張艷紅，秦 貴，張 嵐，郭建業(yè)，潘張磊

（北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079）

設(shè)施農(nóng)業(yè)是北京農(nóng)業(yè)的重要組成部分，日光溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要生產(chǎn)形式，據(jù)2014年年底數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，日光溫室在北京市各種設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)形式中占地面積65%，約15 800 hm2[1]。但由于日光溫室空間狹窄，僅在耕整地環(huán)節(jié)有比較適用的微耕機(jī)作業(yè)，綜合機(jī)械化水平很低[2]，表現(xiàn)為作業(yè)效率低、旋深淺（小于12 cm）、勞動(dòng)強(qiáng)度大、燃油污染嚴(yán)重。日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的其他作業(yè)環(huán)節(jié)，如施撒有機(jī)肥、鋪管覆膜、種植移栽、運(yùn)輸?shù)然疽匀斯ぷ鳂I(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，急需實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。為提高日光溫室綜合機(jī)械化作業(yè)水平、提高耕整地作業(yè)質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，北京市農(nóng)機(jī)試驗(yàn)鑒定推廣站聯(lián)合企業(yè)共同研發(fā)了設(shè)施溫室智能化平臺(tái)。

1 智能化平臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

平臺(tái)以電源為動(dòng)力，將日光溫室蔬菜生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)所需的農(nóng)機(jī)具集合安裝在該平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；并采用程序化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制功能；同時(shí)輔以電子信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控作業(yè)模式。

1.1 實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、多環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)根據(jù)日光溫室空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了軌道、龍門式橫梁設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了縱向、橫向行走及上下升降運(yùn)動(dòng)，專門用于日光溫室蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)。設(shè)施溫室智能化平臺(tái)通過回旋盤結(jié)構(gòu)，可以方便、快捷地與多種農(nóng)機(jī)具連接配合，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、多環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)，大幅度提高了日光溫室機(jī)械化作業(yè)水平。

工作時(shí)，平臺(tái)主機(jī)安裝上配套的農(nóng)機(jī)具后，沿兩側(cè)的軌道前后移動(dòng)縱向行走，沿主橫梁左右移動(dòng)橫向行走，同時(shí)主機(jī)可上下升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在日光溫室內(nèi)三維化運(yùn)動(dòng)模式，輔以不同的作業(yè)機(jī)具，可以有效地實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥撒施、土地耕整、開溝起壟，鋪管覆膜、播種移栽、灌溉植保、果實(shí)運(yùn)輸?shù)榷喹h(huán)節(jié)無死角作業(yè)，提高日光溫室綜合機(jī)械化作業(yè)水平和作業(yè)質(zhì)量。

1.2 實(shí)現(xiàn)主機(jī)在日光溫室間轉(zhuǎn)移作業(yè)

在一個(gè)園區(qū)內(nèi)，同等寬度軌道設(shè)計(jì)情況下，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)在日光溫室間轉(zhuǎn)移作業(yè)，充分發(fā)揮主機(jī)效率，提高設(shè)備利用率。

各溫室鋪設(shè)同等跨度縱向軌道，同時(shí)在軌道一端鋪設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)軌道。轉(zhuǎn)運(yùn)軌道上對(duì)接轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車，該轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車也是各配套農(nóng)機(jī)具載體。在轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車上安裝主要配套農(nóng)機(jī)具碼放支架，確保農(nóng)機(jī)具碼放支架定位準(zhǔn)確，以方便主機(jī)掛接。

當(dāng)主機(jī)平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)時(shí)，龍門式橫梁和主機(jī)沿縱向軌道行駛到轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車上，啟動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車電機(jī)，轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車載著龍門式橫梁和主機(jī)以及碼放在轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車上的配套農(nóng)機(jī)具，一同沿轉(zhuǎn)運(yùn)軌道行走到下一棟溫室，對(duì)接好該棟溫室縱向軌道，完成主機(jī)平臺(tái)的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。

1.3 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)的集成應(yīng)用，有力地促進(jìn)了農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合發(fā)展，形成了以機(jī)械化作業(yè)為主的日光溫室蔬菜生產(chǎn)新模式。由于設(shè)施溫室智能化平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)作業(yè)情況報(bào)告和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，減少勞動(dòng)力用工量，緩解農(nóng)忙時(shí)節(jié)用工緊張問題；同時(shí)大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，打破了傳統(tǒng)上以人工作業(yè)為主的溫室蔬菜生產(chǎn)模式。

1.4 實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)以電能為動(dòng)力，避免了汽油機(jī)、柴油機(jī)等機(jī)械設(shè)備作業(yè)時(shí)造成的環(huán)境污染，使用方便，運(yùn)行成本低。

2 智能化平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

2.1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)以電能為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，主要由2條平行的地軌、在地軌上縱向行走的橫梁、橫梁上橫向行走的主機(jī)、主機(jī)上回轉(zhuǎn)盤以及控制系統(tǒng)組成[3-4]（圖1）。

縱向行走軌道長(zhǎng)度和跨度根據(jù)日光溫室結(jié)構(gòu)而定；龍門式橫梁主要由龍門架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走輪、控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成，通過齒孔嚙合，沿縱向軌道前后行走；主機(jī)主要由框架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走鏈輪、升降系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、電動(dòng)伸縮桿等組成，通過鏈傳動(dòng)，沿龍門式橫梁左右行走。主機(jī)升降系統(tǒng)采用獨(dú)立電機(jī)控制，通過機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)主機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)上下升降；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，通過蝸輪蝸桿減速裝置可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)盤180°往返旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 設(shè)施溫室智能化平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)作業(yè)時(shí)，主機(jī)行走到作業(yè)機(jī)具坐標(biāo)位置，啟動(dòng)電動(dòng)伸縮桿快速掛接農(nóng)機(jī)具，歸位縱向（橫向）作業(yè)原點(diǎn)。若啟動(dòng)手動(dòng)作業(yè)程序，每一步作業(yè)均需人工操作完成。若啟動(dòng)自動(dòng)作業(yè)程序，將按輸入程序自動(dòng)完成既定的作業(yè)。如縱向自動(dòng)旋耕作業(yè)，先啟動(dòng)旋耕機(jī)旋耕刀，然后主機(jī)旋轉(zhuǎn)盤下降，使旋耕刀達(dá)到既定旋耕深度，接著龍門式橫梁帶動(dòng)主機(jī)沿縱向軌道行走開始旋耕作業(yè)。當(dāng)達(dá)到既定的作業(yè)行程時(shí)，龍門式橫梁帶動(dòng)主機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，主機(jī)旋轉(zhuǎn)盤提升，使旋耕刀離開地面達(dá)到既定高度；此時(shí)，主機(jī)帶動(dòng)旋耕機(jī)沿作業(yè)方向后移0.5 m，然后回轉(zhuǎn)盤電機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，完成旋耕作業(yè)方向調(diào)整。此時(shí)，主機(jī)再次帶動(dòng)旋耕機(jī)沿作業(yè)方向后移0.5 m，然后沿龍門式橫梁移動(dòng)一個(gè)作業(yè)幅寬，再驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤下降，使旋耕刀達(dá)到既定旋耕深度，接著龍門式橫梁帶動(dòng)主機(jī)沿縱向軌道行走開始回程旋耕作業(yè)。如此往復(fù)既定的作業(yè)行程，自動(dòng)完成日光溫室內(nèi)無死角旋耕作業(yè)。同理也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化起壟、播種等環(huán)節(jié)作業(yè)。

2.2 設(shè)施溫室智能化平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 縱向行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)縱向行走機(jī)構(gòu)主要由支撐架、電機(jī)、減速箱、鏈傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)齒輪、從動(dòng)輪等部件構(gòu)成，在兩側(cè)軌道各制作1套。通過電控調(diào)頻控制保證兩側(cè)縱向行走機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 橫向行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)橫向行走機(jī)構(gòu)主要由支撐架、電機(jī)、減速箱、鏈傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)鏈輪、側(cè)支撐輪等部件構(gòu)成。通過電控調(diào)頻控制實(shí)現(xiàn)橫向行走變速運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)主機(jī)升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由支撐架、電機(jī)、絲杠等部件構(gòu)成。通過絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主機(jī)升降運(yùn)動(dòng)，并可停留在所要求的作業(yè)高度。

2.2.4 往返運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)主機(jī)往返運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由支撐架、電機(jī)、蝸桿、蝸輪等部件構(gòu)成。通過電動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)盤180°內(nèi)不同角度的旋轉(zhuǎn)，從而滿足作業(yè)要求。

2.3 農(nóng)機(jī)具的設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)主機(jī)通過旋轉(zhuǎn)盤可以懸掛各種農(nóng)機(jī)具，根據(jù)作業(yè)需要與主機(jī)配套集成，實(shí)現(xiàn)主機(jī)＋不同農(nóng)機(jī)具的機(jī)械化作業(yè)模式；本次研發(fā)以實(shí)現(xiàn)葉類蔬菜（主要以油菜為代表）全程機(jī)械化作業(yè)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)配套農(nóng)機(jī)具，葉類菜生產(chǎn)主要包括土地旋耕、平整、播種、噴灌、植保、運(yùn)輸環(huán)節(jié)作業(yè)[5]。

2.3.1 旋耕機(jī)設(shè)計(jì)

旋耕機(jī)采用雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，主要由機(jī)架、快速連接吊耳、旋耕部件、減速機(jī)、鏈傳動(dòng)部件構(gòu)成（圖2）。耕幅寬度1.0 m，耕深15～20 cm。

2.3.2 平地鏟設(shè)計(jì)

平地鏟主要由機(jī)架、快速連接吊耳、鏟面部件構(gòu)成（圖3）。平地作業(yè)幅寬2.0 m。

圖2 旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)

圖3 平地鏟結(jié)構(gòu)

2.3.3 播種機(jī)設(shè)計(jì)

播種機(jī)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要由機(jī)架、快速連接吊耳、播種部件、鎮(zhèn)壓輥部件構(gòu)成（圖4）。播種幅寬0.9 m；播種行數(shù)1～6行可調(diào)；行距15.0、18.0、22.5、30.0 cm可調(diào)；粒距2～30 cm可調(diào)。

2.3.4 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴灌系統(tǒng)主要由機(jī)架、噴灌桿、噴頭、復(fù)卷式供水管系統(tǒng)構(gòu)成（圖5）。在滿幅噴灌噴桿上安裝噴水、噴藥、施肥三用噴頭。當(dāng)進(jìn)行澆水作業(yè)時(shí)，設(shè)定好主機(jī)行走速度，調(diào)整好噴頭，將復(fù)卷式供水管快速接通噴桿，打開閥門即可實(shí)現(xiàn)澆水作業(yè)。當(dāng)施肥（液態(tài)）作業(yè)時(shí)，設(shè)定好主機(jī)行走速度，調(diào)整好施肥噴頭，連接好施肥罐，將復(fù)卷式供水管快速接通噴桿，打開閥門即可實(shí)現(xiàn)施肥作業(yè)。

2.3.5 植保系統(tǒng)設(shè)計(jì)

植保系統(tǒng)主要由機(jī)架、噴桿、噴頭、藥箱、電機(jī)、泵等部件構(gòu)成（圖6）。當(dāng)植保作業(yè)時(shí)，設(shè)定好主機(jī)行走速度，調(diào)整好打藥噴頭，將藥箱管路快速接通噴桿，啟動(dòng)電機(jī)、泵即可實(shí)現(xiàn)植保作業(yè)。

2.3.6 運(yùn)輸車設(shè)計(jì)

以單邊縱向軌道為基礎(chǔ)，運(yùn)輸車設(shè)計(jì)成遙控式單軌運(yùn)動(dòng)形式。運(yùn)輸車主要由機(jī)架、車斗、電機(jī)、減速箱、鏈傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)齒輪、從動(dòng)行走輪、側(cè)支撐輪、蓄電池、控制系統(tǒng)等構(gòu)成（圖7）?？沙休d質(zhì)量不大于100 kg，遙控有效距離100 m內(nèi)。

圖4 播種機(jī)結(jié)構(gòu)

3 平臺(tái)在油菜上的應(yīng)用效果

在試驗(yàn)示范園區(qū)進(jìn)行了油菜播種試驗(yàn)，效果良好（圖8）。

3.1 旋耕作業(yè)

采用縱向旋耕作業(yè)模式，絕對(duì)深度18 cm，耕幅1 m，行進(jìn)速度10 m/min。觀察設(shè)備作業(yè)情況，測(cè)耕深和碎土率。

采用縱向旋耕作業(yè)模式，將平臺(tái)主機(jī)安裝好旋耕部件，歸位縱向作業(yè)原點(diǎn)，設(shè)定旋耕深度為18 cm，行程23 m，橫向移動(dòng)1.0 m，啟動(dòng)旋耕縱向作業(yè)模式，自動(dòng)完成7個(gè)往返作業(yè)耗時(shí)25 min，作業(yè)效果良好。

沿機(jī)組前進(jìn)方向，用耕深尺測(cè)定旋耕深度5次，均大于18 cm。在耕幅內(nèi)測(cè)定0.5 m×0.5 m面積內(nèi)的全耕層土塊5次，土塊邊長(zhǎng)均小于4 cm。

3.2 土地平整作業(yè)

油菜播種要求種子播深一致以利于出苗，旋耕后的土地需要刮平以保證更高的出苗率。

對(duì)同一棟溫室來說土地一次大平整后基本處于平整狀態(tài)，播種前的平地作業(yè)完全手動(dòng)操作。以軌道頂面為測(cè)量0點(diǎn)標(biāo)高，根據(jù)溫室土壤地面高度，在總土量基本平衡的情況下，確定平地鏟作業(yè)標(biāo)高為－10 cm，進(jìn)行橫向、縱向行走，并根據(jù)土壤地面情況，以－9 cm標(biāo)高作業(yè)，將土壤刮平。

3.3 播種作業(yè)

進(jìn)行油菜播種作業(yè)，油菜種子基本圓粒形，直徑在1.8～2.2 mm，故選用6穴眼3 mm播種輪作業(yè)?？v向播種油菜作業(yè)，要求行距15 cm，株距5 cm。將平臺(tái)主機(jī)安裝好播種部件，歸位縱向作業(yè)原點(diǎn)，匹配株距設(shè)定縱向行走速度10 m/min，播種機(jī)播種轉(zhuǎn)速為35 r/min，行程23 m，橫向移動(dòng)0.9 m，啟動(dòng)播種作業(yè)模式，自動(dòng)完成6個(gè)往返作業(yè)耗時(shí)26 min，作業(yè)良好。

待出苗后挑選2行各選擇1 m，經(jīng)觀察、計(jì)算，油菜重播率、漏播率符合播種機(jī)要求，播種株距變異系數(shù)小于3%，基本穩(wěn)定在5 cm左右。

3.4 植保、灌溉作業(yè)

在油菜播種后，主要是植保、灌溉管理作業(yè)，接好澆灌系統(tǒng)歸位起點(diǎn)，設(shè)定設(shè)施溫室智能化平臺(tái)縱向行進(jìn)速度0.5 m/min（根據(jù)澆水量可調(diào)整行進(jìn)速度）進(jìn)行澆灌作業(yè)。植保作業(yè)時(shí)，接好藥箱系統(tǒng)，調(diào)整縱向行走速度，自動(dòng)完成植保作業(yè)。測(cè)定澆灌、植保均勻系數(shù)大于90%，效果較好。

3.5 運(yùn)輸作業(yè)

在油菜收獲后，成筐擺放在遙控運(yùn)輸車上，遙控距離大于50 m，一次可承載100 kg，運(yùn)行穩(wěn)定。

4 智能化平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)效益分析

以油菜生產(chǎn)為例，在不考慮設(shè)備成本情況下，在旋耕、平整地、播種、噴灌澆水等環(huán)節(jié)應(yīng)用設(shè)施溫室智能化平臺(tái)，每棟日光溫室、每個(gè)茬次可節(jié)約10個(gè)人工，按每人每日120元計(jì)算，每667 m2每茬可節(jié)約人工成本1 200元，每667 m2溫室每年按生產(chǎn)6茬次葉類菜（油菜）計(jì)算，可節(jié)約人工成本7 200元。

雖然設(shè)施溫室智能化平臺(tái)前期研發(fā)投資與試驗(yàn)投資偏高，待設(shè)備性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定后批量生產(chǎn)，可大幅度降低設(shè)備成本，同時(shí)節(jié)約人工成本。只要完成了溫室軌道及溫室間轉(zhuǎn)運(yùn)軌道的建設(shè)，1套平臺(tái)主機(jī)可以完成多個(gè)溫室的農(nóng)機(jī)作業(yè)，不用購買拖拉機(jī)、各種農(nóng)機(jī)具，避免了重復(fù)投資。設(shè)備定型后平臺(tái)主機(jī)成本低于10萬元。

圖5 噴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 植保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)

圖8 智能化平臺(tái)作業(yè)試驗(yàn)

5 智能化平臺(tái)應(yīng)用前景分析

設(shè)施溫室智能化平臺(tái)是設(shè)施蔬菜種植園區(qū)內(nèi)的專用生產(chǎn)裝備，1套裝備基本可滿足園區(qū)內(nèi)50棟日光溫室的生產(chǎn)作業(yè)，通過配套溫室軌道，便可實(shí)現(xiàn)葉類菜全程機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)。在設(shè)備成本投入方面，配備設(shè)施溫室智能化平臺(tái)主機(jī)＋配套農(nóng)機(jī)具及軌道，減少了拖拉機(jī)、旋耕機(jī)、起壟機(jī)、植保機(jī)械等設(shè)備投資；在使用成本方面，增加電費(fèi)支出，減少汽油、柴油消耗支出，并節(jié)約大量人工費(fèi)用。

目前，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了葉類菜（油菜）全程機(jī)械化作業(yè)，未來將進(jìn)一步完善主機(jī)平臺(tái)性能，加大果菜類生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)如自動(dòng)化鋪管覆膜、移栽等配套農(nóng)機(jī)具研發(fā)力度，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化作業(yè)。