西瓜直插式嫁接砧木夾持與壓苗機構設計與試驗*

王景政，張秀花，陳金明

(河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，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，實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的優(yōu)質、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，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。

國內外蔬菜嫁接已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗[7-11]。GRF800-U嫁接機，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800株/h和95%[12]。國內浙江大學樓建忠等[13-15]采用凹、凸夾持片交叉夾持固定砧木莖稈以及自適應壓持機構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)大學楊艷麗等[16]采用砧木子葉氣吸夾代替壓苗機構，利用氣力吸附砧木子葉；東北農(nóng)業(yè)大學姜凱等采用彈性夾持，夾口采用仿形設計、剛性加緊及可更換式；華南農(nóng)業(yè)大學李元強等采用攏苗桿、壓苗片、砧木夾等組成的砧木夾持機構對砧木進行夾持，對砧木苗損傷過大。這些砧木夾持機構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。

本文設計一種西瓜直插式嫁接砧木夾持與壓苗機構，首先對砧木苗物理特性進行測量，并對氣囊式夾持機構與雙壓輥式壓苗機構進行設計，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)和力學特性，為保證設計的砧木夾持與壓苗機構能夠精準地完成砧木夾持、壓苗工作，需要對砧木苗相關參數(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進行測量，砧木苗參數(shù)圖如圖1所示，砧木苗相關幾何參數(shù)測量結果如表1所示。

(a) 砧木苗主視圖

表1 砧木苗相關幾何參數(shù)測量結果

1.2 砧木苗力學特性

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

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拉壓測試機上進行，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 砧木夾持與壓苗機構設計

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

圖3 砧木夾持與壓苗機構

2.1 氣囊式夾持機構

氣囊式夾持機構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確性與可靠性。氣囊本身結構簡單、工作可靠、無需復雜的參數(shù)計算和結構設計、使用維護方便，具有壽命較長的優(yōu)點[19]，且通過改變充氣量以適應不同直徑的砧木苗，與其它柔性材料相比，夾持力更穩(wěn)定、可靠，氣囊式夾持機構如圖4所示，氣囊局部放大圖如圖5所示。

圖4 氣囊式夾持機構

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”型帶進行縱向定位，氣囊式夾持機構對砧木苗實現(xiàn)了橫向定位，從而實現(xiàn)砧木苗準確定位。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置凹槽中自由滑動，由安裝在支撐臂底部側邊的固定蓋板進行限位，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構卸苗。

圖5 氣囊局部放大圖

2.2 雙壓輥式壓苗機構

壓苗機構的主要作用是將砧木子葉展開并壓緊，使生長點完整暴露出來，以便能更好地使生長點去除干凈。本文在浙江大學樓建忠教授[13-15]的基礎上，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，增設了一組后壓輥并改變了壓輥材料，雙壓輥式壓苗機構如圖6所示。

圖6 雙壓輥式壓苗機構

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

根據(jù)砧木子葉寬度最大值27.94 mm，設定墊塊的寬度為30 mm。根據(jù)砧木子葉平均長度45 mm，設定墊塊的長度L4=30 mm。根據(jù)接穗葉寬最大值12.96 mm，設定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。定位銷選用標準平頭帶孔圓柱銷，銷軸直徑3 mm，平頭直徑5 mm。為防止安裝干涉，設定DD1的長度為6 mm。為防止壓緊機構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)位置關系

根據(jù)上述得到的參數(shù)進行拉簧的選取，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。壓苗后壓苗機構狀態(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，所以在選擇時應盡量選擇剛度系數(shù)較小的彈簧。彈簧的選取根據(jù)《機械零件手冊》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點的高度沒有確定，為保證生長點更好地暴露出來，N點越低越好，但如果N點過低將會導致子葉根部折斷，N點過高將導致N點附近曲線曲率過大導致砧木子葉發(fā)生彎折。由于已經(jīng)確定出NJ的長度，還需通過人手在N點不同高度時，對砧木子葉進行彎折，以及在SolidWorks中用樣條曲線進行模擬，最終確定出H2=6 mm。在SolidWorks中對壓輥下移的最終位置進行測量、計算，最終確定壓輥下移3 mm。為了保證砧木苗進入壓苗機構時有足夠空間，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。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，且達到了最大變形量。前置墊塊采用貼合砧木子葉設計的墊塊，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

雙壓輥式壓苗機構通過固定在氣缸支架上的雙軸氣缸進行驅動，壓塊固定在氣缸前板上，可隨氣缸一起運動，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動，壓輥由壓縮性小、密度大的橡膠圈內嵌一根不銹鋼的毛細管組成，減小與光軸的摩擦，使運動更加順暢。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。

從力學角度分析，當壓輥壓持住砧木苗，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。

由于前后壓輥結構一樣，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)壓強與力的關系，壓輥與砧木子葉的接觸面積越大，砧木子葉所受的壓強越小，從而更好地保護砧木子葉。

圖10 壓輥受力分析

3 壓苗機構運動仿真分析

壓苗機構在向下運動過程中，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。設定壓苗機構在1 s內完成工作，氣缸的行程為20 mm，則最低運行速度為20 mm/s。為緩解產(chǎn)生的沖擊力，同時提高嫁接效率，設定運行速度為40～60 mm/s。利用ADAMS軟件對壓苗機構在選定速度范圍內進行運動仿真，觀察壓輥的速度與位移，檢測機構運行是否穩(wěn)定。

3.1 三維模型的建立與導入

利用SolidWorks繪制壓苗機構的各個零件，并進行裝配。將裝配體保存成x_t格式，導入ADAMS軟件中。

3.2 運動副、驅動以及載荷的施加

首先進行材料添加，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)實際測量前壓輥的質量改為20 g。首先添加彈簧剛度系數(shù)為0.56 N/mm，預載荷為0.03 N，預載荷長度為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，由于前壓輥對機構碰撞產(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個速度進行添加，分別為40 mm/s、50 mm/s、60 mm/s。將氣動系統(tǒng)的壓強調為P=0.5 MPa，根據(jù)氣缸推力的運算公式、牛頓第二定律公式以及速度計算公式算出氣缸達到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——氣缸系統(tǒng)壓力，取0.5 MPa；

A——雙桿氣缸受壓面積，取1.536 mm2；

m——氣缸帶動的零件質量，取80 g；

G——氣缸帶動的零件重力，N；

a′——氣缸的加速度，m/s2;

v——氣缸的最終運行速度，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行仿真，即前5 mm的位移不進行仿真。運行速度取40 mm、50 mm、60 mm時對應的仿真時間依次為0.375 s、0.3 s、0.25 s。通過改變驅動的速度，并添加相應的時間后，得出結果見圖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，表明所設計的左右壓臂運動形式相同，結構設計合理。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，證明機構運行平穩(wěn)，壓臂所受沖擊力能夠較好地緩解。在調節(jié)氣缸速度時，將其速度設置為40～60 mm/s，機構能夠平穩(wěn)運行。

4 砧木夾持與壓苗機構試驗

4.1 試驗目的

夾持與壓苗機構進行夾苗過程中，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。在完成砧木苗夾持后要進行砧木苗子葉的展平，雙壓輥式壓苗機構在壓苗時，不僅要保證壓苗的準確性，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構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構中，啟動氣囊式夾持機構進行砧木苗的夾取，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構進行壓苗，壓苗試驗如圖14(b)所示。

(a) 夾持試驗

4.3 試驗結果與分析

試驗結果如表3所示。

根據(jù)試驗結果可知，砧木苗定位準確，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作用，夾苗與壓苗的損傷率都為0%，達到了砧木莖稈無損夾緊與砧木子葉柔順壓持，同時證明機構設計合理，所選取的氣缸運行速度范圍合理。

表3 砧木夾持試驗

5 結論

1) 針對西瓜直插式嫁接砧木在生長點去除前定位與處理的損傷問題，本文對葫蘆苗物理特性進行了分析，設計了一種砧木夾持與壓苗機構，通過采用氣囊式夾持機構和雙壓輥式壓苗機構，實現(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構能夠平穩(wěn)運行，應用ADAMS軟件對雙壓輥式壓苗機構進行了運動學仿真，結果表明：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，機構能平穩(wěn)運行。

3) 取3組各50株的葫蘆苗進行砧木夾持與壓苗試驗，驗證表明：該砧木夾持與壓苗機構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。