柏宗春 夏禮如 呂曉蘭

|摘要|針對蔬菜苗嫁接生產過程中人工切割運輸環(huán)節(jié)存在的勞動繁重、效率低的問題，介紹了新型人機協作式嫁接流水線的基本原理，在分析原切割裝置存在問題的基礎上，提出一種穴盤式蔬菜嫁接用苗高速切割輸送裝置的改進設計，并對改進后裝置的結構設計進行了詳細分析。新裝置仍采用整排連續(xù)切割的方式，以保持較高的切割效率。設計了新型切割結構，采用多個高速旋轉的盤式切割裝置并行設置，替代往復式切割裝置。改進原有撥苗裝置的葉片設計，減小蔬菜苗損傷。該切割輸送裝置的改進設計為穴盤式蔬菜苗高速切割輸送提供了一種新的設計參考。

目前蔬菜嫁接技術已經成為一項主流技術廣泛應用于全世界的蔬菜生產。隨著蔬菜種植面積的不斷增大，對于蔬菜嫁接效率和質量的要求越來越高。傳統人工嫁接方式存在效率低，勞動強度大等缺點，隨著人力成本的不斷提高，越來越不適應于大規(guī)模蔬菜生產[1-3]。

為了提高蔬菜嫁接效率，自20世紀80年代開始，各農業(yè)發(fā)達國家開始全自動和半自動蔬菜嫁接設備的研究[4-5]，已經取得了一定的成果，如日本、韓國、荷蘭等已研制出全自動嫁接設備[6-9]，國內自動嫁接機設備的研究也有報道[10-11]，但這些設備存在價格高昂、技術不成熟、適應性差等缺點，目前很難在國內大規(guī)模推廣應用。

針對這一問題，提出一種適應于規(guī)?；藿由a的人機協作式嫁接流水線。充分發(fā)揮人工嫁接和機械切割的優(yōu)點，提高嫁接效率，降低嫁接成本。嫁接苗高速切割輸送裝置是該人機協作式嫁接流水線的關鍵設備。柏宗春等[12]已針對該切割輸送裝置開展一系列研究工作，但也發(fā)現切割裝置和撥苗裝置的結構還有待改進。該設計在此基礎上對該裝置進行結構上的改進，并對新結構進行了詳細分析。

人機協作式嫁接流水線

規(guī)模化的人工嫁接流水線主要操作過程包括蔬菜苗輸送、切割、對接、固定等操作。通過調研發(fā)現，整個嫁接流程中蔬菜苗的人工輸送和切割環(huán)節(jié)，約占用整個嫁接時間的50%～60%，勞動量大，效率低，切割質量不穩(wěn)定，嚴重影響嫁接效率和質量;而在操作要求較高的蔬菜苗的對接和固定環(huán)節(jié)，熟練工人生產率可達900～1000株/h，已接近某些自動嫁接機的水平，且嫁接工人可以掌握多種嫁接方法，能夠適應不同種類蔬菜苗的嫁接操作。

針對國內嫁接生產和設備的現狀，提出一種人機協作式嫁接流水線[12]。該流水線基于規(guī)?；斯ぜ藿恿魉€，保留人工嫁接工位，增加蔬菜苗機械切割及輸送裝置，將耗時耗力的切割輸送環(huán)節(jié)改用機械化操作，配合人工嫁接操作（圖1），可以在人機協作情況下，發(fā)揮人工嫁接和機械切割的各自優(yōu)點。在這種人機協作的嫁接模式下，預計嫁接效率可提高一倍以上，既提高了嫁接效率，降低嫁接成本，又可保證嫁接質量。

存在問題

為了滿足所提出的人機協作式嫁接流水線對蔬菜嫁接苗高速切割輸送裝置的要求，田素博等[12]提出了一種高速切割輸送裝置，并展開了理論和試驗研究。研究結果表明該裝置具有較高的切削效率，但其切割裝置和撥苗裝置還存在問題。

首先，原切割輸送裝置的切割裝置采用往復式切割機構，其切割效果與刀具往復切割的頻率有關。當切割頻率較低時，刀具刃口的速度較低，往往造成蔬菜苗切口不整齊，質量較差，尤其對于苗莖較軟的蔬菜苗，容易形成撕裂狀切口，甚至損傷蔬菜苗，嚴重影響蔬菜苗的切割質量。當切割頻率較高時，受限于育苗穴盤的輸送及撥苗速度，往往切割后的蔬菜苗還沒有撥離切割位置，切割刀具就進行了重復切割，不僅影響切割質量，還極易造成蔬菜苗的損傷。

其次，原撥苗裝置采用旋轉葉片式撥苗機構，通過高速旋轉的撥苗葉片將切斷后的蔬菜苗撥至蔬菜苗輸送裝置。為了減小葉片對蔬菜苗的損傷，在葉片末端與蔬菜苗接觸部分設計了柔性毛刷結構，通過柔軟的毛刷與蔬菜苗接觸，減小撥苗葉片對蔬菜苗的損傷。實際試驗過程中發(fā)現，葉片末端的毛刷結構可以一定程度減少蔬菜苗的損傷，但同時帶來新的問題。部分蔬菜苗會夾到毛刷縫隙內，造成蔬菜苗的纏繞，甚至會增加蔬菜苗的損傷風險。針對以上問題，本文將在原有切割輸送裝置的基礎上，重新對切割輸送裝置進行結構改進，以提高其性能。

裝置結構設計

總體設計

通過調研發(fā)現，常見的嫁接用蔬菜苗切割裝置的切割過程一般可劃分為上苗、夾持、切割、分離等幾個部分[13-14]，切割方式多采用逐棵切割，因而切割效率較低。為了克服以上缺點，進一步提高切割效率，通過結構創(chuàng)新，柏宗春等[12]提出一種針對穴盤育苗的整盤連續(xù)切割的新型蔬菜苗高速切割裝置。該裝置采用多切割刃并行配置，穴盤秧苗成排切割，省去秧苗夾持過程，使切割過程連續(xù)不中斷，以提高切割效率。

這里保持原有切割輸送裝置的整體結構方式不變，改進后的穴盤式蔬菜苗高速切割裝置的結構（圖2），其主要包括：裝置支架、穴盤輸送裝置、切割裝置、撥苗裝置、蔬菜苗輸送裝置、滑槽等?；竟ぷ髟頌椋菏卟嗣缪ūP由苗盤輸送裝置輸送至切割裝置，切割刀具將一排蔬菜苗切斷，此時撥苗輪轉動帶動撥苗葉片將切斷的蔬菜苗撥至蔬菜苗輸送裝置，而切割后的育苗穴盤則沿著穴盤輸送裝置繼續(xù)向前運動，完成蔬菜苗和穴盤的分離。切割裝置每次完成一排蔬菜苗的切割，蔬菜苗的切割和輸送過程連續(xù)不中斷，能夠極大地提高切割輸送效率。

切割裝置設計

針對原有切割輸送裝置存在的問題，為完成穴盤蔬菜苗的成排切割，提出新型切割裝置結構（圖3）。該裝置主要包括：分苗器、切割裝置支架、電機支架、切割電機、切割刀片等。分苗器設置在切割刀片之前，2個分苗器之間形成的間隙供蔬菜苗通過，切割刀片與電機連接，作高速旋轉;切割電機通過電機支架與底板連接。當蔬菜苗穴盤輸送至切割裝置時，蔬菜苗在分苗器的作用下分別通過分苗器形成的過苗間隙，由高速旋轉的切割刀片切斷，從而完成蔬菜苗的切割;由于多個切割刀片并列設置，可完成育苗穴盤一排蔬菜苗的切割，此時蔬菜苗穴盤在輸送裝置上不斷前進，后續(xù)蔬菜苗不斷經過切割刀片，從而實現蔬菜苗的連續(xù)切割。

實際育苗穴盤中的蔬菜苗并非全部豎直的，存在部分蔬菜苗傾斜生長的問題，這會影響切割裝置的切割成功率和切割質量。為了解決這一問題，提出一種傾斜坡度的分苗器設計，如圖3所示，該分苗器沿著蔬菜苗輸送方向設置具有一定坡度的斜板，在蔬菜苗輸送過程中，傾斜的蔬菜苗沿著斜板不斷升高，最終逐漸扶正，從而保證切割刀片順利切斷蔬菜苗。

撥苗裝置設計

在蔬菜苗切割完成后需要實現蔬菜苗與育苗穴盤的分離，為了實現這一操作，原裝置采用葉片式撥苗裝置。針對原葉片式撥苗裝置存在的問題，提出一種撥苗裝置的改進設計（圖4）。撥苗裝置包括：連接支架、調節(jié)支架、撥苗電機、撥苗輪、撥苗葉片等。撥苗輪上設置4片撥苗葉片，其中心軸與撥苗電機轉軸連接，撥苗輪通過調節(jié)支架與連接底座連接，整個撥苗裝置設置在切割裝置之前，撥苗葉片位于切割裝置的上方。該裝置采用葉片旋轉式撥苗方案，當育苗穴盤上一排蔬菜苗被切割裝置切斷時，旋轉的撥苗葉片從切割裝置上方通過，將切斷的蔬菜苗撥至蔬菜苗輸送裝置，從而實現蔬菜苗與育苗穴盤的分離。

該撥苗葉片采用兩段式結構，與撥苗輪連接部分為硬質金屬材料，與蔬菜苗接觸部分采用柔性橡膠材質，既可通過柔性接觸減少蔬菜苗損傷，又可以減少秧苗纏繞情況。而且對撥苗裝置的傳動機構進行了優(yōu)化，用電機直接驅動取代原皮帶傳動機構，以簡化裝置結構，提高傳動效率。

輸送裝置設計

輸送裝置基本采用原輸送裝置的結構形式，主要對其結構尺寸進行微調，包括育苗穴盤輸送裝置和蔬菜苗輸送裝置，這兩部分輸送裝置均采用獨立的帶式輸送結構，可獨立調節(jié)輸送速度。穴盤輸送裝置設置在底部的裝置支架上，其作用是輸送育苗穴盤依次通過撥苗裝置和切割裝置，并將切割后的育苗穴盤輸送至指定收集位置;蔬菜苗輸送裝置設置在切割裝置之后，育苗穴盤輸送裝置的上方，采用傾斜向上的輸送角度，其作用是將切斷的蔬菜苗輸送至滑槽的上端。

裝置參數

根據所設計的切割輸送裝置的結構，建立蔬菜苗切割輸送裝置的三維虛擬樣機（圖5），裝置基本參數如表1所示。

結論

本文針對蔬菜苗嫁接生產存在的問題，詳細介紹了所提出的新型人機協作式蔬菜苗嫁接流水線的基本原理。結合對原蔬菜苗切割輸送裝置的試驗研究，分析了其切割和撥苗裝置存在的結構問題，并針對這些問題提出一種新型蔬菜苗高速切割輸送裝置的改進設計，詳細分析了新切割裝置、撥苗裝置和輸送裝置的結構設計。改進后裝置保持了原有的高效切割方式，具有較高的切割效率，同時避免了原裝置存在的問題，將具有更好的蔬菜苗切割輸送效果。

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