移動(dòng)式草莓人工光立體種植裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

胡福生，周增產(chǎn)，3，姚濤，張曉文，曲維明

(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京100096； 2.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京100094；3.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京100094)

0 引言

草莓栽培具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)和品質(zhì)好等特點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注，草莓立體種植是一種高效、節(jié)能和無(wú)污染的規(guī)范化生產(chǎn)模式[1-2]。草莓種植生產(chǎn)過(guò)程中，常用的草莓立體栽培模式有架式栽、柱式栽和槽式栽等。立體栽培具有可提高空間利用率和單位面積產(chǎn)量、解決重茬問(wèn)題和減少土傳病蟲(chóng)害等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和觀賞性均較高[3-4]。目前，草莓立體栽培已成為設(shè)施園藝的一個(gè)亮點(diǎn)。

立體草莓種植架之間必須要設(shè)置走廊，以滿足農(nóng)事操作要求，然而這些走廊的設(shè)置降低了草莓種植的空間利用率，不利于提高單位面積產(chǎn)量。現(xiàn)行草莓立體栽培架均無(wú)人工補(bǔ)光設(shè)備，對(duì)于草莓在不同的生長(zhǎng)期所需的不同光照強(qiáng)度不可調(diào)節(jié)，不利于草莓的品質(zhì)控制，也使得草莓無(wú)法在無(wú)光照條件的場(chǎng)地種植。移動(dòng)式草莓人工光立體種植裝置槽輪在地面移動(dòng)，多組種植裝置共用一條走廊，可有效提高草莓種植的空間利用率。栽培槽上部分布有LED補(bǔ)光燈，且具有控制裝置，可以控制補(bǔ)光強(qiáng)度，在不同生長(zhǎng)時(shí)期做光照調(diào)節(jié)，更有利于控制草莓的品質(zhì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

草莓立體種植裝置包含栽培架、鏈輪架和行走底座3部分。栽培架為4層式結(jié)構(gòu)，每層底部放置橫截面為梯形的長(zhǎng)條形栽培槽，槽內(nèi)裝草莓栽培基質(zhì)，頂部安裝LED補(bǔ)光燈。鏈輪架內(nèi)部裝有立體種植裝置的動(dòng)力傳動(dòng)鏈輪和鏈條，搖動(dòng)手柄時(shí)，動(dòng)力可通過(guò)鏈輪和鏈條傳動(dòng)到底部行走底座。行走底座上裝有8個(gè)槽輪，架設(shè)在軌道上，動(dòng)力通過(guò)鏈輪架傳遞到槽輪上。當(dāng)搖動(dòng)手柄時(shí)，槽輪在軌道上滾動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)立體種植裝置橫向移動(dòng)。

1.1 栽培架

基于對(duì)草莓株距、擺放場(chǎng)地尺寸和農(nóng)事操作方便性等因素的綜合考慮，栽培架的長(zhǎng)寬高尺寸確定為9 860 mm×400 mm×2 130 mm。通過(guò)查閱資料，目前市場(chǎng)流行的草莓品種植株高度在20 cm左右，冠徑約為30 cm[5]。栽培架的每層空間中，栽培槽和補(bǔ)光燈占據(jù)20 cm高度，層間距設(shè)置為50 cm。因每層有補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光，可將株距適當(dāng)增密，設(shè)計(jì)株距為15 cm，每條種植槽布置2列草莓。栽培架總體方案如圖1所示。

1.栽培架 2.LED補(bǔ)光燈 3.種植槽 4.行走底座圖1 栽培架總體布置方案Fig.1 General layout plan of cultivation frame

1.2 行走底座

行走底座為栽培架和鏈輪架的承載機(jī)構(gòu)，栽培架通過(guò)角碼和T型螺栓固定到行走底座上，鏈輪架固定到行走底座的一端，如圖2所示。行走底座內(nèi)部安裝有16個(gè)槽輪，每8個(gè)一組穿到兩根通軸上，兩通軸的一端分別固定到鏈輪架的兩個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)鏈輪上。槽輪架設(shè)到軌道上，動(dòng)力通過(guò)鏈輪架傳遞到槽輪上。當(dāng)搖動(dòng)手柄時(shí)，槽輪在軌道上滾動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)立體種植裝置橫向移動(dòng)。

1.底架 2.槽輪 3.通軸 4.手柄 5.鏈輪架圖2 行走底座Fig.2 Walking base

1.3 鏈輪架

鏈輪架固定到行走底座的一端，內(nèi)部設(shè)計(jì)3組鏈輪，如圖3所示，手柄和鏈輪固定在一起，搖動(dòng)手柄，動(dòng)力通過(guò)鏈條帶動(dòng)與底部軌道輪相連的兩個(gè)鏈輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，為安裝調(diào)試方便，中間部位安裝了一個(gè)張緊鏈輪。

1.手搖鏈輪 2.鏈條 3.行走鏈輪 4.張緊鏈輪圖3 鏈輪架結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of sprocket frame

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 光照設(shè)計(jì)

PIOVENE CHIARA等[6-8]研究發(fā)現(xiàn)總光量子通量強(qiáng)度(PPFD)為200 μmol/(m2·s)時(shí)，紅藍(lán)光強(qiáng)比1∶5最有利于草莓植株葉片營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累，而紅藍(lán)光強(qiáng)比1∶1最能提高果實(shí)產(chǎn)量。根據(jù)這一研究結(jié)果，栽培架每層設(shè)置3排共24盞40 W LED補(bǔ)光燈，每層在距離草莓株冠頂部20 cm處，平均取5個(gè)點(diǎn)，通過(guò)密度儀測(cè)量了補(bǔ)光燈的光量通過(guò)密度，其測(cè)量結(jié)果如表1所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，各點(diǎn)均能滿足光量密度要求，項(xiàng)目采用的LED補(bǔ)光輻射照度如圖4所示，由圖4可以看出，其燈光中所含的藍(lán)色和紅色光譜相對(duì)較足，對(duì)植物光合作用更具針對(duì)性。

表1 各位置點(diǎn)PPFD值

圖4 LED補(bǔ)光的輻射照度Fig.4 Radiation intensity of LED supplementary light

2.2 手搖力計(jì)算及通軸扭力校核

移動(dòng)裝置通過(guò)手搖手柄轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳動(dòng)到裝置底部槽輪，槽輪同步滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置平移，手搖力矩的大小為裝置能否實(shí)現(xiàn)正常平移的關(guān)鍵因素。測(cè)算設(shè)備質(zhì)量與草莓基質(zhì)和草莓植株的總質(zhì)量為750 kg，計(jì)算搖動(dòng)手柄所需力矩及手搖力。轉(zhuǎn)移裝置的槽輪在軌道上滾動(dòng)，需克服滾動(dòng)摩擦力矩，如圖5所示。

圖5 滾動(dòng)摩擦力距示意Fig.5 Schematic diagram of rolling friction distance

圖5中N為槽輪所受壓力，取7 500 N，Mz為槽輪所受扭矩，μk為鋼材與鋼材的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.000 5 m，r為槽輪半徑。則摩擦力力矩為

Mz=Nμk=3.75 N·m

(1)

手柄通過(guò)鏈輪傳遞動(dòng)力到槽輪，中間沒(méi)有變速，因此，手柄上的力矩也為3.75 Nm，手柄長(zhǎng)度L為0.2 m，則手搖手柄的力為

F=Mz/L=18.75 N

(2)

通過(guò)以上計(jì)算得出手搖手柄的力較小，臂力范圍內(nèi)可輕松搖動(dòng)手柄。

移動(dòng)裝置長(zhǎng)度為10 m，有兩組槽輪布置在軌道上，每組槽輪穿在一根長(zhǎng)度為9 848 mm的通軸上。通軸為外徑33.5 mm、壁厚3.25 mm的圓鋼管所制。在手柄力矩作用下，軸的扭角不能過(guò)大，否則移動(dòng)裝置前后速度不一致，容易跑偏卡軌。通軸上所受外力扭矩及軸截面扭矩如圖6所示，圖中M=Mz/16=0.23 N·m。

圖6 通軸上所受外力扭矩及軸截面扭矩Fig.6 External force torque and shaft section torque on through shaft

因每一段所受扭矩不同，可分段求解扭轉(zhuǎn)角，軸的扭角公式如式(3)所示。

(3)

式中φi——每段軸的扭轉(zhuǎn)角，(°)

Mi——每段軸所受扭矩，N·m

li——每段軸長(zhǎng)度，mm

G——材料的切變模量

I——抗扭慣性矩

材料的切變模量G如式(4)計(jì)算。

(4)

式中E——材料彈性模量

μ——材料泊松比

抗扭慣性矩I如式(5)計(jì)算。

(5)

式中D——通軸外徑

α——通軸內(nèi)外徑之比

將軸分為8段，可通過(guò)公式計(jì)算出每段的扭轉(zhuǎn)角如表2所示。

表2 各段軸參數(shù)及扭角

總扭轉(zhuǎn)角為

(6)

槽輪的直徑設(shè)計(jì)為100 mm，反映到槽輪周長(zhǎng)上，最前端槽輪和最后端槽輪滾動(dòng)距離差為

(7)

此距離差對(duì)裝置的平移影響可忽略不計(jì)。

2.3 供水計(jì)算

供水系統(tǒng)示意圖如圖7所示。立體種植草莓灌溉采用滴灌的方式，每組栽培槽通過(guò)2條滴灌帶向草莓澆水，滴灌帶滴孔間距150 mm，與草莓種植間距一致。種植草莓的供水量大致為150 m3/hm2，每組草莓種植架的種植面積20 m2，每3組栽培架共用一套灌溉系統(tǒng)，供水量0.9 m3，30 min澆完，供水泵流量至少為1.8 m3/h，保守起見(jiàn)選擇流量3.5 m3/h、揚(yáng)程30 m的自吸泵。管內(nèi)徑20 mm，取經(jīng)濟(jì)流速為1 m/s。

1.滴灌帶 2.上水管 3.水箱 4.活接 5.水泵 6.廢水口7.EC傳感器 8.球閥 9.pH傳感器 10.上水口 11.電磁閥圖7 供水系統(tǒng)示意Fig.7 Schematic diagram of water supply system

已知上述設(shè)計(jì)條件，可計(jì)算管道的水頭損失。

hz=hy+hj

(8)

式中hz——管道總水頭損失，m

hy——管道沿程水頭損失，m

hj——管道局部水頭損失，m

其中管道沿程水頭損失

(9)

式中λ——沿程摩擦系數(shù)

L——管道長(zhǎng)度，15 m

di——水管直徑，0.02 m

v——水流速度，1 m/s

g——重力加速度，m/s2

其雷諾數(shù)為

(10)

式中ρ——水密度，kg/m3

v——水流速，m/s

μ——水黏度，Pa·s

計(jì)算得出Re=8 466，為紊流狀態(tài)。管道內(nèi)壁可按光滑內(nèi)壁計(jì)算，查閱摩狄圖，得沿途摩擦系數(shù)λ=0.025，可算出管道沿程的水頭損失為0.957 m。管道的局部水頭損失按沿程損失的10%計(jì)算，為0.095 7 m，總的水頭損失為1.053 m。查閱相關(guān)資料，長(zhǎng)度10 m、內(nèi)徑16 mm和孔間距150 mm的滴灌帶總水頭損失為2 m[9-10]。供水高度2.5 m，供水系統(tǒng)總水頭損失為5.053 m，遠(yuǎn)小于水泵揚(yáng)程。

2.4 種植效果

移動(dòng)式草莓人工光立體種植裝置作為集裝箱式草莓植物工廠的種植架，運(yùn)行1個(gè)月時(shí)間，其光照條件、灌溉條件均滿足草莓的生長(zhǎng)需求，移動(dòng)底架橫向移動(dòng)，3組草莓種植架共用一條走廊，提高了種植密度，滿足農(nóng)事管理需要，草莓長(zhǎng)勢(shì)良好。種植應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

3 結(jié)論

通過(guò)連續(xù)觀察移動(dòng)式草莓人工光立體種植裝置工作狀況，發(fā)現(xiàn)草莓長(zhǎng)勢(shì)良好，得到以下4點(diǎn)結(jié)論。

(1)每層設(shè)置24盞40 W白光LED補(bǔ)光燈，補(bǔ)光距離草莓植株冠頂27 cm以內(nèi)，可達(dá)到草莓所需光量密度要求，滿足草莓葉片營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累，能夠提高果實(shí)產(chǎn)量。

(2)通過(guò)手搖手柄轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳動(dòng)到裝置底部槽輪，槽輪同步滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置平移的方式，可在更少的種植空間布置更多的種植架，能夠有效提高單位面積產(chǎn)量。設(shè)計(jì)的鏈輪傳動(dòng)裝置輕巧實(shí)用，移動(dòng)栽培架所用手搖力在臂力所承受范圍內(nèi)。

(3)根據(jù)草莓需水量設(shè)計(jì)的水路管徑合理，水泵流量及揚(yáng)程均符合栽培架現(xiàn)場(chǎng)工程需求，滴灌帶孔距合理，每株草莓在匹配一個(gè)滴孔的情況下，能滿足草莓澆灌及施肥需求。

(4)設(shè)計(jì)的草莓人工光立體種植裝置在實(shí)際種植應(yīng)用中草莓長(zhǎng)勢(shì)良好，能有效提高空間利用率和單位面積產(chǎn)量，解決重茬問(wèn)題，減少土傳病蟲(chóng)害。果實(shí)品質(zhì)可控，是草莓種植技術(shù)的積極有益嘗試。