茄类蔬菜嫁接机拢苗机构的设计与性能试验

刘 凯，张 维，陈思敏

（广东机电职业技术学院，广东 广州 510515）

0 引言

嫁接，是植物人工营养繁殖方法之一，即将一种植物（接穗）的枝或芽连接到另一植物（砧木）的适当部位，利用砧木的根系代替接穗根系行使地下部的生理功能，为地上部提供水分和营养，协同完成生长过程[1,2]。茄果类蔬菜嫁接方法很多，实际中采用哪种方法主要取决于作物的种类、嫁接人员的操作水平、嫁接规模等因素[3]。如图1所示，按照接穗与砧木接合方式不同，嫁接方法可分为贴接法、劈接法、靠接法和平接法等[4-6]。其中，贴接法凭借操作简单、速度快等优点，得到了广泛使用[7]。

图1 茄果类蔬菜常用嫁接方法

目前我国蔬菜嫁接育苗主要依靠手工作业，由于人工嫁接作业生产率低、作业质量难以保证，所以严重制约了我国嫁接育苗技术的推广和应用[8,9]。本研发团队前期已经研制了一种针对贴接法的茄果类蔬菜嫁接机，实现了嫁接用苗的夹持、切削、对接和下苗一系列自动化作业过程，但在机械嫁接过程中发现嫁接苗的愈合成活率不高，综合分析发现主要原因是接穗与砧木在嫁接时创口的贴合度不高。

为此设计了一个附加在对接工位的拢苗机构，即在接穗与砧木对接前利用外力对其进行位置引导，通过采用外部干预的方式提高接穗和砧木创面的贴合度，进而提高嫁接苗愈合成活率。

1 拢苗设计

不同于工业中的零件，秧苗存在个体差异，主要表现在茎秆的弯曲度和直径的不一致性，导致接穗与砧木对接过程中易出现位置偏差，通常做法是利用外力进行位置校正[10]。本研究首先提出了双侧拢苗方案（图2a），分别从接穗与砧木两侧同时向中间拢苗，作业过程中发现这种拢苗方式可以保证接穗与砧木轴心共线，但无法保证两倾斜创面紧密贴合，针对这个问题提出了第二种拢苗方案，即单侧交错拢苗（图2b），拢苗手分别从接穗的一侧和砧木的另一侧向中间运动，使接穗与砧木分别向中间靠拢，实现砧木与接穗创面紧密贴合的目的。

图2 两种拢苗方案对比

由于茎秆的弯曲方向是随机的，为了提高拢苗手对不同弯度苗的适应能力，接穗与砧木茎秆轴心在水平方向保持一定偏移量，通过拢苗手的外力干预使接穗与砧木创面紧密贴合。

2 拢苗性能试验与结果

2.1 试验设备

如图3所示，本研究搭建了拢苗试验台，该试验台由接穗夹、砧木夹、拢苗手和精密滑台构成，各机构的横纵坐标位置可以通过精密滑台进行微调。两个扶苗手分别向内侧靠近，当接穗接触到扶持手后竖直向下与砧木创口对接，最后上夹机构将创口用嫁接夹固定即可。

图3 拢苗试验台

2.2 试验材料

我国南方地区茄类种苗丰富，本试验选择美丰四号紫长茄作为接穗，托鲁巴姆作为砧木，接穗茎秆直径平均值约为3.5 mm，砧木茎秆直径平均值约为5.5 mm，将接穗与砧木的含水率保持在88%～95%之间进行试验。

2.3 试验因素与指标

拢苗过程中，接穗夹、砧木夹以及拢苗手在竖直平面内的相对位置如图4所示。接穗夹与砧木夹的水平距离L越大，接穗与砧木贴合后与垂直方向的夹角越大，对苗弯曲度的适应能力越强，但距离过大会造成茎秆的弯曲损伤；拢苗手与接穗夹的水平距离X越大，接穗与砧木创面的挤压程度越高，贴合挤压程度越强，但过渡挤压会造成创面的破损；拢苗手与接穗夹的垂直距离Y越小，茎秆在对接过程中的变形越大，拢苗机构的适应能力越大，但距离过大易导致接穗与砧木创面错位，造成对接失败。另外，由于砧木端的拢苗手空间位置与接穗端对应，故不将其位置作为主要影响因素。

图4 拢苗位置示意图

试验指标中的接穗与砧木创面的贴合程度，可以通过分析嫁接后的接穗与砧木创面贴合状态进行判断，图5a、5b分别是接穗与砧木贴合过度和贴合过少的状态，两种情况均无法实现接穗与砧木创面较小一方完全与另一方贴合的目的，容易引起愈合失败或伤口感染，因此属于对接失败。图5c为接穗创面与砧木创面基本贴合的状态，由于两苗创面面积不同，可允许有部分创面露出。

图5 不同贴合状态

采用XY精密滑台对接穗夹与砧木夹的水平间距L、拢苗手与夹口的垂直距离Y和拢苗手与夹口的水平距离X作为影响试验指标的三个因素，前期通过预备试验获取了三个因素的水平变化范围，试验因素与水平安排如表1所示。

表1 拢苗试验因素水平安排表

2.4 试验方法

建立具有预测能力的位置条件数学模型，确定最优位置参数，试验运用二次回归正交旋转设计法，首先确定组合设计具有旋转性的星号臂r。

本试验因素p为3，即mc= 8，可求得本试验星号臂r =1.682。

在零水平处进行9次重复试验，可得m0=9，则n=23，即共进行23次试验。采用公式

对每个因素zj（j=1，2，……，p）的取值做线性变换，得到的因素水平编码表如表2。

表2 因素水平编码表

2.5 试验结果

为了研究两夹口间距L、V型拢苗手高度Y和V型拢苗手水平距离X对对接成功率的影响，建立具有预测能力的位置条件数学模型，确定最优位置参数，试验运用二次回归正交旋转设计法。

本试验中，夹口水平距离的变化范围为0.7～2.7 mm，夹口与拢苗口竖直距离的变化范围为3.0～5.0 mm，拢苗口与夹口水平距离的变化范围为0.5～1.5 mm，利用二次回归旋转试验所得到的回归方程可求得对接成功率的变动范围为61.3%～98.6%。

再对各偏回归系数进行检验，去除不显著项，得到回归方程为：

通过对回归方程系数的显著性检验，可以看出：夹口水平距离与夹口和拢苗口竖直距离的交互项、夹口水平距离的二次项对对接试验台的对接成功率影响不大。各参数对嫁接对接率的影响顺序由x3→x1→x1x2→x2→x1x3逐渐减小。

为了更直观分析对接成功率与任意两因素的关系，绘制三维关系图并进行分析。图6是对接成功率与夹口间距和竖直拢苗距离的三维关系图。从图中可以看出：在水平拢苗距离一定的条件下，对接成功率受夹口间距和竖直拢苗距离的共同影响，两者对对接成功率的交互影响显著。对接成功率与竖直拢苗距离呈二次曲线关系。对接成功率随着竖直拢苗距离的增大先减小后增大。

图6 对接成功率与夹口间距、竖直拢苗距离的三维关系图

图7是对接成功率与夹口间距和水平拢苗距离的三维关系图。从图中可以看出：在竖直拢苗距离一定的条件下，对接成功率受夹口间距和水平拢苗距离的共同影响，两者对对接成功率的交互影响显著。对接成功率与水平拢苗距离呈二次曲线关系。对接成功率随着水平拢苗距离的增大先增大后减小。

图8是对接成功率与竖直拢苗距离和水平拢苗距离的三维关系图和等值平面图。从图中可以看出：在夹口距离一定的条件下，对接成功率受竖直拢苗距离和水平拢苗距离的共同影响，两者对对接成功率的交互影响显著。对接成功率随着竖直拢苗距离的增大逐渐增大。

图7 对接成功率与夹口间距、水平拢苗距离的三维关系图

图8 对接成功率与竖直拢苗距离、水平拢苗距离的三维关系图

3 结论

1）为了提高接穗与砧木的对接成功率，设计了一种机械式拢苗机构，在对比不同拢苗方案的基础上，根据贴接法作业原理以及创面贴合的要求，选择了交错拢苗方案，并搭建了拢苗试验台。

2）在接穗茎秆直径平均值约为3.5 mm，砧木茎秆直径平均值约为5.5 mm、接穗与砧木的含水率保持在88%～95%的条件下，在位置可微调的小型拢苗对接试验台上进行拢苗对接试验，拟定了多因素正交试验方案，分析了不同夹口间距、竖直拢苗距离、水平拢苗距离对对接成功率的影响程度，建立了各部件位置参数与对接成功率之间的三维关系，为拢苗机构的设计提供了依据。