收獲期黃連原位機械拔取力學試驗研究

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 工程技術學院，重慶 400715；2.重慶三峽學院 機械工程學院，重慶 萬州 404100；3.重慶市農業技術創新方法工程技術中心，重慶 400715；4.丘陵山區農業裝備重慶市重點實驗室，重慶 400715

經過多年生長的成熟黃連具有發達的纖維狀根系結構,在土壤中形成了網狀須根結構的根系土壤復合體.將整株黃連從土壤中拔出時,由于根系和土壤的緊密結合,黃連根系將裹挾部分土壤呈根系土壤復合體結構被拔出,因此,探究黃連拔取過程的相關因素對拔取力的影響規律之基礎研究對黃連生產機械化具有重要意義.

近些年,國內外學者對植物根莖或莖稈的拔取力開展了較多研究,肖海等[6]在實驗室通過單根香根草拉拔試驗探究了不同直徑香根草根系的抗拉力和抗拉強度; 劉強等[7-8]通過山東農業大學自主研制的“數控式蔬菜拔取力測量試驗臺”進行了青蘿卜和紅蘿卜的拔取力測試,探究了土壤物理特性對蘿卜拔取力的影響,隨著土壤含水率的提高、硬度和容重的降低,胡蘿卜的機械拔取力值會降低; 薛黨勤等[9]使用一種簡單的起拔力測量裝置研究了起拔角度和前進速度等對棉花秸稈拔取力的影響,結果表明起拔角度對棉花秸稈的起拔力有較大影響; 楊聞達等[10]通過對山礬根系的實驗室拉拔試驗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; Schwarz等[11]通過對多種植物根系試驗探究了不同含水率不同直徑的拔取力大小; Giadrossich等[12]研究了麻風樹最大拉力隨根直徑的變化規律; 蒲闖等[13]通過自主搭建的試驗臺對水稻缽苗進行了拔取試驗,探究了苗齡、拔取角度等對秧苗拔取力的影響; 辛青青等[14]通過手持式拉力計探究了成熟期馬鈴薯秧拔取力及相關影響因素.

針對植物根系開展的拉拔試驗研究主要集中在農作物根莖系拔取和護坡固土根系拉拔,而多年生植物黃連根系結構復雜,與土壤結合緊密,本文通過自主設計的黃連原位機械拔取測試裝置對收獲期黃連進行原位拔取力學試驗,分析拔取過程中各因素對拔取力的影響規律,為黃連收獲機械的設計與開發提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用重慶市石柱土家族自治縣黃水鎮(108°41′96″E,30°22′62″N,海拔1 541 m)某黃連種植區收獲期在地黃連(味連)為研究對象,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合體系.在整株黃連從土壤中拔出過程中,根系形態結構及其周圍土壤結構將發生變化,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合體結構被拔出.因此,根據土壤中根土復合體的有效長度、直徑和質量抽象出黃連根部的幾何模型為一個圓柱體,如圖1.

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

黃連根部即根土復合體的體積和表面積分別用如下公式表示:

(1)

(2)

式中,V為根土復合體體積(mm3),S為根土復合體表面積(mm2).

（2）人民幣匯率預期與資本賬戶跨境資金流出之間的脈沖響應分析。對人民幣匯率預期、境內外利差與資本賬戶跨境資金流出之間建立VAR模型，確定VAR模型滯后階數為1階。根據所建立的VAR（1）可以得到脈沖響應函數圖（如圖2所示）。

測得試驗田淺層土壤(0～7.5 cm)的平均堅實度為0.319 Mpa,平均含水率為58.32%; 深層土壤(7.6～15.0 cm)的平均堅實度為0.760 Mpa,平均含水率為46.02%,試驗田地坡度為4°～28°.

1.2 試驗裝置

通過對黃連生長形態和拔取過程的分析,設計一種黃連原位機械拔取測試裝置.主要由1605滾珠絲杠步進電機、連接支架、HG-500數顯推拉力計(量程0～500 N,精度0.1)、夾緊機構和控制系統組成,如圖2.連接支架一端通過滾珠螺母與步進電機絲杠連接,另一端與拉力傳感器相連,通過控制系統調節步進電機的轉速和方向來改變連接支架移動的速度和方向,進而實現拔取速度的調節; 夾緊機構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,又降低了夾持對植株的損傷.工作時,首先將夾緊機構夾持黃連根部,然后通過控制系統驅動步進電機轉動,使得與滾珠螺母相連的連接支架勻速向上移動,進而帶動夾緊機構將黃連從土壤中勻速拔出.在拔取黃連的過程中,數顯拉力計能夠實時顯示拔取力的大小,并可繪制拔取力隨時間變化的曲線圖.

1為控制器,2為驅動器,3為步進電機,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為夾緊機構,9為固定板.

1.3 試驗方法

拔取力是將整株黃連完整地從土壤中拔出所需的作用力,它是黃連收獲機械的一個重要技術參數,也是評價黃連收獲機械的一個重要指標.加筋理論是在土體內部或表面添加各種適量的加強筋構件,目的是改善土體的抗拉強度、抗彎強度等[15].黃連根系具有大量的須根,是天然的柔性加筋材料,根系復合土是天然的加筋土,由此形成了根系土壤復合體結構.當整株黃連從土壤中拔出時,黃連根系將裹挾部分土壤呈根土復合體結構被拔出,因此,拔取阻力主要表現為根土復合體重力、土壤之間及根系與土壤之間的摩擦力等.當拔取過程勻速進行時,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合體的重力有關,還與其生長的坡度和拔取方向有關,且土壤對黃連的支撐力也與坡度和拔取方向有關.摩擦阻力主要由土壤黏結及黃連須根拉伸作用產生,其大小由黃連根系形態結構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象,通過基礎試驗分析相關因素對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械拔取測試裝置,選取拔取速度、拔取方向、坡度及根土復合體表面積作為研究因素,黃連拔取力為主要指標開展試驗研究,具體的參數設置如下:

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

2) 拔取方向(α):拔取設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):根據實測地點,選擇從緩坡到陡坡的3處地點作為測試點,數值根據角度測量儀實測獲得.

采用單因素試驗法,先選取地勢較為平坦的測量點,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,使用游標卡尺測量根土復合體的直徑和長度; 再分別選取坡度不同的3個測試點,每個測試點以不同的拔取方向試驗3組,拔取速度均設置為15 mm/s.每組試驗重復5次,拔取完成后使用電子稱測量拔取樣品的質量.測試現場照片如圖4.

圖4 黃連原位機械拔取測試現場

為了進一步減少質量對測試結果的影響,剔除質量差異較大的樣品,對剩余樣品的拔取力作歸一化處理,歸一化公式:

(5)

式中,Fi為拔取力試驗值(N);m為根土復合體質量(kg);N為試驗樣品數量(株).

2 結果與分析

2.1 拔取力統計分析

將田間試驗測得的黃連拔取力數據采用Origin軟件進行數據分析,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,占樣本總數的87.4%.樣本數據的平均值為27.38 N,標準差為14.16,根據夏皮洛-威爾克[16]檢驗方法,將樣本數據作正態分布密度曲線,得到數據顯著性大于0.05,屬于正態分布.

圖5 黃連拔取力頻率分布圖

2.2 根土復合體表面積對拔取力的影響

將整株黃連從土壤中拔出時,黃連根土復合體與周圍土壤接觸面積對拔取力有較大影響.本研究去除根莖斷裂等拉拔失敗的樣品,測得試驗成功黃連的根土復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合體表面積的增大而增大.對其進行線性擬合、多項式擬合及冪函數擬合,結果如圖6,其中二次多項式擬合結果最優,決定系數為0.76,擬合程度良好,擬合關系式:

(6)

圖6 根土復合體表面積與黃連拔取力關系

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

2.3 拔取速度對拔取力的影響

拔取速度是黃連拔取過程的關鍵因素,直接影響拔取質量和作業效率.將拔取速度作為試驗因素,黃連拔取力為試驗指標,在地面坡度接近平地(實際測量值為2.29°)的田塊上進行黃連原位拔取力學試驗,拔取方向垂直于地面,研究拔取速度對拔取力的影響.將田間試驗結果歸一化處理,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.當拔取速度從10 mm/s增長至15 mm/s時,平均拔取力增長了6.53 N; 從20 mm/s增長至25 mm/s時,平均拔取力增長了4.7 N; 但從15 mm/s增長至20 mm/s時,平均拔取力增長較小,僅為0.59 N.拔取時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影響黃連收獲的完整性和成功率.當拔取速度達到25 mm/s時,開始出現黃連根莖斷裂現象,拔取速度增加到30 mm/s時,大部分黃連都發生斷裂,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結果

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、波動下降和趨于平穩3個階段.當拔取力剛剛施加到黃連上時,作用力會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,將導致黃連根部產生微小的形變,在逐漸增大的拔取力持續作用下,黃連根土復合體與周圍土壤接觸界面將產生相互滑動的趨勢,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后產生回縮的彈力,此時黃連的拔取力急速增大達到峰值; 其后,黃連根土復合體與周圍土壤界面之間產生相對滑動,根土復合體逐漸被拔出,與周圍土壤的接觸面積逐漸減少,導致摩擦力減小,拔取力也隨之減小.圖7中拔取力下降階段呈現不規則的下降趨勢,主要原因為黃連根土復合體呈現不規則形狀,與周圍土壤接觸面積時時刻刻發生變化,且黃連須根較多,隨著根土復合體逐漸被拔出,部分須根開始斷裂,使得拔取力出現較大范圍的波動; 最后黃連根土復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,同時也受到拔取裝置自身的結構及自然環境等的影響,所以數顯推拉力計顯示數值會出現小幅波動.

圖7 不同拔取速度黃連拔取力曲線圖

2.4 拔取方向對拔取力的影響

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,垂直方向作業會減小根土復合體與周圍土壤的界面長度,導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力及黃連須根的阻力.當在平緩地面上作業時,鉛直方向與垂直于地面方向將會重合,垂直拔取和鉛直拔取對于拔取力的影響較小,但是總體上垂直拔取時拔取力更小.

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.為了研究坡度對拔取力的影響,在田間選擇3個差異較大的坡度,拔取方向為垂直拔取進行試驗.在坡度為4.89°,13.72°,27.38°的測試點測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分布,這與學者們針對其它植物進行土壤結構未經破壞的原位拉拔試驗結果一致,但是土壤結構破壞之后,并不遵循這個規律,如李凱鋒等[17]為了更好地保護胡蘿卜根部的完整性,在拉拔之前進行松土,使得拔取力均勻分布.本試驗對黃連進行原位拔取,未對植株周圍土壤進行夯實或松動作業,保證了試驗樣品的原生狀態.

黃連的拔取力隨根土復合體表面積的增大而增大,二者擬合曲線為二次多項式.黃連拔取過程中的根土復合體與周圍土壤接觸面積隨著根土復合體表面積的增大而增大,摩擦阻力也越大,這與國內外的研究[18-25]基本一致.肖海等[6]研究植物根系拉拔力隨直徑呈現冪函數關系.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,故根土復合體表面積與拔取力關系擬合時相較于線性函數和冪函數,二次多項式擬合程度更好.

拔取速度對黃連拔取力的影響對于后續開展黃連的工程研究有極大的指導意義,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構的破壞[26-27],較大的拔取速度使得黃連根系與周圍土壤組成的結構體發生破壞的時間大大減少,導致破壞這一結構體需要的作用力更大.黃連是多年生草本植物,其生長環境地表結構穩定,長期生長在陰濕環境中,黃連的莖稈也較為纖細脆弱,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,試驗結果表明: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別與黃連生長的坡度有關,故探究了坡度對黃連拔取力的影響.隨著坡度的增加,黃連根系固土能力更強,導致黃連拔取力隨之增加.在其余條件不變的情況下,相應的地理環境會直接或間接影響到黃連根系的生理生態特征[28-30].不同坡度的光照等也會影響黃連內部纖維素等化學成分的占比,間接導致根系抗拉強度的變化[31-33].黃連根系為多須根,根系抗拉強度的變化對黃連拉拔力影響較大.

4 結論

本文以收獲期在地黃連作為研究對象,以拔取速度、拔取方向、坡度和根土復合體表面積為研究因素,黃連拔取力為主要指標,對黃連進行原位機械拔取力學試驗,主要結論如下:

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

2) 黃連的拔取速度對黃連的收獲質量和收獲效率影響較大,在保證黃連不會發生斷裂及工作效率的前提下,拔取速度設定在20 mm/s左右.

3) 試驗田坡度約為4°～28°,當坡度大于零時,垂直于地面拔取與鉛直拔取相比,拔取力的數值更小; 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.