自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)移動(dòng)苗床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)卷覆膜機(jī)，實(shí)現(xiàn)了塑料薄膜的自動(dòng)卷收和覆蓋，搭建了自動(dòng)控溫系統(tǒng)，建立苗床及作物的獨(dú)立加熱保溫小環(huán)境。薯尖扦插苗的試驗(yàn)結(jié)果表明，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，育苗成活率提高29%，單株苗加熱成本降低69%以上。試驗(yàn)為工廠化育苗柔性化生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐，可實(shí)現(xiàn)不同種苗培育在同一溫室內(nèi)的統(tǒng)一管理。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)覆膜；控溫；移動(dòng)苗床；柔性生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：S625.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）13-3475-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.053

隨著中國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的主體，在生產(chǎn)中起著非常重要的作用[1]。在冬季、早春等低溫時(shí)節(jié)，為了保證溫室移動(dòng)苗床上作物生長(zhǎng)所需的環(huán)境溫度，常利用溫室加熱系統(tǒng)對(duì)整個(gè)溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行加溫[2]，同時(shí)搭蓋塑料薄膜來(lái)增加苗床的蓄熱保溫能力。但是存在一些不足之處：一是溫室采用整體式加熱系統(tǒng)，即對(duì)溫室內(nèi)的空氣、地面、墻壁、屋架、覆蓋材料等整個(gè)大環(huán)境進(jìn)行加熱，能耗大、運(yùn)行成本高[3，4]；二是苗床上塑料薄膜的覆蓋、揭開(kāi)過(guò)程依靠人工完成，工作量大且易損傷幼苗；三是溫室大環(huán)境溫度只能滿足一種作物育苗溫度條件，造成空間、能源浪費(fèi)。

為此，本研究提出了構(gòu)建基于移動(dòng)苗床的溫室“小環(huán)境”解決方案——自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床，即通過(guò)研發(fā)移動(dòng)苗床拱棚裝置、加熱隔熱系統(tǒng)，建立苗床及作物的獨(dú)立加熱保溫小環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床作為工廠化育苗過(guò)程中的新型裝備，為工廠化育苗柔性化生產(chǎn)提供了便利，可針對(duì)不同種苗的農(nóng)藝要求在同一溫室內(nèi)實(shí)現(xiàn)集群管理。

1 自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床的總體設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床自動(dòng)卷覆膜機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

塑料薄膜安裝示意圖見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，自動(dòng)覆膜機(jī)卷管安裝在靠近支架頂端的一側(cè)，雙層塑料薄膜的一端通過(guò)透明膠帶固定在卷管軸線上。纏繞數(shù)圈后分別向支架兩側(cè)引出左、右單層薄膜，牽引桿用壓膜卡固定在左、右單層薄膜末端，牽引桿兩端安裝滾輪，牽引著塑料薄膜沿著支架斜面上下滾動(dòng)。

屋脊型支架棚肩的內(nèi)側(cè)安裝與卷管軸線平行的導(dǎo)向桿，對(duì)完全覆蓋的塑料薄膜起到張緊作用，使塑料薄膜覆蓋面與支架構(gòu)形一致。

管狀電機(jī)安裝在苗床端部卷管空腔中，固定好卷管和管狀電機(jī)輸出軸，每段卷管通過(guò)傳動(dòng)軸連接，使所有卷管同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)薄膜的卷收和覆蓋，電機(jī)行程可以調(diào)整，保證卷收薄膜后與空氣接觸面盡可能大，覆蓋薄膜后完全密封。

2 自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支架由鍍鋅薄鋼板折彎而成，寬度與移動(dòng)苗床的內(nèi)寬一致，呈屋脊形結(jié)構(gòu)，以利于塑料薄膜內(nèi)面的凝聚水珠沿膜面向兩側(cè)滑落，避免露滴久留或滴落[5]。支架左右兩側(cè)的棚肩用于保證作物生長(zhǎng)所需的空間高度。

相對(duì)于其材料尺寸而言，支架屬于大跨度柔性結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)校核時(shí)需重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度分析。以16 m×1.75 m的苗床為例，確定支架的間隔距離為4 050 mm，末端間隔3 580 mm，數(shù)量為5個(gè)，支架的寬度為1 680 mm，深度140 mm，脊高716 mm，肩高分別為220 mm和240 mm，在Ansys中建立三維模型[5]，設(shè)定Shell 63單元實(shí)常數(shù)即支架板厚為1.5 mm，如表1、圖3至圖6所示，加筋支架最大變形量和最大應(yīng)力均小于未加筋支架，為保證自動(dòng)覆膜機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)先選擇加筋支架。

2.2 牽引桿校核

牽引桿是自動(dòng)卷覆膜機(jī)的重要組成部分，其對(duì)薄膜起到牽引、張緊作用。為保證在潮濕環(huán)境下?tīng)恳龡U能順利下滑，避免過(guò)重造成塑料薄膜的破損或者蠕變，采用了鋼制牽引桿，其截面為圓環(huán)形，直徑22 mm，壁厚1.2 mm，每段4 m。

在Ansys中建立三維模型，選擇Shell 63單元類型，設(shè)置Q235材料屬性，采用映射網(wǎng)格劃分得到有限元模型[6]。約束兩端面的Y向位移自由度，忽略牽引桿上塑料薄膜的重量，加載重力場(chǎng)后求解，計(jì)算得到牽引桿的最大變形量為6.5 mm，小于支架頂面與導(dǎo)向桿間的設(shè)計(jì)間隙，即覆收薄膜時(shí)牽引桿可以順利越過(guò)支架的棚肩處，其結(jié)構(gòu)剛度可滿足設(shè)計(jì)要求。牽引桿X向變形圖見(jiàn)圖7。

3 自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 儀器和材料

溫控器采用鑫動(dòng)8802系列（明裝）旋鈕電子式，型號(hào)為8802/16WD，額定電壓220 V，頻率50 Hz，額定電流16 A，額定功率3 kW，溫控容差 ±0.7 ℃，溫控范圍10～60 ℃，溫度傳感器采用外置式。

電熱膜為韓國(guó)考利亞遠(yuǎn)紅外線電熱膜，功率密度220 W/m2，最高加熱溫度可達(dá)50 ℃。交流接觸器型號(hào)為CJ-40，適應(yīng)電壓220 V、電流20 A。

3.2 電熱膜的制作、鋪設(shè)和溫控器的安裝

以試驗(yàn)所用苗床為例，裁剪4塊7.5 m×0.8 m規(guī)格的電熱膜，安裝純銅卡子并固定，然后接2.5平方國(guó)標(biāo)電源線，用膠泥和布基膠帶分別做兩次防水處理。溫控器設(shè)置在苗床兩端。電熱膜、交流接觸器和溫控器接線原理如圖8所示[7]。

苗床墊層共分為5層，從下至上安裝過(guò)程如圖9。首先鋪設(shè)厚30 mm的棉墊，并粘貼一面附有錫箔紙的保溫材料，作為隔熱反射層，隔絕內(nèi)外熱交換，隨后鋪設(shè)遠(yuǎn)紅外線電熱膜，其上覆蓋防水塑料薄膜，最后鋪設(shè)無(wú)紡布?jí)簩?shí)。隔熱層接口與電熱膜均用錫箔膠帶固定。

4 能耗試驗(yàn)及分析

4.1 材料與方法

試驗(yàn)育苗容器選用70孔綠色軟塑料穴盤，育苗基質(zhì)為90%泥炭與10%珍珠巖混合物[8]，試驗(yàn)農(nóng)作物為江城薯尖扦插苗，種苗數(shù)量為9 660株。

首先用粉碎機(jī)粉碎基質(zhì)，提前1 d噴水備用，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整理消毒，育苗基質(zhì)中加入殺菌劑[9]，混合均勻，再淋水調(diào)節(jié)水分含量，直到手輕握成團(tuán)手指間有滴水，最后將混合好的基質(zhì)裝入育苗穴盤中，用木板刮平。

試驗(yàn)方法：將裝好營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的穴盤準(zhǔn)備好后扦插薯尖扦插苗，并整體移至苗床上，設(shè)置育苗棚內(nèi)加熱溫度在20 ℃左右，蓋膜保溫，每天10：00澆水、施肥、施藥等操作，4 d后每天10：00～11：00對(duì)育苗棚進(jìn)行適當(dāng)通風(fēng)降溫，防幼苗徒長(zhǎng)，促根莖長(zhǎng)壯[10]。

4.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)于2014年1～2月進(jìn)行，共兩批，試驗(yàn)期間每日環(huán)境最高溫度、最低溫度、苗床設(shè)定溫度與耗電量的變化曲線如圖10和圖11所示，基本信息如表2所示。

湖北省維爾福種苗有限公司目前育苗成活率在70%左右，單株苗加熱成本為0.15元，本設(shè)計(jì)的育苗成活率為99%，較維爾福種苗有限公司的育苗成活率提高29%，電費(fèi)按0.8元/kW·h計(jì)算，第一、二批試驗(yàn)折合單株苗加熱成本分別為0.042、0.046元，單株苗加熱成本降低69%以上。

5 小結(jié)

本研究提出了構(gòu)建基于移動(dòng)苗床的溫室“小環(huán)境”解決方案。根據(jù)育苗作業(yè)的實(shí)際需求，結(jié)合移動(dòng)苗床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)卷覆膜機(jī)、自動(dòng)控溫系統(tǒng)，建立苗床及作物的獨(dú)立加熱保溫小環(huán)境，與湖北省維爾福種苗有限公司相比育苗成活率可提高29%，單株苗加熱成本降低69%以上，可有效提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。

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