西瓜直插式嫁接砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗*

王景政，張秀花，陳金明

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定，071000)

0 引言

蔬菜嫁接育苗有利于抑制土傳病害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)[1-3]。插接法的嫁接工序較為簡單，嫁接苗不需要固定，與劈接法相比，砧木苗沒有劈口，嫁接苗不會產(chǎn)生劈裂[4]；與貼接法相比，插接法不需要去掉砧木的子葉，有效地保留了砧木中的養(yǎng)分，且嫁接苗的傷口距地面較遠(yuǎn)，能夠有效地避免地面的污染[5]。西瓜苗具有髓腔，采用直插法[6]不涉及傾斜角度對正問題，工藝簡單，嫁接效率高。

國內(nèi)外蔬菜嫁接已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗[7-11]。GRF800-U嫁接機(jī)，適合瓜類蔬菜，自動化程度相對較高，嫁接效率和嫁接成功率分別達(dá)800株/h和95%[12]。國內(nèi)浙江大學(xué)樓建忠等[13-15]采用凹、凸夾持片交叉夾持固定砧木莖稈以及自適應(yīng)壓持機(jī)構(gòu)壓緊砧木子葉的方式，容易對砧木莖稈和子葉造成一定程度的損傷；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊艷麗等[16]采用砧木子葉氣吸夾代替壓苗機(jī)構(gòu)，利用氣力吸附砧木子葉；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)姜凱等采用彈性夾持，夾口采用仿形設(shè)計、剛性加緊及可更換式；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李元強(qiáng)等采用攏苗桿、壓苗片、砧木夾等組成的砧木夾持機(jī)構(gòu)對砧木進(jìn)行夾持，對砧木苗損傷過大。這些砧木夾持機(jī)構(gòu)僅能滿足砧木夾持的基本要求，但均不能做到砧木苗無損夾持與柔性壓苗。

本文設(shè)計一種西瓜直插式嫁接砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)，首先對砧木苗物理特性進(jìn)行測量，并對氣囊式夾持機(jī)構(gòu)與雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，旨在解決砧木苗在夾持和壓苗過程造成損傷的問題，以期提高砧木苗嫁接成活率。

1 砧木苗物理特性

砧木苗的物理特性包含了幾何參數(shù)和力學(xué)特性，為保證設(shè)計的砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)能夠精準(zhǔn)地完成砧木夾持、壓苗工作，需要對砧木苗相關(guān)參數(shù)測量。

1.1 砧木苗幾何參數(shù)

本文選取葫蘆苗作為砧木苗，對髓腔、胚長軸、胚短軸、子葉伸展跨度e、葉寬f、單片子葉長度l、子葉厚度a、莖稈高度s、砧木苗高度h、子葉張角θ進(jìn)行測量，砧木苗參數(shù)圖如圖1所示，砧木苗相關(guān)幾何參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。

(a) 砧木苗主視圖

表1 砧木苗相關(guān)幾何參數(shù)測量結(jié)果

1.2 砧木苗力學(xué)特性

據(jù)研究證明，當(dāng)嫁接苗的壓縮變形量小于20%時，對嫁接苗的損傷小[17-19]，因此把變形量達(dá)到20%時受到的壓縮力設(shè)定為臨界壓縮載荷。

圖2 砧木莖稈承壓曲線

將莖稈部位放置到試驗平臺上，壓縮特性試驗在FGS-500TV-S拉壓測試機(jī)上進(jìn)行，利用HF Force Gauge USB V3.3軟件采集試驗數(shù)據(jù)。砧木苗的壓縮位置選取為離子葉節(jié)8 mm處，壓縮速度為20 mm/min時，砧木莖稈承壓曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，砧木的莖稈壓縮量隨著壓桿下移越來越大，直至達(dá)到最大壓縮量。隨著壓桿下移莖稈承受的壓力也越來越大，砧木莖稈最大承壓力為0.60 N。

2 砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)設(shè)計

插接法嫁接要求砧木苗夾持位置準(zhǔn)確、平穩(wěn)、柔和，且砧木子葉充分展開并壓緊，方便去除生長點(diǎn)。砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)主要包括氣囊式夾持機(jī)構(gòu)與雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)

2.1 氣囊式夾持機(jī)構(gòu)

氣囊式夾持機(jī)構(gòu)通過氣囊的膨脹與收縮完成砧木苗的夾取與松開工作，要求砧木苗的定位準(zhǔn)確性與可靠性。氣囊本身結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、無需復(fù)雜的參數(shù)計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用維護(hù)方便，具有壽命較長的優(yōu)點(diǎn)[19]，且通過改變充氣量以適應(yīng)不同直徑的砧木苗，與其它柔性材料相比，夾持力更穩(wěn)定、可靠，氣囊式夾持機(jī)構(gòu)如圖4所示，氣囊局部放大圖如圖5所示。

圖4 氣囊式夾持機(jī)構(gòu)

支撐臂長度根據(jù)砧木苗高度可確定為80 mm，氣囊通過氣囊保持塊固定在夾持塊上，并對氣囊充氣后的狀態(tài)進(jìn)行了約束。兩夾持塊中間安裝有“V”型帶，砧木苗通過“V”型帶進(jìn)行縱向定位，氣囊式夾持機(jī)構(gòu)對砧木苗實(shí)現(xiàn)了橫向定位，從而實(shí)現(xiàn)砧木苗準(zhǔn)確定位。兩夾持塊通過固定螺栓固定在夾持底座上，底部安裝有支撐臂，支撐臂中安裝有定位塊，定位塊可自由在支撐臂內(nèi)置凹槽中自由滑動，由安裝在支撐臂底部側(cè)邊的固定蓋板進(jìn)行限位，定位塊將莖稈底部固定，保持砧木莖稈的豎直從而方便氣囊式夾持機(jī)構(gòu)卸苗。

圖5 氣囊局部放大圖

2.2 雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)

壓苗機(jī)構(gòu)的主要作用是將砧木子葉展開并壓緊，使生長點(diǎn)完整暴露出來，以便能更好地使生長點(diǎn)去除干凈。本文在浙江大學(xué)樓建忠教授[13-15]的基礎(chǔ)上，為減少壓輥因壓持力過大對砧木子葉造成壓破、變形等損傷，增設(shè)了一組后壓輥并改變了壓輥材料，雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)

壓苗機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中需要保證運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性，無傷苗現(xiàn)象，且防止壓緊機(jī)構(gòu)在上移過程中，壓輥傷害砧木苗。壓緊機(jī)構(gòu)各參數(shù)位置關(guān)系如圖7所示。

根據(jù)砧木子葉寬度最大值27.94 mm，設(shè)定墊塊的寬度為30 mm。根據(jù)砧木子葉平均長度45 mm，設(shè)定墊塊的長度L4=30 mm。根據(jù)接穗葉寬最大值12.96 mm，設(shè)定L2最小長度為12.96 mm。為節(jié)約材料增大兩壓臂間的距離確定橡膠圈的外徑為7 mm，根據(jù)圖7計算出L3最小長度為19.96 mm。為防止兩壓臂相碰，β角不宜過小，S1不宜過短。定位銷選用標(biāo)準(zhǔn)平頭帶孔圓柱銷，銷軸直徑3 mm，平頭直徑5 mm。為防止安裝干涉，設(shè)定DD1的長度為6 mm。為防止壓緊機(jī)構(gòu)壓苗過程中壓臂張開拉簧與限位銷發(fā)生碰撞，取S3為40 mm。

圖7 各參數(shù)位置關(guān)系

根據(jù)上述得到的參數(shù)進(jìn)行拉簧的選取，從圖6中可看出拉簧的長度為EE1的長度。根據(jù)三角形相似原理可以從圖7中看出△CDD1相似于△CMM1，可得

(1)

代入數(shù)值可得S1=17.14 mm，同時△CDD1相似于△CEE1，可得

(2)

代入數(shù)值可得EE1=8 mm，即彈簧的自由長度最小為8 mm。壓苗后壓苗機(jī)構(gòu)狀態(tài)圖如圖8所示。

圖8中JJ1的距離為夾苗器開口，大小為5 mm，彈簧的最終拉伸長度為E′E′1的長度。由圖8中可知壓苗后葉片的長度為WJ曲線長度，根據(jù)圖8中的關(guān)系可知WJ的曲線長度要比M′J的水平距離大。為保證有一半的砧木子葉被壓住，M′J的長度最小為22.5 mm，從而可得到L′3最小長度為50 mm。根據(jù)三角形相似原理可以從圖8中看出△C′DD1相似于△C′M′M′1， 可得

(3)

代入數(shù)值可得C′D=5.46 mm，同時△C′DD1相似于△C′E′E′1，可得

(4)

代入數(shù)值可得E′E′1=28 mm，即拉簧的自由長度加上其極限變形量不能小于28 mm，因為拉簧在整個過程中只起到將兩壓臂回位的作用，所以在選擇時應(yīng)盡量選擇剛度系數(shù)較小的彈簧。彈簧的選取根據(jù)《機(jī)械零件手冊》中的普通圓柱螺旋拉伸彈簧尺寸(GB 2087～2088—80、GB 4142—84)來選取。根據(jù)上述拉簧的最小長度以及拉簧的選取原則選擇半圓鉤環(huán)形拉伸彈簧，材料直徑為0.5 mm，彈簧中徑為3.5 mm，工作極限負(fù)荷變形量為17.8 mm，自由長度為16.3 mm。

圖8 壓苗后狀態(tài)圖

根據(jù)拉簧自由長度為16.3 mm，則L1最短為16.3 mm，根據(jù)三角函數(shù)可推出β最小為29.89°，為了安裝方便選取β=30°。此時L1=16.36 mm，拉簧產(chǎn)生的預(yù)拉力為0.03 N。將L1代入式(2)中，可得S1=11.58 mm，再將S1代入式(1)中，可得L3=26.72 mm，則MJ水平距離為10.86 mm，確定NJ水平距離為10 mm。此時只剩下N點(diǎn)的高度沒有確定，為保證生長點(diǎn)更好地暴露出來，N點(diǎn)越低越好，但如果N點(diǎn)過低將會導(dǎo)致子葉根部折斷，N點(diǎn)過高將導(dǎo)致N點(diǎn)附近曲線曲率過大導(dǎo)致砧木子葉發(fā)生彎折。由于已經(jīng)確定出NJ的長度，還需通過人手在N點(diǎn)不同高度時，對砧木子葉進(jìn)行彎折，以及在SolidWorks中用樣條曲線進(jìn)行模擬，最終確定出H2=6 mm。在SolidWorks中對壓輥下移的最終位置進(jìn)行測量、計算，最終確定壓輥下移3 mm。為了保證砧木苗進(jìn)入壓苗機(jī)構(gòu)時有足夠空間，根據(jù)前期測得的砧木子葉與莖稈的高度差13.89 mm，確定出H1=17 mm，壓輥底端到夾持塊的距離為23 mm，則氣缸的工作行程為20 mm，故選擇氣缸型號為TN20-20-S。

前壓輥的形狀根據(jù)砧木苗子葉跨度、葉寬、子葉張角等設(shè)計，后壓輥的大小、形狀與前壓輥一致。前壓輥采用橡膠圈，后壓輥采用發(fā)泡橡膠圈，發(fā)泡橡膠具有壓縮性大，可發(fā)生大變形，回彈性高等特點(diǎn)。發(fā)泡橡膠壁厚1.5 mm，經(jīng)過壓力測試發(fā)現(xiàn)取砧木子葉臨界壓力值對發(fā)泡橡膠施加，發(fā)泡橡膠可變形0.5 mm，且達(dá)到了最大變形量。前置墊塊采用貼合砧木子葉設(shè)計的墊塊，前后墊塊的高度差根據(jù)砧木子葉的厚度，以及發(fā)泡橡膠最大變形量而定，經(jīng)測量可知，子葉最小厚度為1.04 mm，最大厚度為1.36 mm。由于前后壓輥外徑值相同，為了保證前壓輥能壓住子葉，而且便于轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的變形量不超過0.5 mm，如果超過0.5 mm后砧木子葉將發(fā)生變形。因此后置墊塊比前置墊塊高1 mm，前置墊塊與后置墊塊的最大高度差為1.36 mm。前后墊塊對比如圖9所示。

圖9 前后墊塊對比圖

雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)通過固定在氣缸支架上的雙軸氣缸進(jìn)行驅(qū)動，壓塊固定在氣缸前板上，可隨氣缸一起運(yùn)動，砧木子葉的壓持需要壓臂中的壓輥來完成，壓輥安裝在壓輥軸上，可自由在壓輥軸上轉(zhuǎn)動，壓輥由壓縮性小、密度大的橡膠圈內(nèi)嵌一根不銹鋼的毛細(xì)管組成，減小與光軸的摩擦，使運(yùn)動更加順暢。橡膠圈的作用有兩個，一是為了增加與子葉的摩擦力，防止壓輥在子葉上打滑；二是柔性接觸，防止直接壓持將子葉壓壞。

在氣缸下移過程中，首先前壓輥接觸砧木子葉，發(fā)泡橡膠開始變形，在沒有達(dá)到最大變形量時后壓輥就已經(jīng)接觸到了后置墊塊。根據(jù)動量守恒定律可知，作為硬材料的后壓輥在接觸后置墊塊后，形變很小相對于前壓輥可忽略不計。而此時前壓輥還在發(fā)生形變，故氣缸產(chǎn)生的沖擊力大部分由后壓輥抵消了，保證砧木子葉不受損傷。

從力學(xué)角度分析，當(dāng)壓輥壓持住砧木苗，且不發(fā)生變形時，壓輥受力分析如圖10所示。

根據(jù)受力分析可列出方程

FN=FN1+FN2

(5)

式中：FN——砧木子葉對橡膠套的支持力，N；

FN1——砧木子葉對前壓輥的支持力，N；

FN2——后置墊塊對后壓輥的支持力，N。

由于前后壓輥結(jié)構(gòu)一樣，則

FN1=FN2

(6)

從式(5)、式(6)中可看出，雙墊塊較單墊塊而言，砧木子葉對壓輥的支持力減小至原來的一半，即壓輥對砧木子葉的壓力減小了一半。且在前壓輥壓持砧木子葉過程中，前壓輥慢慢變形，由線接觸變成面接觸，根據(jù)壓強(qiáng)與力的關(guān)系，壓輥與砧木子葉的接觸面積越大，砧木子葉所受的壓強(qiáng)越小，從而更好地保護(hù)砧木子葉。

圖10 壓輥受力分析

3 壓苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析

壓苗機(jī)構(gòu)在向下運(yùn)動過程中，壓輥會與墊塊發(fā)生碰撞產(chǎn)生沖擊力。如果沖擊力過大會造成壓輥的反彈，還會造成砧木苗的損傷，故需要控制氣缸的速度來減緩沖擊力。設(shè)定壓苗機(jī)構(gòu)在1 s內(nèi)完成工作，氣缸的行程為20 mm，則最低運(yùn)行速度為20 mm/s。為緩解產(chǎn)生的沖擊力，同時提高嫁接效率，設(shè)定運(yùn)行速度為40～60 mm/s。利用ADAMS軟件對壓苗機(jī)構(gòu)在選定速度范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動仿真，觀察壓輥的速度與位移，檢測機(jī)構(gòu)運(yùn)行是否穩(wěn)定。

3.1 三維模型的建立與導(dǎo)入

利用SolidWorks繪制壓苗機(jī)構(gòu)的各個零件，并進(jìn)行裝配。將裝配體保存成x_t格式，導(dǎo)入ADAMS軟件中。

3.2 運(yùn)動副、驅(qū)動以及載荷的施加

首先進(jìn)行材料添加，將墊塊的材料添加為aluminum，后壓輥材料添加為rubber_belt，其余零件材料全部添加為steel。由于兩個前壓輥的材料很特殊，根據(jù)實(shí)際測量前壓輥的質(zhì)量改為20 g。首先添加彈簧剛度系數(shù)為0.56 N/mm，預(yù)載荷為0.03 N，預(yù)載荷長度為16.54 mm。接觸力主要分為兩部分，一部分為連接桿與限位銷之間的接觸力1，另一部分為后壓輥與后置墊塊間的接觸力2，由于前壓輥對機(jī)構(gòu)碰撞產(chǎn)生的沖擊沒有作用，故此不添加接觸。兩部分接觸力的添加情況如表2所示。

表2 接觸力的參數(shù)設(shè)置

全部約束添加完后，仿真模型圖如圖11所示。

圖11 約束添加后模型圖

3.3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證所選氣缸的速度是否合理，取3個速度進(jìn)行添加，分別為40 mm/s、50 mm/s、60 mm/s。將氣動系統(tǒng)的壓強(qiáng)調(diào)為P=0.5 MPa，根據(jù)氣缸推力的運(yùn)算公式、牛頓第二定律公式以及速度計算公式算出氣缸達(dá)到60 mm/s的時間。

F=PA

(7)

F+G=ma′

(8)

v=a′t

(9)

式中：F——理想下氣缸推力，N；

P——?dú)飧紫到y(tǒng)壓力，取0.5 MPa；

A——雙桿氣缸受壓面積，取1.536 mm2；

m——?dú)飧讕拥牧慵|(zhì)量，取80 g；

G——?dú)飧讕拥牧慵亓Γ琋；

a′——?dú)飧椎募铀俣龋琺/s2;

v——?dú)飧椎淖罱K運(yùn)行速度，取60 mm/s；

t——加速時間，s。

經(jīng)計算可得，加速時間t約為0.15 s，則加速過程的位移為4.5 mm，仿真過程選取穩(wěn)定仿真階段，所以氣缸加速過程不進(jìn)行仿真，即前5 mm的位移不進(jìn)行仿真。運(yùn)行速度取40 mm、50 mm、60 mm時對應(yīng)的仿真時間依次為0.375 s、0.3 s、0.25 s。通過改變驅(qū)動的速度，并添加相應(yīng)的時間后，得出結(jié)果見圖12、圖13。

圖12 后壓輥1與后壓輥2速度比較圖(v=50 mm/s)

(a) v=40 mm/s, t=0.375 s

從圖12中可以看出后壓輥1與后壓輥2在氣缸速度為50 mm/s時的速度曲線變化基本一致，表明所設(shè)計的左右壓臂運(yùn)動形式相同，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。從圖13中可以看出速度突變均較小，而且速度突變時間短，只有v=60 mm/s時速度突變較大一些，三者的位移曲線都比較平滑，無明顯波動，證明機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，壓臂所受沖擊力能夠較好地緩解。在調(diào)節(jié)氣缸速度時，將其速度設(shè)置為40～60 mm/s，機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

4 砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

夾持與壓苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾苗過程中，既要保證砧木莖稈被夾緊，又要保證砧木苗不會因夾苗力過大受到損傷，且砧木苗定位精準(zhǔn)。在完成砧木苗夾持后要進(jìn)行砧木苗子葉的展平，雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)在壓苗時，不僅要保證壓苗的準(zhǔn)確性，還要保證砧木苗子葉不受損傷。本試驗的目的是檢驗砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)的可行性以及傷苗率。

4.2 試驗方法與步驟

分別取3組長勢良好的葫蘆苗，每組50株，進(jìn)行夾苗、壓苗試驗。首先用剪刀緊貼營養(yǎng)土剪下，然后將砧木苗放入氣囊式夾持機(jī)構(gòu)中，啟動氣囊式夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行砧木苗的夾取，夾取試驗如圖14(a)所示。待砧木被夾住后，啟動雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓苗，壓苗試驗如圖14(b)所示。

(a) 夾持試驗

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表3所示。

根據(jù)試驗結(jié)果可知，砧木苗定位準(zhǔn)確，砧木莖稈被牢牢夾緊，砧木苗子葉完全展開，由于氣囊與壓輥材料對砧木苗起到了一定的保護(hù)作用，夾苗與壓苗的損傷率都為0%，達(dá)到了砧木莖稈無損夾緊與砧木子葉柔順壓持，同時證明機(jī)構(gòu)設(shè)計合理，所選取的氣缸運(yùn)行速度范圍合理。

表3 砧木夾持試驗

5 結(jié)論

1) 針對西瓜直插式嫁接砧木在生長點(diǎn)去除前定位與處理的損傷問題，本文對葫蘆苗物理特性進(jìn)行了分析，設(shè)計了一種砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)，通過采用氣囊式夾持機(jī)構(gòu)和雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對砧木莖稈無損夾緊與砧木子葉柔順壓持。

2) 為了保證嫁接效率且機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)用ADAMS軟件對雙壓輥式壓苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，結(jié)果表明：氣缸速度為40～60 mm/s時，位移曲線比較平滑，沒有明顯的波動，機(jī)構(gòu)能平穩(wěn)運(yùn)行。

3) 取3組各50株的葫蘆苗進(jìn)行砧木夾持與壓苗試驗，驗證表明：該砧木夾持與壓苗機(jī)構(gòu)夾苗損傷率和壓苗損傷率均為0%，有效解決了夾持與壓苗過程中損傷砧木苗的問題。