茄果類蔬菜嫁接機切削裝置工作參數優化與試驗

李友余，劉 凱，姜 凱

(1.廣東機電職業技術學院創新創業學院，廣東 廣州 510515)

(2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

嫁接，是植物人工營養繁殖方法之一，即將植物的枝或芽(接穗)連接到另一植物(砧木)的適當位置，利用砧木的根系代替接穗根系行使地下部分的生理功能，為地上部分提供水分和營養，協同完成生長過程[1]。采用嫁接機進行機械化嫁接可提高生產率、降低作業難度、提高嫁接苗的成活率，有利于生產管理和規模化生產[2-4]。

目前，已面世的嫁接裝置按照自動化程度可以分為全自動嫁接機、半自動嫁接機和嫁接輔助切削器[5-7]。無論采用何種嫁接設備，都需要對嫁接用苗進行切削，都需要根據采用的嫁接方法設計相應的切削裝置。目前茄果類蔬菜嫁接主要使用的嫁接方法有貼接法、劈接法、靠接法和平接法等[8-9]。其中，貼接法操作簡單，在提高嫁接生產率和降低作業難度方面與其他3種方法相比具有明顯的優勢[10-12]，適合用于機械嫁接。

本文重點介紹一種針對貼接法的自動嫁接機，并以處于嫁接期的接穗和砧木為試驗對象，通過試驗優化的方法獲取合適的切削方式和裝置的最優工作參數，從而保證嫁接質量和后期愈合成活率。

1 切削部件結構及工作原理

1.1 整機嫁接作業過程

如圖1所示，貼接法是將接穗和砧木分別切一個斜面，并通過嫁接夾固定在一起。

圖1 貼接法

筆者設計的茄果類蔬菜嫁接機總體結構如圖2所示。該機采用多工位流水線式作業實現上苗、切削、對接上夾、下苗等嫁接工序，主要由1個砧木旋轉盤、1個接穗旋轉臂和5個工位組成。接穗切削裝置位于工位三，砧木切削裝置位于工位二。砧木旋轉盤上有8個從動式砧木夾，2個組成1對，隨旋轉盤間歇性逆時針運動；接穗旋轉臂上有4個接穗夾，2個組成1對，可隨著旋轉臂正、反180°往復運動。

圖2 嫁接機及切削裝置示意圖

嫁接機的嫁接作業過程如圖3所示。具體步驟如下：

步驟1，首先處于工位一的砧木夾打開，操作人員將砧木放入砧木夾的夾口中。與此同時，在工位三的接穗夾打開，操作人員將接穗放入接穗夾。

步驟2，砧木夾夾口閉合并隨旋轉盤旋轉至工位二，由工位二的砧木切削裝置自動完成切削動作。

步驟3，砧木隨旋轉盤旋轉至工位四，此時與從工位三旋轉至工位四的接穗進行對接。

步驟4，當接穗與砧木的切口緊密貼合后上夾裝置將已經完成切斷處理的嫁接夾夾在接穗與砧木的創面，使二者成為一個獨立的植株。

步驟5，嫁接苗隨旋轉盤繼續旋轉至工位五，砧木夾打開，嫁接苗被自動卸下，完成一株苗的嫁接作業，然后由人工放入托盤，并最終運往愈合室。

1.2 切削裝置結構及工作原理

砧木切削裝置和接穗切削裝置如圖4所示，兩個機構均由切刀、切刀座和驅動氣缸組成，但供苗方式有所不同。接穗切削裝置采用人工方式將接穗送入切削位置，接穗切削裝置的切刀座與機架固定，上苗時，操作人員一只手將接穗放入接穗夾夾口，另一只手將其下端緊貼在切刀座V型工作面上，隨后切刀對莖稈進行切削。與接穗切削裝置不同的是，砧木切削裝置由砧木夾將砧木送入切削位置，因此砧木切削裝置的設計除了要達到一定的切削質量，還要對不同形態的苗有一定的適應能力。

圖4 嫁接用苗切削裝置

2 嫁接機切削裝置工作參數優化試驗

2.1 試驗系統與材料

切削試驗是在實驗室搭建的力學測試系統(如圖5(a)所示)上進行的，該系統由單軸自動升降試驗臺架、步進電機、觸摸屏和控制器組成。其中的測力儀器為臺灣一諾公司生產的電子式推拉力計，其自帶軟件(如圖5(b)所示)可對整個測試過程進行監控，并繪出測試曲線，同時還可以對試驗結果進行存儲。

試驗材料包括莖稈樣本、切刀和切刀座。試驗于2019年9月在北京農業信息技術研究中心進行。育苗對象為托魯巴姆(砧木)和美豐四號紫長茄(接穗)。將莖稈制成標準樣本，樣本長度設定為15 mm。如圖6所示，根據人工嫁接經驗，接穗切削樣本取夾持位置以下15 mm區間，砧木切削樣本取夾持位置以上15 mm區間。

圖6 試驗樣本取樣位置

2.2 切削方式對切削阻力的影響分析

貼接法要求切削面與莖稈成45°角，2種常見切削方式為：1)斜切，如圖7(a)所示；2)削切，如圖7(b)所示。本文針對2種切削方式分別進行了切削試驗，通過分析切削時切刀所承受的極限切應力以及切后的創面質量來分析切削效果，以此確定哪種切削方式更為合適。

圖7 2種剪切方式

極限切應力的測定方法如下：首先將樣本放置于切刀與切刀座之間，調節刀片位置使其與樣本剛好接觸，然后清零并使切刀豎直向下進給，直至將莖稈切斷。切削過程中，力-位移曲線被實時記錄在計算機上，從力-位移曲線中可以提取切斷莖稈所需的極限切應力。極限切應力τs的計算公式如下：

(1)

式中：Fs max為莖稈切削時的最大剪切力，N；As為切削部位的橫截面面積，mm2。

由于莖稈橫截面近似呈圓形，因此極限切應力τs的計算公式可表達為：

(2)

式中：d為莖稈樣本莖徑，mm。

圖8所示為斜切和削切過程中的切應力隨時間的變化曲線。由圖可知，削切的剪切過程相對平穩，切削莖稈所需的極限切應力比斜切略小，對莖稈的破壞較小。但在采用削切法進行切削的最后階段，由于切刀接觸莖稈的面積逐漸減小，易使莖稈出現拉絲現象，即莖稈切口處存在絲狀殘留物，此現象不利于嫁接苗后期的愈合。經過綜合考慮，最后確定在砧木和接穗的切削裝置中采用斜切法。

圖8 切應力隨時間變化曲線

2.3 切削裝置參數對創口切削質量的試驗分析

進行切削性能試驗的目的是分析切刀座工作面夾角、切削速度和切刀刀刃厚度對莖稈切削后創面的影響，以便得出適用于接穗和砧木莖稈的各因素較優水平。在切削過程中，由于存在切削阻力，因此莖稈切口創面會受切刀擠壓產生一定的偏移量，如圖9所示，切口偏移量δ為莖稈切口末端與切削前所在位置在水平方向的位移。偏移量越小，切口受到切削的沖擊或破壞越小、切削質量越好。切口偏移率η表示切口在切削前后的偏移程度，其計算公式如下：

圖9 莖稈偏移量示意圖

(3)

莖稈拉絲率ψ是指在切削過程中，莖稈切口尖端出現殘留物的概率。其計算公式為：

(4)

式中：n為出現拉絲的株數；N為切削總株數。

本文選用正交表L9(34)安排試驗，針對3因素3水平問題，每組試驗做100次，取其平均值。對應的試驗因素取值見表1。

表1 切削性能因素與水平

根據試驗設計原則，進行9組共計900次試驗。試驗因素的各級水平對切削偏移率和拉絲率的影響程度如圖10所示，隨著切刀座工作面夾角越小，切削速度越大，刀刃厚度越小，切口偏移率越小，各指標的較優水平為A1B3C1；切刀座工作面夾角越小，切削速度越大，刀刃厚度越小，拉絲率越低，現有因素和水平中的最優水平為A1B3C3。

圖10 相同水平下莖稈偏移率和拉絲率變化趨勢

對切口偏移率(較優水平A1B3C1)、莖稈拉絲率(較優水平A1B3C3)分析可知：兩個指標的影響因素主次關系一致，僅最后一個因素的水平影響有所不同，當切刀厚度較小時切削偏移量較小，但莖稈拉絲率較大。由于莖稈拉絲率對嫁接結果的影響較大，因此本試驗選擇拉絲率較小的水平，最終確定本試驗的較優水平為A1B3C3，即嫁接用苗切削裝置的切刀切削速度為150 mm/s、切刀座工作面夾角為60°、刀刃厚度為1.5 mm時切削裝置切削效果最好。

3 結束語

本文通過優化切削方式和裝置的工作參數，降低了切刀座工作面夾角、切削速度和刀刃厚度對切削偏移率和莖桿拉絲率的影響，從而提高了嫁接成功率。本文研究成果為接穗與砧木后期的準確貼合提供了切削解決方案，設計的切削裝置及工作參數可用于全自動和半自動嫁接機的切削工位。