草莓移動(dòng)栽培架的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

管春松，胡 檜，楊雅婷，高慶生，趙金元

(1.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；常熟市農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215557)

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草莓移動(dòng)栽培架的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

管春松1，胡 檜1，楊雅婷1，高慶生1，趙金元2

(1.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；常熟市農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215557)

為提高設(shè)施溫室內(nèi)草莓栽培種植密度和棚室空間利用率，設(shè)計(jì)了一種平滑式移動(dòng)栽培架。首先對(duì)總體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上提出總體設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)該裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)與分析，最后對(duì)樣機(jī)開展臺(tái)架試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：該移動(dòng)架總成能實(shí)現(xiàn)多組架體單元同時(shí)左右平動(dòng)，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，操作簡(jiǎn)單，省力輕便，能夠滿足草莓栽培生產(chǎn)實(shí)際需求。

移動(dòng)栽培架；草莓栽培；平滑式

0 引言

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，草莓因其具有生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高、收益高、食用性佳等特點(diǎn)，消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)草莓的需求更加迫切，引起設(shè)施草莓栽培面積逐年上升，已成為我國(guó)發(fā)展速度最快、效益最高的果樹樹種之一[1]。然而，草莓栽培屬于典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，強(qiáng)度大、成本高，且面臨用工老齡化問(wèn)題，推行省工省力的栽培方式已成為當(dāng)務(wù)之急。為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)草莓省力化栽培和清潔生產(chǎn)，以及提高設(shè)施的利用率，設(shè)施立體栽培應(yīng)運(yùn)而生，主要包括吊柱式栽培、高設(shè)栽培及管道式栽培等。其中，高設(shè)栽培因其管理方便、實(shí)用性強(qiáng)，倍受農(nóng)戶喜歡[2-3]。

根據(jù)架式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，高設(shè)栽培可分為以“A”形、“X”形和“H”形為代表的固定式結(jié)構(gòu)類型和架體可調(diào)節(jié)的移動(dòng)式栽培架。固定式栽培架一般按照南北向排放，排布時(shí)各栽培架單元都固定于地面上，各單元間留有一定的行間距，以供作業(yè)人員田間管理與收獲。隨著設(shè)施單位面積產(chǎn)出量也逐年提高，溫室大棚面臨空間利用率低的問(wèn)題，原有的固定式栽培架之間的行間道已造成了一種資源浪費(fèi)。各國(guó)已開始研究適合草莓生產(chǎn)的移動(dòng)栽培架結(jié)構(gòu)，其中以日本和荷蘭等國(guó)家最為典型[4-5]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于移動(dòng)栽培架的設(shè)計(jì)研究?jī)H限于為數(shù)不多的專利技術(shù)文件中[6-7]，基本采用定向輪放置在定向軌道中移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，操作時(shí)阻力較大，且易產(chǎn)生軌道內(nèi)卡殼現(xiàn)象，不宜大面積推廣。為此，針對(duì)目前設(shè)施草莓高架栽培種植密度受限，結(jié)合長(zhǎng)三角地區(qū)生產(chǎn)實(shí)際情況，提出了一種平滑式移動(dòng)栽培架，并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，最后開展試驗(yàn)研究，為草莓超高密度、超高產(chǎn)栽培推廣提供依據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)要求

考慮到棚室縱向長(zhǎng)度較大，本移動(dòng)栽培系統(tǒng)采用多組平滑式移動(dòng)栽培架組合而成。其中，縱向每?jī)山M架體之間采用連接件固定，最終形成縱向整體式結(jié)構(gòu)，同時(shí)在最端部的一個(gè)架體上安裝有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件，帶動(dòng)整體式結(jié)構(gòu)左右滑移；橫向每?jī)蓚€(gè)整體式結(jié)構(gòu)之間相互緊挨，可根據(jù)需要相互產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)。下面僅針對(duì)縱向整體式結(jié)構(gòu)中最端部的平滑式移動(dòng)栽培架進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他架體參照此架體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本著遵循土地利用率高、種植密度大和省力等總體原則，結(jié)合草莓高設(shè)栽培的實(shí)際需求，平滑式移動(dòng)栽培架設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮以下3個(gè)參數(shù)：栽培槽寬度、架高及架體下部總寬。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，栽培槽寬度通常取30cm；根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)原理，架高(即栽培槽至地面寬度)一般取80～100cm，本設(shè)計(jì)取95cm。

一般單個(gè)固定架的占地寬度與栽培槽寬度相等為30cm，考慮到行間道寬度為80cm，以8m標(biāo)準(zhǔn)棚進(jìn)行規(guī)劃計(jì)算，得出架體數(shù)量宜取7。與固定式栽培架相比，一般移動(dòng)式栽培架可使單位面積草莓種植密度提高50%以上[9]，本設(shè)計(jì)以提高50%為計(jì)算依據(jù)，即移動(dòng)栽培架體數(shù)量取為11；同時(shí)，預(yù)留下80cm的行間道寬度，計(jì)算可得架體下部總寬約為65.45cm，對(duì)參數(shù)圓整，取66cm。

2 總體方案提出

移動(dòng)栽培架裝置設(shè)計(jì)還需考慮到栽培槽支架類型選擇、軌道類型、移動(dòng)方式的選擇及動(dòng)力傳動(dòng)方式選擇等，以軌道類型和移動(dòng)方式的選擇最為關(guān)鍵。如圖1所示，本文考慮了滾輪滾軸圓鋼式和滾輪滾軸角鋼式2種軌道類型與移動(dòng)方式進(jìn)行組配的設(shè)計(jì)方案。

圖1(a)中，采用的方案為支撐座預(yù)埋于地面，圓鋼被固定于支撐座上，其上與圓鋼垂直的滾軸在圓鋼上左右滾動(dòng)以帶動(dòng)整個(gè)架體移動(dòng)；圖1(b)中，采用的方案為角鋼預(yù)埋于地面，其上與圓鋼垂直的滾軸在角鋼上左右滾動(dòng)以帶動(dòng)整個(gè)架體移動(dòng)。

(a) 滾輪滾軸圓鋼式 (b) 滾輪滾軸角鋼式

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：圖1(a)方案中由于地面整理平整度較難控制，此時(shí)多組支撐座預(yù)埋于地面，難以保證其上表面處于同一水平面，而后固定在其上的圓鋼也會(huì)崎嶇不平，不能保證水平，影響軌道性能和圓鋼使用壽命；而圖1(b)中角鋼直接預(yù)埋于地下2cm左右，能夠保證好的水平性能。另外圖1(a)中由于圓鋼置于支撐座上，其上表面離地高度較高，操作人員管理時(shí)容易絆腳。最后，綜合性能穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等因素的考慮選擇如圖1(b)中的滾輪滾軸角鋼式結(jié)構(gòu)組合。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如圖2所示的端部移動(dòng)栽培架，包含1個(gè)栽培槽支架、兩平行角鋼基座、兩平行滾軸、兩平行支撐梁、兩連接梁、4個(gè)滑輪組和與之配套的滑輪座。在角鋼基座的上部支撐與之垂直方向的相互平行的左滾軸和右滾軸，左滾軸和右滾軸的兩端上分別安裝與之構(gòu)成滾動(dòng)副的左右兩組滑輪組，左右兩組滑輪組被分別嵌裝于左右滑輪座的下部；左右兩滑輪座的內(nèi)側(cè)插裝有支撐梁，前后兩滑輪座的內(nèi)側(cè)插裝有連接梁，栽培槽支架和右滾軸的側(cè)面安裝有鏈傳動(dòng)部件，用于傳遞動(dòng)力給滾軸。

1.栽培槽支架 2.連接梁 3.左滾軸 4.鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.搖柄 6.支撐梁 7.滑輪座 8.角鋼基座 9.滑輪組 10.右滾軸

3 關(guān)鍵部件選型與設(shè)計(jì)

3.1 栽培槽及其支架

為提高架體移動(dòng)的靈活性，栽培槽支架宜設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單輕便：一方面需減輕支架本身的質(zhì)量，降低制造成本，易于農(nóng)戶接受；另一方面需利于人工管理及采收。本設(shè)計(jì)中栽培槽支架類型選擇使用最為普遍的“H”形單層栽培方式，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。栽培槽支架以鍍鋅管為骨架進(jìn)行搭建，鍍鋅管之間通過(guò)抱箍等活動(dòng)件進(jìn)行連接，便于拆裝維修；支架的最上端外側(cè)面固定安裝有卡槽，其內(nèi)側(cè)安裝有栽培槽，槽內(nèi)寬為30cm、深25cm；槽的上下層分別布置防水膜和無(wú)紡布，被卡簧壓緊于卡槽內(nèi)，無(wú)紡布上均勻裝栽培基質(zhì)。

1.H形支架 2.防水膜 3.無(wú)紡布 4.基質(zhì) 5.卡簧 6.卡槽

3.2 滾軸

從穩(wěn)定性角度考慮，滾軸直徑選取越大越好；但從材料成本角度考慮，滾軸直徑尺寸宜小些，也不宜太小。若尺寸過(guò)小，滾軸單次周期轉(zhuǎn)動(dòng)的距離變小，導(dǎo)致支架移動(dòng)相同的橫向距離所需的時(shí)間變長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)力也增加?？紤]到更換的方便性和一定的承載能力，滾軸材料選用為工程上常用的圓鋼管，滾軸選取為直徑5cm、壁厚3.5mm的圓鋼管。

3.3 滑輪組選型與滑輪座設(shè)計(jì)

由于滑輪組和滾軸之間為滾動(dòng)連接，假設(shè)設(shè)計(jì)中滾軸直徑不變且兩個(gè)滑輪之間的中心距固定，此時(shí)滑輪的直徑尺寸選擇取決于滾軸的直徑尺寸。同樣從節(jié)約成本的角度考慮，宜取尺寸小些，但若選取過(guò)小，滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中易引起滑輪組滑出滾軸外，從而產(chǎn)生支架傾覆的現(xiàn)象，使整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，影響工作性能。綜合考慮，本設(shè)計(jì)滑輪選取50中型輪，外徑尺寸為5cm，材料為尼龍，彈性好，耐磨，更換率低。

在此基礎(chǔ)上，如圖4所示，可確定左右滑輪間中心距L的尺寸，滑輪組能正常工作，需滿足以下條件，有

(1)

其中，R為滾軸和滑輪的外徑，此處取5cm；α為滾軸滑輪中心連接線與豎直垂線之間的夾角。

兩式計(jì)算可得出α的取值范圍為30°≤α≤60° ，考慮結(jié)構(gòu)緊湊性因素最后確定α為37°，則左右滑輪中心距L為6cm。

1.滾軸 2.左滑輪 3.右滑輪

滑輪組尺寸確定后，為保證滑輪組與支架的連接，設(shè)計(jì)了如圖5所示的滑輪座。該滑輪座由上蓋和下蓋兩部分組成，兩者通過(guò)螺栓連接緊固。上蓋為“b”形折彎鋼板，其凹面處裝插有連接梁，增強(qiáng)底座前后的穩(wěn)定性，防止前后發(fā)生偏移；下蓋為兩個(gè)“u”形的鋼板上下焊接而成，下u形鋼板的底部開有與滑輪組中心距尺寸一致的一對(duì)通孔，通過(guò)開口銷將滑輪組嵌裝于“u”形槽前后兩面間的通孔內(nèi)。下蓋的長(zhǎng)度方向尺寸取決于下部總寬與支架寬度，滿足如下關(guān)系式，有

2S+b1+2d1≤b

(2)

其中，S為下蓋長(zhǎng)度尺寸；b1為槽內(nèi)寬，此處取30cm；d1為鍍鋅管直徑，此處取2.7cm；b為架體下部總寬，此處取66cm。

計(jì)算可知，下蓋的長(zhǎng)度尺寸需滿足S≤15.3cm，同時(shí)S≥L=6cm，考慮到結(jié)構(gòu)整體重心的因素，本設(shè)計(jì)中S取13cm。

1.滑輪組 2.下蓋 3.上蓋

3.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于操控滾軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兼顧省力的總體設(shè)計(jì)原則，采用如圖6所示的動(dòng)力傳動(dòng)方式，搖柄安裝于搖柄套中，并利用圓螺母鎖死；搖柄套與主動(dòng)鏈輪的輪轂通過(guò)沉頭螺栓緊固，兩者同步運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)鏈輪的內(nèi)圓周面和連接塊的外圓周面分別與滾動(dòng)軸承的外圈和內(nèi)圈配合；從動(dòng)鏈輪的輪轂外圓周面與滾軸的內(nèi)圓周面配合，兩者通過(guò)螺栓緊固。根據(jù)人體工程學(xué)原理，本設(shè)計(jì)中主動(dòng)鏈輪的中心線與地面的垂直距離取為67cm，鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1∶1。

工作時(shí)，搖動(dòng)搖柄，使得搖柄套和主動(dòng)鏈輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)鏈條將動(dòng)力傳遞至從動(dòng)鏈輪上，因從動(dòng)鏈輪與右滾軸固定于一體，從而帶動(dòng)右滾軸滾動(dòng)；由于右滾軸與嵌裝于右滑輪座的滑輪組之間為滾動(dòng)連接，最終帶動(dòng)滑輪組、滑輪座及其上的栽培槽支架一起在兩個(gè)平行角鋼基座上左右來(lái)回平動(dòng)。

4 臺(tái)架性能試驗(yàn)

2016年1月，在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所中試工廠內(nèi)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)樣機(jī)采用8組相同結(jié)構(gòu)的栽培架單元焊接組成為整體結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中通過(guò)相同質(zhì)量泥土口袋(平均約30kg/袋)模擬栽培槽基質(zhì)承壓在架體上，主要對(duì)裝置的承重能力和搖柄的臂力參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)測(cè)試，搖動(dòng)手柄能較容易地實(shí)現(xiàn)8組架體的同步平移，操作方便且省力，符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足草莓栽培移動(dòng)架體的生產(chǎn)實(shí)際需求。

1.圓螺母 2.搖柄套 3.主動(dòng)鏈輪 4.連接塊 5.搖柄 6.支架 7.鏈條 8.從動(dòng)鏈輪

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每個(gè)架體單元上放置兩袋泥土?xí)r，整個(gè)架體移動(dòng)中架體上部的鍍鋅管中部將發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形，且有少量的顫動(dòng)，表明該架體承壓質(zhì)量范圍小于50kg為宜； 另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整個(gè)栽培架體上放置240kg重的泥土袋，搖柄上的臂力為3.8kg(38N)。當(dāng)承重每增加1倍，臂力約增加1kg(10N)，變化不是很明顯，完全在成年人正常的臂力范圍內(nèi)，表明整個(gè)裝置所需的驅(qū)動(dòng)力很小，適合多種年齡段人群使用。

5 結(jié)論

1) 移動(dòng)栽培架裝置可有效解決我國(guó)溫室大棚固定栽培架空間利用率低、單位面積種植密度受限的問(wèn)題，可為我國(guó)超高密度、超高產(chǎn)栽培提供好的解決方案。

2) 設(shè)計(jì)了一種平滑式移動(dòng)栽培架單元，可根據(jù)目前大部分溫室結(jié)構(gòu)的尺寸自由調(diào)節(jié)數(shù)量，適用性廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，能夠?yàn)楦呒茏魑?草莓)提供良好的管理作業(yè)移動(dòng)平臺(tái)。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)方案合理，架體承重建議小于50kg為宜，移動(dòng)所需臂力小，省力輕便，能夠滿足草莓栽培生產(chǎn)實(shí)際需求。

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Design and Experiment on Strawberry Moving Cultivation Frame

Guan Chunsong1, Hu Hui1, Yang Yating1, Gao Qingsheng1, Zhao Jinyuan2

(1.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China;2.Changshu Agricultural Science and Technology Development Co., Ltd, Suzhou 215557, China)

In order to improve the planting density of strawberry cultivation and the utilization rate of the space in the greenhouse, a moving cultivation frame was designed. First, the overall design requirements were described, on the basis of this, the overall design scheme was proposed. Then the key components of the device were selected, designed and analyzed. At last, the experiment of the prototype was carried out. The results show that the whole moving cultivation frame can realize the movement of multiple frame units at the same time, the parameters have reached the mechanical requirements. It is easy to use and labor-saving, can meet the production requirements of strawberry cultivation.

moving cultivation frame; strawberry cultivation; smooth type

2016-04-08

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2014406)；蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SNG201501)

管春松(1987-)，男，江蘇鹽城人，助理研究員，(E-mail)cs.guan@163.com。

胡 檜(1974-)，男，湖北公安人，副研究員，(E-mail)wsdhu@163.com。

S223.1

A

1003-188X(2017)05-0167-04