瓜类贴接式机械嫁接机理及装置试验之农业研究

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论文字数:**** 论文编号:lw202328983 日期:2023-07-22 来源:论文网
本文是一篇农业论文,本文以瓜类秧苗(西瓜和黄瓜)为研究对象,以实现柔性夹持和精准切削为目标,采用机械嫁接机理研究、仿真分析及台架试验相结合的方法,对砧木柔性上苗定位、秧苗精准切削、柔性夹持搬运、嫁接夹力学特性及自动上夹等关键环节进行理论分析与深入研究,旨在为瓜类蔬菜机械化嫁接机具的创新研发与优化提供理支撑和技术参考。

1 引言

1.1 研究目的和意义
我国是世界上蔬菜生产和消费的第一大国,蔬菜已成为种植业中仅次于粮食的第二大农作物[1]。据国家统计局数据,2016 年全国蔬菜播种面积为 1998.1 万 hm2,总产量为 7.98 万吨,播种面积和产量均居世界首位[2]。近 30 年,我国蔬菜产业得到了迅猛发展,蔬菜生产已进入现代工厂化种植模式发展的新阶段,蔬菜产业的供给侧改革对智能育苗装备的需求进入了爆炸期[3,4],农村人口老龄化和专业技术人员缺乏等问题日趋凸显[5]。我国蔬菜种苗的年需求量超过了 6800 亿株,其中,嫁接苗需求量约 500 亿株,如此巨大的需求量给育苗工厂带来前所未有的挑战,传统人工嫁接已无法适应现阶段工厂化育苗标准化、批量化的生产需求[6,7]。全国年产千万株级别的育苗厂家有 2000 多个,都面临着用工短缺、批量订单无法按期完成的生产难题,关键生产环节机器换人已成为育苗产业发展的必然趋势[8]。

决育苗病害的问题,造成农业生态环境污染、农产品农残过高,这些现象与农业部制定的《到 2020 年农药使用量零增长行动方案》完全相悖。蔬菜嫁接育苗可有效防治连年种植引起的土壤连作障碍和病虫害[9],是一项绿色、环保、高效、高产的增收技术,是育苗产业可持续发展的重要措施,嫁接育苗与自根苗相比具备以下优势:
(1)增强植株抗病能力。砧木根系具有抗病性,嫁接后接穗利用砧木的根系吸收养分,具有抵抗病害的作用。用黑籽南瓜嫁接的黄瓜,可有效地防治黄瓜枯萎病,同时还可推迟霜霉病的发生期;用刺茄、番茄作砧木嫁接茄子后,可以控制黄萎病的发生。

(2)提高植株耐低温能力。由于砧木的根系发达抗逆性和耐低温能力强,嫁接苗的耐低温能力显著增强。用黑籽南瓜嫁接的黄瓜在地温 12~15℃、气温 6~10℃条件下,根系仍能正常生长。
(3)有利于克服连作危害。黄瓜根系脆弱易染病,日光温室栽培极易受到土壤积盐和有害物质的侵害,使用黑籽南瓜的根系嫁接黄瓜后,可以大大减轻土壤积盐和有害物质对嫁接苗的危害,从而实现连茬栽培生产。
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1.2 国内外蔬菜嫁接机研究现状
蔬菜嫁接机按照作业对象分为瓜类(西瓜、黄瓜、甜瓜)和茄果类(茄子、辣椒、西红柿)嫁接机,按照嫁接方法分为贴接式、套管式和插接式,以及其他类型嫁接机,按照上苗作业方式分为半自动嫁接机和全自动嫁接机,采用人工上苗单株作业称为半自动嫁接机,采用穴盘整盘上苗多株同时嫁接作业称为全自动嫁接机[11-13]。根据以上分类方法对国内外蔬菜嫁接机研究现状进行综合分析并阐述如下。
1.2.1 瓜类蔬菜嫁接方法
嫁接是将一种植物的枝或芽,嫁接到另一种植物的茎或根上,使接在一起的两个部分长成一个完整的植株。接上去的枝或芽叫做接穗,被接的植物体叫做砧木[17-22]。瓜类作物常见的嫁接方法有靠接法、劈接法、插接法和贴接法,每种嫁接方法都有各自的优缺点,根据地域特点、作物种类和生产习惯选择合适的嫁接方法尤为重要[22-27],对几种嫁接方法阐述如下:
(1)劈接法
嫁接时先将砧木顶芽及真叶去掉,用刀片尖在胚轴的一侧自子叶间向下劈开长约 10mm的切口,只劈切一侧,不可将胚轴全劈开,否则子叶向两边下垂,无法固定接穗,难于成活。沿接穗下胚轴距子叶下 10~15mm 处朝根部方向将接穗斜削成楔形,切面长 8~10mm,将接穗插入劈口中,使二者的切削面紧贴,使用嫁接夹固定,如图 1-1a 所示。劈接法切面平整、贴合紧密,但对砧木切削精度要求高,易出现胚轴劈裂问题,嫁接操作工序复杂、效率低,由于砧木胚轴茎被切开,需要愈合时间较长,对嫁接苗愈合管理技术要求严格,嫁接苗成活率不易控制,生产过程中嫁接苗的切口处容易发生劈裂,不适合工厂化嫁接育苗[28,29]。
(2)靠接法
靠接法要求砧木和接穗苗茎相近,接穗要早于砧木 7~10d 播种,砧木和接穗真叶露心时为嫁接适期。嫁接时先去掉砧木生长点,在其子叶下 5~10mm 处呈 45?角向下斜切,深度达胚轴直径的 1/2~2/3。用刀片在接穗子叶下 10~15mm 处呈 45?角向上斜切,深度达下胚轴直径的 3/4。将砧木和接穗的切口相互嵌合,使用嫁接夹固定。嫁接后将砧木、接穗同时栽入苗钵,二者根部距离约 10mm,以便后续断根作业,嫁接 10d 后切断接穗的根部,如图 1-1b所示。靠接法是带根嫁接,不易失水萎蔫,嫁接苗成活率较高被广泛应用。由于靠接法接口位于苗的茎部,接口处易发生断裂造成伤苗或死苗,并且定植深度过深接穗产生不定根接触土壤容易造成二次感染,导致嫁接失败,在接穗成活后还需断根处理,费工费时[30-34],该方法不适合工厂化嫁接育苗生产。
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2 瓜类嫁接用苗的参数测定

2.1 嫁接用苗培育
为获得黄瓜和西瓜嫁接用苗的基本参数,培育过程包括浸种催芽、穴盘播种、以及嫁接苗愈合管理,各环节简述如下。
(1)浸种催芽
以嫁接苗亲和性、成活率、抗病性和抗寒性为目标,接穗种子选用京研绿玲珑黄瓜和京欣 4 号西瓜,砧木种子选用京欣砧 8 号白籽南瓜和京欣砧 1 号瓠瓜,这些种子在北方地区种植广泛。其中,黄瓜与白籽南瓜、西瓜与瓠瓜进行配对嫁接育苗,如图 2-1a、2-1b 所示。

穴盘育苗播种前要对种子进行浸种催芽处理,将砧木种子放入盛有 55℃左右温水的烧杯中浸种,使用 85-2 型恒温磁力搅拌器进行均匀搅拌,待水温降至 30℃时,继续浸泡 20~24小时,然后捞出种子洗去表面的药液和粘质物,并将种子摊在湿纱布上盖 1~3 层湿纱布,放入 30~33℃的恒温箱中进行催芽处理。一般 24 小时后开始出芽,2~3 天即可基本出齐,催芽长度以刚露白为好,即可播种。接穗种子同样采用温汤浸种,需要浸泡 8~10 小时后进行催芽处理。
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2.2 几何参数测定
嫁接用苗的几何参数包括外部形态几何参数和砧木髓腔内部结构参数,这些参数能够为秧苗的柔性安全夹持和精准快速切削等机构参数研究提供依据。
2.2.1 测取方法
秧苗外部形态几何参数通过数显游标卡尺和直尺等工具直接进行测量,砧木苗茎内部髓腔结构利用 Leica M205FA 体式显微镜对砧木苗茎剖面进行图像采集,然后通过显微镜的测量软件对髓腔内部结构进行测量和分析,砧木髓腔图像获取试验装置如图 2-4 所示。

砧木切削作业要求远离髓腔顶点避免漏出髓腔,Leica M205FA 体式显微镜的放大倍率为50 倍,能够清晰的获取砧木髓腔顶点和生长点的内部结构图像信息,为确定砧木苗的切削作业范围和切削点位置,以及切削作业方式提供重要依据。

在 30℃温室内将砧木苗培育 7~10d,两片子叶生长至完全展平,生长点长度为 1~2cm,此时髓腔刚好形成,有利于子叶和生长点切削。参数测取时,将砧木沿穴盘的基质表面切断苗茎,测量参数主要包括株高 H1、子叶宽度 A1、子叶长度 B1、子叶跨度 L1、生长点长度 K1,砧木苗外部形态参数测量如图 2-5 所示。


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3 基于 CFD 软件的砧木柔性上苗定位机构气流场研究 ............................. 35
3.1 砧木柔性上苗定位分析 ............................ 35
3.2 气吹块和吸附块流体动力学模型 ................................... 38
4 秧苗切削机理及机构参数分析与试验研究.......................................... 57
4.1 切削机理研究 ...................................... 57
4.2 砧木旋切机构参数优化 ..................................... 61
5 柔性夹持机理及搬运机构动力学分析 ................................... 77
5.1 柔性夹持机理研究 ........................................ 77
5.2 四手爪搬运机构分析 .............................. 80

7 瓜类贴接式嫁接装置总体设计及试验研究

7.1 嫁接装置的总体结构设计
7.1.1 设计要求
本文设计的瓜类贴接式蔬菜嫁接装置,需要完成砧木上苗定位、砧木夹持搬运、砧木生长点切削、接穗上苗定位、接穗夹持搬运、接穗拢苗切削、砧穗切口对接及自动上夹等工序。其中,砧木和接穗上苗定位机构的空间位置调整是确保嫁接精度的关键环节,接穗和砧木的切削角度要求可实现微调。根据工厂化嫁接育苗的技术要求,以秧苗几何特征和力学特性为依据,确定执行机构设计要满足的技术指标,如表 7-1 所示。

为了满足嫁接装置开发的技术要求,需要解决的关键问题如下:
(1)砧木柔性上苗定位:砧木在上苗过程中子叶的叶柄或叶片易折断损伤,并存在操作人员长时间上苗等待问题,上苗机构必须具备对叶片定位的柔性和稳定性,子叶定位块作业面具备柔性仿形结构,保证砧木柔性安全上苗定位,解放操作人员的扶苗过程实现连续上苗。
(2)柔性夹苗与快速搬运:苗茎夹持易损伤,需要设计一种柔性、夹持力可调的夹苗手爪,为实现高速作业,设计多手爪同时作业的夹持搬运机构,需解决旋转搬运过程中产生的管线缠绕问题,并保证搬运机构的重复定位精度。
(3)秧苗切削:砧木切削要避免切口漏出髓腔和切伤子叶,接穗切削要保证茎部先定位在切断,解决接穗苗茎直立度偏对切削角度的影响。需要分析砧木和接穗切削角度的匹配关系,切削机构的切削角度作业可调,提高对秧苗的适应性,切削机构要结构紧凑、作业快速。
(4)嫁接夹夹持力分析与自动上夹:构建嫁接夹的夹持力分析模型,验证不同类型嫁接夹对瓜类嫁接苗夹持的安全性,避免秧苗二次夹持损伤;需要设计一种精量排夹的自动上夹机构,解决自动上夹的卡夹问题,减少嫁接苗浪费。
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8 结论与展望

8.1 结论
本研究以提高机械嫁接精度和生产效率为出发点,根据瓜类蔬菜嫁接农艺要求,开展瓜类贴接式机械嫁接机理及装置试验研究。通过查阅国内外相关文献,总结分析机械嫁接技术难点和存在问题,主要对瓜类嫁接用苗的参数测定、砧木柔性上苗定位、秧苗切削与柔性夹持、嫁接夹力学特性及自动上夹等方面进行理论分析与深入研究,取得主要研究结果如下:
(1)瓜类嫁接用苗的参数测定
综合分析了适合于瓜类作物的嫁接方法,测定出瓜类嫁接用苗的几何特征和力学特性参数,得到砧木子叶、苗茎、髓腔与生长点相关特征参数,接穗子叶和苗茎的几何参数,以及砧木子叶的压缩特性、苗茎的压缩与剪切特性,为嫁接装置执行机构的设计提供理论依据。
(2)基于 CFD 软件的砧木柔性上苗定位机构气流场研究
提出正压吹气与负压吸附相结合的作业方式,通过获取子叶背面曲线轨迹对吸附块和气吹块作业面进行仿形设计,研制出砧木柔性上苗定位机构。利用 CFD 软件对吸附块负压气流场进行数值模拟,得出真空负压 3kPa、吸孔直径 1mm、吸孔深度 4mm 条件下,吸孔平均压力为 972.38Pa,小于白籽南瓜和瓠瓜的子叶破裂点屈服压力。对气吹块正压气流场进行数值模拟,得出进口流速 30m/s,吹气距离 30mm 条件下,子叶作业面平均流速为 1.816m/s,满足吹气压苗技术要求。砧木上苗试验结果表明:子叶压苗成功率为 98.67%,吸附成功率为98.33%,无伤苗现象,说明吸附块和气吹块作业面仿形设计合理,作业性能稳定,为解决砧木柔性上苗定位问题提供设计依据。
(3)秧苗切削机理及机构参数分析与试验研究
为探明砧木切削的作业区域和切削角度,对砧木髓腔内部结构和生长点特性进行数据测定,确定砧木和接穗匹配嫁接的切削角度,并提出一种接穗斜贴接式嫁接方法,提高砧木和接穗的切口对接精度。设计了砧木生长点旋切机构,通过理论分析确定旋切中心与切面中心的位置关系。设计多层交叠式 V 型拢苗块,开发了接穗拢苗切削机构,对秧苗拢苗过程进行受力分析,确定拢苗块 V 型口夹角为 90°,并优化接穗切削作业参数。切削试验结果表明:接穗拢苗成功率为 99.33%,切削成功率为 100%、切削准确率为 97.75%,说明 V 型拢苗块结构设计合理,拢苗对中效果明显;砧木压苗成功率为 96.67%、切削成功率 98%、切削准确率为 96.8%,说明通过调整旋切中心坐标改变切面角度的方法可行,砧穗切面贴合率为 98.53%。
参考文献(略)
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