葵花盤輔助授粉裝置研究設(shè)計(jì)

王鵬飛 ， 楊碩林

（1.臨沂技師學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

農(nóng)業(yè)新時(shí)代背景下，我國大力推動(dòng)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，倒逼農(nóng)業(yè)技術(shù)優(yōu)化升級(jí)，葵花籽在整地播種栽植過程中，其輔助授粉成功率較為關(guān)鍵，葵花盤高授粉率是提升畝產(chǎn)量的前提?？ㄊ钱惢▊鞣?，自然授粉率較低，需借助人工輔助授粉[1-3]，然而目前向日葵人工授粉的工具主要有粉撲、毛筆、羽毛等，授粉質(zhì)量和均勻度較差，向日葵為雌雄同體柱體結(jié)構(gòu)，單柱花粉量交替授粉很難滿足高授粉率要求，且大量勞動(dòng)力需求下，授粉質(zhì)量、授粉效率都不高，導(dǎo)致產(chǎn)出效率不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)如果每公頃葵花盤授粉率提高1個(gè)百分點(diǎn)，收入就會(huì)提高2 000～3 000元，因此設(shè)計(jì)一種向日葵花盤輔助授粉裝置來有效提高授粉率有重要意義[4-6]。

1 功能單元分析設(shè)計(jì)

1.1 柔軟性設(shè)計(jì)

目前，向日葵人工授粉的工具主要包括粉撲、毛筆、羽毛等，考慮葵花粉是葵花植物雄性或雌性器官，是一種生殖細(xì)胞，外觀呈粉末狀，其個(gè)體稱為“花粉?！?，質(zhì)地比較軟，易被尖銳或者堅(jiān)硬物體碾壓破壞，因此現(xiàn)在的輔助授粉裝置多是柔軟帶有黏附性質(zhì)的毛絨物。

1.2 全面積攤抹

向日葵花盤為一近似圓柱體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的輔助授粉裝置毛刷盤工作端面多小于葵花盤面積，也有一些毛刷盤工作端面較大，但均需人工控制毛刷盤在葵花盤授粉面重復(fù)動(dòng)作、不斷攤鋪，以保證葵花盤每個(gè)位置都被攤抹到，進(jìn)而確保全面授粉效果。授粉裝置攤抹示意圖如圖1所示。

圖1 授粉裝置攤抹示意圖

1.3 空間密封授粉

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的輔助授粉裝置基本都是在開放空間下進(jìn)行工作，花粉類似于粉塵，易隨風(fēng)飄揚(yáng)，受外界影響很大，如果在授粉過程中遇到天氣變化等不可控因素，易使得黏附花粉流失，造成授粉工作結(jié)果徒勞；葵花粉是植物的生殖細(xì)胞，有人在吸入花粉后，出現(xiàn)過敏反應(yīng)即花粉過敏癥，又叫“季節(jié)性變應(yīng)性鼻炎”，勞動(dòng)者在開放環(huán)境下難免會(huì)遭受過敏原的侵襲，造成自身工作效率下降，甚至影響身體健康[7]。

設(shè)計(jì)氣囊原理：充氣之后將向日葵花盤包裹起來，支撐板對(duì)氣囊支撐，且布置在環(huán)形氣囊的外圓周面和端面，彈性面為彈性柔性面，采用塑膠材質(zhì)且設(shè)置在與花盤接觸的內(nèi)圓周面，氣囊內(nèi)部與氣管連通，使內(nèi)充氣體與氣管連通，隨著內(nèi)充氣體的膨脹形成變形擠壓并與花盤的外圓周面接觸并貼合，此時(shí)花盤的授粉面、彈性面、架板形成密閉空間[8-9]。

過程中氣囊的作用：氣囊可通過氣體膨脹伸縮對(duì)花盤側(cè)端面進(jìn)行包裹，通過充放氣機(jī)構(gòu)的氣流調(diào)節(jié)充盈或者收縮包裹氣囊，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)葵花盤的密封包裹，形成一個(gè)暫時(shí)密封的授粉空間，摒除外界環(huán)境影響，減少花粉的外泄、掉落，進(jìn)而提高授粉的穩(wěn)定性。鑒于氣囊的原理與作用，合理選擇氣囊并對(duì)氣囊進(jìn)行合理布局十分重要。

柔性氣囊最外層設(shè)置一層圓形鋼圈，圓形鋼圈內(nèi)部放置密封圈，氣囊放置于密封圈與鋼圈之間，實(shí)現(xiàn)密閉，這樣設(shè)計(jì)一方面起到固定作用，另一方面使氣囊可以把向日葵花盤包裹起來，形成一個(gè)暫時(shí)密封的授粉空間，與整體配合實(shí)現(xiàn)授粉過程。為了讓氣囊具有足夠的耐磨性及長的壽命，因此選擇和安全氣囊同類型的橡膠氣囊進(jìn)行搭配。密封攤抹結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 密封攤抹結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 額外補(bǔ)充粉源

向日葵為雌雄同體柱體結(jié)構(gòu)，蜜蜂等昆蟲授粉及人工輔助授粉無法控制葵花盤花粉種類的攤鋪量，使很多攤鋪工作未及時(shí)補(bǔ)充對(duì)應(yīng)位置的異種花粉，隨著授粉工作的推進(jìn)，黏附花粉不斷消耗，也可能會(huì)使輔助授粉裝置中的毛絨花粉種類變得單一，致使授粉率難以得到保證[10]。補(bǔ)充授粉結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 補(bǔ)充授粉結(jié)構(gòu)示意圖

2 組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 單元間接口

將新型輔助授粉裝置功能單元-攤鋪花粉的柔軟性設(shè)計(jì)、全面積攤抹結(jié)構(gòu)、空間密封授粉結(jié)構(gòu)、額外補(bǔ)充粉源裝置集成整合在一起，形成滿足輔助葵花盤授粉全功能、全需求的集合裝置，中間需要聯(lián)系各功能模塊的接口技術(shù)。一般的機(jī)電產(chǎn)品中接口技術(shù)包括電氣連接、機(jī)械連接，這里考慮降成本及實(shí)用性原則，不同單元間選擇不同的接口技術(shù)。全面積攤抹結(jié)構(gòu)與整體進(jìn)行角度球式的機(jī)械連接、攤鋪花粉的柔軟性設(shè)計(jì)與額外補(bǔ)充粉源裝置手動(dòng)控制的氣動(dòng)連接、空間密封授粉結(jié)構(gòu)與整體并行氣動(dòng)連接和機(jī)械連接，具體裝配結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 整體裝配結(jié)構(gòu)圖

2.1.1角度擺動(dòng)球選擇

角度擺動(dòng)球選擇橡膠球，其具有可交聯(lián)的橡膠的分子鏈，交聯(lián)后的橡膠在受到外力變形時(shí)，擁有快速恢復(fù)的能力，并具有良好的物理性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可以在外部力量很小的情況下產(chǎn)生較大的變形，且合成價(jià)格低廉，在日常生活中應(yīng)用廣泛。這樣選擇角度擺動(dòng)球，可以實(shí)現(xiàn)毛刷的上下擺動(dòng)，最終完成向日葵花盤的均勻授粉。

2.1.2 充放氣原理設(shè)計(jì)

彈簧裝置作為向日葵花盤授粉機(jī)的關(guān)鍵零部件，對(duì)整體工作的流暢度影響較大，彈力大小關(guān)乎氣囊充氣的大小，如果彈簧伸縮量過大，會(huì)導(dǎo)致人工操作困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，和設(shè)計(jì)初衷相悖。如果彈簧伸量過小，會(huì)影響氣囊的充氣程度，從而造成囊性結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)向日葵花盤的大小，導(dǎo)致授粉的效果變差。

本向日葵花盤授粉機(jī)設(shè)計(jì)的扳機(jī)彈簧部分采用彈簧、氣流皮碗及氣流板緊密配合，手指位置通過槍指槽不斷擠壓扳機(jī)，配合擠壓彈簧形成充氣與吸氣過程，內(nèi)部的氣流皮碗如同充氣筒對(duì)氣流通道不斷進(jìn)行充氣與吸氣。

充氣過程：輕輕推動(dòng)扳機(jī)，氣流皮碗開始向內(nèi)移動(dòng)，把氣體推入氣流通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊的充氣。

放氣過程：用力推動(dòng)扳機(jī)，使氣流皮碗滑出軌道，實(shí)現(xiàn)放氣過程，放氣結(jié)束，松開扳機(jī)，氣流板在彈簧的彈力作用下滑回軌道，完成放氣過程。

2.2 具體實(shí)施

在進(jìn)行葵花盤輔助授粉時(shí)，工作人員手持裝置的手持槍體部位即主架體，將未變形的包裹氣囊（密封裝置）貼近授粉的葵花盤的授粉面，使得未變形的包裹氣囊套住整個(gè)葵花盤；這時(shí)手指位置通過槍指槽不斷擠壓氣流板，配合擠壓彈簧持續(xù)形成充氣與吸氣過程，內(nèi)部的氣流皮碗如同充氣筒對(duì)氣流通道不斷充氣；最后通過分流連接的氣囊管充盈在包裹氣囊內(nèi)，使得包裹氣囊的彈性柔質(zhì)面向內(nèi)變形擠壓，直至包裹住葵花盤外端面。這時(shí)授粉面、彈性柔質(zhì)面、功能間連接架形成密閉空間，內(nèi)部包含授粉支架，授粉支架的毛刷盤正對(duì)授粉面，授粉支架通過主連接柱配合安裝連接在功能間連接架中心位置的角度球接口內(nèi)，配合位置設(shè)置有配合孔槽，配合形式為間隙配合；角度球接口與功能間連接架配合端面設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)套，手持人員角度轉(zhuǎn)動(dòng)手持槍體帶動(dòng)主連接柱小角度攪動(dòng)，最終運(yùn)動(dòng)形式為：授粉支架的毛刷盤對(duì)授粉面進(jìn)行均勻摩擦接觸，與此同時(shí)，主連接柱與角度球接口配合段設(shè)置有一定距離的伸縮端面，此距離即為伸縮位移；通過伸縮位移可以調(diào)節(jié)毛刷盤與授粉面的距離，當(dāng)該授粉面授粉結(jié)束后，通過用力擠壓氣流板，使得氣流皮碗脫離滑移孔槽，形成包裹氣囊的放氣過程，直至包裹氣囊脫離當(dāng)前葵花盤。

另外，主槍體側(cè)端部內(nèi)部設(shè)置有安裝花粉筒的孔槽，盛放均勻混合葵花花粉的花粉筒另一端設(shè)置有筒接口，并通過筒接口與中間支架螺紋配合連通。主槍體與花粉筒對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有按鈕式的脈沖粉筒按鈕，主連接柱內(nèi)部設(shè)置有與筒接口連通的主流道，主流道內(nèi)連通在內(nèi)流腔內(nèi)，內(nèi)流腔設(shè)置在毛刷盤內(nèi)，毛刷盤工作端面設(shè)置有柔軟吸附材質(zhì)的授粉毛刷，授粉毛刷正對(duì)葵花盤的授粉面，且毛刷盤與授粉毛刷連接位置設(shè)置有密集通孔的粉流板。在摩擦接觸授粉面之前需要擠壓一下脈沖粉筒按鈕，將花粉筒內(nèi)部均勻的葵花粉脈沖式噴入到主流道內(nèi)，并通過內(nèi)流腔及粉流板的通孔將葵花粉迅速黏附在授粉毛刷上，保證有充足、均勻的葵花粉供其與授粉面摩擦接觸，雜交授粉。

3 結(jié)語

本文研究設(shè)計(jì)了一種向日葵花盤輔助授粉裝置，通過手持槍結(jié)構(gòu)的抽氣筒式的氣流調(diào)節(jié)充盈或者收縮包裹氣囊，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)葵花盤的密封包裹，形成一個(gè)暫時(shí)密封的授粉空間，提高授粉的穩(wěn)定性；通過角度擺動(dòng)球小角度轉(zhuǎn)動(dòng)授粉支架，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小的葵花盤均勻毛刷摸動(dòng)雜交授粉。為了提高授粉率，配合相互貫通的氣流通道實(shí)現(xiàn)花粉筒內(nèi)葵花粉的脈沖噴出，進(jìn)入到粉流板和授粉毛刷間，使得毛刷摸動(dòng)雜交授粉更加充分，整個(gè)高效授粉過程一體化設(shè)計(jì)，得到滿足輔助葵花盤授粉全功能、全需求集合的結(jié)構(gòu)裝置，操作環(huán)環(huán)相扣，提升勞動(dòng)效率，降低授粉成本，提高葵花盤授粉率。