瓜类贴接式机械嫁接机理及装置试验研究

发布时间：2020-04-03 02:21

【摘要】：蔬菜嫁接育苗可有效克服因连年种植引起的土壤连作障碍和病虫害,能够减少农药化肥的使用量,是一项绿色、环保、高效、高产的增收技术。由于蔬菜幼苗细小柔嫩、存在个体差异,人工嫁接效率低且质量难以保证,机器嫁接可实现嫁接苗的标准化生产。嫁接机是工厂化育苗生产的核心设备,能够有效缓解育苗工厂对人工的依赖,可代替人工嫁接,提高嫁接质量和生产效率。现有嫁接机对秧苗适应性差,作业时存在伤苗和切削精度低等问题,为提高机械嫁接精度,需要对秧苗柔性夹持、精准切削等机械嫁接机理开展深入研究。本文以瓜类秧苗(西瓜和黄瓜)为研究对象,以实现柔性夹持和精准切削为目标,采用机械嫁接机理研究、仿真分析及台架试验相结合的方法,对砧木柔性上苗定位、秧苗精准切削、柔性夹持搬运、嫁接夹力学特性及自动上夹等关键环节进行理论分析与深入研究,旨在为瓜类蔬菜机械化嫁接机具的创新研发与优化提供理支撑和技术参考。研究主要内容如下:(1)瓜类嫁接用苗的参数测定综合分析适合于瓜类作物的机械嫁接方法,测定了瓜类嫁接用苗的几何特征和力学特性参数,得到砧木子叶、苗茎、髓腔内部与生长点的几何参数,接穗子叶和苗茎几何参数,以及砧木子叶的压缩特性、苗茎的压缩与剪切特性,为嫁接装置执行机构的设计提供理论依据。(2)基于CFD软件砧木柔性上苗定位机构气流场研究采用正压吹气与负压吸附相结合的作业方式,通过获取子叶背面曲线轨迹对吸附块和气吹块作业面进行仿形设计,研制砧木柔性上苗定位机构。利用CFD软件对吸附块负压气流场进行数值模拟,得出真空负压3kPa、吸孔直径1mm、吸孔深度4mm条件下,吸孔平均压力为972.38Pa,小于白籽南瓜和瓠瓜的子叶破裂点压力。对气吹块正压气流场进行数值模拟,得出进口流速30m/s,吹气距离30mm条件下,子叶作业面平均流速为1.816m/s,满足吹气压苗技术要求。砧木上苗试验结果表明:子叶压苗成功率为98.67%,吸附成功率为98.33%,无伤苗现象,说明吸附块和气吹块作业面仿形设计合理,作业性能稳定,为解决砧木柔性上苗定位问题提供设计依据。(3)秧苗切削机理及机构参数分析与试验研究为探明砧木切削的作业区域,对砧木髓腔内部结构和生长点特征进行数据测取,确定砧木和接穗匹配嫁接的切削角度,并提出一种接穗斜贴接式嫁接方法,提高砧木和接穗的切口对接精度。设计砧木生长点旋切机构,通过理论分析确定旋切中心与切面中心的位置关系。设计多层交叠式V型拢苗块,开发接穗拢苗切削机构,对秧苗拢苗过程进行受力分析,确定拢苗块V型口夹角为90°,并分析接穗切削作业参数。切削试验结果表明:接穗拢苗成功率为99.33%,切削成功率为100%、切削准确率为97.75%,说明V型拢苗块结构设计合理,拢苗对中效果明显;砧木压苗成功率为96.67%、切削成功率为98%、切削准确率为96.8%,说明通过调整旋切中心坐标改变切削角度的方法可行;砧穗切面贴合率为98.53%,满足机械嫁接技术要求。(4)柔性夹持机理及搬运机构动力学分析提出基于缓冲材料的柔性夹持方法并设计柔性夹持手爪,通过调整缓冲垫的夹持距离实现对秧苗夹持力的精准控制。对厚度3mm和5mm的EVA缓冲垫进行压缩力学特性测试,试验结果表明:在缓冲垫夹持距离为0mm时,厚度3mm缓冲垫对白籽南瓜和瓠瓜夹持存在破损风险,厚度5mm缓冲垫对白籽南瓜、瓠瓜、黄瓜、西瓜的夹持安全可靠。设计四手爪旋转夹持搬运机构,旋转重复定位精度为0.03°,理论嫁接生产效率为1107株/小时。基于ADAMS软件对夹持搬运机构进行动力学仿真,分析旋转搬运过程中秧苗在不同夹持力下产生位移的变化规律,仿真结果表明:搬运机构转速1r/s条件下,夹持力小于0.4N时,秧苗脱离了夹持手,夹持力达到3.5N时,秧苗无位移发生。(5)嫁接夹力学特性分析及上夹机构试验研究利用ABUQUS软件构建嫁接夹的夹持力与钢圈开口位移的分析模型,确定嫁接夹夹持力回归方程。设计自动上夹机构,实现嫁接夹的精量排夹,在排夹滑道倾角50°、推夹气缸压力0.4Mpa条件下,上夹成功率为98.67%,满足机械嫁接要求。分析夹口拉伸和夹体压缩的受力情况,并对嫁接夹进行力学特性测试,试验结果表明:嫁接夹的夹持力模型构建合理,能够表达嫁接夹的夹持力特性;钢丝直径0.7mm嫁接夹对黄瓜和西瓜嫁接苗夹持安全可靠,钢丝直径0.8mm嫁接夹对黄瓜嫁接苗夹持存在风险,送夹滑道内嫁接夹的临界推力为1.59N,为保证上夹稳定性提供依据。(6)瓜类贴接式嫁接装置总体设计及试验研究提出瓜类贴接式嫁接装置设计的技术要求和需要解决的关键问题,绘制嫁接装置技术研究的总体流程图,完成嫁接装置的总体方案设计和功能布局,并阐述嫁接装置的工作过程和作业参数,集成研制瓜类贴接式嫁接装置样机。以黄瓜和白籽南瓜为嫁接对象,分别考察上苗、切削以及自动上夹等环节执行机构的作业成功率,综合分析嫁接装置的嫁接成功率和生产效率,试验结果表明:该装置嫁接成功率为91.65%,生产效率为1054株/小时。
【图文】：

嫁接方法,接穗,砧木

引言轴直径的 1/2~2/3。用刀片在接穗子叶下 10~15mm 处呈 45 角向上斜切，深度达下胚的 3/4。将砧木和接穗的切口相互嵌合，使用嫁接夹固定。嫁接后将砧木、接穗同时钵，二者根部距离约 10mm，以便后续断根作业，嫁接 10d 后切断接穗的根部，如图示。靠接法是带根嫁接，不易失水萎蔫，嫁接苗成活率较高被广泛应用。由于靠接法于苗的茎部，接口处易发生断裂造成伤苗或死苗，并且定植深度过深接穗产生不定根壤容易造成二次感染，导致嫁接失败，在接穗成活后还需断根处理，费工费时[30-34]，不适合工厂化嫁接育苗生产。

机型,日本,子叶,成功率

自 20 世纪 80 年代开始，国外农机企业及科研单位对蔬菜嫁接机开展技术攻关，基嫁接方法研制开发出多种类型嫁接机，相关技术研究主要集中在设施农业发达的日本、荷兰、以及西班牙等国[50-61]。为缓解农村人口老龄化、嫁接工人缺乏，育苗工厂对度依赖等问题。从 20 世纪 80 年代初，日本开始研究嫁接机技术，研究单位以井关、菱等大型农机公司为主，核心技术由大学参与研究，研制的嫁接机机型最多，以井关司研制的嫁接机最具代表性[62]。1994 年，井关公司与日本生研机构合作开发出 GR800B 型瓜类半自动嫁接机和 GR茄果类半自动嫁接机，生产效率可达 800 株/h，嫁接成功率为 95%[63-66]。直到 2011 年公司推出了 GRF800-U 型全自动嫁接机，如图 1-2 所示，以及 GRF803-U 型半自动嫁图 1-3 所示。该类机型采用贴接法嫁接，适用于瓜类蔬菜，利用嫁接夹固定切口。。GRF嫁接机采用整盘上苗作业模式，只需 1 人上机操作，增加了自动上苗装置，通过取苗行器从穴盘中自动取苗代替人工完成上苗作业，，实现了取苗、上苗、切削、对接及上自动作业，设有砧木子叶定向调整装置，在上苗过程中完成子叶方向动态调整，嫁接达 800 株/h，嫁接成功率为 95％[67-68]。GRF803-U 属于半自动机型，由 2 名工人供应接穗苗，人工供苗速度比自动取苗更快，生产效率可达 900 株/h。贴接式嫁接能够精秧苗切口角度和对接贴合精度，是国内外机械嫁接技术的研究热点。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S223

【相似文献】