溫室果菜自動(dòng)落蔓與疏蔓裝置研制及應(yīng)用＊

侯 永，李 愷，王春輝，李 邵（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125 ）

落蔓與疏蔓是溫室果菜種植生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，尤其是在設(shè)施長(zhǎng)季節(jié)栽培生產(chǎn)中，如設(shè)施番茄、黃瓜等作物生長(zhǎng)周期通常在6 個(gè)月以上，果菜秧蔓長(zhǎng)到一定高度后要進(jìn)行綁蔓、吊蔓、落蔓、繞蔓、疏蔓等工序，若不及時(shí)調(diào)整植株，會(huì)影響作物正常生長(zhǎng)。其中落蔓、繞蔓與疏蔓工序需要定期進(jìn)行，當(dāng)生長(zhǎng)點(diǎn)超過(guò)吊蔓線時(shí)要及時(shí)落蔓。盛果期葉片生長(zhǎng)旺盛，植株間葉片遮擋，影響采光與通風(fēng)，需要適當(dāng)進(jìn)行疏蔓作業(yè)。落蔓、繞蔓、疏蔓能使葉片均勻分布，保持合理采光位置，維持葉片系數(shù)，提高通風(fēng)面積，提高光合效率，從而可以使生長(zhǎng)勢(shì)加強(qiáng)，結(jié)果期延長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。

目前在日光溫室果菜種植栽培中，吊落蔓主要應(yīng)用吊蔓繩或吊蔓掛鉤，人工進(jìn)行綁蔓、吊蔓，繞蔓、落蔓作業(yè)[1]。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出了一種新型吊蔓裝置，可以一次同時(shí)進(jìn)行一壟兩行的落蔓作業(yè)[2]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院科研團(tuán)隊(duì)提出了一種可移動(dòng)吊蔓裝置，可以進(jìn)行番茄的疏蔓作業(yè)[3]。但以上裝備功能上僅可以實(shí)現(xiàn)單一落蔓或疏蔓作業(yè)，還沒有實(shí)現(xiàn)落蔓和疏蔓作業(yè)的融合，受價(jià)格高、設(shè)備遮光嚴(yán)重等因素影響，還未得到全面推廣應(yīng)用。

吊落蔓作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工成本居高不下。同時(shí)，日光溫室黃瓜、番茄等果菜生產(chǎn)過(guò)程中，通常將行距設(shè)置為大小行，大行便于采摘、打葉等農(nóng)事操作，小行定植植株。不同的果菜定植株距和行距也不盡相同，行距不均勻?qū)τ诠说纳L(zhǎng)帶來(lái)極大不利影響，葉片相互遮擋，影響采光和通風(fēng)，容易滋生病害、蟲害，影響產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)株距、行距不同，還能同時(shí)進(jìn)行落蔓、疏蔓作業(yè)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種既可以整體落蔓，又可以整體疏蔓的系統(tǒng)裝置。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

溫室果菜自動(dòng)落蔓與疏蔓機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)溫室果菜多株多行植株同時(shí)落蔓疏蔓，本裝置融合了圓形帶傳動(dòng)吊蔓軸轉(zhuǎn)動(dòng)放線落蔓方式與閉環(huán)鋼絲雙向拉動(dòng)吊蔓軸疏蔓方式。通過(guò)吊蔓軸的水平移動(dòng)和原位轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落蔓疏蔓。果菜落蔓疏蔓裝置包含落蔓系統(tǒng)、疏蔓系統(tǒng)、落蔓器及控制系統(tǒng)（圖1）。

圖1 溫室果菜落蔓疏蔓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

自動(dòng)落蔓機(jī)構(gòu)

落蔓系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)多行及整棟日光溫室植株的落蔓作業(yè)。落蔓電機(jī)安裝于日光溫室北墻墻面，通過(guò)減速器減速輸出大扭矩低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力，帶動(dòng)落蔓主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，落蔓主動(dòng)軸貫穿溫室東西種植區(qū)域，對(duì)應(yīng)每一行作物設(shè)置圓帶輪，通過(guò)帶輪傳動(dòng)動(dòng)力給吊蔓軸端部等直徑的圓帶輪，從而驅(qū)動(dòng)吊蔓軸旋轉(zhuǎn)。落蔓系統(tǒng)包含減速電機(jī)、傳動(dòng)軸、圓帶輪、懸掛軸、圓皮帶、吊蔓軸、落蔓器等（圖2）。

圖2 落蔓系統(tǒng)

自動(dòng)疏蔓機(jī)構(gòu)

疏蔓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多行乃至整棟日光溫室植株的自動(dòng)疏蔓作業(yè)。疏蔓電機(jī)安裝于落蔓電機(jī)同側(cè)，通過(guò)減速器減速輸出大扭矩低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力，主動(dòng)軸使得南北成對(duì)傳動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)“L”型閉環(huán)雙向鋼絲移動(dòng)。水平鋼絲對(duì)應(yīng)每行植株吊蔓軸位置按照奇偶數(shù)間隔固定于上下鋼絲，因?yàn)樯舷聦愉摻z總是反向移動(dòng)，從而拉動(dòng)吊蔓軸吊蔓軸水平移動(dòng)，且相鄰2 行吊蔓軸反向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同壟上2 行植株吊蔓位置拉遠(yuǎn)和靠近。疏蔓系統(tǒng)包含支撐座、軸承座、傳動(dòng)軸、減速電機(jī)、傳動(dòng)輪、傳動(dòng)鋼絲繩、壓線卡、懸掛軸等。疏蔓系統(tǒng)如圖3。

圖3 疏蔓系統(tǒng)

落蔓器

為克服無(wú)法繞蔓的問題，裝置設(shè)置了人工輔助繞蔓的落蔓器，落蔓器通過(guò)齒輪傳動(dòng)，將吊蔓軸的共用動(dòng)力軸切換為每株植株一個(gè)單獨(dú)落蔓軸，通過(guò)六棱的落蔓軸帶動(dòng)落蔓線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)落蔓動(dòng)作。單獨(dú)落蔓軸為開放軸，軸與落蔓線輪采用間隙配合，方便落蔓線輪取放，當(dāng)植株落蔓后，由人工取下落蔓線輪依次移位，實(shí)現(xiàn)繞蔓作業(yè)。落蔓器實(shí)物如圖4 所示，落蔓器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖4 落蔓器實(shí)物圖

控制系統(tǒng)與設(shè)置

落蔓與疏蔓裝置的自動(dòng)作業(yè)采用變頻器控制驅(qū)動(dòng)疏蔓、落蔓減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速在3～5 r/min 范圍可調(diào)。限位開關(guān)安裝實(shí)物圖如圖6 所示，控制系統(tǒng)安裝實(shí)物圖如圖7 所示。

圖6 限位開關(guān)安裝實(shí)物圖

圖7 控制系統(tǒng)安裝實(shí)物圖

落蔓系統(tǒng)落蔓速度為3.9～6.5 mm/s。通過(guò)調(diào)整時(shí)間繼電器延時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，從而控制落蔓距離，通常滿足落蔓作業(yè)的落蔓距離為300～400 mm，用時(shí)65～100 s。為保證落蔓時(shí)秧蔓的穩(wěn)定性，設(shè)置時(shí)間繼電器時(shí)間為70～80 s，按下落蔓啟動(dòng)按鈕，減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，減速機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，落蔓作業(yè)結(jié)束。

疏蔓系統(tǒng)減速電機(jī)設(shè)置正反轉(zhuǎn)控制，在吊蔓軸支撐板弧形孔的起始端設(shè)置限位開關(guān)。按動(dòng)正轉(zhuǎn)按鈕，疏蔓電機(jī)通過(guò)鋼絲帶動(dòng)吊蔓軸水平移動(dòng)，當(dāng)?shù)趼S觸發(fā)吊蔓軸支撐板弧形孔始點(diǎn)位置限位器時(shí)，減速機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，疏蔓作業(yè)完成。當(dāng)需要進(jìn)行打葉、采摘等農(nóng)事操作時(shí)，按動(dòng)反轉(zhuǎn)按鈕，疏蔓電機(jī)帶動(dòng)吊蔓軸水平移動(dòng)，相鄰兩行吊蔓軸向相近方向動(dòng)作，開始收攏作業(yè)，當(dāng)?shù)趼S觸發(fā)支撐板弧形孔起點(diǎn)位置限位器時(shí)，減速機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成收攏作業(yè)。

應(yīng)用試驗(yàn)

系統(tǒng)布置

2020 年10～12 月在河北省永清縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院永清基地進(jìn)行安裝試驗(yàn)，安裝在東西向日光溫室內(nèi)。日光溫室長(zhǎng)70 m，寬10 m，高5 m。選用‘津研4 號(hào)’黃瓜為試驗(yàn)對(duì)象，定植3 壟6 行，每行20 株，共120 株。壟間距70 cm，行距40 cm，株距40 cm。疏蔓傳動(dòng)安裝如圖8，落蔓傳動(dòng)安裝如圖9，裝置整體安裝實(shí)物圖如圖10。

圖8 疏蔓傳動(dòng)安裝

圖9 落蔓傳動(dòng)安裝

圖10 裝置整體安裝實(shí)物圖

農(nóng)藝要求

落蔓疏蔓作業(yè)應(yīng)選擇在晴朗的午后進(jìn)行操作，落蔓前不要澆水，避免秧蔓含水率較高落蔓操作中容易將秧蔓折斷，作業(yè)采用先落蔓后疏蔓的順序。其中，綁、吊蔓需在黃瓜定植后15～20 天，莖蔓長(zhǎng)到約40 cm 時(shí)開始進(jìn)行。此環(huán)節(jié)為人工操作，將落蔓線系在黃瓜植株中下部，然后圍繞植株纏繞兩周固定，防止綁線松動(dòng)。在落蔓前，先去除植株下部老葉、病葉，避免落蔓后靠近地面的果實(shí)、葉片導(dǎo)致通風(fēng)不良發(fā)生病害。人工輔助將落蔓線輪依次向前一個(gè)落蔓器進(jìn)行更替，使植株莖蔓有順序地向同一方向逐步盤繞于栽培壟的兩側(cè)，完成繞蔓作業(yè)。盛果期的葉片比較旺盛，落蔓、繞蔓結(jié)束后，在不進(jìn)行農(nóng)事操作的時(shí)間進(jìn)行疏蔓作業(yè)，以提高通風(fēng)面積，增大采光面積。

操作方法

落蔓操作

接通總電源開關(guān)，將電控柜電源接通。設(shè)定落蔓時(shí)間，按下落蔓啟動(dòng)按鈕，減速電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，落蔓傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)落蔓線輪勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)落蔓時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，減速電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，落蔓操作結(jié)束。

疏蔓操作

按下疏蔓正轉(zhuǎn)按鈕，減速機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)疏蔓系統(tǒng)勻速運(yùn)動(dòng)，相鄰兩行秧蔓勻速向相反的方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到疏蔓系統(tǒng)始點(diǎn)時(shí)，電機(jī)在限位開關(guān)的控制下停止動(dòng)作，疏蔓結(jié)束。當(dāng)進(jìn)行打葉、采摘等農(nóng)事操作時(shí)，按下疏蔓反轉(zhuǎn)按鈕，減速機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)疏蔓系統(tǒng)勻速運(yùn)動(dòng)，相鄰兩行秧蔓勻速向相對(duì)的方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到疏蔓系統(tǒng)起點(diǎn)時(shí)，電機(jī)在限位開關(guān)的控制下停止動(dòng)作，收攏作業(yè)結(jié)束。

總結(jié)

團(tuán)隊(duì)研制的自動(dòng)落蔓疏蔓裝置可以用一套裝置實(shí)現(xiàn)落蔓、疏蔓一體化作業(yè)，操控性和穩(wěn)定性較強(qiáng)，系統(tǒng)裝置可以在日光溫室、玻璃溫室中應(yīng)用，適用番茄、甜瓜等高秧爬蔓作物，實(shí)現(xiàn)省工省力操作。