嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置試驗(yàn)研究

姜 飛,謝忠堅(jiān),張國(guó)棟,王 成,辜 松

(1.北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司,北京 100125;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院;b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642)

0 引言

蔬菜嫁接育苗可以抵抗土傳病害,且比普通苗長(zhǎng)勢(shì)茂盛,產(chǎn)量可提高20%左右,在現(xiàn)代集約化蔬菜生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[1-5]。人工嫁接流程包括砧木與接穗穴盤(pán)苗的搬運(yùn)、砧木切除冠幅及接穗切除根部、砧木接穗的切面對(duì)接和固定、嫁接苗的搬運(yùn),平均嫁接作業(yè)速率為300株/h,部分嫁接能手能達(dá)到400～500株/h[6-7]。但是,我國(guó)蔬菜種苗需求量已超過(guò)百億,傳統(tǒng)人工嫁接工作繁重、效率低[8-9],需要進(jìn)一步提高嫁接生產(chǎn)率。

現(xiàn)有提高嫁接生產(chǎn)率的手段有傳統(tǒng)嫁接的輔助裝置切削器、嫁接生產(chǎn)線及機(jī)械嫁接設(shè)備。傳統(tǒng)嫁接的輔助裝置切削器,可實(shí)現(xiàn)對(duì)砧木、接穗的快速切削[10-12]。嫁接生產(chǎn)線則是將物資輸送系統(tǒng)、嫁接輔助裝置切削器和人工作業(yè)結(jié)合起來(lái)的生產(chǎn)體系,通過(guò)物資輸送系統(tǒng)為人工整盤(pán)提供砧木、接穗及其他嫁接需要的物資,人工完成嫁接,再通過(guò)物資輸送系統(tǒng)整盤(pán)輸出嫁接苗,高效地進(jìn)行嫁接作業(yè)[12-14]。機(jī)械嫁接設(shè)備包括半自動(dòng)嫁接機(jī)和全自動(dòng)嫁接機(jī):半自動(dòng)嫁接機(jī)為人工進(jìn)行砧木接穗的供給,機(jī)器自動(dòng)完成砧木接穗的切削、對(duì)接和固定,回栽由機(jī)械完成或人工完成,如日本的GR-800T、荷蘭的ISO-graft1100;全自動(dòng)嫁接機(jī)為整盤(pán)穴盤(pán)上砧木、接穗,整盤(pán)下嫁接苗,如日本的AG1000[15-20]。

砧木的冠幅在機(jī)械嫁接中占據(jù)空間、干涉嫁接機(jī)部件,間接影響嫁接速率;在人工嫁接作業(yè)中連續(xù)帶角度切削時(shí),冠幅所帶體積需頻繁騰手丟垃圾,影響嫁接速度,且廢料處理麻煩。砧木預(yù)切可集中處理大部分廢料,嫁接時(shí)減少?gòu)U料所占空間,無(wú)論是對(duì)機(jī)械嫁接還是對(duì)人工嫁接,都可減少作業(yè)環(huán)節(jié),加快嫁接速度,提高生產(chǎn)率。

為減少嫁接作業(yè)中砧木冠幅切削環(huán)節(jié),筆者開(kāi)發(fā)了一種嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置,對(duì)砧木冠幅流水線式整盤(pán)快速預(yù)切。在完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行穴盤(pán)砧木苗自動(dòng)預(yù)切性能試驗(yàn),對(duì)輸送帶速度與切刀速度進(jìn)行匹配,并考察砧木苗預(yù)切裝置對(duì)砧木苗冠幅切削的切下物運(yùn)動(dòng)軌跡特性。

1 嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置工作原理

砧木是植株的下部分,為單一莖稈,長(zhǎng)勢(shì)比較均一(見(jiàn)圖1),且砧木失去冠幅后,較長(zhǎng)一段時(shí)間不會(huì)萎蔫,可實(shí)施機(jī)械切削作業(yè)。

圖1 嫁接用穴盤(pán)砧木苗Fig.1 Plug tray rootstock for grafting

嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置包括穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)、攏苗機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)、集苗板及清苗機(jī)構(gòu),如圖2所示。穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)主要部件為輸送帶,用于輸送穴盤(pán)砧木苗;攏苗機(jī)構(gòu)主要部件為滾板,用于將砧木苗推向切削機(jī)構(gòu)和集苗板;切削機(jī)構(gòu)主要部件為一把做往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)的切刀,用于切削砧木冠幅;集苗板用于收集切斷的砧木冠幅,防止砧木冠幅散落穴盤(pán)導(dǎo)致影響后續(xù)的嫁接作業(yè);清苗機(jī)構(gòu)主要部件為同步帶刮板,用于清理集苗板上堆積的冠幅。

1.清苗機(jī)構(gòu) 2.集苗板 3.切削機(jī)構(gòu) 4.攏苗機(jī)構(gòu) 5.穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu) 6.滾板 7.切刀 8.同步帶刮板 9.輸送帶圖2 嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of precutting device of plug tray rootstock seedlings

工作時(shí),通過(guò)穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)的輸送帶連續(xù)輸送穴盤(pán)砧木苗,穴盤(pán)砧木苗靠近攏苗機(jī)構(gòu),砧木被攏苗機(jī)構(gòu)的滾板推向切削機(jī)構(gòu)和集苗板;切削機(jī)構(gòu)的切刀做往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)將砧木冠幅切斷,砧木冠幅落入集苗板,清苗機(jī)構(gòu)的同步帶刮板繞集苗板做圓周運(yùn)動(dòng),將砧木冠幅推到集苗板外。

在沒(méi)有攏苗機(jī)構(gòu)作用時(shí),穴盤(pán)砧木苗由穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)輸送,具有和輸送帶相同的運(yùn)動(dòng)速度V。當(dāng)砧木苗經(jīng)過(guò)切削機(jī)構(gòu)時(shí),切刀做往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng),砧木冠幅被切斷的瞬間,下部植株速度為0,上部植株速度為V;由于上下兩部分植株存在速度差,上部植株繞切削點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)力矩M,使冠幅往前傾倒。砧木苗較小時(shí),冠幅互不干涉,其受力如圖3(a)所示;砧木苗較大時(shí),冠幅有交錯(cuò),其受力向前傾倒的同時(shí),冠幅交錯(cuò)處產(chǎn)生一個(gè)力F拉,其對(duì)切削點(diǎn)的力矩為M’,M’方向可能和M相同,也可能相反。M’與M反向時(shí),F拉如圖3(b)所示。當(dāng)M大于M’時(shí),冠幅能順利落入集苗板;當(dāng)M等于M’時(shí),冠幅堆積在切刀上方;當(dāng)M小于M’時(shí),冠幅往后倒,被后續(xù)的冠幅擋住并堆積在切刀上方。有攏苗機(jī)構(gòu)作用時(shí),砧木苗被切削前,被滾板推向集苗板。

圖3 砧木苗切削動(dòng)力學(xué)分析圖Fig.3 The dynamics analysis of rootstock seedlings

2 切削性能試驗(yàn)

嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置切刀選用電動(dòng)修枝剪,型號(hào)HS-H5126,刀距為20mm,刀片轉(zhuǎn)速1 400r/min。為匹配輸送帶速度與切刀速度、獲得良好的切削成功率(即砧木被切斷且切口平整),進(jìn)行了初步探索試驗(yàn)。試驗(yàn)用穴盤(pán)砧木苗為培育5周的番茄苗,穴盤(pán)為標(biāo)準(zhǔn)72穴穴盤(pán),1行切削6株砧木苗,切刀距穴盤(pán)底部高度80mm。試驗(yàn)結(jié)果表明:輸送帶速度為60m/h時(shí),切削成功率可達(dá)100%。

在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考察嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置對(duì)砧木苗冠幅切削的切下物運(yùn)動(dòng)軌跡特性,進(jìn)行穴盤(pán)砧木苗自動(dòng)預(yù)切性能試驗(yàn),分別以砧木苗的切削成功率及推苗成功率為評(píng)價(jià)指標(biāo),判定推苗成功為砧木切斷后被推入集苗板。

攏苗機(jī)構(gòu)的作用為將砧木苗推向切削機(jī)構(gòu)和集苗板,減小砧木冠幅相互交錯(cuò)造成的砧木冠幅被切斷后不能定向傾倒的問(wèn)題。滾板線速度對(duì)切削成功率及推苗成功率均有影響:滾板線速度過(guò)小,相當(dāng)于対砧木苗施加一個(gè)與行進(jìn)方向相反的力,砧木苗被切斷的冠幅不能順利進(jìn)入集苗板;滾板線速度如過(guò)大,會(huì)將砧木苗推倒造成切削質(zhì)量不佳甚至被推斷。為確定合理的滾板線速度,進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在輸送帶速度60m/h上下對(duì)滾板線速度取值為30、60、80、100、20m/h,并設(shè)置空白參照組,即沒(méi)有滾板作用。

從大棚種植的砧木苗中隨機(jī)抽取24盤(pán),搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn),如圖4所示。試驗(yàn)逐盤(pán)進(jìn)行,切削完后立即統(tǒng)計(jì)切削成功率和推苗成功率。

1.滾板 2. 集苗板 3.切刀圖4 嫁接用穴盤(pán)苗自動(dòng)預(yù)切性能試驗(yàn)Fig.4 The precutting test of plug tray rootstock seedlings

3 結(jié)果與討論

嫁接用穴盤(pán)苗自動(dòng)預(yù)切性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,將表格數(shù)據(jù)制成折線圖如圖5所示。

表1 嫁接用穴盤(pán)苗自動(dòng)預(yù)切性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The test result of precutting test of plug tray rootstock seedlings

圖5 切削成功率及推苗成功率趨勢(shì)圖Fig.5 The trend of cutting success rate and seedling pushing success rate

1)輸送帶速度為60m/h時(shí),對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)72穴穴盤(pán),其規(guī)格參數(shù)為540mm×280mm,此穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置長(zhǎng)度方向輸送穴盤(pán),其切削生產(chǎn)率約為111盤(pán)/h,總計(jì)7 992株。對(duì)于嫁接生產(chǎn)線,其人工平均嫁接速度為300株/h,可實(shí)現(xiàn)同時(shí)為大約26名工人提供砧木苗;對(duì)于機(jī)械嫁接,目前沒(méi)有生產(chǎn)率超過(guò)2000株/h的嫁接機(jī)機(jī)型,可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)超過(guò)3部嫁接機(jī)提供砧木苗。

2)在輸送帶速度為60m/h的條件下,沒(méi)有滾板作用的切削成功率可達(dá)100%,但推苗成功率僅為20.8%。由于砧木苗冠幅相互交錯(cuò),產(chǎn)生與倒伏方向相反的拉力F拉,使砧木苗冠幅堆積在切刀前部,最后落在輸送帶上。滾板線速度為30m/h時(shí),推苗成功率比沒(méi)有滾板作用時(shí)還低,因?yàn)闈L板線速度比輸送帶速度慢,砧木苗經(jīng)過(guò)滾板時(shí)被反向壓彎,切斷后大部分冠幅直接落入輸送帶;滾板線速度與輸送帶速度相等時(shí),滾板能較好地將砧木苗被切斷的冠幅推向集苗板,但仍存在冠幅交錯(cuò)拉扯的情況,成功率僅為88.9%;隨著滾板線速度的增加,推苗成功率上升,滾板線速度達(dá)到100m/h時(shí)推苗成功率達(dá)到100%,但此時(shí)滾板對(duì)苗的作用力過(guò)大,出現(xiàn)砧木苗向前彎曲,使砧木切面不平整、切削成功率下降;滾板線速度為120m/h時(shí),切削成功率進(jìn)一步下降。綜合表1、圖5數(shù)據(jù)可知:滾板線速度范圍在80～95m/h內(nèi),可獲得較理想的切削成功率和推苗成功率,成功率均達(dá)95%以上。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種嫁接用穴盤(pán)砧木苗預(yù)切裝置,該裝置可實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)砧木苗的快速連續(xù)切削,輸送帶運(yùn)行速度為60m/h時(shí)達(dá)到較好的切削效果,切削生產(chǎn)率約為111盤(pán)/h。

3)進(jìn)行無(wú)滾板作用的切削試驗(yàn),冠幅交錯(cuò)對(duì)切削成功率影響大,切削成功率僅為20.8%。

4)進(jìn)行有滾板作用的切削試驗(yàn),結(jié)果表明:滾板線速度范圍在80～95m/h內(nèi)時(shí),可獲得較理想的切削成功率和推苗成功率,成功率均達(dá)95%以上。