摘 要：【目的】油茶種植具有良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，在近年來得到快速發(fā)展。油茶芽苗嫁接可顯著降低種植成本，已成為油茶良種苗的主要來源，但傳統(tǒng)手工嫁接作業(yè)質(zhì)量可控性較差，成本高，且現(xiàn)有油茶苗木嫁接裝置苗木機(jī)械損傷率高，限制了其推廣應(yīng)用。本研究設(shè)計(jì)了一種電機(jī)驅(qū)動、苗木損傷率低的油茶苗自動嫁接成型裝置從而推動油茶種植業(yè)的持續(xù)發(fā)展?！痉椒ā勘狙芯炕诩藿釉矸治龊图藿恿鞒檀_定，依據(jù)隨機(jī)取樣所得的砧木和穗木幾何參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件，包括夾持固定、劈切拉削和對中裝置。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，使用Abaqus軟件對嫁接過程中苗木的對中進(jìn)行了動力學(xué)仿真。此外，本研究還結(jié)合Design Expert軟件建立了響應(yīng)面和多目標(biāo)優(yōu)化模型，對嫁接過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。【結(jié)論】動力學(xué)仿真結(jié)果顯示，在嫁接過程中砧木的最大變形量為0.416 5 mm，確定苗夾直徑的尺寸為3.0～3.7 mm，對中后砧木的平均偏移量為0.066 7 mm，占其軸徑的2.7%，顯示出良好的對中穩(wěn)定性和嫁接質(zhì)量保證。參數(shù)優(yōu)化分析確定了對中過程的最佳嫁接速度為30.52 mm/s，最佳嫁接深度為53.55%和較佳苗木開口角度為6.89°?！窘Y(jié)果】本研究所設(shè)計(jì)的裝置采用多個電缸聯(lián)合驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了對油茶苗木的自動嫁接、降低了苗木對中損傷率，可為油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持，也能為其他農(nóng)林植物自動化嫁接裝置的設(shè)計(jì)提供思路。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；油茶苗嫁接；自動嫁接技術(shù)；動力學(xué)仿真

中圖分類號：S776.27+9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-923X（2025）02-0202-14

基金項(xiàng)目：“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD2202100）。

Design and processing parameter optimization of automatic grafting machine for oil tea seedling

YANG Chunmei1， SHAN Chongyang1， ZHOU Jianbo2， WU Xiaofeng2， ZHANG Beihang2， LI Quangang2， YI Honglei2， LI Zhiru2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150006， Heilongjiang， China； 2. Harbin Research Institute of Forestry Machinery， National Forestry and Grassland Administration， Harbin 150086， Heilongjiang， China）

Abstract：【Objective】Oil tea cultivation offers significant economic and ecological benefits and has seen rapid growth in recent years. Traditional manual grafting of oil tea scions is costly， with low controllability of quality， while existing oil tea seedling grafting devices cause high mechanical damage to seedlings， limiting their application. This paper introduces a motor-driven automatic grafting and shaping device for oil tea seedlings with a low damage rate， propelling the continuous development of the oil tea industry.【Method】The paper is grounded on an analysis of the grafting principle and selection of the grafting process. Key components such as clamping and fixing， cutting and shaving， and a centering apparatus are formulated based on geometrical parameters obtained from random samples of rootstocks and scions. To assess the design’s validity， the Abaqus software simulates the dynamics of seedling centering during grafting. Furthermore， a response surface and a multi-objective optimization model were established using Design Expert software to optimize key parameters in the grafting process.【Conclusion】Dynamical simulation results indicated that the maximum deformation of rootstocks during grafting is 0.416 5 mm， with seedling clamp diameter ranging from 3.0-3.7 mm. The average offset of rootstocks post-centering is 0.066 7 mm， 2.7% of their axial diameter， demonstrating the device’s excellent stability and grafting quality assurance. Optimal centering speed， grafting depth， and seedling opening angle of 30.52 mm/s， 53.55%， and 6.89° were identified， respectively.【Results】The device designed in this study uses multiple electric cylinders to automate the grafting of oil tea seedlings， reducing the centering damage rate and providing technical support for the advancement of the oil tea industry. It also offers insights for the design of automated grafting devices for other agricultural and forestry plants.

Keywords： agricultural machinery； oil tea seedlings grafting； automatic grafting technique； dynamic simulation

油茶作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，在中國南方地區(qū)廣泛種植。國家林業(yè)和草原局要求2023—2025年完成新增油茶種植127.8萬hm2、改造低產(chǎn)林85.06萬hm2；到2025年全國油茶種植面積達(dá)到600萬hm2以上、茶油產(chǎn)能達(dá)到200萬t的發(fā)展目標(biāo)[1]。在油茶產(chǎn)業(yè)中，優(yōu)質(zhì)種苗的選育和繁育是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，而遺傳優(yōu)良的品種則是推動產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的核心要素[2]。對油茶幼苗進(jìn)行遺傳優(yōu)化處理可獲得抗逆性強(qiáng)、生長快、根系發(fā)達(dá)的優(yōu)質(zhì)苗木，造林成活率可達(dá)90%以上，油茶芽苗嫁接苗可降低油茶種植損耗，提升經(jīng)濟(jì)效益，已成為油茶良種苗的主要來源[3]。而傳統(tǒng)的油茶苗手工嫁接效率低、作業(yè)者勞動強(qiáng)度大、作業(yè)質(zhì)量可控性較差、較依賴者經(jīng)驗(yàn)，限制了油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。

由于油茶尚未在國外廣泛普及和發(fā)展，目前主流苗木自動嫁接裝置多應(yīng)用于茄科、葫蘆科的蔬菜苗木上，針對油茶苗木嫁接的相關(guān)研究相對較少。國內(nèi)的研究人員針對我國油茶產(chǎn)業(yè)需求，開發(fā)了一些自動化嫁接裝置，以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。吳曉峰等[5]研制的BYJ-600型油茶苗木自動嫁接設(shè)備首次利用硅膠套管對苗木進(jìn)行固定，解決了劈接法在自動嫁接中的技術(shù)難題。而后在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了苗木固定裝置，推出了BYJ-800型設(shè)備，提高了苗木嫁接的穩(wěn)定性。上述工作能有效實(shí)現(xiàn)油茶苗木的自動嫁接，對油茶苗木嫁接技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。但這些自動嫁接設(shè)備均采用氣動和電動結(jié)合的動力源配合方法，嫁接精度較差、對中過程中苗木的機(jī)械損傷率高，設(shè)備故障排除和維護(hù)保養(yǎng)也存在一定困難[6]。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、苗木損傷率低、自動嫁接成型的油茶苗嫁接裝置，對于提高油茶苗嫁接的成活率和生長率、保證嫁接后的苗木品質(zhì)和產(chǎn)量、減少人工勞動、降低生產(chǎn)成本和促進(jìn)油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義[7]。

本研究在分析油茶苗木嫁接原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單、嫁接損傷率低的油茶苗木自動嫁接成型裝置。采用多個電缸聯(lián)合驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對苗木的自動嫁接，有效簡化了嫁接裝置結(jié)構(gòu)。 采用有限元仿真技術(shù)對嫁接裝置嫁接過程的應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，結(jié)合響應(yīng)面法對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究成果有望顯著降低油茶苗木的對中機(jī)械損傷和嫁接成本，推動油茶產(chǎn)業(yè)和自動化嫁接技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

1 油茶苗嫁接方案及裝置總體結(jié)構(gòu)

1.1 油茶苗嫁接方法

確定油茶苗的嫁接方法及流程是研制油茶苗木自動嫁接成型裝置的基礎(chǔ)。如圖1所示，油茶苗木嫁接方法可根據(jù)接穗種類分為枝接與芽接，芽接是一種利用茶樹芽眼進(jìn)行嫁接的方法，通常適用于茶樹生長季節(jié)的早期[8]。枝接是一種利用茶樹枝條進(jìn)行嫁接的方法，通常適用于較大的茶樹分枝或樹干[9]。

芽接法雖然對砧木的傷害較小，但機(jī)械化選擇健康芽眼的操作需要極高的精度[10]。常見的枝接方法有插皮接、腹接、劈接等。其中，插皮接法形成層貼合緊密，但機(jī)械化剝皮操作難以實(shí)現(xiàn)。腹接法接觸面積較大，但只能依靠傳統(tǒng)膠帶進(jìn)行固定，而自動化操作膠帶的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。針對油茶幼苗的嫁接，劈接法是最適合機(jī)械化嫁接的方法，實(shí)現(xiàn)其操作所需的結(jié)構(gòu)簡單，且對幼苗的傷害小，成品苗的形成層貼合面積大[11]，因此本研究選用劈接法作為油茶苗木的嫁接方法。

1.2 油茶苗木品種及參數(shù)

油茶苗木的品種和參數(shù)對嫁接成功率和成型質(zhì)量有重要影響[12]。本研究選擇‘長林53號’油茶苗木，該品種具有較好的生長特性和抗逆性，適用于嫁接。砧木是嫁接的基礎(chǔ)，莖直徑和形態(tài)特征直接影響嫁接成功率。穗木則是提供芽的部分，其軸徑和健康狀況決定了嫁接后的生長情況。砧木采用發(fā)芽出土15 d并清洗干凈沙土的幼苗，穗木選用當(dāng)年抽生的半木質(zhì)化且擁有飽滿芽的春梢。隨機(jī)抽取100個符合要求的砧木與穗木樣本，利用游標(biāo)卡尺對砧木以及穗木的兩端軸徑進(jìn)行測量，圖2為砧木與穗木的幾何特征。根據(jù)測量結(jié)果可知，砧木軸徑ΦA(chǔ)的平均值為3.16 mm，軸徑ΦB為2.87 mm，穗木的平均軸徑ΦC為2.75 mm，軸徑ΦD為2.21 mm。

1.3 油茶苗自動嫁接流程

在設(shè)計(jì)自動嫁接成型裝置時，需要根據(jù)苗木的幾何形態(tài)參數(shù)來確定夾持固定、劈切與拉削裝置。夾持裝置需要能夠穩(wěn)固地夾持砧木和穗木，以確保砧木與穗木在嫁接過程中的穩(wěn)定性。劈切裝置需要根據(jù)砧木和穗木的軸徑大小來設(shè)計(jì)合適的刀具尺寸和位置，以確保嫁接表面的平整以及配對的準(zhǔn)確性。嫁接過程中砧木開口角度的選擇也十分重要，適中的角度有助于提高嫁接成功率和成型后的形態(tài)美觀。拉削裝置則需要根據(jù)穗木的軸徑來調(diào)節(jié)，確保拉削后的穗木能夠完全嵌入砧木內(nèi)部，以促進(jìn)嫁接苗的愈合和生長。人工進(jìn)行油茶劈接法嫁接時需先固定砧木和穗木，工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在砧木中心劈切出合適創(chuàng)口，將穗木一端拉削為楔形，使砧木創(chuàng)口與其緊密貼合，最后用苗木夾固定連接處即可。

在設(shè)計(jì)自動化嫁接裝置時，結(jié)合嫁接原理和工人操作經(jīng)驗(yàn)，確保裝置能夠有效地模擬和實(shí)現(xiàn)人工嫁接過程中的關(guān)鍵步驟和技術(shù)要求。結(jié)合嫁接原理和人工嫁接流程，確定的劈接法油茶苗自動嫁接流程如圖3所示，該流程降低了人工操作的繁重程度和人為操作誤差而導(dǎo)致的失敗率，降低了勞動強(qiáng)度，提高了嫁接的成功率和嫁接苗質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)操作，確保每株苗木的嫁接質(zhì)量相對穩(wěn)定，減少質(zhì)量波動。

1.4 自動嫁接裝置總體結(jié)構(gòu)

在確定嫁接方法及流程的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)的自動嫁接裝置如圖4所示，主要包括以下幾個部分：機(jī)架、砧木苗座、砧木苗循環(huán)鏈、穗木苗座、穗木苗循環(huán)鏈、砧木劈切裝置、拉苗裝置、對中裝置和控制柜。這些部分共同組成一個完整的自動化嫁接系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)油茶苗木的自動化嫁接。機(jī)架是整個自動嫁接裝置的支撐結(jié)構(gòu)，需具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以確保嫁接過程中精確操作的穩(wěn)定性。砧木苗座和穗木苗座是用于放置和固定砧木和穗木的裝置，需有效夾持苗木且不造成苗木損傷，以確保送苗過程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。循環(huán)鏈?zhǔn)怯糜趯⒚缒緩募藿游恢幂斔椭料乱粋€嫁接位置的鏈?zhǔn)絺鬏斞b置，確保連續(xù)嫁接過程的高效性。砧木劈切裝置用于在砧木上形成規(guī)定深度的切口，為穗木的插入提供合適的空間和位置。拉苗裝置將穗木拉削成預(yù)定的形狀和大小，使其適合插入劈開的砧木中，確保嫁接過程的順利進(jìn)行。對中裝置用于確保砧木和穗木在嫁接過程中的精確對位和插接，提高嫁接的成功率。控制柜是整個自動嫁接裝置的控制中心，實(shí)現(xiàn)自動化嫁接的全過程管理和控制。

2 自動嫁接裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

在確定自動嫁接方案和裝置總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本節(jié)將結(jié)合嫁接過程，分別設(shè)計(jì)苗木固定底座、砧木劈切裝置、拉苗對中裝置、上夾取苗裝置等關(guān)鍵部件。

2.1 苗木固定底座

油茶苗自動嫁接的初始上苗階段需依靠工人手動將砧木與穗木放置于固定底座上；因此，設(shè)計(jì)的苗木固定底座需具備足夠的穩(wěn)固性，能可靠固定苗木，防止在嫁接過程中出現(xiàn)晃動或移位；同時能適應(yīng)不同大小的苗木，保持合適的固定程度，避免對夾持苗木的部位過度擠壓從而造成損傷，以確保嫁接苗的健康生長[13-14]。本研究設(shè)計(jì)的苗木固定底座如圖5所示，圖5（a）為穗木苗固定底座，圖5（b）為砧木苗固定底座。苗木固定底座采用橡膠塊和彈簧進(jìn)行固定，能提供穩(wěn)定的夾持和較好的緩沖效果，有效避免對苗木造成損傷，同時通過調(diào)整橡膠塊和彈簧以適應(yīng)不同尺寸和形狀的苗木。

橡膠塊質(zhì)量取23.5 g，苗木質(zhì)量取最大6 g，苗木軸徑取最小1.5 mm，代入式中可得，彈簧彈性系數(shù)k需大于284.2 N/m。根據(jù)彈性系數(shù)對彈簧進(jìn)行選型，綜合成本與底座的尺寸結(jié)構(gòu)，選擇大徑為13.5 mm，小徑為12 mm，有效圈數(shù)為15的不銹鋼彈簧，計(jì)算k值為5 687.6 N/m，可滿足苗座的初步固定要求。

2.2 砧木劈切裝置

劈切后的創(chuàng)口應(yīng)平整、整齊，無毛刺和裂縫，以確保創(chuàng)口質(zhì)量符合嫁接的要求[17]；因此，砧木劈切裝置需具有足夠的穩(wěn)定性和精度，劈刀應(yīng)選擇耐磨、耐腐蝕的材料[18]。砧木劈切裝置主要由夾持電爪、劈刀旋轉(zhuǎn)電缸、電爪升降電缸、劈刀升降滑臺、劈刀及其連接套件組成，如圖6所示。劈刀由緊定軸套與連接架連接在旋轉(zhuǎn)電缸上，旋轉(zhuǎn)電缸與夾持電爪分別通過支架固定在相應(yīng)的升降滑臺上。2個升降滑臺通過一塊無動力支撐架共同固定在平移滑臺的定子滑塊上。劈刀采用W6Mo5Cr4V2高速鋼，長度L1為20 mm，刀具與苗木成角θ為53.75°[19]。

在工作時，劈刀與夾持電爪通過平移滑塊移動至砧木苗底座正上方。夾持電爪通過電爪升降滑臺垂直下落至橡膠塊外側(cè)位置，對砧木苗進(jìn)行切削夾緊，保證切削穩(wěn)定進(jìn)行。劈刀在砧木夾緊后，通過劈刀升降滑臺完成垂直的劈切動作。劈刀劈開砧木后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動劈刀在苗內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定角度，此角度會影響砧木開口大小，旋轉(zhuǎn)后即完成砧木苗的劈切動作。

2.3 拉苗對中裝置

拉苗對中裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保穗木與砧木在嫁接過程中能準(zhǔn)確對中。穗木與砧木的尺寸相差不大，故采用相似的固定底座與夾緊電爪結(jié)構(gòu)，穗木拉削相較砧木劈切需更長的刀具水平位移距離，選擇將穗木苗座安置在對中軌道上使其接近砧木苗完成對中插接。本研究設(shè)計(jì)的拉苗對中裝置如圖7所示，主要由對中軌道、拉苗電爪、穗木苗座、穗木苗座推桿、拉削刀具及連接套件構(gòu)成。其中，苗座設(shè)計(jì)為帶孔滑塊狀安裝在對中軌道上，在軌道上被苗座推桿連接驅(qū)動進(jìn)行水平位移，穗木苗夾持電爪和苗座推桿通過支架連為一體，并通過鋁制支臂固定于電爪升降滑臺上，電爪升降滑臺被固定板連接在滑塊定子上，此定子與砧木劈切裝置的滑塊定子位于同一水平導(dǎo)軌上。

拉苗對中裝置工作時，穗木苗夾持電爪由電缸驅(qū)動下降至橡膠塊上，推桿隨夾持電爪同步插入苗座滑塊口中，而后穗木苗夾持電爪閉合夾緊，夾緊后對稱的兩把拉苗刀對準(zhǔn)穗苗中部后垂直向下運(yùn)動，拉刀移動定子向砧木苗座方向移動，此過程中兩把刀勻速縮進(jìn)合并，完成拉削動作后刀具上升復(fù)位。穗木苗成型后電爪移動定子繼續(xù)向砧木苗座方向端移動直至穗木插入砧木完成對中結(jié)合。

2.4 上夾取苗裝置

上夾取苗裝置主要由取成品苗旋轉(zhuǎn)夾持電爪、取成品苗升降滑臺、取苗夾旋轉(zhuǎn)夾持電爪、取苗夾升降滑臺、取成品苗移動定子、取苗夾移動定子以及平移滑臺構(gòu)成，如圖8所示。取苗夾移動定子與取成品苗移動定子位于同一水平的平移滑臺上。在工作時首先取苗夾升降滑臺向下移動100 mm，使接收苗夾與嫁接苗接觸；隨后取苗夾旋轉(zhuǎn)夾持電爪閉合至19 mm進(jìn)行微夾苗夾，取苗夾升降電爪滑臺向上移動100 mm，與嫁接苗處于同一水平；然后取苗夾旋轉(zhuǎn)夾持電爪旋轉(zhuǎn)90°并閉合8 mm，使苗夾張開，開口朝向滑軌內(nèi)側(cè)。到達(dá)工位后，張開20 mm并松開苗夾，然后回到原點(diǎn)；最后，取成品苗旋轉(zhuǎn)夾持電爪閉合拾取成品苗，其移動定子向滑軌外側(cè)方向移動至出成品苗工位，在此過程中取成品苗電爪旋轉(zhuǎn)以使開口朝向地面，張開電爪進(jìn)行扔苗后即完成取出成品苗的過程。

3 自動嫁接裝置仿真分析

在建立自動嫁接裝置的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件對嫁接過程進(jìn)行仿真分析，研究嫁接過程中的變形及應(yīng)力分布情況，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化嫁接工藝參數(shù)，改善嫁接效果。

3.1 苗木仿真模型建立

與人工嫁接相比，自動嫁接裝置難以實(shí)現(xiàn)對嫁接力度與位置的精確控制，且油茶嫁接苗多為新生苗，相較老樹較為柔軟，機(jī)械對中會在嫁接苗內(nèi)部產(chǎn)生一定形變、應(yīng)力以及對中軸線的偏移，形變應(yīng)力過大會造成苗木內(nèi)部損傷，從而影響嫁接苗成活率。為探究機(jī)械對中過程中產(chǎn)生的應(yīng)力對嫁接苗質(zhì)量的影響，需對苗木對中過程進(jìn)行仿真分析。

初步設(shè)計(jì)砧木和穗木仿真模型尺寸，如圖9所示。砧木和穗木軸徑采用2.1節(jié)中的測量數(shù)據(jù)，開口角度為刀具切角，使用Soildworks建立三維模型，導(dǎo)入Abaqus對苗木對中插接過程進(jìn)行仿真分析，木苗材料密度設(shè)置為7.52×10-10 t/mm3，屈服應(yīng)力為2.62 MPa，各向異性材料參數(shù)如表1所示[20-21]。建立模型后，對苗木模型進(jìn)行裝配，為減少仿真計(jì)算量，以砧木和穗木初始接觸為仿真起點(diǎn)位置（圖9），嫁接最大深度為4.46 mm，采用顯示動力學(xué)進(jìn)行求解。為模擬穗木被夾持移動過程以及砧木被夾持固定過程，先對2個模型進(jìn)行切分與網(wǎng)格劃分，砧木苗共建立37 731個網(wǎng)格，57 315個節(jié)點(diǎn)，穗木苗共建立23 631個網(wǎng)格，5 006個節(jié)點(diǎn)，接觸類型選擇表面與表面接觸，接觸面摩擦系數(shù)為0.62[22]。

3.2 仿真結(jié)果

苗木的嫁接動力主要來自電缸模組，電缸速度取600 mm/s，仿真時間設(shè)置為0.007 43 s，其中砧木因開口部位特征，在嫁接過程中易發(fā)生大的變形和嚴(yán)重的應(yīng)力集中，應(yīng)作為主要分析對象。砧木的位移應(yīng)力云如圖10所示。

由圖10a可以看出，在插接過程中砧木開口部位向兩側(cè)迅速擴(kuò)張，在實(shí)際插接中，砧木軸面還會受到苗夾帶來的約束力限制，在本次仿真中沒有涉及。砧木的徑向變形量與苗夾規(guī)格選型相關(guān)，若苗夾規(guī)格過小，則約束力較大，導(dǎo)致軸面應(yīng)力值較大，開口部位受壓變形嚴(yán)重，易產(chǎn)生斷裂；苗夾規(guī)格過大將導(dǎo)致夾持可靠性差。因此，需根據(jù)砧木最大變形量確定苗夾規(guī)格；由圖10a可知，最大變形量為0.416 5 mm，結(jié)合砧木軸徑，可選直徑為3.0～3.7 mm的苗夾。砧木的變形還會直接影響嫁接接合面的緊密程度，變形量過大甚至?xí)?dǎo)致接合面之間存在較大空隙，延緩嫁接部位的愈合，顯著降低嫁接的穩(wěn)定性和質(zhì)量。但若變形量過小，則其對穗木的夾緊力小，導(dǎo)致接合處不穩(wěn)固容易產(chǎn)生偏移。由此可見，砧木的變形量是否合適需根據(jù)各方面受力狀態(tài)進(jìn)行綜合評估。圖10b為砧木的應(yīng)力云圖，由于應(yīng)力幅值跨度較大，因此在云圖色譜中分段表示最大應(yīng)力值和均布應(yīng)力值?？梢钥闯觯诓褰硬课粦?yīng)力均值為0.2 MPa，該應(yīng)力值也同樣作用于穗木上，可以反映夾緊程度。在開口最深處邊界部位發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力均值為0.34 MPa，部分區(qū)域產(chǎn)生很大應(yīng)力，最大可達(dá)7.298 MPa，此時該區(qū)域受力可能已超過材料屈服應(yīng)力值，將發(fā)生嚴(yán)重變形。與鋼材的塑性變形不同，這種變形沿纖維方向產(chǎn)生裂紋損傷甚至斷裂，在嫁接過程中應(yīng)盡量避免，否則將嚴(yán)重影響嫁接的穩(wěn)定性和成活率。

嫁接的對中穩(wěn)定性也是一個重要指標(biāo)，在插接過程中，穗木受砧木擠壓接觸影響產(chǎn)生形變，軸心會發(fā)生一定的偏移，如圖11所示為本次仿真選取穗木小端截面10處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)計(jì)算位移量。查詢?nèi)≈等绫?所示，在插接過程中最大偏移量為0.069 474 8 mm，發(fā)生在小端邊線點(diǎn)位；最小偏移量為0.050 448 8 mm，發(fā)生在中下部位置，平均偏移量為0.066 7 mm，穗木平均軸徑為2.48 mm，偏移量約占軸徑的2.7%。因此，在保證電缸滑臺精度的前提下，嫁接過程中軸心偏移量較小，對嫁接成活率和苗木品質(zhì)的影響較小。這表明設(shè)計(jì)的對中裝置能有效控制應(yīng)力，不會對砧木造成明顯損傷。

3.3 基于響應(yīng)面法的嫁接工藝參數(shù)優(yōu)化

仿真分析結(jié)果表明，砧木主要變形區(qū)存在局部破壞和嚴(yán)重應(yīng)力集中，可能會對嫁接過程的穩(wěn)定性帶來不利影響。因此，需對工藝參數(shù)及砧木結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減小接觸應(yīng)力。本節(jié)將采用響應(yīng)面分析方法，研究嫁接速度、嫁接深度和砧木開口角度3個因素對砧木主變形區(qū)4個關(guān)鍵受力點(diǎn)應(yīng)力的影響規(guī)律，在得到回歸方程的基礎(chǔ)上，利用Design Expert軟件建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，最終確定嫁接速度、嫁接深度和砧木開口角度的較優(yōu)參數(shù)。

本研究選取的砧木主變形區(qū)關(guān)鍵受力點(diǎn)如圖12所示。其中，A點(diǎn)為砧木梯形開口短邊端點(diǎn)，共有4個，在仿真中取4點(diǎn)均值進(jìn)行響應(yīng)面分析；B點(diǎn)為砧木梯形開口長邊邊線上的點(diǎn)，是最初與穗木的接觸點(diǎn)，取邊上各點(diǎn)應(yīng)力均值作為分析要素；C點(diǎn)為梯形開口短邊邊線上的點(diǎn)，是應(yīng)力集中最顯著的區(qū)域，取最大值為分析要素；D點(diǎn)為穗木在插接過程中與砧木的最大應(yīng)力接觸點(diǎn)。為降低苗木的機(jī)械損傷，A、B、C點(diǎn)應(yīng)力值應(yīng)盡可能小，而D點(diǎn)作為砧木與穗木的夾緊應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)在損傷范圍內(nèi)盡可能大，以提升苗木對中后的穩(wěn)定性，所有點(diǎn)位均以應(yīng)力值作為輸出。在Design Expert中設(shè)置共計(jì)20組試驗(yàn)，嫁接速度范圍為1～600 mm/s，由于嫁接深度會隨砧木開口角度不同發(fā)生改變，因此將嫁接深度按百分比進(jìn)行表征，上下限為0～100%，開口角度為6.77°～10°，得到4個關(guān)鍵受力點(diǎn)回歸方程如下式：

式中：x1表示嫁接速度，x2表示嫁接深度比，x3表示開口角度?；貧w模型的方差分析主要看模型P值，如表3所示。4組受力點(diǎn)模型的總體評估均小于0.01，表示回歸模型的擬合程度顯著，所有受力點(diǎn)中嫁接深度都是最為顯著的影響因素，隨著深度的增加應(yīng)力數(shù)值變化非常明顯。另外，在A點(diǎn)中嫁接速度因素映射關(guān)系不明顯，故可近似認(rèn)為A點(diǎn)應(yīng)力主要受深度影響，其次是開口角度的影響。在B點(diǎn)三因素對應(yīng)力的影響均為顯著，其中嫁接速度和深度為極顯著。分析認(rèn)為，B點(diǎn)為砧木和穗木最初接觸的區(qū)域，開口角度和嫁接深度均會影響接觸區(qū)域的受力面積，而嫁接速度會影響受力大小，故各因素均對應(yīng)力有顯著影響。C點(diǎn)同A點(diǎn)一致處于應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力主要受嫁接深度和開口角度影響，其中嫁接速度對應(yīng)力的影響比A點(diǎn)小。D點(diǎn)為砧木對穗木內(nèi)部夾緊應(yīng)力，對比B點(diǎn)和D點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，開口角度主要影響起始接觸應(yīng)力，隨著穗木運(yùn)動，嫁接深度增加，開口角度對兩者接觸應(yīng)力的影響越來越小。由此可見，在嫁接過程中，開口角度對夾緊力的影響較為有限，可以重點(diǎn)研究嫁接深度、嫁接速度等參數(shù)對夾緊力的影響，以確保嫁接過程的穩(wěn)固性。

將開口角度固定在中間水平（8.385°），利用回歸方程繪制響應(yīng)曲面如圖13所示。由圖13a、c可知，嫁接深度在0～50%（0～1.505 mm）范圍內(nèi)變化時，應(yīng)力值未發(fā)生明顯變化；當(dāng)嫁接深度增加至50%以上時，應(yīng)力值急劇增加。因此，在嫁接時可考慮最大深度的50%以下作為嫁接位移；如為保證嫁接穩(wěn)固而選擇50%以上的數(shù)值，則需注意所受應(yīng)力是否會超過材料屈服極限強(qiáng)度。從圖13b、d可以看出，嫁接速度越大則接觸應(yīng)力越大，對于B點(diǎn)，接觸應(yīng)力應(yīng)越小越好，需選取較小的嫁接速度；而對于D點(diǎn)，接觸應(yīng)力需控制在一定區(qū)間，以保證合適的夾持力。

將嫁接速度固定在最大水平（600 mm/s），得到開口角度對受力點(diǎn)的映射關(guān)系如圖14所示?？梢钥闯?，隨著開口角度的增加，各點(diǎn)應(yīng)力均有較明顯的下降，嫁接深度越大這種趨勢越為明顯，而D點(diǎn)相較于其他點(diǎn)的下降幅度最低，這與上述關(guān)于開口角度對應(yīng)力影響的分析一致。

A點(diǎn)和C點(diǎn)都位于應(yīng)力集中區(qū)域，因此需分配較大的權(quán)數(shù)，D點(diǎn)考慮到有苗夾進(jìn)一步提供夾緊力，因此可設(shè)置較小的權(quán)數(shù)。結(jié)合上述分析，取a1=0.35，a2=0.35，a3=0.2，a4=0.1。求得x1=30.52 mm/s，x2=53.55%，x3=6.89°。優(yōu)化模型預(yù)估最大應(yīng)力點(diǎn)為C點(diǎn)，應(yīng)力值為0.9 MPa，A點(diǎn)應(yīng)力值為0.18 MPa，B點(diǎn)應(yīng)力值為0.04 MPa，D點(diǎn)應(yīng)力值為0.09 MPa。利用Abaqus對解集數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，嫁接深度為2.33 mm，仿真結(jié)果如圖15所示。

C點(diǎn)邊線存在最大應(yīng)力值1.018 MPa，均值約 0.1 MPa，相對于預(yù)估值誤差約13%，A點(diǎn)均值應(yīng)力為0.21 MPa，誤差約16%，B點(diǎn)邊線應(yīng)力均值為0.043 MPa，誤差約7.5%，D點(diǎn)主要接觸區(qū)域在開口邊線附近，附近應(yīng)力值為0.06 MPa，誤差約33%。雖然D點(diǎn)預(yù)估值誤差相對于其他3個點(diǎn)更大，但其數(shù)值較小，且4點(diǎn)應(yīng)力值均在安全應(yīng)力范圍內(nèi)。因此，各因素對應(yīng)力值的影響趨勢與響應(yīng)面分析與優(yōu)化結(jié)論基本一致，表明本次分析具有較高的參考價值，可為后續(xù)回歸模型和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)有油茶苗木嫁接設(shè)備維護(hù)成本高、苗木機(jī)械損傷率高等問題，本研究在分析油茶苗木特征和嫁接原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了油茶苗自動嫁接成型裝置，使用純電動動力源替代原有的氣動動力源，提升了嫁接精度。對裝置的嫁接過程進(jìn)行了仿真分析，確定了苗夾尺寸并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)對中方案的合理性，并通過響應(yīng)面法對苗木的最佳嫁接參數(shù)及成型尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，降低了苗木嫁接的機(jī)械損傷率。主要結(jié)論如下：

1）油茶苗自動嫁接成型裝置主要包括夾緊裝置、切削裝置，對中裝置與自動上夾裝置，以砧木與穗木的幾何參數(shù)為依據(jù)，確定關(guān)鍵部件尺寸。隨機(jī)取100個砧木與穗木樣本，根據(jù)樣本參數(shù)與嫁接原理設(shè)計(jì)了穩(wěn)固的夾緊裝置、精準(zhǔn)的劈切和拉削裝置與對中裝置。

2）設(shè)計(jì)的對中裝置能有效控制應(yīng)力，保證砧木不受損傷。采用Abaqus進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方案中砧木對中過程的最大變形量為0.416 5 mm，選用的苗夾直徑尺寸為3.0～3.7 mm；砧木的平均偏移量為0.066 7 mm，占軸徑的2.7%。因此，對中裝置不會對砧木造成明顯損傷，有利于保持其機(jī)械強(qiáng)度和生理活性。

3）嫁接過程中，砧木開口角度對夾緊力影響較小，而嫁接深度和嫁接速度對砧木受力的影響較大。采用仿真分析與響應(yīng)面法結(jié)合研究嫁接速度、嫁接深度和砧木開口角度等因素對砧木主變形區(qū)4個關(guān)鍵受力點(diǎn)應(yīng)力的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，砧木開口角度對夾緊力的影響較為有限，嫁接速度對初始接觸力影響較大，而嫁接深度對4點(diǎn)的受力均有顯著影響。多目標(biāo)優(yōu)化確定的較優(yōu)工藝參數(shù)為：嫁接速度30.52 mm/s，嫁接深度53.55%，開口角度6.89°。

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[本文編校：吳 彬]