張文波，張鐵中，褚 佳，張立博，劉 展，孔艷山

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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套管振動(dòng)輸送裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

張文波，張鐵中，褚 佳，張立博，劉 展，孔艷山

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

為研究開(kāi)發(fā)新型、高速自動(dòng)嫁接機(jī)，提出采用套管嫁接法，設(shè)計(jì)了專門的套管振動(dòng)輸送裝置。該套管振動(dòng)輸送裝置可以將無(wú)序排列的套管有序排列成方向一致的姿態(tài)并輸送至需要位置。同時(shí)，在研究該裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以選定尺寸的套管為試驗(yàn)對(duì)象，選取振動(dòng)電壓為研究對(duì)象，以變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行輸送裝置的性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：輸入電壓為185V時(shí)，裝置運(yùn)行最為穩(wěn)定，此時(shí)套管輸送速度為85個(gè)/min，可以保證后續(xù)嫁接作業(yè)對(duì)于套管輸送平穩(wěn)性與速度的要求。

自動(dòng)嫁接；振動(dòng)輸送裝置；振動(dòng)電壓；輸出速度

0 引言

蔬菜嫁接技術(shù)歷史久遠(yuǎn)，自20世紀(jì)80年代日本出現(xiàn)自動(dòng)嫁接技術(shù)以來(lái)，日韓、中國(guó)和歐美國(guó)家都進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一些成果[1-2]。由于嫁接過(guò)程的不同，自動(dòng)嫁接技術(shù)中的輔助接合件的選用也不盡相同[3]。

本文研究的套管式嫁接的核心是在嫁接過(guò)程中合理安放套管，使被嫁接砧木、穗木有效接合。套管嫁接與其他嫁接方法相比較，可以有效提高嫁接苗存活率,保持嫁接點(diǎn)處水分含量，且套管具有成本低、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)[4]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的套管式嫁接主要用于人工嫁接作業(yè)，廣泛用于西紅柿、茄子的嫁接。利用套管式嫁接法進(jìn)行全自動(dòng)機(jī)械嫁接的技術(shù)還不夠成熟。在國(guó)外，日本煙草公司率先開(kāi)發(fā)出套管式蔬菜嫁接機(jī)，該嫁接機(jī)采用一種具有熱縮性的塑料管。嫁接時(shí)，由套管供應(yīng)裝置切下適當(dāng)長(zhǎng)度的熱縮管，將穗木和砧木分別插入其中進(jìn)行嫁接；然后，用高溫?zé)釟饪焖偌訜峤雍喜课?，套管因受熱而收縮，夾緊接合后的幼苗，待短時(shí)間冷卻后即完成嫁接作業(yè)過(guò)程。除上述介紹，國(guó)內(nèi)外與套管自動(dòng)嫁接相關(guān)的文獻(xiàn)很少[5-6]，且無(wú)樣機(jī)。

因此，對(duì)于采用套管法嫁接的研究很有必要性和探索價(jià)值。為此，本文設(shè)計(jì)研究了一種套管輸送裝置，為后續(xù)機(jī)器套管獲取與后續(xù)嫁接提供研究基礎(chǔ)。

1 套管選擇

套管的選取不僅影響到后續(xù)套管振動(dòng)輸送裝置的設(shè)計(jì)，還會(huì)對(duì)嫁接成功率和成活率產(chǎn)生一定影響。目前，實(shí)際生產(chǎn)中用于嫁接作業(yè)的套管，主要有以下3種類型(見(jiàn)圖1)：①圓柱形塑料管；②開(kāi)槽熱塑套管；③圓臺(tái)型套管。分別比較3種套管的使用難度、機(jī)械操作可行性和性價(jià)比，選擇最適宜的一種套管作為研究對(duì)象。

圖1 套管種類

圓柱形塑料管形狀簡(jiǎn)單，但機(jī)械化輸送和拾取比較困難。其在機(jī)器嫁接中有過(guò)嘗試，具有一定的可行性，使用時(shí)需要設(shè)計(jì)專門的機(jī)械手爪抓取熱縮管，并配套加熱裝置，但價(jià)格在3者中最為低廉。有開(kāi)槽型熱縮套管在人工嫁接中使用廣泛，因設(shè)置開(kāi)口，容易通氣且保濕效果好，有利于嫁接苗成活；但機(jī)器嫁接中未見(jiàn)有嘗試，使用難度較大，價(jià)格適中。圓臺(tái)型套管在人工嫁接中使用較多，因套管各部分外徑有所差異，符合嫁接苗上部外徑大、下部外徑小的實(shí)際情況，因此嫁接后成活率更高。該套管呈半透明狀，一側(cè)開(kāi)口，有良好的擴(kuò)展性，對(duì)于莖稈直徑有所差異的嫁接苗具有良好的適應(yīng)性。由于形狀特征明顯，容易設(shè)計(jì)出專門裝置進(jìn)行機(jī)械化嫁接操作，因此相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化使用，使用難度較低，且大批量購(gòu)買價(jià)格較為低廉。

通過(guò)表1比較可知：選擇圓臺(tái)型套管作為震動(dòng)裝置的研究對(duì)象，有利于震動(dòng)裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，也利于對(duì)嫁接苗的續(xù)緩苗期培養(yǎng)。針對(duì)人工嫁接用圓臺(tái)型套管，需做進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，使之適合機(jī)械振動(dòng)排列動(dòng)作。圓臺(tái)型套管的頂端具有一個(gè)把柄結(jié)構(gòu)，主要目的是便于人工嫁接時(shí)的套管拾??；但在機(jī)械自動(dòng)嫁接作業(yè)中，該把柄會(huì)造成機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的繁雜，因此使用前首先進(jìn)行預(yù)處理，將套管此處結(jié)構(gòu)去掉。

表1 套管種類比較

處理后的套管及尺寸圖2所示。其中，內(nèi)徑尺寸d2考慮嫁接苗株徑大小，實(shí)驗(yàn)室前期研究表明，適宜嫁接時(shí)期的砧木株徑為2.4～3.1mm，因此選擇內(nèi)徑為2.5mm；當(dāng)切削角度為30°時(shí)，形成貼合面長(zhǎng)度約為4.8～6.2mm；為保證包覆充分，套管長(zhǎng)度H應(yīng)大于兩倍的貼合面長(zhǎng)度，因此選擇H為14mm規(guī)格的套管。以上關(guān)鍵尺寸確定后，圖2(b)中標(biāo)注的其他尺寸也將確定。

圖2 套管三維圖和尺寸示意

2 震動(dòng)輸送裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本研究的震動(dòng)輸送裝置主要由震動(dòng)基座、螺旋升道、大頭卡道、換向擋塊、換向弧道、定向軌道、定向調(diào)整缺口、V型槽、圓弧軌道、小頭輸送軌道、凸起峽口、回料口、出料口、料斗本體和壓緊連接件組成，如圖3所示。

1.基座 2.螺旋升道 3.大頭卡道 4.換向擋塊 5.換向弧道 6.定向軌道 7.定向調(diào)整缺口 8.V型槽 9.圓弧軌道 10.小頭輸送軌道 11.凸起峽口 12.回料口

工作過(guò)程為：震動(dòng)基座是由多塊磁鐵通過(guò)一定結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置的能產(chǎn)生圍繞圓心進(jìn)行扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的常規(guī)部件，當(dāng)外部電源供電時(shí)，可產(chǎn)生連續(xù)震動(dòng)；螺旋升道為套管前期運(yùn)動(dòng)軌道，主要作用是將雜亂套管形成單一運(yùn)動(dòng)流并上升至出料平面高度；大頭卡道將運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行第1次微調(diào)，不論套管大頭朝前還是小頭朝前，套管小頭均滑落到大頭卡道與螺旋升道的外側(cè)圓柱面上沿之間的縫隙中，而套管大頭則卡在大頭卡道內(nèi)側(cè)，套管此時(shí)運(yùn)動(dòng)方向與套管軸心線大致垂直；當(dāng)套管前進(jìn)至換向擋塊后，小頭受阻， 大頭繼續(xù)前進(jìn)，使套管位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)并前進(jìn)至換向弧道內(nèi)，套管以大頭朝前的姿態(tài)前進(jìn)；當(dāng)套管運(yùn)動(dòng)至定向調(diào)整缺口處時(shí)，由于重力作用下落至V型槽內(nèi)，因V型槽呈傾斜狀態(tài)，套管小頭先行掉落至圓弧滑道內(nèi)，并在小頭輸送軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，直至出料口；當(dāng)大量套管聚集至出料口附近時(shí)，位于回料口附近的套管會(huì)碰撞凸起峽口而重新掉落至料斗本體內(nèi)。如此循環(huán)，保證有序、定向地輸送套管。輸送過(guò)程如圖4所示。

圖4 裝置工作過(guò)程示意

2.2 關(guān)鍵部件

2.2.1 第1導(dǎo)向組

第1導(dǎo)向組主要包括大頭卡道和換向擋塊，如圖5所示。其中，大頭卡道的縫隙寬度W和換向擋塊的伸出長(zhǎng)度L直接關(guān)系到套管方向調(diào)節(jié)。

圖5 第1導(dǎo)向組

其中，W值考慮套管外周直徑大小，根據(jù)套管直徑參數(shù)確定為5.5≤W≤8.5；L值的小大直接影響套管調(diào)整效果，套管高度為14mm，套管端蓋厚度為h，則L值需大于14-h(mm)。該部分工作過(guò)程示意圖如圖5(c)所示，其主要功能為沿逆時(shí)針?lè)较蛘{(diào)整套管，使得套管旋轉(zhuǎn)90°。

2.2.2 定向換向組

定向換向組主要包括定向調(diào)整缺口、V型槽(見(jiàn)圖6)圓和弧軌道。

圖6 V型槽設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選擇使用開(kāi)口為90°的V型槽，其兩側(cè)受力情況相同，利于套管滑落。根據(jù)圖6(a)分析可得：∠BOA=∠BAO=45°，當(dāng)V型槽的寬度L滿足L≥2AB時(shí)，可完全包覆套管。設(shè)計(jì)中，選擇L=2AB=R=8mm，R為套管大頭直徑。為簡(jiǎn)便計(jì)算過(guò)程，將套管理想成粗細(xì)均勻的圓柱，理性模型受力情況如圖6所示。列受力分析公式為

FN1·cos45°+FN2·cos45°=mg

μ·(FN1+FN2)=Ff

mg·sinθ-Ff=ma

該部分設(shè)計(jì)要求為：即使震動(dòng)裝置停止工作，運(yùn)動(dòng)至V型槽的套管能夠自行滑落至圓弧軌道。所以，a≥0，得

θ≥arcsin(μcos45°)

查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，不銹鋼與塑料間的摩擦因數(shù)為0.76，即μ=0.76。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：θ≥32.5°，取θ=35°。

圓弧滑道的設(shè)計(jì)要求較為寬泛，只需承載套管并輔助套管滑落至出料口附近即可。圖7(a)、(b)分別為套管在V型槽和圓弧滑道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖。

1 .V型槽陋就簡(jiǎn) 2.圓弧滑道

3 工作性能試驗(yàn)與分析

套管輸出的穩(wěn)定性直接關(guān)系到嫁接機(jī)的實(shí)際工作性能，因此研究震動(dòng)輸送裝置的工作性能參數(shù)至關(guān)重要。實(shí)際工作中，不同的振幅會(huì)導(dǎo)致套管的輸出連續(xù)性和輸出穩(wěn)定性發(fā)生變化。進(jìn)行試驗(yàn)之前，通過(guò)簡(jiǎn)單試驗(yàn)直接觀察可知：當(dāng)輸入電壓小于170V時(shí)，套管輸出接近停滯狀態(tài)，套管不能有效地從料斗內(nèi)沿螺旋升道上升；當(dāng)電壓大于200V時(shí)，頻率過(guò)大導(dǎo)致套管行進(jìn)至出料口時(shí)發(fā)生明顯跳動(dòng)，輸出穩(wěn)定性差。因此，確定試驗(yàn)電壓范圍為170～200V。

套管輸出的連續(xù)性可以通過(guò)記錄相鄰兩個(gè)套管輸出的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行評(píng)判，時(shí)間相差越短，則表示套管輸出越趨于連續(xù)；穩(wěn)定性則可以通過(guò)套管輸送過(guò)程中的時(shí)間差的變異系數(shù)來(lái)考察[7]。變異系數(shù)表征考察變量的離散程度，變異系數(shù)越大，表示該指標(biāo)的離散程度越大，越不穩(wěn)定。本次試驗(yàn)中，套管輸出時(shí)間差作為被考察變量，該變異系數(shù)表明套管輸出的穩(wěn)定性，希望變異系數(shù)越小越好。

試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字穩(wěn)壓控制器旋鈕獲得不同的輸入電壓。通過(guò)智能手機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，觀察視頻中套管掉落的時(shí)間點(diǎn)，并用數(shù)字秒表記錄不同電壓下掉落100個(gè)套管的時(shí)間間隔時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)電壓設(shè)定值下重復(fù)進(jìn)行2次試驗(yàn)，分別計(jì)算相應(yīng)的套管輸出時(shí)間變異系數(shù)Cv和套管輸出時(shí)間間隔平均值T，再取2次測(cè)定的平均值作為該電壓控制下的套管輸出性能指標(biāo)。變異系數(shù)為

(1)

(2)

式中 Cv—套管輸出時(shí)間變異系數(shù)；

S—試驗(yàn)樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

△ti—相鄰兩個(gè)套管輸出時(shí)間差；

n—兩套管輸出時(shí)間間隔數(shù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)記錄，整理出實(shí)驗(yàn)中從170～200V各電壓段時(shí)震動(dòng)輸送裝置的工作性能參數(shù)，分別包括兩次落下100個(gè)套管的總時(shí)間平均數(shù)T和對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔的變異系數(shù)Cv，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析

圖8顯示：當(dāng)電壓從170V逐漸升高至200V的過(guò)程中，套管輸出穩(wěn)定性先升高后降低，當(dāng)電壓達(dá)到180V時(shí)，其輸出穩(wěn)定性最高；電壓170～200V之間時(shí)，套管輸出時(shí)間整體較為平穩(wěn)且逐漸縮短，輸出最穩(wěn)定時(shí)其輸出速度為70.66s/100個(gè)，合85個(gè)/min，可以滿足后續(xù)嫁接機(jī)對(duì)該裝置的效率要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種專門進(jìn)行套管定向排列輸出的震動(dòng)輸送裝置，其可使套管在振動(dòng)盤中有序排列和輸出，為后續(xù)嫁接機(jī)器對(duì)套管的拾取提供了必要條件。

2)震動(dòng)輸送裝置的性能試驗(yàn)表明：當(dāng)電壓為185V時(shí)，套管輸出最為平穩(wěn)；當(dāng)電壓在170～200V區(qū)間內(nèi)時(shí)，輸出速度逐漸升高，輸出最為平穩(wěn)時(shí)的輸出速度為85個(gè)/min，能夠滿足后續(xù)自動(dòng)嫁接機(jī)器的嫁接效率要求。

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The Design and Test of Casing Vibration Conveying Device

Zhang Wenbo, Zhang Tiezhong, Chu Jia, Zhang Libo, Liu Zhan, Kong Yanshan

(College of Engineering , China Agricultural University,Beijing 100083,China)

In order to design a new type of high speed automatic grafting machine, we try to use tube as the fixture, and designed a kind of casing vibration conveying device.This kind of device could make the disordered tube orderly arranged in the same direction and conveyed to the desired location.Based on the study of the structure of the device, selected the very tube as test object, the voltage as the only variable, to make a test on this device and get the coefficient of variation as the evaluation index.The results show that this device will run smooth and steady when the voltage is 185V , the outputting efficiency is 85 pieces/min.The device could satisfy basic requirements of high speed atuomatic grafting machine.

automatic grafting; vibration plate; vibration voltage; outputting speed

2016-03-29

國(guó)家高技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA10A506-2)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303014-09)

張文波(1991-)，男，內(nèi)蒙赤峰人，碩士研究生，(E-mail)zwbwork@126.com。

張鐵中(1957-)，男，河北邢臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zhangtz56@163.com。

S223.1；S220.3

A

1003-188X(2017)04-0068-05