柏宗春，呂曉蘭，夏禮如

蔬菜嫁接苗高速切割裝置設計

柏宗春，呂曉蘭※，夏禮如

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設施與裝備研究所，南京 210014）

針對現(xiàn)有嫁接機存在技術(shù)不成熟、價格較高、難以大規(guī)模推廣應用的問題，提出一種采用高速蔬菜苗切割輸送裝置配合人工嫁接的新型嫁接模式。蔬菜苗高速切割輸送裝置包括穴盤輸送裝置、撥苗裝置、切割裝置和蔬菜苗輸送裝置等。根據(jù)切割裝置結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了穴盤輸送速度、撥苗輪轉(zhuǎn)速和切割頻率之間的關系，并進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明：切割裝置采用成排連續(xù)切割的方式，其蔬菜苗切割效率達到37 000株/h，能夠滿足嫁接流水線37個人工嫁接工位的用苗需求，達到了30工位的設計要求；刀具切割頻率、撥苗輪轉(zhuǎn)速需要匹配穴盤輸送速度才能獲得最小傷苗率和最優(yōu)切割成功率。該裝置的研制為規(guī)?；藿用绲纳a(chǎn)提供了一種高效率、低成本的人機協(xié)同生產(chǎn)方式。

農(nóng)業(yè)機械；嫁接；蔬菜；高速切割；蔬菜苗輸送裝置；撥苗裝置；切割頻率

0 引 言

蔬菜嫁接栽培是克服連茬病害和低溫障礙最有效的途徑，也是提高蔬菜優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的重要措施之一，已被廣泛地應用于各類蔬菜規(guī)模化生產(chǎn)中。隨著蔬菜需求及種植規(guī)模的不斷增大，傳統(tǒng)人工嫁接由于效率低、勞動強度大，已漸漸不能滿足蔬菜規(guī)?；a(chǎn)的需求，對于提高嫁接效率的需求越來越迫切[1-6]。

國內(nèi)外對于全自動和半自動嫁接機已有相關研究和報道。在日本、荷蘭、韓國等發(fā)達國家，已有商品化的自動嫁接機，如日本關井公司的GRF800-U嫁接機，生產(chǎn)率可達800株/h，嫁接成功率為95%[7-8]；韓國Idealsystem公司研發(fā)的針式全自動嫁接機，作業(yè)速度快，嫁接生產(chǎn)率可達1 200株/h[9]；2010年荷蘭的ISOGroup公司開發(fā)的1SO Gralt 1200全自動嫁接機，配備機器視覺系統(tǒng)，可適應蔬菜苗生長的差異，在只需要一人進行接穗上苗的情況下，生產(chǎn)率達1 050株/h，嫁接成功率可以穩(wěn)定在99%[10]。國外自動嫁接機技術(shù)相對成熟，生產(chǎn)效率高，但其進口價格太高，且一般專機專用，對不同種類蔬菜苗的適應性不強，限制了其在國內(nèi)市場的應用和推廣。國內(nèi)嫁接機研究起步較晚，包括臺灣地區(qū)在內(nèi)，目前雖然有多家研究機構(gòu)在開展自動化嫁接技術(shù)的研究[11-15]，但是仍然沒有脫離實驗室樣機階段，距離大規(guī)模推廣應用還有一定距離。

基于以上原因，盡管全自動嫁接機具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省人工成本及自動化程度高等諸多優(yōu)勢，但限于自動嫁接機的成本和技術(shù)水平以及中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生產(chǎn)模式的限制，目前國內(nèi)蔬菜苗嫁接機械化程度仍然較低，大部分嫁接操作仍由人工完成。規(guī)?；娜斯ぜ藿恿魉€，其主要操作過程包括：蔬菜苗輸送、切割、對接、固定等操作。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量不穩(wěn)定，嚴重影響嫁接效率和質(zhì)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(chǎn)率可達900～1 000 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。結(jié)合人工嫁接過程的研究，考慮若將耗時耗力的切割輸送環(huán)節(jié)采用機械化操作，配合人工嫁接操作，待嫁接的穗木和砧木苗分別經(jīng)過并行設置的自動化切割裝置，完成穗木和砧木的自動切割，并通過輸送裝置送至人工嫁接工位，由嫁接工人完成最后砧木與穗木的連接和固定操作。這種模式可以在人機協(xié)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(xié)作的嫁接模式下，預計嫁接效率可提高一倍以上，這樣既提高了嫁接效率，降低嫁接成本，又可保證嫁接質(zhì)量。

為了實現(xiàn)這種新的嫁接生產(chǎn)方式，需要蔬菜嫁接苗高速切割和輸送裝置。然而，現(xiàn)有自動嫁接機的自動切割裝置大多采用單株夾持后切割的操作方式[16-21]，切割效率較低，無法滿足規(guī)模化流水作業(yè)需求，因此急需開發(fā)蔬菜苗高速切割輸送裝置。本文針對人工嫁接流水線中，蔬菜苗的切割和輸送環(huán)節(jié)勞動強度大、生產(chǎn)效率低的問題，提出一種蔬菜苗高速切割及輸送裝置，對其結(jié)構(gòu)設計和性能試驗展開一系列的研究工作。由于砧木和穗木切割過程類似，只是切割位置略有區(qū)別，因此2種切割裝置結(jié)構(gòu)原理基本一致，本文以穗木切割裝置為研究對象。

1 切割輸送裝置結(jié)構(gòu)設計

1.1 切割輸送裝置要求

所提出的人機協(xié)作式嫁接流水線的操作流程為：砧木和穗木苗穴盤分別經(jīng)過并行設置的切割裝置切割后形成穗木和砧木，再通過輸送裝置輸送到人工嫁接工位，由人工完成砧木和穗木的連接和固定。穗木蔬菜苗切割輸送裝置完成的操作包括：蔬菜苗穴盤的輸送、蔬菜苗的切割、切割后穗木與穴盤的分離及其輸送。經(jīng)調(diào)研熟練工人人工嫁接效率約為400～500株/h，若省去蔬菜苗人工切割環(huán)節(jié)，人工嫁接效率可提高至900～1 000株/h。為了滿足流水線生產(chǎn)效率的需要，經(jīng)調(diào)研測算切割裝置的切割效率要能夠滿足流水線30個嫁接工人的蔬菜苗需求，人工嫁接效率以1 000株/h計算，則單臺切割裝置每小時提供嫁接用蔬菜苗≥30 000株/h，提出蔬菜苗切割輸送裝置設計性能參數(shù)如表1所示。

表1 切割性能參數(shù)要求

為適應蔬菜苗自動化切割的要求，所提出的嫁接流水線采用的嫁接方法主要采用平接法和針接法。平接法和針接法要求砧木和穗木切口平齊，這對切割裝置而言，需要保證切割刀具的切割方向與蔬菜苗莖保持垂直。

1.穴盤輸送裝置 2.蔬菜苗穴盤 3.支架 4.切割裝置 5.撥苗輪支架 6.撥苗裝置 7.穗木輸送裝置 8.滑槽

1.2 蔬菜苗幾何參數(shù)及力學特性

該嫁接流水線操作的主要蔬菜苗種類為茄科蔬菜苗，育苗方式為室內(nèi)穴盤育苗，穗木苗苗齡20 d左右。以典型的茄子和辣椒品種為操作目標苗，經(jīng)統(tǒng)計茄子苗的子葉高度為（130±20）mm，苗莖（4±1）mm；辣椒苗的高度為（150±15）mm，苗莖（3±0.5）mm。嫁接用蔬菜幼苗在機械自動化操作過程中極易損傷，了解其力學特性可為切割輸送裝置結(jié)構(gòu)設計提供參考。這里主要關心蔬菜苗的夾持損傷臨界壓強和剪切力。研究表明，茄科嫁接用幼苗的夾持損傷臨界壓強一般在780～930 kPa，切斷剪切力一般小于5 N，且斜切力小于正切力[3,22-23]。

1.3 總體方案

通過對幾款蔬菜苗自動嫁接裝置的上苗[24-28]和切割裝置[29-31]的研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有裝置為實現(xiàn)蔬菜苗的切割需要完成上苗、夾持、切割等幾個動作，多采取逐棵切割方式，效率較低[22-26]。為提高切割速度，本文提出一種整盤連續(xù)切割的蔬菜苗切割方式，即多切割刃并行配置，穴盤蔬菜苗成排切割，省去蔬菜苗夾持過程，使切割過程連續(xù)不中斷，以提高切割效率。

所設計的蔬菜苗切割輸送裝置如圖1所示，其主要包括穴盤輸送裝置、蔬菜苗穴盤、支架、切割裝置、撥苗輪支架、撥苗裝置、穗木輸送裝置和滑槽等幾部分?；竟ぷ髟頌椋菏卟嗣缪ūP由苗盤輸送裝置輸送至切割裝置，切割刀具往復切割將一排蔬菜苗切斷，此時撥苗輪轉(zhuǎn)動帶動撥苗葉片將切斷的穗木撥至穗木輸送裝置，而穴盤則沿著穴盤輸送裝置繼續(xù)向前運動，完成穗木和穴盤的分離。切割裝置每次完成一排蔬菜苗的切割，切割輸送過程連續(xù)不中斷，極大地提高了切割輸送效率。

1.4 切割裝置

蔬菜苗切割裝置的結(jié)構(gòu)如圖2a所示，主要包括刀片支架、分苗器、切割刀片、偏心輪和驅(qū)動電機。切割刀片安裝在刀片支架上，刀片支架與偏心輪連接，當驅(qū)動電機驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)動時，帶動刀片支架在分苗器上方來回往復做切割動作，成排的蔬菜苗經(jīng)分苗器梳理后，被往復運動的刀片切斷，實現(xiàn)蔬菜苗的成排切割。

為了解決穴盤中存在的蔬菜苗向兩側(cè)傾斜問題，提出一種傾斜坡度的分苗器設計，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。

切割裝置靠切割刀片與蔬菜苗的相對運動實現(xiàn)蔬菜苗的切斷，因此刀片的運動影響蔬菜苗的切割質(zhì)量。這里通過機構(gòu)運動分析來研究刀片的切割運動。切割刀片驅(qū)動機構(gòu)原理如圖2b所示，切割刀片通過連桿0與偏心輪連接，偏心輪在切割電機的驅(qū)動下帶動切割刀片往復運動，則刀片與電機中心的距離可表示為

則刀片切割速度為

a. 切割裝置結(jié)構(gòu)

a. Structure of cutting device

b. 切割刀片驅(qū)動機構(gòu)簡圖

b. Sketch of driving mechanism of cutting blade

1.刀片支架 2.分苗器 3.切割刀片 4.偏心輪 5.驅(qū)動電機

1.Blade holder 2.Divider 3.Cutting blade 4.Eccentric wheel 5.Motor

圖2 切割裝置結(jié)構(gòu)及驅(qū)動原理示意圖

Fig.2 Structure and sketch of driving mechanism of cutting device

切割刃的運動速度由驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速控制，電機轉(zhuǎn)速越高，刀具切割速度越快，且刀具在其運動行程中點時達到最大速度。為了獲得較好的切割質(zhì)量，需要在保證較高的電機轉(zhuǎn)速的同時，保證蔬菜苗位于切割行程的中間位置。

1.5 撥苗裝置

為了實現(xiàn)蔬菜苗的連續(xù)切割，需要完成切斷后的蔬菜苗與穴盤的分離，并將穗木移動到輸送裝置上，這里設計了帶撥苗葉片的旋轉(zhuǎn)撥苗裝置。

撥苗裝置（圖3a）主要包括：撥苗輪支架、轉(zhuǎn)軸、撥苗葉片、驅(qū)動裝置等。其工作原理簡述為：驅(qū)動裝置驅(qū)動轉(zhuǎn)軸帶動撥苗葉片轉(zhuǎn)動，當撥苗葉片轉(zhuǎn)過蔬菜苗時，切割裝置將蔬菜苗切斷，這時在撥苗輪的作用下，蔬菜苗倒向蔬菜苗輸送裝置。為了實現(xiàn)準確的撥苗動作，需撥苗輪轉(zhuǎn)速與切割速度準確配合。

蔬菜苗被剪切后，穗木在撥苗輪的作用下作拋物運動，不考慮穗木變形、旋轉(zhuǎn)，其質(zhì)心運動軌跡可簡化如圖3b所示，質(zhì)心運動過程可描述為如下

其中

則

a. 撥苗裝置結(jié)構(gòu)

a. Structure of seedling pulling device

b. 撥苗過程示意圖

b. Diagram of seedling pulling process

1.撥苗輪葉片 2.撥苗輪支架 3.驅(qū)動電機 4.分苗器 5.切割刀片 6.撥苗葉片 7.切割裝置 8.穗木輸送裝置

1.Blade of seedling pulling wheel 2.Support of seedling pulling wheel 3.Motor 4.Divider 5.Cutting blade 6.Blade of seedling pulling wheel 7.Cutting device 8.Scion conveying device

圖3 撥苗裝置結(jié)構(gòu)及撥苗過程示意圖

Fig.3 Structure and process of seedling pulling device

1.6 切割過程分析

為了撥苗葉片能夠準確作用在被切割蔬菜苗上，要求蔬菜苗輸送到切割位置時，撥苗輪的撥苗葉片也恰好旋轉(zhuǎn)到切割位置，如圖4所示，則撥苗輪轉(zhuǎn)速與穴盤輸送速度之間應滿足如下關系

即

1.蔬菜苗穴盤 2.輸送帶 3.切割裝置 4.穗木輸送裝置 5.撥苗葉片

1.Seedling tray 2.Conveyor belt 3.Cutting device 4.Scion conveying device 5.Blade of seedling pulling wheel

圖4 蔬菜苗切割過程示意圖

Fig.4 Diagram of seedling cutting process

為了順利實現(xiàn)切割后的穗木被撥苗葉片撥到輸送帶上，要求撥苗葉片轉(zhuǎn)到蔬菜苗位置時，切割刀片已完成蔬菜苗切割動作，則撥苗輪轉(zhuǎn)速與切割裝置的切割速度之間應滿足如下關系

結(jié)合式（8）可得

為了順利實現(xiàn)每棵蔬菜苗的切割，要求輸送裝置輸送蔬菜苗前進一個穴盤穴間距時，撥苗裝置恰有葉片運動到達蔬菜苗切割位置，而此過程中切割刀具至少完成一次切割動作。結(jié)合式（12），在蔬菜苗穴間距確定的情況下，撥苗輪的旋轉(zhuǎn)角速度與蔬菜苗穴盤的輸送速度成正比，與葉片數(shù)量成反比；切割頻率與蔬菜苗穴盤的輸送速度成正比；而蔬菜苗穴盤的輸送速度關系到蔬菜苗的切割效率，隨著輸送速度的增大，蔬菜苗切割輸送效率提高，撥苗輪轉(zhuǎn)速和切割速度也要相應提高，以配合實現(xiàn)蔬菜苗的順利切割。在蔬菜苗穴盤輸送速度一定的情況下，若切割頻率低于式（11）計算值，則會造成蔬菜苗漏切，影響切割成功率；若撥苗輪轉(zhuǎn)速高于式（9）計算值，則撥苗操作會發(fā)生在切割之前，容易造成蔬菜苗損傷；若撥苗輪轉(zhuǎn)速低于式（9）計算值，則會造成切割后的蔬菜苗不能及時輸送而堆積在切割位置，造成擠壓或復切而損傷。因此，蔬菜苗穴盤輸送速度、切割頻率和撥苗輪轉(zhuǎn)速三者之間需要滿足式（12）的理論關系時，蔬菜苗切割輸送裝置才能在獲得較高的切割成功率的同時減少傷苗情況的發(fā)生。

2 試驗研究

為研究所設計的蔬菜苗切割輸送裝置的實際工作效果，并對理論分析的蔬菜苗穴盤輸送速度、撥苗輪轉(zhuǎn)速和切割頻率這3個切割參數(shù)的配合關系進行驗證，需對蔬菜苗切割輸送裝置進行試驗研究。

2.1 試驗方案

1）基本方案

根據(jù)所設計的蔬菜苗切割輸送裝置結(jié)構(gòu)試制試驗樣機（圖5a、5b和5c），通過實際蔬菜苗的穗木切割來對其進行性能試驗研究（5d）。選擇一致性較好（苗高相近，斜苗較少）的辣椒苗、茄子苗和西瓜苗，作為試驗用苗。調(diào)整不同切割參數(shù)對穴盤蔬菜苗進行切割試驗，主要試驗內(nèi)容包括切割效率和切割質(zhì)量。對于切割質(zhì)量主要考量切割成功率和傷苗率2個指標。每次切割完成后，檢查每個穴盤中沒有切掉的蔬菜苗，用于計算切割成功率；對切下的蔬菜苗穗木，檢查其莖葉是否存在損傷，以計算傷苗率，其計算方法如下

2）切割參數(shù)理論計算

試驗用蔬菜苗的育苗穴盤規(guī)格為72穴，尺寸280 mm×540 mm，蔬菜苗沿輸送方向苗間距1=45 mm。裝置設計切割效率≥30 000株/h，換算為育苗穴盤為416.7盤/h，考慮實際輸送時育苗穴盤之間可能存在間隙，因此理論計算時按切割效率≥500盤/h，計算得蔬菜苗穴盤的輸送速度1≥75 mm/s。根據(jù)公式（12），撥苗輪葉片數(shù)2=3，則可求得理論撥苗輪轉(zhuǎn)速為

若取1=1，則切割頻率1=1.67，該值為理論切割頻率的最小值。考慮切割頻率太低會導致切割刀具速度太低，從而影響蔬菜苗切割質(zhì)量，實際切割時可適當提高切割頻率。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 蔬菜苗切割效率試驗

為了測試切割輸送裝置對蔬菜苗穗木的切割效果，分別對辣椒、茄子和西瓜蔬菜苗進行了切割輸送試驗。試驗用3種蔬菜苗的基本參數(shù)如表2所示。

表2 試驗用蔬菜苗基本參數(shù)

根據(jù)切割參數(shù)理論分析結(jié)果，選取基本切割參數(shù)為：切割頻率8次/s、撥苗輪轉(zhuǎn)速36 r/min，穴盤輸送速度80 mm/s。采用相同的切割、撥苗和輸送控制參數(shù)，對3種蔬菜苗分別進行了3盤（72×3=216株）切割試驗，試驗結(jié)果如表3所示。其切割速度達到514盤/h，即37 000株/h，高于設計要求的30 000株/h，達到預期目標。

對比3種蔬菜苗的切割試驗結(jié)果（表3）可以看出，辣椒苗的切割效果最好，茄子次之，西瓜苗最差。主要原因為：辣椒苗莖硬度高，且較直，一致性最好，茄子次之，而西瓜苗子葉較矮，苗莖較軟，容易傾斜，切割時容易漏苗，且蔬菜苗容易纏在撥苗輪葉片上造成蔬菜苗損傷。因此，嫁接輸送裝置的切割效果受到蔬菜苗種類的影響較大，蔬菜苗硬度高，一致性越好，其切割效果越好；對于苗莖較軟的蔬菜苗，容易因蔬菜苗傾斜產(chǎn)生漏切，且會因纏苗而增加傷苗率。

表3 不同蔬菜苗切割試驗結(jié)果

2.2.2 切割參數(shù)的匹配驗證

以辣椒苗為試驗對象，研究切割輸送參數(shù)對切割效果的影響。每種切割參數(shù)條件下分別進行3盤蔬菜苗的切割試驗，并統(tǒng)計蔬菜苗的切割成功率和傷苗率。在滿足裝置切割效率≥30 000株/h，選用72穴規(guī)格育苗穴盤的條件下，根據(jù)上文切割參數(shù)的理論計算得到切割參數(shù)為：穴盤輸送速度≥75 mm/s，切割頻率≥1.67次/s，撥苗輪轉(zhuǎn)速≥33.3 r/min。綜合考慮輸送及切割的實際裝置的實際情況，這里選取穴盤輸送速度80 mm/s、切割頻率8次/s（考慮刀片速度太低，切口質(zhì)量不高）、撥苗輪轉(zhuǎn)速36 r/min作為試驗的基礎參數(shù)，設定穴盤輸送速度的變化范圍為40～120 mm/s，切割頻率的范圍為1～12次/s，撥苗輪轉(zhuǎn)速范圍為20～90 r/min，試驗結(jié)果如下：

1）穴盤輸送速度的影響

在恒定的撥苗輪轉(zhuǎn)速和切割頻率下（切割頻率8 次/s、撥苗輪轉(zhuǎn)速36 r/min），從低到高增大穴盤輸送速度，可得蔬菜苗切割成功率和傷苗率變化曲線如圖6a所示?？梢钥闯鲅ūP輸送速度從40 到120 mm/s的變化過程中，蔬菜苗切割成功率略有波動，但變化趨勢不明顯，這主要是由于切割頻率相對于這時的穴盤輸送速度是足夠高的，因而，輸送到切割刃的蔬菜苗都能被及時切斷，切割成功率的主要影響因素為蔬菜苗的一致性，因而切割成功率波動不明顯。當蔬菜苗穴盤輸送速度較快時，撥苗輪轉(zhuǎn)速不夠，不能及時將切斷的蔬菜苗撥到輸送帶上，造成蔬菜苗的擠壓，從而造成蔬菜苗損傷的增加。

2）撥苗輪轉(zhuǎn)速影響

在恒定穴盤輸送速度和切割頻率的情況下（切割頻率8次/s、穴盤輸送速度80 mm/s）隨著撥苗輪轉(zhuǎn)速的增加，切割成功率變化不大，而傷苗率先減小后增大（圖 6b）當撥苗輪轉(zhuǎn)速為36 r/min左右時，傷苗率最小。這也進一步證實了切割成功率主要受穴盤輸送速度和切割頻率的影響，而撥苗輪轉(zhuǎn)速對其影響較小。隨著撥苗輪轉(zhuǎn)速的增加，撥苗輪葉片與蔬菜苗的接觸速度也增大，因而在較快的撥苗速度下也更容易造成蔬菜苗的損傷。

3）切割頻率的影響

在穴盤輸送速度和撥苗輪轉(zhuǎn)速恒定的情況下（撥苗輪轉(zhuǎn)速36 r/min、穴盤輸送速度80 mm/s），可以得到切割質(zhì)量隨切割頻率變化關系如圖6c所示，可以看出在切割頻率低于4次/s的情況下，切割成功率急劇減小，而傷苗率迅速升高。由穴盤輸送速度、撥苗輪轉(zhuǎn)速和切割頻率之間的理論分析可知，切割頻率太低，則會出現(xiàn)蔬菜苗到達切割刀具時來不及切割就在輸送帶的作用下由切割裝置下部通過，出現(xiàn)較多的漏苗現(xiàn)象，從而使得切割成功率急劇下降，切割頻率越低，漏苗越嚴重；同時由于切割不及時，造成了蔬菜苗與切割裝置出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，從而造成傷苗率的上升。當切割頻率高于一定值后（如圖6c中4次/s），切割頻率的增加幾乎對切割效果沒有影響，該定值與理論分析結(jié)果吻合。

綜上所述，蔬菜苗切割成功率主要受到刀具切割頻率的影響，當切割頻率滿足式（11）（其中1≥2）時，切割成功率幾乎不受切割頻率增加的影響；傷苗率主要受到撥苗輪轉(zhuǎn)速的影響，當其偏離式（9）計算值時，傷苗率上升。切割參數(shù)的試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果基本吻合。

注：穴盤輸送速度試驗：切割頻率為8 次?s-1，撥苗輪轉(zhuǎn)速為36 r?min-1；撥苗輪轉(zhuǎn)速試驗：切割頻率為8次?s-1，穴盤輸送速度為80 mm?s-1；切割頻率試驗：撥苗輪轉(zhuǎn)速為36 r?min-1，穴盤輸送速度為80 mm?s-1。

3 結(jié) 論

本文提出一種嫁接用蔬菜苗快速切割輸送裝置，根據(jù)工作原理對切割輸送參數(shù)進行了理論分析，并對切割輸送裝置展開了試驗研究，得到結(jié)論如下：

1）所提出的蔬菜苗切割輸送裝置采用成排連續(xù)切割工作方式，其蔬菜苗切割效率達到37 000株/h，能夠滿足嫁接流水線37個人工嫁接工位的用苗需求，達到了30工位的設計要求；

2）通過對不同種類蔬菜苗的切割試驗可以看出，切割裝置的切割效果受蔬菜苗自身特性的影響：秧苗硬度高，一致性越好，其切削效果越好；對于苗莖較軟的秧苗，容易因秧苗傾斜產(chǎn)生漏切，且會因纏苗而增加傷苗率；

3）不同切割輸送參數(shù)試驗結(jié)果表明：蔬菜苗切割成功率主要受到刀具切割頻率的影響，當切割頻率大于2倍匹配計算值時，切割頻率的增加對切割成功率的影響不大；傷苗率主要受到撥苗輪轉(zhuǎn)速的影響，當其偏離匹配計算值時，傷苗率上升，該試驗結(jié)果與理論分析基本吻合。

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Design of high-speed cutting device for grafting vegetable seedlings

Bai Zongchun, Lv Xiaolan※, Xia Liru

(,,210014)

The existing grafting machines have some problems, such as immature technology, high price and difficulty in large-scale popularization and application. After a thorough study of the basic characteristics of artificial grafting pipeline, we find that there are problems of high labor intensity and low production efficiency in cutting and conveying links in the process of vegetable seedling artificial grafting. Then a new type of grafting mode, which uses high-speed seedling cutting and conveying device combined with artificial grafting, is proposed to improve the production efficiency of vegetable seedling grafting. Under this grafting mode, scion seedlings and stock seedlings are cut automatically by parallel automatic cutting devices, and then sent to artificial grafting station by conveying device. The final connection and fixing operation between stocks and scions are completed by the grafting workers. Based on the analysis of the basic characteristics of the existing seedling cutting devices, the basic geometric and mechanical characteristics of vegetable seedlings, a high-speed cutting and conveying device for vegetable seedlings is proposed, which includes a seedling conveying device, a seedling pulling device, a cutting device and a scion conveying device. The working principle is that the seedling trays reach the cutting device through the conveying device, the seedlings are cut off by the cutting device, and the upper scions are separated from the seedling trays under the action of the seedling pulling device to reach the scion conveying device. The seedling pulling device which consists of a rotating wheel and three paddles is designed to separate scions from the seedling trays after cutting. This seedling pulling method can realize continuous cutting of seedlings which can greatly improve cutting efficiency. According to the structure and working principle of the cutting device, the kinematics models of the cutting tool and the scion are established. And the theoretical relationship between the transporting speed of seedling, the rotating speed of the seedling pulling wheel and the cutting frequency of the cutting tool is analyzed. The results of theoretical analysis show that when the spacing of vegetable seedlings is fixed, the rotation angular speed of the seedling pulling wheel is proportional to the transportation speed of the vegetable seedling tray and inversely proportional to the number of paddles, and the cutting frequency is proportional to the transportation speed of the vegetable seedling tray. In order to study the performance of the cutting device, cutting experiments of vegetable seedlings are carried out, and the effects of seedling types and cutting parameters on cutting performance are studied. The results show that the cutting efficiency of vegetable seedlings reaches 37 000 plants/h, which meets the needs of 37 artificial grafting sites in the grafting pipeline and the design requirements. The cutting effect of the cutting device is influenced by the characteristics of vegetable seedlings themselves. The higher the hardness and consistency of the seedling is, the better the cutting effect. For the seedlings with softer stems, it is easy to leak of cutting because of the tilt of the seedlings, and it will increase the rate of injured seedlings because of the entanglement of the seedlings. The cutting effect of the harder seedlings is better than that of the softer seedlings. The main factor affecting the rate of seedling injury is the rotational speed of the pulling wheel. When the transporting speed of vegetable seedlings is fixed, the cutting frequency is too low to cause leakage cutting. The change of cutting frequency will affect the success rate of cutting when it increases to a certain value. There is an optimal rotating speed which makes the cutting injury rate the lowest, and when rotational speed of the pulling wheel deviates from the optimal rotating speed, the injury rate increases. The experimental results are in good agreement with the theoretical results. The theoretical analysis and experimental results show that the transporting speed of seedling, the rotating speed of the seedling pulling wheel and the cutting frequency need to satisfy certain relations in order to obtain higher cutting efficiency and lower seedling injury rate. The development of the device provides a high efficiency and low cost man-machine collaborative production mode for large-scale grafted seedling production

agricultural machinery; grafting; vegetable; high-speed cutting; seedling conveying device; seedling pulling device; cutting frequency

2019-06-21

2019-08-27

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金資助項目（CX(16)1002）

柏宗春，副研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究。Email：vipmaple@126.com

呂曉蘭，研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：68213620@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.005

S224.9

A

1002-6819(2019)-17-0035-08

柏宗春，呂曉蘭，夏禮如.蔬菜嫁接苗高速切割裝置設計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(17)：35－42. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.005 http://www.tcsae.org

Bai Zongchun, Lv Xiaolan, Xia Liru. Design of high-speed cutting device for grafting vegetable seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 35－42. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.005 http://www.tcsae.org