茄果类蔬菜嫁接机切削装置工作参数优化与试验

李友余，刘 凯，姜 凯

(1.广东机电职业技术学院创新创业学院，广东 广州 510515)

(2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

嫁接，是植物人工营养繁殖方法之一，即将植物的枝或芽(接穗)连接到另一植物(砧木)的适当位置，利用砧木的根系代替接穗根系行使地下部分的生理功能，为地上部分提供水分和营养，协同完成生长过程[1]。采用嫁接机进行机械化嫁接可提高生产率、降低作业难度、提高嫁接苗的成活率，有利于生产管理和规模化生产[2-4]。

目前，已面世的嫁接装置按照自动化程度可以分为全自动嫁接机、半自动嫁接机和嫁接辅助切削器[5-7]。无论采用何种嫁接设备，都需要对嫁接用苗进行切削，都需要根据采用的嫁接方法设计相应的切削装置。目前茄果类蔬菜嫁接主要使用的嫁接方法有贴接法、劈接法、靠接法和平接法等[8-9]。其中，贴接法操作简单，在提高嫁接生产率和降低作业难度方面与其他3种方法相比具有明显的优势[10-12]，适合用于机械嫁接。

本文重点介绍一种针对贴接法的自动嫁接机，并以处于嫁接期的接穗和砧木为试验对象，通过试验优化的方法获取合适的切削方式和装置的最优工作参数，从而保证嫁接质量和后期愈合成活率。

1 切削部件结构及工作原理

1.1 整机嫁接作业过程

如图1所示，贴接法是将接穗和砧木分别切一个斜面，并通过嫁接夹固定在一起。

图1 贴接法

笔者设计的茄果类蔬菜嫁接机总体结构如图2所示。该机采用多工位流水线式作业实现上苗、切削、对接上夹、下苗等嫁接工序，主要由1个砧木旋转盘、1个接穗旋转臂和5个工位组成。接穗切削装置位于工位三，砧木切削装置位于工位二。砧木旋转盘上有8个从动式砧木夹，2个组成1对，随旋转盘间歇性逆时针运动；接穗旋转臂上有4个接穗夹，2个组成1对，可随着旋转臂正、反180°往复运动。

图2 嫁接机及切削装置示意图

嫁接机的嫁接作业过程如图3所示。具体步骤如下：

步骤1，首先处于工位一的砧木夹打开，操作人员将砧木放入砧木夹的夹口中。与此同时，在工位三的接穗夹打开，操作人员将接穗放入接穗夹。

步骤2，砧木夹夹口闭合并随旋转盘旋转至工位二，由工位二的砧木切削装置自动完成切削动作。

步骤3，砧木随旋转盘旋转至工位四，此时与从工位三旋转至工位四的接穗进行对接。

步骤4，当接穗与砧木的切口紧密贴合后上夹装置将已经完成切断处理的嫁接夹夹在接穗与砧木的创面，使二者成为一个独立的植株。

步骤5，嫁接苗随旋转盘继续旋转至工位五，砧木夹打开，嫁接苗被自动卸下，完成一株苗的嫁接作业，然后由人工放入托盘，并最终运往愈合室。

1.2 切削装置结构及工作原理

砧木切削装置和接穗切削装置如图4所示，两个机构均由切刀、切刀座和驱动气缸组成，但供苗方式有所不同。接穗切削装置采用人工方式将接穗送入切削位置，接穗切削装置的切刀座与机架固定，上苗时，操作人员一只手将接穗放入接穗夹夹口，另一只手将其下端紧贴在切刀座V型工作面上，随后切刀对茎秆进行切削。与接穗切削装置不同的是，砧木切削装置由砧木夹将砧木送入切削位置，因此砧木切削装置的设计除了要达到一定的切削质量，还要对不同形态的苗有一定的适应能力。

图4 嫁接用苗切削装置

2 嫁接机切削装置工作参数优化试验

2.1 试验系统与材料

切削试验是在实验室搭建的力学测试系统(如图5(a)所示)上进行的，该系统由单轴自动升降试验台架、步进电机、触摸屏和控制器组成。其中的测力仪器为台湾一诺公司生产的电子式推拉力计，其自带软件(如图5(b)所示)可对整个测试过程进行监控，并绘出测试曲线，同时还可以对试验结果进行存储。

试验材料包括茎秆样本、切刀和切刀座。试验于2019年9月在北京农业信息技术研究中心进行。育苗对象为托鲁巴姆(砧木)和美丰四号紫长茄(接穗)。将茎秆制成标准样本，样本长度设定为15 mm。如图6所示，根据人工嫁接经验，接穗切削样本取夹持位置以下15 mm区间，砧木切削样本取夹持位置以上15 mm区间。

图6 试验样本取样位置

2.2 切削方式对切削阻力的影响分析

贴接法要求切削面与茎秆成45°角，2种常见切削方式为：1)斜切，如图7(a)所示；2)削切，如图7(b)所示。本文针对2种切削方式分别进行了切削试验，通过分析切削时切刀所承受的极限切应力以及切后的创面质量来分析切削效果，以此确定哪种切削方式更为合适。

图7 2种剪切方式

极限切应力的测定方法如下：首先将样本放置于切刀与切刀座之间，调节刀片位置使其与样本刚好接触，然后清零并使切刀竖直向下进给，直至将茎秆切断。切削过程中，力-位移曲线被实时记录在计算机上，从力-位移曲线中可以提取切断茎秆所需的极限切应力。极限切应力τs的计算公式如下：

(1)

式中：Fs max为茎秆切削时的最大剪切力，N；As为切削部位的横截面面积，mm2。

由于茎秆横截面近似呈圆形，因此极限切应力τs的计算公式可表达为：

(2)

式中：d为茎秆样本茎径，mm。

图8所示为斜切和削切过程中的切应力随时间的变化曲线。由图可知，削切的剪切过程相对平稳，切削茎秆所需的极限切应力比斜切略小，对茎秆的破坏较小。但在采用削切法进行切削的最后阶段，由于切刀接触茎秆的面积逐渐减小，易使茎秆出现拉丝现象，即茎秆切口处存在丝状残留物，此现象不利于嫁接苗后期的愈合。经过综合考虑，最后确定在砧木和接穗的切削装置中采用斜切法。

图8 切应力随时间变化曲线

2.3 切削装置参数对创口切削质量的试验分析

进行切削性能试验的目的是分析切刀座工作面夹角、切削速度和切刀刀刃厚度对茎秆切削后创面的影响，以便得出适用于接穗和砧木茎秆的各因素较优水平。在切削过程中，由于存在切削阻力，因此茎秆切口创面会受切刀挤压产生一定的偏移量，如图9所示，切口偏移量δ为茎秆切口末端与切削前所在位置在水平方向的位移。偏移量越小，切口受到切削的冲击或破坏越小、切削质量越好。切口偏移率η表示切口在切削前后的偏移程度，其计算公式如下：

图9 茎秆偏移量示意图

(3)

茎秆拉丝率ψ是指在切削过程中，茎秆切口尖端出现残留物的概率。其计算公式为：

(4)

式中：n为出现拉丝的株数；N为切削总株数。

本文选用正交表L9(34)安排试验，针对3因素3水平问题，每组试验做100次，取其平均值。对应的试验因素取值见表1。

表1 切削性能因素与水平

根据试验设计原则，进行9组共计900次试验。试验因素的各级水平对切削偏移率和拉丝率的影响程度如图10所示，随着切刀座工作面夹角越小，切削速度越大，刀刃厚度越小，切口偏移率越小，各指标的较优水平为A1B3C1；切刀座工作面夹角越小，切削速度越大，刀刃厚度越小，拉丝率越低，现有因素和水平中的最优水平为A1B3C3。

图10 相同水平下茎秆偏移率和拉丝率变化趋势

对切口偏移率(较优水平A1B3C1)、茎秆拉丝率(较优水平A1B3C3)分析可知：两个指标的影响因素主次关系一致，仅最后一个因素的水平影响有所不同，当切刀厚度较小时切削偏移量较小，但茎秆拉丝率较大。由于茎秆拉丝率对嫁接结果的影响较大，因此本试验选择拉丝率较小的水平，最终确定本试验的较优水平为A1B3C3，即嫁接用苗切削装置的切刀切削速度为150 mm/s、切刀座工作面夹角为60°、刀刃厚度为1.5 mm时切削装置切削效果最好。

3 结束语

本文通过优化切削方式和装置的工作参数，降低了切刀座工作面夹角、切削速度和刀刃厚度对切削偏移率和茎杆拉丝率的影响，从而提高了嫁接成功率。本文研究成果为接穗与砧木后期的准确贴合提供了切削解决方案，设计的切削装置及工作参数可用于全自动和半自动嫁接机的切削工位。