葡萄嫁接苗木的切削特性研究*

張祥輝，孫群，趙棟杰，許亞輝

(聊城大學機械與汽車工程學院,山東聊城,252000)

0 引言

我國是葡萄種植大國,葡萄種植面積居世界第二[1-2]。嫁接栽培有助于提高植株抗性和環境適應力、促進優良植株繁育,是目前葡萄育苗的主要方法。機械嫁接采用自動嫁接機完成苗木嫁接過程,相比于傳統的手工嫁接,具有嫁接效率高、工人勞動強度小、嫁接質量易保證、易滿足育苗的工廠化生產需要等優勢[3-4],是未來我國葡萄種植產業快速、健康發展的必然選擇。

嫁接苗切削是苗木嫁接作業的關鍵環節,切削裝置是自動嫁接機的重要部件,其性能對嫁接成功率、嫁接苗的成活率等均有重要影響[5]。切削力學特性的研究可為切削裝置的合理設計提供設計依據及必要參數。近些年來,國內外相關領域的專家學者相繼對常見蔬菜、苗木的切削力學特性進行了研究。徐麗明等[6]以南瓜籽為研究對象,分析了蔬菜嫁接苗的切削半徑,對旋轉切削機構改進;李明等[7]以毛桃苗為研究對象,研究了苗木的抗壓傷極限載荷;羅軍等[8]以葡萄苗莖稈為研究對象,研究了影響切削扭矩的因素;楊春梅等[9]使用SolidWorks建模,研究了灌木切削機構在工作過程中的切削參數;韓會敏等[10]以葡萄枝為試驗對象,對葡萄枝力學特性進行了分析。

迄今為止,國內外學者對葡萄苗木切削力學特性的研究仍較少。本文將通過試驗研究葡萄砧木切削阻力、切面質量隨切削參數的變化規律,為其切削裝置的設計提供參考依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗對象

如圖1所示選用SO4型葡萄砧木作為試驗對象。該型砧木具有耐鹽堿、抗寒、扦插易生根等特點,且與多數葡萄穗木品種具有較好的親和性[11-14]。試驗用砧木的粗度分布于7～10.5 mm之間,其中,粗度7～8 mm 的約占15%,8～9 mm的約占65%,9～10.5 mm 的約占20%。

圖1 SO4型砧木

目前,葡萄苗木機械嫁接常采用Ω接法,如圖2所示,該接法是一種枝接嫁接方法,具有接觸面積大、連接緊密等優點。

圖2 Ω接法

1.2 試驗儀器

1.2.1 切削試驗儀器

合理的切削參數與嫁接方式、嫁接苗種類、枝條特性等因素有關。研究切削過程中嫁接刀的位移、速度、切削力等參數,為嫁接機切削裝置的合理設計提供設計依據。因此有必要研制此試驗儀器進行切削參數測量。

該切削參數測量裝置應能實現在不同切削速度下對不同粗度的砧木進行切削;應能實現對切削速度以及切削力控制與測量;應能實現對各模塊的支撐和連接固定。

通過半自動嫁接機相關試驗和數據調研,確定了主要技術指標,如表1所示。

表1 主要技術指標Tab. 1 Main technical indicators

切削參數測量裝置結構示意圖如圖3所示。

圖3 切削參數測量裝置結構示意圖

1) 切削模塊:切削模塊用于砧木的切削,由伺服電機、浮動接頭、移動座、嫁接刀片、上支板、導向桿和砧木座組成;嫁接刀片采用市場上常見的Ω型嫁接刀。浮動接頭與移動座螺栓連接,嫁接刀片通過嫁接刀片固定件固定于移動座上,砧木座與嫁接刀片上下相對,導向桿貫穿于移動座中,導向桿上端與上支板固定連接。

2) 測控模塊:測控模塊為切削模塊提供動力、并測量切削參數,由驅動器、電機連接件、壓力傳感器及測控軟件等組成;稱重壓力傳感器下端通過電機連接件與電機剛性連接,上端通過連接桿與浮動接頭螺栓連接,通過伺服電機帶動壓力傳感器與切削機構對砧木進行切削,壓力傳感器所測量的值就是切削砧木的切削力。測量軟件采用Visual C#編制,可控制伺服電機使嫁接刀片按設定速度運動,并可實時測算、記錄嫁接刀片的切削阻力、位移及速度。

3) 支架模塊:由鋁型材拼裝而成,用于連接、固定各部件,置于在特制試驗臺上。

切削參數測量裝置樣機功能參數如表2所示。

表2 樣機功能參數Tab. 2 Functional parameters of prototype

該儀器進行切削試驗時,先用游標卡尺測量砧木粗度,后將砧木放置于砧木座,控制伺服電機帶動嫁接刀片向下運動切削砧木。試驗過程中位移、速度、切削阻力等數據可實時記錄(測控軟件的“記錄軌跡”功能,如圖4所示,并用于后期分析;切削阻力也可通過壓力傳感器的數顯表實時讀取。

圖4 測控軟件界面

1.2.2 切片試驗儀器

為研究切削速度對切面質量的影響,使用19JC型萬能工具顯微鏡觀察砧木切面的顯微組織,該設備功能全、精度高,試驗表明,采用該設備的5X目鏡和5X物鏡,可清晰觀察砧木切面組織形態。

1.3 試驗方法

切削速度、切削功、切削力是設計切削裝置的重要參數,為確定其合理取值,通過試驗研究切面質量隨切削速度的變化規律,最大切削阻力隨切削速度、砧木粗度的變化規律以及切削速度對切削功的影響規律。

1) 切削速度對切面質量的影響規律。不同切削速度會對砧木切面形成不同影響,研究切削速度對切面質量的影響規律可為切削裝置切削速度的選取提供參考依據。

采用多種切削速度對砧木進行橫向切削,并利用萬能工具顯微鏡觀察砧木切面組織的受損情況。為保證嫁接苗的成活,選取的切削速度應避免對切面組織造成較大傷害。

2) 最大切削阻力隨切削速度的變化規律。切削裝置需要提供的切削速度(切削裝置動力源的選型依據)應依據切削不同粗度砧木時的最大切削阻力最小值而定,所以研究切削速度對最大切削力的變化規律為切削裝置切削速度的選取及其動力源的選型提供必要依據。

選取多種不同粗度的三組砧木為試驗對象,以不同切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

3) 切削功隨切削速度變化規律。葡萄砧木切面從外到內依次為木栓層、韌皮部以及中間髓層,各層組織特點不同,對嫁接刀切削阻力的影響也不同。切削時,各層所占比例會隨切削深度的變化而變化。研究切削阻力隨切削深度的變化規律,有助于判斷切削功(切削裝置動力源的選型依據)最佳取值范圍,避免能量浪費。

選取不同粗度的三組砧木為試驗對象,測試三組粗度下不同切削深度時的切削阻力。采用上述方法,可獲得三組砧木在不同切削速度下,切削阻力與切削深度的關系曲線。通過切削阻力與切削深度關系曲線可計算出切削功大小,以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

4) 最大切削阻力隨砧木粗度的變化規律。切削裝置需提供的切削力(切削裝置動力源的選型依據)應依切削過程中的最大切削阻力而定,而砧木粗度對最大切削阻力有直接影響,研究最大切削阻力砧木粗度的變化規律可為切削裝置切削速度的選取及其動力源的選型提供必要依據。

選取多種不同粗度的五組砧木作為研究對象,以不同切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

2 結果與分析

2.1 切削速度對切面質量的影響

選取粗度8.4～8.6 mm(均值8.5 mm)的多株砧木為試驗對象,控制切削參數測量裝置分別以1 mm/s、2 mm/s、4 mm/s、8 mm/s的切削速度進行切削,為便于觀察切面組織,采用橫向切削方式,即利用嫁接刀片的一側對砧木進行切割。

使用萬能工具顯微鏡觀察到的砧木切面組織,如圖5所示。由圖5可知,切削速度為1 mm/s時,砧木切面出現裂痕,木栓層、韌皮部組織受損較嚴重,木質層部分導管出現破損。切削速度為2 mm/s時,砧木切面木栓層出現細微裂痕,但木栓層導管未發現明顯破損。切削速度為4 mm/s和8 mm/s時,砧木切面未發現裂痕,木栓層、韌皮部組織未發現破損。

(a) 1 mm/s

(b) 2 mm/s

(c) 4 mm/s

(d) 8 mm/s

可見,嫁接速度越快,葡萄砧木切面組織受到的損傷越小,一般情況下,當切削速度≥4 mm/s時,即可獲得較理想的切面質量。

2.2 最大切削阻力隨切削速度的變化規律

選取粗度為7.5～7.9 mm(均值7.7 mm)、8.3～8.7 mm(均值8.5 mm)和9.8～10.2 mm(均值10 mm)的3組砧木為試驗對象,控制切削參數測量裝置分別以4 mm/s、6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s的切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

三組砧木的最大切削力隨切削速度變化關系如圖6所示。隨切削速度增加,最大切削阻力先減小、后增大、最后趨于平穩。

圖6 切削速度對最大切削阻力的影響

對圖6中切削速度4～30 mm/s間的數據點進行曲線擬合,擬合公式如式(1)所示。

(1)

式中:F——最大切削阻力;

v——切削速度。

根據2.1節所得切削速度≥4 mm/s時才能保證切面質量。所以本節只研究切削速度≥4 mm/s時情況,由式(1)可得,最大切削阻力可表示為切削速度的二次多項式;當切削速度控制在4～10 mm/s之間,最大切削阻力較小。

2.3 切削速度隨切削功的變化規律

三種切削速度下,切削深度在0.5～8.5 mm時的切削阻力變化情況如圖7所示。三種切削速度下,切削阻力隨切削深度的變化規律大致相同;隨切削深度的增加,切削阻力總體呈增大趨勢,但并非單調增大;其變化過程大致可分為切削阻力增大、切削阻力略有減小、切削阻力進一步增大和切削阻力再次減小四段。

圖7 切削阻力隨切削深度的變化規律

選取粗度為7.5～7.9 mm(均值7.7 mm)、8.3～8.7 mm(均值8.5 mm)和9.8～10.2 mm(均值10 mm)的三組砧木為試驗對象,測試三組粗度下不同切削深度時的切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。采用上述方法,可獲得三組砧木在不同切削速度v,切削阻力F與切削深度h的關系曲線F(h)。設切削速度v在切削過程中保持不變,則依據關系t=h/v,F(h)可轉換為切削阻力F與切削時間t的關系曲線F(t)。

因此,嫁接刀在切削過程所做的功

(2)

式中:t0——切削耗時,t0=D/v;

D——砧木粗度。

利用式(2),可獲得三組砧木在不同切削速度下的切削功,通過Matlab擬合曲線,得到切削功隨切削速度變化關系,如圖8所示?？梢?三組砧木的切削功隨切削速度的變化呈現相似規律,隨切削速度的增加,切削功先快速增大,而后趨于平緩。

通過2.2節所得合理切削速度范圍在4～10 mm/s之間,本節只研究切削速度在此范圍中的切削功。由圖8可得,砧木粗度為7 mm時,最大切削功為 1.7 J 左右;砧木粗度為8.5 mm時,最大切削功為3.18 J左右;砧木粗度為10 mm時,最大切削功為5.05 J左右。綜上所述,在最佳切削速度范圍中的最大切削功在5.05 J左右。

(a) 7 mm砧木

(b) 8.5 mm砧木

(c) 10 mm砧木

2.4 砧木粗度對最大切削阻力的影響

選取粗度為7.5～7.9 mm(均值7.7 mm)、8.2～8.4 mm(均值8.3 mm)、8.4～8.6 mm(均值8.5 mm)、8.8～9.2 mm(均值9 mm)和9.8～10.2 mm(均值10 mm)的五組砧木為試驗對象,控制切削參數測量裝置分別以4 mm/s、6 mm/s、10 mm/s、15 mm/s的四種切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。四種切削速度下,砧木最大切削力隨砧木粗度的變化關系如圖9所示。

圖9 砧木粗度對最大切削阻力的影響

由圖9可見,當切削速度在4～15 mm/s之間時,最大切削阻力隨砧木粗度的增加逐漸增大;當切削速度為20 mm/s時,砧木粗度的增加對最大切削阻力的影響不明顯。

對圖9中切削速度為4 mm/s、6 mm/s、10 mm/s的數據點進行曲線擬合,擬合公式為

(3)

由式(3)可得,當切削速度在4～10 mm/s之間時,最大切削阻力與砧木粗度呈線性關系。

通過2.2節所得合理切削速度范圍在4～10 mm/s之間,本節只研究切削速度在此范圍中的切削阻力。由圖9和式(3)可得,最大切削阻力為728 N。

3 結論

1) 研制的切削參數測量裝置可按設定速度對葡萄砧木進行切削試驗,并實時采集試驗中嫁接刀的位移、速度、切削阻力等數據。

2) 試驗結果表明:增大切削速度可減少切面組織損傷,一般來說,當切削速度≥4 mm/s時,即可獲得較理想的切面質量;粗度7.5～10.5 mm的砧木,當切削速度控制在4～10 mm/s之間,最大切削阻力較小,可稱其為合理切削速度;在合理切削速度范圍中的最大切削功在5.05 J左右;在合理切削速度范圍內切削阻力隨砧木粗度的增加而增大,最大切削力為728 N。