盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理設(shè)計(jì)了單缽苗盤(pán)夾持臺(tái)及輔助部件，如圖 6b 所示。 a. 試驗(yàn)材料 a. Test materials b. 試驗(yàn)裝置 b. Test equipment c. 脫盤(pán)后缽苗 c. Seedling after detaching圖 6 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)裝置 Fig.6 Test materials and test equipment 3.2 試驗(yàn)因素及取值范圍 綜上所述，選取側(cè)板傾角、苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度和基質(zhì)含水率作為試驗(yàn)因素。苗盤(pán)傾角水平值選定：在調(diào)查現(xiàn)有育苗缽盤(pán)錐角的基礎(chǔ)上，試制傾角為 5°、 7°、 9°、第 12 期 馮世杰等：活動(dòng)苗盤(pán)脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗(yàn)研究 25 11°、 13°共 5 種苗盤(pán)，并利用苗盤(pán)育苗進(jìn)行苗缽直立率試驗(yàn)31。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著苗盤(pán)側(cè)板傾角增大，苗缽底部面積減小導(dǎo)致缽苗直立率降低，結(jié)合為該苗盤(pán)設(shè)計(jì)的托舉 -托持式取苗裝置的作業(yè)特點(diǎn)， 側(cè)板傾角取值范圍為 7° 11°。 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)橫梁最大速度為 8.3 mm/s，且由式（ 10）可知苗盤(pán)開(kāi)啟部件運(yùn)行速度與苗缽對(duì)側(cè)板的粘附力正相關(guān)，同時(shí)苗盤(pán)開(kāi)啟部件運(yùn)行速度關(guān)系到苗盤(pán)開(kāi)啟速度及取苗時(shí)間，因此苗盤(pán)開(kāi)啟部件運(yùn)行速度取值范圍為 48 mm/s。 試驗(yàn)前將缽苗澆透水，在澆水后第 8 h 和第 24 h 進(jìn)行含水率測(cè)定試驗(yàn)，用北京賽多利斯公司的水分快速測(cè)定儀（型號(hào) MA150，精度 1 mg）對(duì)缽體進(jìn)行水分測(cè)定，得到基質(zhì)含水率分別為 65.13%、 54.71%， 根據(jù)文獻(xiàn) 21,32可知該含水率能滿足油菜生長(zhǎng)需要，因此基質(zhì)含水率取值范圍為 55% 65%。 在進(jìn)行與含水率 0 水平（表 1）相關(guān)的試驗(yàn)前，用水分快速測(cè)定儀對(duì)基質(zhì)含水率進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)含水率為60%±0.4%時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。 3.3 試驗(yàn)方法 采用響應(yīng)曲面法（ RSM）常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert 中 BBD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合試驗(yàn)因素水平編碼表（如表 1 所示）設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)中各影響因素參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 表 1 試驗(yàn)因素與水平 Table 1 Experiment factors and levels 因素 Factors 水平 Level 側(cè)板傾角 Dip angle of side plate A/(°) 開(kāi)啟部件速度 Speed of opening parts B/(mm·s-1) 基質(zhì)含水率 Moisture content of soil matrix C/% -1 7 4 55 0 9 6 60 1 11 8 65 試驗(yàn)時(shí)單缽苗盤(pán)固定在苗盤(pán)夾持臺(tái)上，苗盤(pán)開(kāi)啟部件和力換向桿與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)橫梁上的拉壓傳感器進(jìn)行固連，由橫梁帶動(dòng)苗盤(pán)開(kāi)啟部件運(yùn)行。 4 試驗(yàn)結(jié)果與分析 4.1 試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)方案中每個(gè)組合重復(fù) 5 次，記錄每次苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力值，去除差異較大的數(shù)據(jù)，取平均值作為該組合的試驗(yàn)結(jié)果，如表 2 所示。同時(shí)測(cè)算每個(gè)組合試驗(yàn)后的苗缽基質(zhì)損失率的平均值，發(fā)現(xiàn)活動(dòng)苗盤(pán)脫苗基質(zhì)損失率最小值為 4.39%， 且苗缽基質(zhì)損失率與脫苗時(shí)苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力之間呈正相關(guān)關(guān)系。 4.2 回歸方程及方差分析 運(yùn)用 Design-Expert 8.0.6 分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟峰值力與各試驗(yàn)因素之間的回歸方程為 T=39.3590.039A2.58B0.85C0.016AB0.027AC +0.034BC+0.086A2+0.055B2+7.8×10-3C2（ 15） 基于方差分析的回歸方程顯著性檢驗(yàn)如表 3 所示 ，模型的 P 0.05，說(shuō)明該模型顯著；失擬項(xiàng)的 P 0.05 說(shuō)明模型失擬不顯著具有很好的擬合性。由模型影響顯著系數(shù)可知，一次項(xiàng) A、 C，二次項(xiàng) A2，交互項(xiàng) AC， BC 對(duì)苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力影響顯著（ P 0.05），一次項(xiàng)中開(kāi)啟部件速度對(duì)苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力影響最小 F=1.40。 表 2 試驗(yàn)方案與結(jié)果 Table 2 Experiment scheme and results 試驗(yàn)因素 Factors 序號(hào) No. 側(cè)板傾角 Dip angle ofside plate A/(°) 開(kāi)啟部件速度 Speed of opening parts B/(mm·s-1) 基質(zhì)含水率 Moisture content of soil matrix C/%苗盤(pán)開(kāi)啟 峰值力 Opening peak force of moveable tray/N 1 9 6 60 7.54 2 7 8 60 8.25 3 9 4 55 7.88 4 9 6 60 7.23 5 7 4 60 8.08 6 9 6 60 7.32 7 11 8 60 7.44 8 7 6 65 8.53 9 7 6 55 7.56 10 9 8 65 8.15 11 9 8 55 6.81 12 11 4 60 7.53 13 11 6 55 7.62 14 9 6 60 7.26 15 9 6 60 6.96 16 9 4 65 7.87 17 11 6 65 7.50 表 3 回歸方程方差分析 Table 3 Variance analysis of regression equation 來(lái)源 Source 平方和Sum ofsquares自由度 Degree of freedom 均方 Mean square F 值 F value P 值 P value Model 3.06 9 0.34 7.55 0.007 1 A 0.68 1 0.68 15.7 0.006 0 B 0.063 1 0.063 1.40 0.275 5 C 0.59 1 0.59 13.19 0.008 4 AB 0.017 1 0.017 0.38 0.559 6 AC 0.30 1 0.30 6.59 0.037 1 BC 0.46 1 0.46 10.12 0.015 5 A20.50 1 0.50 11.06 0.012 7 B20.20 1 0.20 4.48 0.072 0 C20.16 1 0.16 2.69 0.099 2 殘差 Residual 0.32 7 0.045 失擬項(xiàng) Lack of fit 0.14 3 0.047 1.10 0.446 7 誤差 Pure error 0.17 4 0.043 總和 Total 3.38 16 4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的雙因素交互影響分析 雙因素交互對(duì)苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟峰值力的影響 如圖 7所示 。 側(cè)板傾角與基質(zhì) 含水率對(duì)開(kāi)啟峰值力的交互影響如圖 7a 所示 ，在側(cè)板傾角各水平下，苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力隨基質(zhì)含水率的增加而增大，在側(cè)板傾角較小時(shí)增大趨勢(shì)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 26 較為明顯；在含水率各水平下，苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力隨側(cè)板傾角增大總體趨于下降，在高含水率的情況下較為顯著。這也符合隨基質(zhì)含水率增加苗缽質(zhì)量加大，當(dāng)側(cè)板傾角變大時(shí)苗缽對(duì)側(cè)板產(chǎn)生壓力變小的研究結(jié)果，兩因素交互作用顯著。 基質(zhì)含水率與開(kāi)啟部件速度 對(duì)開(kāi)啟峰值力交互影響 如圖 7b 所示，在開(kāi)啟部件速度各水平作用下苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力在高速下隨含水率增加而增大，在低速時(shí)開(kāi)啟峰值力先下降然后緩慢上升；在基質(zhì)含水率因素各水平作用下，苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力在低基質(zhì)含水率時(shí)隨速度增大呈緩慢下降趨勢(shì)，而在高基質(zhì)含水率時(shí)隨速度的增大明顯變大，兩因素交互作用影響效果顯著。 a. T(A,6,C) b. T(9,B,C) 圖 7 各影響因素響應(yīng)曲面 Fig.7 Response surface of factors 4.4 參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證 利用 Design-Expert 的優(yōu)化功能，以苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟所需峰值力最小值為目標(biāo)，設(shè)定相關(guān)因素的目標(biāo)及邊界極限值，進(jìn)行各變量組合尋優(yōu)。得到滿足約束條件的最小開(kāi)啟峰值力的最優(yōu)參數(shù)組合：側(cè)板傾角為 9.24°、開(kāi)啟部件速度為 7.98 mm/s、含水率為 55%，苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力為6.97 N。 為驗(yàn)證利用軟件所得優(yōu)化結(jié)果的可行性，采用優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，側(cè)板傾角取 9.2°，開(kāi)啟部件速度為 8 mm/s， 含水率為 55%。 試驗(yàn)重復(fù) 10 次取平均值，得苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟峰值力為 7.12 N，苗缽基質(zhì)損失率為3.14%，其峰值力相比模型預(yù)測(cè)值 6.97 N 的誤差為 2.1%。 驗(yàn)證試驗(yàn)表明，通過(guò)優(yōu)化各影響因素的參數(shù)能降低脫苗過(guò)程中苗缽與苗盤(pán)側(cè)板間的粘附力，優(yōu)化前后，苗缽基質(zhì)損失率有明顯下降。 5 結(jié)論與討論 1）對(duì)單缽苗盤(pán)脫苗時(shí)苗缽和苗盤(pán)側(cè)板進(jìn)行受力分析，得到了脫苗過(guò)程中苗缽粘附力與苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力之間存在正相關(guān)關(guān)系。對(duì)側(cè)板傾角、苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度及基質(zhì)含水率與苗缽粘附力之間關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)苗盤(pán)傾角與苗缽粘附力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度和基質(zhì)含水率與苗缽粘附力呈正相關(guān)關(guān)系。 2）運(yùn)用 Design-Expert 優(yōu)化功能進(jìn)行影響因素變量組合尋優(yōu)，獲取苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力最小時(shí)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化組合：側(cè)板傾角為 9.24°、苗盤(pán)開(kāi)啟部件速度為 7.98 mm/s、含水率為55%，苗盤(pán)開(kāi)啟峰值力為 6.97 N。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：參數(shù)優(yōu)化后的苗盤(pán)脫苗開(kāi)啟峰值力為 7.12 N， 與模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為 2.1%， 苗缽基質(zhì)損失率由優(yōu)化前最低值 4.39%降為 3.14%。通過(guò)優(yōu)化各影響因素的參數(shù)能降低脫苗過(guò)程中苗缽與苗盤(pán)側(cè)板間的粘附力，優(yōu)化前后，苗缽基質(zhì)損失率有明顯下降。 3）苗盤(pán)開(kāi)啟部件 7.98 mm/s 的運(yùn)行速度滿足生產(chǎn)效率的需要，后期在高速移栽的要求下，提高文中開(kāi)啟部件運(yùn)行速度，縮短單次取苗時(shí)間、提高取苗頻率，最終提高移栽效率是下一步繼續(xù)研究的方向。 參 考 文 獻(xiàn) 1 于曉旭，趙勻，陳寶成，等 . 移栽機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀與展望 J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2014， 45(8)： 44 53. Yu Xiaoxu, Zhao Yun, Chen Baocheng, et al. Development and prospect of transplanting machineryJ. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 44 53. (in Chinese with English abstract) 2 張欣悅，李連豪，汪春，等 . 2BS-420 型水稻植質(zhì)缽育秧盤(pán)精量播種機(jī) J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2013， 44(6)： 56 61. Zhang Xinyue, Li Lianhao, Wang Chun, et al. Type 2BS-420 precision seeder for rice s