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        西瓜直插式嫁接砧木夾持與壓苗機構(gòu)設(shè)計與試驗*

        2021-02-22 10:32:36王景政張秀花陳金明
        中國農(nóng)機化學(xué)報 2021年1期
        關(guān)鍵詞:壓輥墊塊子葉

        王景政,張秀花,陳金明

        (河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)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(zhì)、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(yuǎn),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(nèi)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(dá)800株/h和95%[12]。國內(nèi)浙江大學(xué)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(yīng)壓持機構(gòu)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(xué)楊艷麗等[16]采用砧木子葉氣吸夾代替壓苗機構(gòu),利用氣力吸附砧木子葉;東北農(nóng)業(yè)大學(xué)姜凱等采用彈性夾持,夾口采用仿形設(shè)計、剛性加緊及可更換式;華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(gòu)對砧木進行夾持,對砧木苗損傷過大。這些砧木夾持機構(gòu)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(shè)計一種西瓜直插式嫁接砧木夾持與壓苗機構(gòu),首先對砧木苗物理特性進行測量,并對氣囊式夾持機構(gòu)與雙壓輥式壓苗機構(gòu)進行設(shè)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(xué)特性,為保證設(shè)計的砧木夾持與壓苗機構(gòu)能夠精準(zhǔn)地完成砧木夾持、壓苗工作,需要對砧木苗相關(guān)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(guān)幾何參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。

        (a) 砧木苗主視圖

        表1 砧木苗相關(guān)幾何參數(shù)測量結(jié)果

        1.2 砧木苗力學(xué)特性

        據(jù)研究證明,當(dāng)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(dá)到20%時受到的壓縮力設(shè)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(dá)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(gòu)設(shè)計

        插接法嫁接要求砧木苗夾持位置準(zhǔn)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(gòu)主要包括氣囊式夾持機構(gòu)與雙壓輥式壓苗機構(gòu),如圖3所示。

        圖3 砧木夾持與壓苗機構(gòu)

        2.1 氣囊式夾持機構(gòu)

        氣囊式夾持機構(gòu)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(zhǔn)確性與可靠性。氣囊本身結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、無需復(fù)雜的參數(shù)計算和結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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(gòu)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(gòu)

        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(gòu)對砧木苗實現(xiàn)了橫向定位,從而實現(xiàn)砧木苗準(zhǔn)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(nèi)置凹槽中自由滑動,由安裝在支撐臂底部側(cè)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(gòu)卸苗。

        圖5 氣囊局部放大圖

        2.2 雙壓輥式壓苗機構(gòu)

        壓苗機構(gòu)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(xué)樓建忠教授[13-15]的基礎(chǔ)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(shè)了一組后壓輥并改變了壓輥材料,雙壓輥式壓苗機構(gòu)如圖6所示。

        圖6 雙壓輥式壓苗機構(gòu)

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

        根據(jù)砧木子葉寬度最大值27.94 mm,設(shè)定墊塊的寬度為30 mm。根據(jù)砧木子葉平均長度45 mm,設(shè)定墊塊的長度L4=30 mm。根據(jù)接穗葉寬最大值12.96 mm,設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)定DD1的長度為6 mm。為防止壓緊機構(gòu)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(guān)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(gòu)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(guān)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(yīng)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(fù)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(yù)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(dǎo)致子葉根部折斷,N點過高將導(dǎo)致N點附近曲線曲率過大導(dǎo)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(gòu)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(shè)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(dá)到了最大變形量。前置墊塊采用貼合砧木子葉設(shè)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(zhuǎn)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(gòu)通過固定在氣缸支架上的雙軸氣缸進行驅(qū)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(zhuǎn)動,壓輥由壓縮性小、密度大的橡膠圈內(nèi)嵌一根不銹鋼的毛細(xì)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(dá)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(xué)角度分析,當(dāng)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(jié)構(gòu)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(guān)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(gòu)運動仿真分析

        壓苗機構(gòu)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(shè)定壓苗機構(gòu)在1 s內(nèi)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(shè)定運行速度為40~60 mm/s。利用ADAMS軟件對壓苗機構(gòu)在選定速度范圍內(nèi)進行運動仿真,觀察壓輥的速度與位移,檢測機構(gòu)運行是否穩(wěn)定。

        3.1 三維模型的建立與導(dǎo)入

        利用SolidWorks繪制壓苗機構(gòu)的各個零件,并進行裝配。將裝配體保存成x_t格式,導(dǎo)入ADAMS軟件中。

        3.2 運動副、驅(qū)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(zhì)量改為20 g。首先添加彈簧剛度系數(shù)為0.56 N/mm,預(yù)載荷為0.03 N,預(yù)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(gòu)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(shè)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(jié)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(diào)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(dá)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(zhì)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(yīng)的仿真時間依次為0.375 s、0.3 s、0.25 s。通過改變驅(qū)動的速度,并添加相應(yīng)的時間后,得出結(jié)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(shè)計的左右壓臂運動形式相同,結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)運行平穩(wěn),壓臂所受沖擊力能夠較好地緩解。在調(diào)節(jié)氣缸速度時,將其速度設(shè)置為40~60 mm/s,機構(gòu)能夠平穩(wěn)運行。

        4 砧木夾持與壓苗機構(gòu)試驗

        4.1 試驗?zāi)康?/h3>

        夾持與壓苗機構(gòu)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(zhǔn)。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(gòu)在壓苗時,不僅要保證壓苗的準(zhǔn)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(gòu)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(gòu)中,啟動氣囊式夾持機構(gòu)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(gòu)進行壓苗,壓苗試驗如圖14(b)所示。

        (a) 夾持試驗

        4.3 試驗結(jié)果與分析

        試驗結(jié)果如表3所示。

        根據(jù)試驗結(jié)果可知,砧木苗定位準(zhǔn)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(dá)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(gòu)設(shè)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(jié)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(shè)計了一種砧木夾持與壓苗機構(gòu),通過采用氣囊式夾持機構(gòu)和雙壓輥式壓苗機構(gòu),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(gòu)能夠平穩(wěn)運行,應(yīng)用ADAMS軟件對雙壓輥式壓苗機構(gòu)進行了運動學(xué)仿真,結(jié)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(gòu)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(gòu)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。

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