【摘要】：蔬菜嫁接育苗可有效克服因連年種植引起的土壤連作障礙和病蟲害,能夠減少農(nóng)藥化肥的使用量,是一項綠色、環(huán)保、高效、高產(chǎn)的增收技術(shù)。由于蔬菜幼苗細小柔嫩、存在個體差異,人工嫁接效率低且質(zhì)量難以保證,機器嫁接可實現(xiàn)嫁接苗的標準化生產(chǎn)。嫁接機是工廠化育苗生產(chǎn)的核心設備,能夠有效緩解育苗工廠對人工的依賴,可代替人工嫁接,提高嫁接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。現(xiàn)有嫁接機對秧苗適應性差,作業(yè)時存在傷苗和切削精度低等問題,為提高機械嫁接精度,需要對秧苗柔性夾持、精準切削等機械嫁接機理開展深入研究。本文以瓜類秧苗(西瓜和黃瓜)為研究對象,以實現(xiàn)柔性夾持和精準切削為目標,采用機械嫁接機理研究、仿真分析及臺架試驗相結(jié)合的方法,對砧木柔性上苗定位、秧苗精準切削、柔性夾持搬運、嫁接夾力學特性及自動上夾等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行理論分析與深入研究,旨在為瓜類蔬菜機械化嫁接機具的創(chuàng)新研發(fā)與優(yōu)化提供理支撐和技術(shù)參考。研究主要內(nèi)容如下:(1)瓜類嫁接用苗的參數(shù)測定綜合分析適合于瓜類作物的機械嫁接方法,測定了瓜類嫁接用苗的幾何特征和力學特性參數(shù),得到砧木子葉、苗莖、髓腔內(nèi)部與生長點的幾何參數(shù),接穗子葉和苗莖幾何參數(shù),以及砧木子葉的壓縮特性、苗莖的壓縮與剪切特性,為嫁接裝置執(zhí)行機構(gòu)的設計提供理論依據(jù)。(2)基于CFD軟件砧木柔性上苗定位機構(gòu)氣流場研究采用正壓吹氣與負壓吸附相結(jié)合的作業(yè)方式,通過獲取子葉背面曲線軌跡對吸附塊和氣吹塊作業(yè)面進行仿形設計,研制砧木柔性上苗定位機構(gòu)。利用CFD軟件對吸附塊負壓氣流場進行數(shù)值模擬,得出真空負壓3kPa、吸孔直徑1mm、吸孔深度4mm條件下,吸孔平均壓力為972.38Pa,小于白籽南瓜和瓠瓜的子葉破裂點壓力。對氣吹塊正壓氣流場進行數(shù)值模擬,得出進口流速30m/s,吹氣距離30mm條件下,子葉作業(yè)面平均流速為1.816m/s,滿足吹氣壓苗技術(shù)要求。砧木上苗試驗結(jié)果表明:子葉壓苗成功率為98.67%,吸附成功率為98.33%,無傷苗現(xiàn)象,說明吸附塊和氣吹塊作業(yè)面仿形設計合理,作業(yè)性能穩(wěn)定,為解決砧木柔性上苗定位問題提供設計依據(jù)。(3)秧苗切削機理及機構(gòu)參數(shù)分析與試驗研究為探明砧木切削的作業(yè)區(qū)域,對砧木髓腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生長點特征進行數(shù)據(jù)測取,確定砧木和接穗匹配嫁接的切削角度,并提出一種接穗斜貼接式嫁接方法,提高砧木和接穗的切口對接精度。設計砧木生長點旋切機構(gòu),通過理論分析確定旋切中心與切面中心的位置關(guān)系。設計多層交疊式V型攏苗塊,開發(fā)接穗攏苗切削機構(gòu),對秧苗攏苗過程進行受力分析,確定攏苗塊V型口夾角為90°,并分析接穗切削作業(yè)參數(shù)。切削試驗結(jié)果表明:接穗攏苗成功率為99.33%,切削成功率為100%、切削準確率為97.75%,說明V型攏苗塊結(jié)構(gòu)設計合理,攏苗對中效果明顯;砧木壓苗成功率為96.67%、切削成功率為98%、切削準確率為96.8%,說明通過調(diào)整旋切中心坐標改變切削角度的方法可行;砧穗切面貼合率為98.53%,滿足機械嫁接技術(shù)要求。(4)柔性夾持機理及搬運機構(gòu)動力學分析提出基于緩沖材料的柔性夾持方法并設計柔性夾持手爪,通過調(diào)整緩沖墊的夾持距離實現(xiàn)對秧苗夾持力的精準控制。對厚度3mm和5mm的EVA緩沖墊進行壓縮力學特性測試,試驗結(jié)果表明:在緩沖墊夾持距離為0mm時,厚度3mm緩沖墊對白籽南瓜和瓠瓜夾持存在破損風險,厚度5mm緩沖墊對白籽南瓜、瓠瓜、黃瓜、西瓜的夾持安全可靠。設計四手爪旋轉(zhuǎn)夾持搬運機構(gòu),旋轉(zhuǎn)重復定位精度為0.03°,理論嫁接生產(chǎn)效率為1107株/小時�；贏DAMS軟件對夾持搬運機構(gòu)進行動力學仿真,分析旋轉(zhuǎn)搬運過程中秧苗在不同夾持力下產(chǎn)生位移的變化規(guī)律,仿真結(jié)果表明:搬運機構(gòu)轉(zhuǎn)速1r/s條件下,夾持力小于0.4N時,秧苗脫離了夾持手,夾持力達到3.5N時,秧苗無位移發(fā)生。(5)嫁接夾力學特性分析及上夾機構(gòu)試驗研究利用ABUQUS軟件構(gòu)建嫁接夾的夾持力與鋼圈開口位移的分析模型,確定嫁接夾夾持力回歸方程。設計自動上夾機構(gòu),實現(xiàn)嫁接夾的精量排夾,在排夾滑道傾角50°、推夾氣缸壓力0.4Mpa條件下,上夾成功率為98.67%,滿足機械嫁接要求。分析夾口拉伸和夾體壓縮的受力情況,并對嫁接夾進行力學特性測試,試驗結(jié)果表明:嫁接夾的夾持力模型構(gòu)建合理,能夠表達嫁接夾的夾持力特性;鋼絲直徑0.7mm嫁接夾對黃瓜和西瓜嫁接苗夾持安全可靠,鋼絲直徑0.8mm嫁接夾對黃瓜嫁接苗夾持存在風險,送夾滑道內(nèi)嫁接夾的臨界推力為1.59N,為保證上夾穩(wěn)定性提供依據(jù)。(6)瓜類貼接式嫁接裝置總體設計及試驗研究提出瓜類貼接式嫁接裝置設計的技術(shù)要求和需要解決的關(guān)鍵問題,繪制嫁接裝置技術(shù)研究的總體流程圖,完成嫁接裝置的總體方案設計和功能布局,并闡述嫁接裝置的工作過程和作業(yè)參數(shù),集成研制瓜類貼接式嫁接裝置樣機。以黃瓜和白籽南瓜為嫁接對象,分別考察上苗、切削以及自動上夾等環(huán)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的作業(yè)成功率,綜合分析嫁接裝置的嫁接成功率和生產(chǎn)效率,試驗結(jié)果表明:該裝置嫁接成功率為91.65%,生產(chǎn)效率為1054株/小時。
【圖文】：

引 言軸直徑的 1/2~2/3。用刀片在接穗子葉下 10~15mm 處呈 45 角向上斜切，深度達下胚的 3/4。將砧木和接穗的切口相互嵌合，使用嫁接夾固定。嫁接后將砧木、接穗同時缽，二者根部距離約 10mm，以便后續(xù)斷根作業(yè)，嫁接 10d 后切斷接穗的根部，如圖示�？拷臃ㄊ菐Ц藿�，不易失水萎蔫，嫁接苗成活率較高被廣泛應用。由于靠接法于苗的莖部，接口處易發(fā)生斷裂造成傷苗或死苗，并且定植深度過深接穗產(chǎn)生不定根壤容易造成二次感染，導致嫁接失敗，在接穗成活后還需斷根處理，費工費時[30-34]，不適合工廠化嫁接育苗生產(chǎn)。

自 20 世紀 80 年代開始，國外農(nóng)機企業(yè)及科研單位對蔬菜嫁接機開展技術(shù)攻關(guān)，基嫁接方法研制開發(fā)出多種類型嫁接機，相關(guān)技術(shù)研究主要集中在設施農(nóng)業(yè)發(fā)達的日本、荷蘭、以及西班牙等國[50-61]。為緩解農(nóng)村人口老齡化、嫁接工人缺乏，育苗工廠對度依賴等問題。從 20 世紀 80 年代初，日本開始研究嫁接機技術(shù)，研究單位以井關(guān)、菱等大型農(nóng)機公司為主，核心技術(shù)由大學參與研究，研制的嫁接機機型最多，以井關(guān)司研制的嫁接機最具代表性[62]。1994 年，井關(guān)公司與日本生研機構(gòu)合作開發(fā)出 GR800B 型瓜類半自動嫁接機和 GR茄果類半自動嫁接機，生產(chǎn)效率可達 800 株/h，嫁接成功率為 95%[63-66]。直到 2011 年公司推出了 GRF800-U 型全自動嫁接機，如圖 1-2 所示，以及 GRF803-U 型半自動嫁圖 1-3 所示。該類機型采用貼接法嫁接，適用于瓜類蔬菜，利用嫁接夾固定切口。。GRF嫁接機采用整盤上苗作業(yè)模式，只需 1 人上機操作，增加了自動上苗裝置，通過取苗行器從穴盤中自動取苗代替人工完成上苗作業(yè)，，實現(xiàn)了取苗、上苗、切削、對接及上自動作業(yè)，設有砧木子葉定向調(diào)整裝置，在上苗過程中完成子葉方向動態(tài)調(diào)整，嫁接達 800 株/h，嫁接成功率為 95％[67-68]。GRF803-U 屬于半自動機型，由 2 名工人供應接穗苗，人工供苗速度比自動取苗更快，生產(chǎn)效率可達 900 株/h。貼接式嫁接能夠精秧苗切口角度和對接貼合精度，是國內(nèi)外機械嫁接技術(shù)的研究熱點。
【學位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S223

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本文編號：2612798