第 35 卷 第 12 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol.35 No.12 2019 年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 21 活動苗盤脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗研究馮世杰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，長沙 410128； 2. 信陽農(nóng)林學(xué)院園藝學(xué)院，信陽 464000； 3. 湖南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長沙 410128） 摘 要： 為解決缽苗移栽過程中，因苗缽與苗盤間粘附力導(dǎo)致取苗過程中苗缽破損，進(jìn)而影響取苗成功率及栽后幼苗長勢的問題，對活動苗盤開啟脫苗時苗缽和苗盤側(cè)板進(jìn)行受力分析并對苗缽與側(cè)板間粘附力影響因素進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)苗缽粘附力與苗盤開啟峰值力之間存在正相關(guān)關(guān)系，苗盤側(cè)板傾角與苗缽粘附力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，苗盤開啟部件速度和基質(zhì)含水率與苗缽粘附力呈正相關(guān)關(guān)系。為進(jìn)一步研究各因素對苗缽粘附力的影響規(guī)律，以苗盤開啟峰值力表征苗缽粘附力作為優(yōu)化指標(biāo)，以苗盤側(cè)板傾角、苗盤開啟部件速度和基質(zhì)含水率為試驗因素，利用響應(yīng)曲面方法進(jìn)行優(yōu)化試驗設(shè)計，同時測算各試驗組合中苗缽基質(zhì)損失率。當(dāng)苗盤側(cè)板傾角為 9.24、基質(zhì)含水率為 55%、苗盤開啟部件速度為 7.98 mm/s 時，苗盤開啟峰值力可以達(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)行的驗證試驗表明：苗盤脫苗開啟峰值力最小值為 7.12 N，相對預(yù)測值誤差為 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程中基質(zhì)損失機理提供理論支撐。 關(guān)鍵詞： 機械化；移栽；優(yōu)化；苗盤；開啟峰值力；粘附力；試驗 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.003 中圖分類號： S223.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1002-6819(2019)-12-0021-08 馮世杰， 顏 波， 全 偉， 吳明亮. 活動苗盤脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗研究J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 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)有缽盤育苗移栽過程中，存在苗缽基質(zhì)損失率高及由基質(zhì)損失導(dǎo)致取苗不成功等問題4-5。針對這些問題國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其中韓綠化等6-10通過對苗缽本身的力學(xué)特性進(jìn)行研究來降低苗缽破損率，提高取苗成功率；高國華等11-15通過設(shè)計新型取苗爪并優(yōu)化其工作參數(shù)來降低苗缽破損、 提高取苗成功率； 金鑫等16-19通過設(shè)計新型取送苗機構(gòu)來降低基質(zhì)損失率、提高取苗成功率；蔣蘭等20建立移栽過程中苗塊的動力學(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間的粘附力視為取苗過程中苗缽基質(zhì)損失的一個影響因素。任露泉收稿日期： 2018-12-16 修訂日期： 2019-05-10 基金項目：國家科技支撐計劃課題（ 2014BAD11B03） ；湖南省科技廳重點研發(fā)點項目（ 2017NK2131） 作者簡介：馮世杰，博士生，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機械研究。 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)機械創(chuàng)新設(shè)計研究，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。本研究希望通過對苗缽與苗盤間粘附力影響因素的研究，尋求通過降低苗缽與苗盤間粘附力來解決取苗過程中苗缽基質(zhì)破損的問題?；诖?，本文在已有活動苗盤及相關(guān)試驗研究基礎(chǔ)上25-26，取活動苗盤單個缽體為研究對象（簡稱單缽苗盤），用橡膠圈代替原活動苗盤中的扭力彈簧，對單缽苗盤脫苗過程中粘附力及其影響因素進(jìn)行試驗研究，獲取脫苗過程中最小粘附力產(chǎn)生的參數(shù)組合，為取苗過程中苗缽基質(zhì)損失機理的研究提供理論支持。 1 單缽苗盤脫苗開啟過程及力學(xué)分析 1.1 單缽苗盤脫苗開啟過程 圖 1 為單缽苗盤和苗盤開啟部件。脫苗時單缽苗盤（圖 1a）的 形側(cè)板在開啟部件（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)保持完全開啟狀態(tài)；當(dāng)開啟部件的長推板與 T 形側(cè)板相作用時， T 形側(cè)板克服橡膠圈的束縛力繞連接支撐軸外擺，直至單缽苗盤缽穴形狀由倒四棱臺變成四棱柱，此時苗缽和苗盤完全分離，脫苗過程結(jié)束。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（ 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； 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 單缽苗盤和苗盤開啟部件結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure diagram of single pot movable tray and opening parts 1.2 單缽苗盤脫苗開啟過程力學(xué)分析 通過對苗盤開啟過程分析可知，脫苗過程中苗盤所受到的力在 形側(cè)板開啟時、 形側(cè)板開啟后和 T形側(cè)板開啟時這 3 個時刻最具代表性， 受力分析如圖 2所示。依據(jù)苗盤設(shè)計值26，苗盤缽穴上口寬 L=55 mm，側(cè)板上下邊距離 H=55 mm（圖 2b），當(dāng)相對兩側(cè)板繞連接支撐軸內(nèi)擺至下邊相交時，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處的相關(guān)力。 1.2.1 脫苗過程中 形側(cè)板開啟時刻受力 脫苗過程中 形側(cè)板開啟受力指脫苗時上行短推板的 B1、 E1兩點與 形側(cè)板接觸時刻的受力（ B1、 E1兩點受力相同，取 B1點分析），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、 D1兩點與 形側(cè)板接觸，此時 形側(cè)板完全開啟，此時單缽苗盤中的苗缽與 T 形側(cè)板保持相對靜止。要使 形側(cè)板順利開啟，其擺動切線方向的合力方程為 11112cossin( )sintG NLtFF FFFFmg （ 1） 注： FG為苗缽對側(cè)板的壓力， N； FN為苗缽對側(cè)板粘附力， kPa； FL1、 FL2、FL3為橡皮圈 3 個不同長度時拉力， N； Ff為苗缽對側(cè)板的摩擦力， N； F1、F3為推板對側(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)板開啟時短推板向上推力， N； T2為 形側(cè)板開啟后短推板向上推力，N； T3為 T 形側(cè)板開啟時長推板向上推力， 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為短推板對開啟后 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 苗盤脫苗過程受力分析 Fig.2 Force analysis of detaching process of seedling from movable tray 據(jù)參考文獻(xiàn) 21可知 =60，對式（ 1）整理得 121cos sinsin( )NGLFFF mgF （ 2） 由于 形側(cè)板開啟時 T1=4FY1=4F1cos，所以此時開啟部件豎直方向推力最小值為 1212( cos sinsin( )NGLFFF mgT （ 3） 1.2.2 脫苗過程中 形側(cè)板開啟后受力 脫苗過程中 形側(cè)板開啟后受到的力只有繼續(xù)上行的短推板對其產(chǎn)生的摩擦力 FM如圖 2b 所示，摩擦力 FM持續(xù)到脫苗過程結(jié)束。 在短推板上行的過程中與單塊 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)。 此時苗盤開啟部件豎直方向的推力值為 22=4LTF （ 4） 1.2.3 脫苗過程中 T 形側(cè)板開啟時刻受力 脫苗過程中 T 形側(cè)板開啟時刻受力指脫苗時長推板第 12 期 馮世杰等：活動苗盤脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗研究 23 的 B、 E 兩點與 T 形側(cè)板接觸時刻的受力，如圖 2c 所示。其中， F3垂直于長推板斜面； 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)板上的作用點為 形側(cè)板與苗缽接觸面的幾何中心處， FL3的作用點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)長推板上行至 C、 D 兩點與 T 形側(cè)板接觸時， T 形側(cè)板完全開啟。要保證 T 形側(cè)板順利開啟，其擺動切線方向的合力 方程為 323cos sinsin( )NGLFFF mgF （ 5） 因為 T 形側(cè)板開啟時 FY3=F3cos，同時 形側(cè)板與短推板之間有摩擦力存在，所以此時開啟部件豎直方向的推力最小值為 3232cos sin2sin( )NGLLFFF mgTF （ 6） 通過對式（ 3）、式（ 4）、式（ 6）分析得 T3為脫苗過程中苗盤開啟所需力的峰值。由式（ 6）可知在脫苗過程中苗盤開啟峰值力可視為粘附力 FN和一個具體的“數(shù)值力”之和，因此可用苗盤開啟峰值力來表征苗缽對苗盤側(cè)板的粘附力。 2 脫苗過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、實際接觸面積及兩者分離速度等因素影響。筆者在對活動苗盤的設(shè)計、研究中發(fā)現(xiàn)：側(cè)板傾角決定了苗缽體積及苗缽對側(cè)板的法向壓力；側(cè)板與苗缽分離速度取決于開啟部件運行速度；基質(zhì)含水率即影響苗缽的質(zhì)量也影響苗缽與側(cè)板之間實際接觸面積。因此本文將苗盤側(cè)板傾角、開啟部件速度及含水率作為活動苗盤脫苗過程中粘附力主要影響因素進(jìn)行分析。 2.1 側(cè)板傾角對粘附力的影響 側(cè)板傾角 為苗盤側(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，對單缽苗盤側(cè)板和缽苗進(jìn)行靜力學(xué)分析，如圖 3所示。其中 m1g、 m2g 分別為缽苗和苗盤側(cè)板自身重力，苗缽基質(zhì)對單塊側(cè)板壓力為 FG，側(cè)板對苗缽基質(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。 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， 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，通過對所得數(shù)據(jù)曲線圖分析可知， 角與苗缽對側(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側(cè)板的粘附力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。 注： FG為側(cè)板對苗缽的作用力， N； M 為橡皮圈產(chǎn)生的力矩， Nm； Fx、Fy為支撐軸對軸套的作用力， N。 Note: FGis the force of the side plate against the seedling pot, N; M is the moment produced by the rubber ring, Nm; 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 苗盤開啟部件速度對粘附力的影響 苗盤脫苗過程中苗盤開啟部件對側(cè)板作用，推動側(cè)板繞連接支撐桿外擺使苗盤開啟 , 圖 4 為側(cè)板開啟過程動力學(xué)分析。其中側(cè)板繞連接支撐軸擺動的角速度即苗盤開啟速度由苗盤開啟部件上行速度決定，為研究苗盤開啟速度對苗缽與側(cè)板間粘附力的影響，將側(cè)板視作一輕質(zhì)桿 OB1， O 點與軸鉸接。選取 B1點作為研究的動點，對苗盤開啟過程中的側(cè)板進(jìn)行動力學(xué)分析： B1點的絕對運動是以 O 點為圓心 OB1為半徑的圓周運動，絕對速度Va為 LOB1，方向與輕質(zhì)桿 OB1軸線垂直； B1點的相對運動為沿推板斜面的直線運動， 相對速度 Vr方向沿 B1C1；牽連運動為推板在豎直方向上的勻速直線運動，牽連速度 Ve是推板上行速度，方向豎直向上。 注： FI為側(cè)板運行慣性力， N； V0為推板向上運行速度， ms-1； Va為 B1點的絕對速度， ms-1； Vr為 B1點的相對速度， ms-1； Ve為 B1點的牽連速度，ms-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, ms-1; Vais absolute velocity of point B1, ms-1； Vris relative velocity of point B1, ms-1； Ve is following velocity of point B1, ms-1；Ff1is the friction between push plate and side plate, N. 圖 4 側(cè)板開啟過程動力學(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（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 24 則根據(jù)已知條件得側(cè)板開啟瞬時角加速度為 11121cos arccos2212 sin arccos22eeOBeOBOBvtvLvtLL（ 10） 結(jié)合圖 4 對側(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)桿長度， m； t1為側(cè)板與苗缽分離時間， 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，通過對數(shù)據(jù)曲線圖分析可知苗缽對側(cè)板的粘附力與苗盤開啟速度正相關(guān)。 2.3 含水率對粘附力的影響 根據(jù)塑限、液限的定義可知，缽苗生長期間基質(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)板之間形成獨立水環(huán)和水膜，此時粘附力取決于水環(huán)力和水膜粘滯力。設(shè)粘附界面表層微粒半徑為 R1，微粒團聚體與側(cè)板之間水膜半徑為 R2，含水率變化對粘附力影響如圖 5 所示。粘附界面表層是由微粒及微粒團聚體構(gòu)成的多層次結(jié)構(gòu)體。含水量低時，距離側(cè)板最近的突起微粒和微粒團聚體與側(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)分離所用時間， s。 42211123 114cos4nmNLViiRFRt hh 21（ 14） 由式（ 14）可知，當(dāng)含水率升高時粘附界面與側(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，即苗缽對側(cè)板的粘附力 FN隨含水率升高而變大。 3 脫苗試驗 為深入研究上述因素對苗缽粘附力的影響，進(jìn)行三因素試驗。由于脫苗時苗缽與側(cè)板間的粘附力值不能通過試驗直接獲得，且從式（ 6）可知苗盤脫苗開啟峰值力為粘附力與一個數(shù)值力的和，因此試驗中以苗盤脫苗開啟峰值力為評價指標(biāo)，來研究各試驗因素對脫苗過程中苗缽與側(cè)板間粘附力的影響。 3.1 試驗材料與設(shè)備 試驗于 2018 年 3 月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械化工程實訓(xùn)中心進(jìn)行，圖 6 為試驗材料及試驗裝置。試驗缽苗在湖南農(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，壓實度為 1.1。育苗盤為自制單缽苗盤如圖 1a所示。試驗儀器為 CMT6104 型微機控制電子萬能試驗機（深圳新三思），選用量程為 980 N 的拉壓傳感器，測量精度為 0.01 N，橫梁速度調(diào)節(jié)范圍 0.001 500 mm/min，根據(jù)單缽苗盤結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合萬能試驗機結(jié)構(gòu)及工作原理設(shè)計了單缽苗盤夾持臺及輔助部件，如圖 6b 所示。 a. 試驗材料 a. Test materials b. 試驗裝置 b. Test equipment c. 脫盤后缽苗 c. Seedling after detaching圖 6 試驗材料及試驗裝置 Fig.6 Test materials and test equipment 3.2 試驗因素及取值范圍 綜上所述，選取側(cè)板傾角、苗盤開啟部件速度和基質(zhì)含水率作為試驗因素。苗盤傾角水平值選定：在調(diào)查現(xiàn)有育苗缽盤錐角的基礎(chǔ)上，試制傾角為 5、 7、 9、第 12 期 馮世杰等：活動苗盤脫苗力學(xué)分析及粘附力影響因素試驗研究 25 11、 13共 5 種苗盤，并利用苗盤育苗進(jìn)行苗缽直立率試驗31。試驗發(fā)現(xiàn)隨著苗盤側(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)合為該苗盤設(shè)計的托舉 -托持式取苗裝置的作業(yè)特點， 側(cè)板傾角取值范圍為 7 11。 萬能試驗機橫梁最大速度為 8.3 mm/s，且由式（ 10）可知苗盤開啟部件運行速度與苗缽對側(cè)板的粘附力正相關(guān)，同時苗盤開啟部件運行速度關(guān)系到苗盤開啟速度及取苗時間，因此苗盤開啟部件運行速度取值范圍為 48 mm/s。 試驗前將缽苗澆透水，在澆水后第 8 h 和第 24 h 進(jìn)行含水率測定試驗，用北京賽多利斯公司的水分快速測定儀（型號 MA150，精度 1 mg）對缽體進(jìn)行水分測定，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)的試驗前，用水分快速測定儀對基質(zhì)含水率進(jìn)行測定，當(dāng)含水率為60%0.4%時開始試驗。 3.3 試驗方法 采用響應(yīng)曲面法（ RSM）常用的試驗設(shè)計軟件Design-Expert 中 BBD 試驗設(shè)計方法，結(jié)合試驗因素水平編碼表（如表 1 所示）設(shè)計試驗方案，并對試驗中各影響因素參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 表 1 試驗因素與水平 Table 1 Experiment factors and levels 因素 Factors 水平 Level 側(cè)板傾角 Dip angle of side plate A/() 開啟部件速度 Speed of opening parts B/(mms-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 試驗時單缽苗盤固定在苗盤夾持臺上，苗盤開啟部件和力換向桿與萬能試驗機橫梁上的拉壓傳感器進(jìn)行固連，由橫梁帶動苗盤開啟部件運行。 4 試驗結(jié)果與分析 4.1 試驗結(jié)果 試驗方案中每個組合重復(fù) 5 次，記錄每次苗盤開啟峰值力值，去除差異較大的數(shù)據(jù)，取平均值作為該組合的試驗結(jié)果，如表 2 所示。同時測算每個組合試驗后的苗缽基質(zhì)損失率的平均值，發(fā)現(xiàn)活動苗盤脫苗基質(zhì)損失率最小值為 4.39%， 且苗缽基質(zhì)損失率與脫苗時苗盤開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 運用 Design-Expert 8.0.6 分析試驗數(shù)據(jù)，得苗盤脫苗開啟峰值力與各試驗因素之間的回歸方程為 T=39.3590.039A2.58B0.85C0.016AB0.027AC +0.034BC+0.086A2+0.055B2+7.810-3C2（ 15） 基于方差分析的回歸方程顯著性檢驗如表 3 所示 ，模型的 P 0.05，說明該模型顯著；失擬項的 P 0.05 說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 A、 C，二次項 A2，交互項 AC， BC 對苗盤開啟峰值力影響顯著（ P 0.05），一次項中開啟部件速度對苗盤開啟峰值力影響最小 F=1.40。 表 2 試驗方案與結(jié)果 Table 2 Experiment scheme and results 試驗因素 Factors 序號 No. 側(cè)板傾角 Dip angle ofside plate A/() 開啟部件速度 Speed of opening parts B/(mms-1) 基質(zhì)含水率 Moisture content of soil matrix C/%苗盤開啟 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 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 評價指標(biāo)的雙因素交互影響分析 雙因素交互對苗盤脫苗開啟峰值力的影響 如圖 7所示 。 側(cè)板傾角與基質(zhì) 含水率對開啟峰值力的交互影響如圖 7a 所示 ，在側(cè)板傾角各水平下，苗盤開啟峰值力隨基質(zhì)含水率的增加而增大，在側(cè)板傾角較小時增大趨勢農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 26 較為明顯；在含水率各水平下，苗盤開啟峰值力隨側(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)板傾角變大時苗缽對側(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)含水率與開啟部件速度 對開啟峰值力交互影響 如圖 7b 所示，在開啟部件速度各水平作用下苗盤開啟峰值力在高速下隨含水率增加而增大，在低速時開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，苗盤開啟峰值力在低基質(zhì)含水率時隨速度增大呈緩慢下降趨勢，而在高基質(zhì)含水率時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)化及驗證 利用 Design-Expert 的優(yōu)化功能，以苗盤脫苗開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啟峰值力的最優(yōu)參數(shù)組合：側(cè)板傾角為 9.24、開啟部件速度為 7.98 mm/s、含水率為 55%，苗盤開啟峰值力為6.97 N。 為驗證利用軟件所得優(yōu)化結(jié)果的可行性，采用優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行驗證試驗，側(cè)板傾角取 9.2，開啟部件速度為 8 mm/s， 含水率為 55%。 試驗重復(fù) 10 次取平均值，得苗盤脫苗開啟峰值力為 7.12 N，苗缽基質(zhì)損失率為3.14%，其峰值力相比模型預(yù)測值 6.97 N 的誤差為 2.1%。 驗證試驗表明，通過優(yōu)化各影響因素的參數(shù)能降低脫苗過程中苗缽與苗盤側(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）對單缽苗盤脫苗時苗缽和苗盤側(cè)板進(jìn)行受力分析，得到了脫苗過程中苗缽粘附力與苗盤開啟峰值力之間存在正相關(guān)關(guān)系。對側(cè)板傾角、苗盤開啟部件速度及基質(zhì)含水率與苗缽粘附力之間關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)苗盤傾角與苗缽粘附力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，苗盤開啟部件速度和基質(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)，獲取苗盤開啟峰值力最小時相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化組合：側(cè)板傾角為 9.24、苗盤開啟部件速度為 7.98 mm/s、含水率為55%，苗盤開啟峰值力為 6.97 N。驗證試驗表明：參數(shù)優(yōu)化后的苗盤脫苗開啟峰值力為 7.12 N， 與模型預(yù)測值相對誤差為 2.1%， 苗缽基質(zhì)損失率由優(yōu)化前最低值 4.39%降為 3.14%。通過優(yōu)化各影響因素的參數(shù)能降低脫苗過程中苗缽與苗盤側(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）苗盤開啟部件 7.98 mm/s 的運行速度滿足生產(chǎn)效率的需要，后期在高速移栽的要求下，提高文中開啟部件運行速度，縮短單次取苗時間、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 . 移栽機械發(fā)展現(xiàn)狀與展望 J. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 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)缽育秧盤精量播種機 J. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2013， 44(6)： 56 61. Zhang Xinyue, Li Lianhao, Wang Chun, et al. Type 2BS-420 precision seeder for rice s