立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā)

徐祥朋，李 愷，楊艷麗，初 麒，彭玉平，馮 捷，辜 松※

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3.廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642）

立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā)

徐祥朋1,2，李 愷1,2，楊艷麗3，初 麒1,2，彭玉平1,2，馮 捷1,2，辜 松1,2※

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3.廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642）

日光溫室占我國設(shè)施園藝總面積逐年提升，但如今日光溫室土地利用效率卻相當(dāng)?shù)拖?。目前設(shè)計(jì)用來提高土地利用率的機(jī)器還相對較少。本設(shè)計(jì)通過在三維仿真軟件SolidWorks仿真后，主要提供了一種新的立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)，該種植機(jī)械采用鋼架結(jié)構(gòu)，簡單的鏈條傳動，能滿足栽培植物的需光量，并且能提高土地利用率至原來的2.1倍左右。

立體栽培 土地利用率 溫室 蔬菜

0 引言

蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚氖称?，也是我國目前種植業(yè)中最具活力的經(jīng)濟(jì)作物。20世紀(jì)80年代中期以來，我國蔬菜生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量穩(wěn)步增長。我國蔬菜播種面積在20世紀(jì)80年代年均增長近10%，90年代年均增長14.5%，本世紀(jì)前8年平均增長 3.5%，2011年全國蔬菜播種面積0.197億hm2（2.95億畝）、總產(chǎn)量6.79億t，比第二位的糧食多1億多t，居農(nóng)產(chǎn)品之首[1]。

FAO數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果顯示，中國2009年蔬菜和瓜類收獲面積就已達(dá)0.227萬hm2（3.41萬畝），總產(chǎn)量 52 265.09萬 t，分別占世界的 42.8%和51.67%，居世界第一位，比位居第二的印度高出2.29倍和4.63倍。蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。

蔬菜產(chǎn)業(yè)的不斷增值，歸功于我國設(shè)施園藝面積的高速增長。目前我國已經(jīng)擁有超過35萬hm2（525萬畝）的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積，其中日光溫室所占面積比例已經(jīng)達(dá)到了1/4左右。日光溫室采用較簡易的結(jié)構(gòu)，充分利用太陽能，在寒冷地區(qū)一般不加溫進(jìn)行蔬菜越冬栽培和進(jìn)行種苗生產(chǎn)，為我國獨(dú)有。日光溫室的優(yōu)點(diǎn)有保溫好、投資低、節(jié)約能源、節(jié)約用水，非常適合我國經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)農(nóng)村使用。

日光溫室目前存在的主要問題便是土地利用率低。而目前用來提高日光溫室的土地利用率的機(jī)器系統(tǒng)相對較少[2]。

1 立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 構(gòu)成

該立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)高1 661 mm、寬2 560 mm、長6 100 mm、鏈條懸掛角度為40°，由驅(qū)動電機(jī)、從動鏈輪、輸送鏈條、調(diào)整張緊端、載物盤和80×80槽鋼主架等幾個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)組成，見圖1。通過變頻器來改變驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此獲得相應(yīng)的生產(chǎn)率和作業(yè)效率。

圖1 立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)

1.2 作業(yè)原理

立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)作業(yè)原理如下：驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動從動鏈輪轉(zhuǎn)動，從動鏈輪帶動輸送鏈條的運(yùn)動，從而使上下穴盤交替接受陽光，保證了整個種植過程中對光照的需求。簡易的鏈條張緊端可以輕松地將輸送鏈條張緊，保障了輸送的穩(wěn)定可靠性。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)作為水稻育秧生產(chǎn)線的一部分，主要需要考慮以下條件。

2.1 鏈條傾角計(jì)算

按照客戶要求，上下穴盤的遮光率a不能大于30%（a=覆蓋面積X/穴盤懸架面積S≤30%），這便要求布置的鏈條與豎直方向具有一定的傾度，如圖2所示。根據(jù)遮光率a計(jì)算公式，設(shè)置最大遮光a =30%，通過Solidworks仿真計(jì)算，在相同遮光率的情況下，可得出穴盤懸架的間距Y，如表1所示。

圖2 遮光示意圖

表1 鏈條10～45°傾角角下穴盤架間距

從問表1可知，在遮光率a一定的情況下，穴盤懸架之間的間距Y隨鏈條與豎直方向的傾角α的增大而不斷減小。當(dāng)Y=290.40 mm時(shí)，最接近設(shè)計(jì)穴盤懸架的寬度。因而最合適的鏈條傾角為α=40°。

2.2 主架結(jié)構(gòu)確定

本立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)主架為槽鋼結(jié)構(gòu)，槽鋼型號為80 mm×80 mm。主架高度為1 661 mm，這主要是考慮到在作業(yè)過程中，人能便利地往懸架上擺放、拿取穴盤。初步設(shè)計(jì)機(jī)架形狀如圖3所示。主架的寬度可根據(jù)客戶要求的栽種量、電機(jī)功率而定。

圖3 立體栽培生產(chǎn)線主架

2.3 鏈條張緊端的設(shè)計(jì)

立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)鏈條的長度主要由穴盤架間距和栽種穴盤數(shù)量決定。過長的鏈條需要張緊，圖4是本立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)的鏈條張緊機(jī)構(gòu)。

調(diào)整移動臂在調(diào)整臂里滑動。當(dāng)需要張緊的時(shí)

候，將調(diào)整螺栓和鎖緊調(diào)整臂和調(diào)整移動臂的螺栓擰松，向外拉動大鏈輪至鏈條張緊狀態(tài)，將調(diào)整螺栓擰緊和鎖緊調(diào)整臂和調(diào)整移動臂的螺栓擰緊。便實(shí)現(xiàn)了鏈條的張緊功能。

圖4 鏈條張緊端

圖5 驅(qū)動傳動示意圖

當(dāng)然，如果投入成本足夠的話，我們可以將調(diào)整端與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，配合壓力傳感器，便可自動化調(diào)整鏈條張緊狀態(tài)。但由于我們設(shè)計(jì)這個鏈條，不需要經(jīng)常調(diào)動，所以我們這個張緊是符合了設(shè)計(jì)的要求。

2.4 驅(qū)動電機(jī)選擇

本設(shè)計(jì)要求穴盤懸架循環(huán)1周的時(shí)間t為20 min，鏈條全長為14 703 mm。驅(qū)動傳動如圖5所示。電機(jī)減速器出來后由鏈輪1傳遞給鏈輪2，受位置所限，本設(shè)計(jì)的鏈輪1、鏈輪2、鏈輪3的齒數(shù)之比iz=z1∶z2∶z3=1∶3∶4.2，最小鏈輪半徑為r1=29.37mm。因?yàn)槭擎湕l傳動，所以線速度v1=v2，角速度之比iω=ω1∶ω2=r1∶r2=3∶1。鏈輪2和鏈輪3同軸，因此轉(zhuǎn)速一致，即角速度ω2=ω3，線速度之比iv=v3∶v2= r3∶r2=1.4∶1。所以，鏈輪3轉(zhuǎn)速

也就是說，電機(jī)經(jīng)減速器后輸出速度必須為n1。根據(jù)嚙合尺寸表，參考轉(zhuǎn)矩功率參數(shù)表后，選擇了合富的普通交流電機(jī)，功率是0.37 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)矩M為115 N·m，組合減速比為1∶120，需將速度減到12 r/min，再用變頻器調(diào)速至所需工作速度。按工況要求，選擇工作系數(shù)為fs為1.1。

3 整機(jī)實(shí)驗(yàn)

本設(shè)計(jì)已經(jīng)將實(shí)物加工組裝完成，立體栽培生產(chǎn)線實(shí)物圖如圖6所示。對于組裝完成好的樣機(jī)，我們對實(shí)際遮光率a、實(shí)際穴盤架間距Y、實(shí)際運(yùn)行速度v進(jìn)行了測試，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)

表2 立體栽培生產(chǎn)線主要性能參數(shù)

由表2數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際遮光率a和實(shí)際穴盤間距都與原設(shè)計(jì)的有出入，原因在于在安裝過程中，存在著加工誤差。原來鏈條傾角為40°時(shí)候，穴盤懸架間距為290.40 mm，穴盤懸架寬為284 mm，理論上是不會相互干涉，但是為保險(xiǎn)起見，我們在安

裝的時(shí)候?qū)⒀ūP懸架間距調(diào)為320 mm，總共放置了41個穴盤架。運(yùn)行速度降經(jīng)過3級減速后達(dá)到要求。

實(shí)驗(yàn)過程中，穴盤懸架上盛放相應(yīng)質(zhì)量的重物模擬給掛盤架施力，試驗(yàn)效果較好，所有穴盤懸架不存在相互干涉問題，并且所有穴盤架運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

該立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)具備以下的優(yōu)點(diǎn)：

1）采用簡單的材料構(gòu)造系統(tǒng)，并且采用簡單的驅(qū)動方式來驅(qū)動系統(tǒng)，節(jié)省能源。

2）在滿足栽培作物的需光要求下，實(shí)現(xiàn)高密度有序作物栽培，種收簡易，可行性強(qiáng)。

3）在當(dāng)前土地資源緊缺的狀況下，高密度的種植使得日光溫室的土地利用率大大地提高，給農(nóng)民朋友帶來了實(shí)質(zhì)性的增產(chǎn)增收。

4）該立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)未來的發(fā)展方向?yàn)殛柵_園藝，讓都市人們吃蔬菜能做到自給自足，綠色健康。

[1]周長吉，劉晨霞.提高日光溫室土地利用率的方法評析[J].中國果菜，2009（5）：16-20.

[2]尚慶茂，張志剛.中國蔬菜產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向及重點(diǎn)[J].中國食物與營養(yǎng)，2005（7）：20-22.

Development of Stereoscopic Cultivation Production Line System

Xu Xiangpeng1,2,Li Kai1,2,Yang Yanli3,Chu QI1,2,Peng Yuping1,2,Feng Jie1,2,Gu song1,2※
（1.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642.China; 2.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China; 3.Guangzhou sky electromechanical technology co.,LTD，Guangzhou 510642,China）

At present,Greenhouse Facilities Horticulture in China accounted for the total area increased year by year,but now the greenhouse land use efficiency is very low.At the same time,designed to improve land use rate of machine is relatively less.This design by the simulation software SolidWorks,mainly provides a stereoscopic cultivation production line system,the planting machine with steel structure,the chain of transmission is simple,and can satisfy the need of the light of cultivated plants,and can improve the utilization rate of land about 2.1 times to the original.

Stereo cultivation Efficiency of land usage Greenhouse Vegetable

徐祥朋（1990-）,男，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)裝備的研究。E-mail:15102093365@163.com。

※通訊作者：辜松（1963-），男，博士生導(dǎo)師，教授，博士，農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)裝備的研究。廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。Email:sgu666@sina.com