收獲期黃連原位機(jī)械拔取力學(xué)試驗(yàn)研究

姚亮華，李敏，趙世龍，陳迅，王躍，曾百功，2，3，4，謝守勇，3，4

1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶三峽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 萬州 404100；3.重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新方法工程技術(shù)中心，重慶 400715；4.丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

經(jīng)過多年生長的成熟黃連具有發(fā)達(dá)的纖維狀根系結(jié)構(gòu),在土壤中形成了網(wǎng)狀須根結(jié)構(gòu)的根系土壤復(fù)合體.將整株黃連從土壤中拔出時(shí),由于根系和土壤的緊密結(jié)合,黃連根系將裹挾部分土壤呈根系土壤復(fù)合體結(jié)構(gòu)被拔出,因此,探究黃連拔取過程的相關(guān)因素對(duì)拔取力的影響規(guī)律之基礎(chǔ)研究對(duì)黃連生產(chǎn)機(jī)械化具有重要意義.

近些年,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根莖或莖稈的拔取力開展了較多研究,肖海等[6]在實(shí)驗(yàn)室通過單根香根草拉拔試驗(yàn)探究了不同直徑香根草根系的抗拉力和抗拉強(qiáng)度; 劉強(qiáng)等[7-8]通過山東農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研制的“數(shù)控式蔬菜拔取力測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)”進(jìn)行了青蘿卜和紅蘿卜的拔取力測(cè)試,探究了土壤物理特性對(duì)蘿卜拔取力的影響,隨著土壤含水率的提高、硬度和容重的降低,胡蘿卜的機(jī)械拔取力值會(huì)降低; 薛黨勤等[9]使用一種簡單的起拔力測(cè)量裝置研究了起拔角度和前進(jìn)速度等對(duì)棉花秸稈拔取力的影響,結(jié)果表明起拔角度對(duì)棉花秸稈的起拔力有較大影響; 楊聞達(dá)等[10]通過對(duì)山礬根系的實(shí)驗(yàn)室拉拔試驗(yàn)得到根系拔取力隨表面壓力的增大而增大,而隨土壤含水率的增加呈先增大后減小的趨勢(shì); Schwarz等[11]通過對(duì)多種植物根系試驗(yàn)探究了不同含水率不同直徑的拔取力大小; Giadrossich等[12]研究了麻風(fēng)樹最大拉力隨根直徑的變化規(guī)律; 蒲闖等[13]通過自主搭建的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)水稻缽苗進(jìn)行了拔取試驗(yàn),探究了苗齡、拔取角度等對(duì)秧苗拔取力的影響; 辛青青等[14]通過手持式拉力計(jì)探究了成熟期馬鈴薯秧拔取力及相關(guān)影響因素.

針對(duì)植物根系開展的拉拔試驗(yàn)研究主要集中在農(nóng)作物根莖系拔取和護(hù)坡固土根系拉拔,而多年生植物黃連根系結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與土壤結(jié)合緊密,本文通過自主設(shè)計(jì)的黃連原位機(jī)械拔取測(cè)試裝置對(duì)收獲期黃連進(jìn)行原位拔取力學(xué)試驗(yàn),分析拔取過程中各因素對(duì)拔取力的影響規(guī)律,為黃連收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用重慶市石柱土家族自治縣黃水鎮(zhèn)(108°41′96″E,30°22′62″N,海拔1 541 m)某黃連種植區(qū)收獲期在地黃連(味連)為研究對(duì)象,其葉片呈鋸齒狀,莖稈高15～25 cm,根莖連接處長有芽孢; 根莖多分枝,形如雞爪,多須根,須根向四周生長,通過散布、交叉、纏繞等形式固結(jié)周圍土壤,搭建了柵欄狀的圓柱形框架,由此形成了根系土壤緊密結(jié)合體系.在整株黃連從土壤中拔出過程中,根系形態(tài)結(jié)構(gòu)及其周圍土壤結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化,由于根系與土壤的相互作用,黃連根系將裹挾部分土壤呈根系土壤復(fù)合體結(jié)構(gòu)被拔出.因此,根據(jù)土壤中根土復(fù)合體的有效長度、直徑和質(zhì)量抽象出黃連根部的幾何模型為一個(gè)圓柱體,如圖1.

1為葉片,2為莖稈,3為芽孢,4為根部(根土復(fù)合體),5為須根; D為根土復(fù)合體最大直徑(mm),L為根土復(fù)合體長度(mm).

黃連根部即根土復(fù)合體的體積和表面積分別用如下公式表示:

(1)

(2)

式中,V為根土復(fù)合體體積(mm3),S為根土復(fù)合體表面積(mm2).

（2）人民幣匯率預(yù)期與資本賬戶跨境資金流出之間的脈沖響應(yīng)分析。對(duì)人民幣匯率預(yù)期、境內(nèi)外利差與資本賬戶跨境資金流出之間建立VAR模型，確定VAR模型滯后階數(shù)為1階。根據(jù)所建立的VAR（1）可以得到脈沖響應(yīng)函數(shù)圖（如圖2所示）。

測(cè)得試驗(yàn)田淺層土壤(0～7.5 cm)的平均堅(jiān)實(shí)度為0.319 Mpa,平均含水率為58.32%; 深層土壤(7.6～15.0 cm)的平均堅(jiān)實(shí)度為0.760 Mpa,平均含水率為46.02%,試驗(yàn)田地坡度為4°～28°.

1.2 試驗(yàn)裝置

通過對(duì)黃連生長形態(tài)和拔取過程的分析,設(shè)計(jì)一種黃連原位機(jī)械拔取測(cè)試裝置.主要由1605滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)、連接支架、HG-500數(shù)顯推拉力計(jì)(量程0～500 N,精度0.1)、夾緊機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成,如圖2.連接支架一端通過滾珠螺母與步進(jìn)電機(jī)絲杠連接,另一端與拉力傳感器相連,通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向來改變連接支架移動(dòng)的速度和方向,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拔取速度的調(diào)節(jié); 夾緊機(jī)構(gòu)中夾持黃連部位粘貼一層海綿,既增大了夾持作用的摩擦力,又降低了夾持對(duì)植株的損傷.工作時(shí),首先將夾緊機(jī)構(gòu)夾持黃連根部,然后通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使得與滾珠螺母相連的連接支架勻速向上移動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)將黃連從土壤中勻速拔出.在拔取黃連的過程中,數(shù)顯拉力計(jì)能夠?qū)崟r(shí)顯示拔取力的大小,并可繪制拔取力隨時(shí)間變化的曲線圖.

1為控制器,2為驅(qū)動(dòng)器,3為步進(jìn)電機(jī),4為螺母支座,5為滾珠螺母,6為連接支架,7為拉力傳感器,8為夾緊機(jī)構(gòu),9為固定板.

1.3 試驗(yàn)方法

拔取力是將整株黃連完整地從土壤中拔出所需的作用力,它是黃連收獲機(jī)械的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù),也是評(píng)價(jià)黃連收獲機(jī)械的一個(gè)重要指標(biāo).加筋理論是在土體內(nèi)部或表面添加各種適量的加強(qiáng)筋構(gòu)件,目的是改善土體的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等[15].黃連根系具有大量的須根,是天然的柔性加筋材料,根系復(fù)合土是天然的加筋土,由此形成了根系土壤復(fù)合體結(jié)構(gòu).當(dāng)整株黃連從土壤中拔出時(shí),黃連根系將裹挾部分土壤呈根土復(fù)合體結(jié)構(gòu)被拔出,因此,拔取阻力主要表現(xiàn)為根土復(fù)合體重力、土壤之間及根系與土壤之間的摩擦力等.當(dāng)拔取過程勻速進(jìn)行時(shí),不同角度拔取黃連的受力分析示意圖如圖3.

FL為拔取力(N),FS為土地對(duì)黃連的支撐力(N),Ff為摩擦阻力(N),α為拔取力與鉛直方向的夾角(°),θ為黃連生長地面坡度(°),G為根土復(fù)合體重力(N).

由黃連拔取受力分析示意圖可得黃連在拔取方向受力平衡方程:

(3)

由此可得:

FL=Ff+Gcosθ/cos(α-θ)

(4)

由公式(4)可知,黃連的拔取力大小不僅與摩擦阻力和根土復(fù)合體的重力有關(guān),還與其生長的坡度和拔取方向有關(guān),且土壤對(duì)黃連的支撐力也與坡度和拔取方向有關(guān).摩擦阻力主要由土壤黏結(jié)及黃連須根拉伸作用產(chǎn)生,其大小由黃連根系形態(tài)結(jié)構(gòu)和周圍土壤物理特性決定,所以在地黃連拔取過程的摩擦阻力基本保持不變.本研究以收獲期黃連作為研究對(duì)象,通過基礎(chǔ)試驗(yàn)分析相關(guān)因素對(duì)于黃連拔取過程中拔取力的影響,采用自主搭建的黃連原位機(jī)械拔取測(cè)試裝置,選取拔取速度、拔取方向、坡度及根土復(fù)合體表面積作為研究因素,黃連拔取力為主要指標(biāo)開展試驗(yàn)研究,具體的參數(shù)設(shè)置如下:

1) 拔取速度(v) :從10～30 mm/s之間均勻設(shè)置5個(gè)檔位,即10,15,20,25,30 mm/s;

2) 拔取方向(α):拔取設(shè)置為鉛直方向和垂直于地面的方向,即α=0和α=θ;

3) 坡度(θ):根據(jù)實(shí)測(cè)地點(diǎn),選擇從緩坡到陡坡的3處地點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn),數(shù)值根據(jù)角度測(cè)量儀實(shí)測(cè)獲得.

采用單因素試驗(yàn)法,先選取地勢(shì)較為平坦的測(cè)量點(diǎn),以不同的拔取速度垂直于地面拔取黃連,然后在同一坡度以15 mm/s速度拔取30株黃連,使用游標(biāo)卡尺測(cè)量根土復(fù)合體的直徑和長度; 再分別選取坡度不同的3個(gè)測(cè)試點(diǎn),每個(gè)測(cè)試點(diǎn)以不同的拔取方向試驗(yàn)3組,拔取速度均設(shè)置為15 mm/s.每組試驗(yàn)重復(fù)5次,拔取完成后使用電子稱測(cè)量拔取樣品的質(zhì)量.測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4.

圖4 黃連原位機(jī)械拔取測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

為了進(jìn)一步減少質(zhì)量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,剔除質(zhì)量差異較大的樣品,對(duì)剩余樣品的拔取力作歸一化處理,歸一化公式:

(5)

式中,Fi為拔取力試驗(yàn)值(N);m為根土復(fù)合體質(zhì)量(kg);N為試驗(yàn)樣品數(shù)量(株).

2 結(jié)果與分析

2.1 拔取力統(tǒng)計(jì)分析

將田間試驗(yàn)測(cè)得的黃連拔取力數(shù)據(jù)采用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到拔取力頻率分布圖.由圖5可知,大部分黃連的拔取力主要分布在10～50 N之間,占樣本總數(shù)的87.4%.樣本數(shù)據(jù)的平均值為27.38 N,標(biāo)準(zhǔn)差為14.16,根據(jù)夏皮洛-威爾克[16]檢驗(yàn)方法,將樣本數(shù)據(jù)作正態(tài)分布密度曲線,得到數(shù)據(jù)顯著性大于0.05,屬于正態(tài)分布.

圖5 黃連拔取力頻率分布圖

2.2 根土復(fù)合體表面積對(duì)拔取力的影響

將整株黃連從土壤中拔出時(shí),黃連根土復(fù)合體與周圍土壤接觸面積對(duì)拔取力有較大影響.本研究去除根莖斷裂等拉拔失敗的樣品,測(cè)得試驗(yàn)成功黃連的根土復(fù)合體的表面積范圍在0.376×103～18.286×103mm2之間,拔取力范圍在9.2～62.8 N之間,且拔取力隨著根土復(fù)合體表面積的增大而增大.對(duì)其進(jìn)行線性擬合、多項(xiàng)式擬合及冪函數(shù)擬合,結(jié)果如圖6,其中二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果最優(yōu),決定系數(shù)為0.76,擬合程度良好,擬合關(guān)系式:

(6)

圖6 根土復(fù)合體表面積與黃連拔取力關(guān)系

式中,Fi為黃連拔取力試驗(yàn)值(N),Si為根土復(fù)合體表面積(×103mm2).

2.3 拔取速度對(duì)拔取力的影響

拔取速度是黃連拔取過程的關(guān)鍵因素,直接影響拔取質(zhì)量和作業(yè)效率.將拔取速度作為試驗(yàn)因素,黃連拔取力為試驗(yàn)指標(biāo),在地面坡度接近平地(實(shí)際測(cè)量值為2.29°)的田塊上進(jìn)行黃連原位拔取力學(xué)試驗(yàn),拔取方向垂直于地面,研究拔取速度對(duì)拔取力的影響.將田間試驗(yàn)結(jié)果歸一化處理,得到不同拔取速度下黃連的拔取力,表1顯示黃連的平均拔取力總體上隨著拔取速度的增大而增大,但黃連拔取力的增長率并不均勻.當(dāng)拔取速度從10 mm/s增長至15 mm/s時(shí),平均拔取力增長了6.53 N; 從20 mm/s增長至25 mm/s時(shí),平均拔取力增長了4.7 N; 但從15 mm/s增長至20 mm/s時(shí),平均拔取力增長較小,僅為0.59 N.拔取時(shí)間隨著拔取速度的增大而減小,提高拔取速度可以增大拔取效率,但是較大的拔取速度會(huì)影響黃連收獲的完整性和成功率.當(dāng)拔取速度達(dá)到25 mm/s時(shí),開始出現(xiàn)黃連根莖斷裂現(xiàn)象,拔取速度增加到30 mm/s時(shí),大部分黃連都發(fā)生斷裂,故未在表中列出,因此最佳拔取速度為20 mm/s.

表1 不同拔取速度黃連拔取力試驗(yàn)結(jié)果

黃連在不同拔取速度下的拔取力曲線如圖7,在拔取過程中拔取力可分為急速上升、波動(dòng)下降和趨于平穩(wěn)3個(gè)階段.當(dāng)拔取力剛剛施加到黃連上時(shí),作用力會(huì)從夾持黃連部位通過黃連傳遞到黃連根部,由于土壤的約束和拔取力的相互作用,將導(dǎo)致黃連根部產(chǎn)生微小的形變,在逐漸增大的拔取力持續(xù)作用下,黃連根土復(fù)合體與周圍土壤接觸界面將產(chǎn)生相互滑動(dòng)的趨勢(shì),兩者連接處土壤的完整性被破壞,部分較長的須根拉至緊繃狀態(tài)后產(chǎn)生回縮的彈力,此時(shí)黃連的拔取力急速增大達(dá)到峰值; 其后,黃連根土復(fù)合體與周圍土壤界面之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),根土復(fù)合體逐漸被拔出,與周圍土壤的接觸面積逐漸減少,導(dǎo)致摩擦力減小,拔取力也隨之減小.圖7中拔取力下降階段呈現(xiàn)不規(guī)則的下降趨勢(shì),主要原因?yàn)辄S連根土復(fù)合體呈現(xiàn)不規(guī)則形狀,與周圍土壤接觸面積時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生變化,且黃連須根較多,隨著根土復(fù)合體逐漸被拔出,部分須根開始斷裂,使得拔取力出現(xiàn)較大范圍的波動(dòng); 最后黃連根土復(fù)合體被完整地拔出地表,由于黃連與地面有接觸,故黃連的拔取力接近于零,同時(shí)也受到拔取裝置自身的結(jié)構(gòu)及自然環(huán)境等的影響,所以數(shù)顯推拉力計(jì)顯示數(shù)值會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng).

圖7 不同拔取速度黃連拔取力曲線圖

2.4 拔取方向?qū)Π稳×Φ挠绊?/h3>

不同拔取方向下黃連最大拔取力的平均值如圖8,相較于鉛直方向,垂直于地面方向拔取黃連時(shí)拔取力平均降低了15.5%.在具有一定坡度的田間地塊中拔取黃連時(shí),垂直方向作業(yè)會(huì)減小根土復(fù)合體與周圍土壤的界面長度,導(dǎo)致兩者之間的相互作用力減小,即摩擦阻力減小,摩擦阻力主要取決于土壤之間的黏結(jié)力及黃連須根的阻力.當(dāng)在平緩地面上作業(yè)時(shí),鉛直方向與垂直于地面方向?qū)?huì)重合,垂直拔取和鉛直拔取對(duì)于拔取力的影響較小,但是總體上垂直拔取時(shí)拔取力更小.

圖8 不同拔取方向黃連拔取力直方圖

2.5 坡度對(duì)拔取力的影響

黃連生長在陰山坡地上,所以坡度也是影響黃連原位拔取力的重要因素.為了研究坡度對(duì)拔取力的影響,在田間選擇3個(gè)差異較大的坡度,拔取方向?yàn)榇怪卑稳∵M(jìn)行試驗(yàn).在坡度為4.89°,13.72°,27.38°的測(cè)試點(diǎn)測(cè)得黃連的平均拔取力分別為19.97 N,31.90 N和108.06 N,隨著坡度的增大,黃連的平均拔取力也在不斷增大,且增長幅度隨之變大.坡度從4.89°增至13.72°,黃連的平均拔取力增大了59.8%; 坡度從13.72°增至27.38°,平均拔取力增大了2.4倍,變化幅度較大,如圖9.由此可見,拔取生長在較低坡度的黃連所需的拔取力更小.

圖9 不同坡度黃連拔取力直方圖

3 討論

收獲期黃連的原位拔取力總體呈正態(tài)分布,這與學(xué)者們針對(duì)其它植物進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)未經(jīng)破壞的原位拉拔試驗(yàn)結(jié)果一致,但是土壤結(jié)構(gòu)破壞之后,并不遵循這個(gè)規(guī)律,如李凱鋒等[17]為了更好地保護(hù)胡蘿卜根部的完整性,在拉拔之前進(jìn)行松土,使得拔取力均勻分布.本試驗(yàn)對(duì)黃連進(jìn)行原位拔取,未對(duì)植株周圍土壤進(jìn)行夯實(shí)或松動(dòng)作業(yè),保證了試驗(yàn)樣品的原生狀態(tài).

黃連的拔取力隨根土復(fù)合體表面積的增大而增大,二者擬合曲線為二次多項(xiàng)式.黃連拔取過程中的根土復(fù)合體與周圍土壤接觸面積隨著根土復(fù)合體表面積的增大而增大,摩擦阻力也越大,這與國內(nèi)外的研究[18-25]基本一致.肖海等[6]研究植物根系拉拔力隨直徑呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系.收獲期在地黃連主根系為雞爪形,主根系上密集分布大量細(xì)長的須根,拔取力的大小主要由土壤之間的摩擦力和須根的錨固作用確定,故根土復(fù)合體表面積與拔取力關(guān)系擬合時(shí)相較于線性函數(shù)和冪函數(shù),二次多項(xiàng)式擬合程度更好.

拔取速度對(duì)黃連拔取力的影響對(duì)于后續(xù)開展黃連的工程研究有極大的指導(dǎo)意義,隨著拔取速度的增大,黃連的拔取力也隨之增大.拔取過程伴隨著土壤結(jié)構(gòu)的破壞[26-27],較大的拔取速度使得黃連根系與周圍土壤組成的結(jié)構(gòu)體發(fā)生破壞的時(shí)間大大減少,導(dǎo)致破壞這一結(jié)構(gòu)體需要的作用力更大.黃連是多年生草本植物,其生長環(huán)境地表結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,長期生長在陰濕環(huán)境中,黃連的莖稈也較為纖細(xì)脆弱,這使得拔取過程中較大的拉拔力易造成莖稈斷裂,從而導(dǎo)致拔取失敗.相較于其它植物,黃連的可允許拔取力更小.

針對(duì)黃連的拔取方向,本研究只探討了鉛直方向拔取和垂直于地面方向拔取,試驗(yàn)結(jié)果表明:垂直于地面方向拔取相較于鉛直方向拔取有更小的拔取力.鉛直拔取和垂直拔取的區(qū)別與黃連生長的坡度有關(guān),故探究了坡度對(duì)黃連拔取力的影響.隨著坡度的增加,黃連根系固土能力更強(qiáng),導(dǎo)致黃連拔取力隨之增加.在其余條件不變的情況下,相應(yīng)的地理環(huán)境會(huì)直接或間接影響到黃連根系的生理生態(tài)特征[28-30].不同坡度的光照等也會(huì)影響黃連內(nèi)部纖維素等化學(xué)成分的占比,間接導(dǎo)致根系抗拉強(qiáng)度的變化[31-33].黃連根系為多須根,根系抗拉強(qiáng)度的變化對(duì)黃連拉拔力影響較大.

4 結(jié)論

本文以收獲期在地黃連作為研究對(duì)象,以拔取速度、拔取方向、坡度和根土復(fù)合體表面積為研究因素,黃連拔取力為主要指標(biāo),對(duì)黃連進(jìn)行原位機(jī)械拔取力學(xué)試驗(yàn),主要結(jié)論如下:

1) 黃連在自然狀態(tài)下拔取力主要分布在10～50 N之間,平均拔取力為27.38 N,根據(jù)拔取力的頻率密度分布曲線,其整體呈正態(tài)分布.

2) 黃連的拔取速度對(duì)黃連的收獲質(zhì)量和收獲效率影響較大,在保證黃連不會(huì)發(fā)生斷裂及工作效率的前提下,拔取速度設(shè)定在20 mm/s左右.

3) 試驗(yàn)田坡度約為4°～28°,當(dāng)坡度大于零時(shí),垂直于地面拔取與鉛直拔取相比,拔取力的數(shù)值更小; 拔取力隨著坡度的增加而增大,且坡度越陡峭,拔取力增長幅值越大.