自動循環(huán)床系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

蘭立波 李秀剛 周增產(chǎn) 胡福生 王志冉 董微

摘 要： 針對盆花生產(chǎn)人工勞動強(qiáng)度大、效率低和勞動成本高等問題，開發(fā)了一種自動循環(huán)床系統(tǒng)。該系統(tǒng)可配合育苗設(shè)備、輸盆設(shè)備和包裝設(shè)備等完成盆花育苗、生產(chǎn)、輸盆、剪枝、灌溉和采收等需求的運(yùn)輸操作，實現(xiàn)盆花在不同功能區(qū)及配套設(shè)備之間的快速轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：循環(huán)床；盆花；育苗設(shè)備；潮汐苗床；灌溉系統(tǒng)

中圖分類號：S629文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0098-03

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.017

0 引言

因觀賞期長、觀賞性強(qiáng)和養(yǎng)護(hù)方便等特點(diǎn)，盆栽植物越來越受到消費(fèi)者歡迎，消費(fèi)市場覆蓋面不斷擴(kuò)大，消費(fèi)人群逐漸延伸，生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)中有增[1-4]。隨著盆花產(chǎn)量的規(guī)?；?、精確化生產(chǎn)，簡易的普通苗床等生產(chǎn)設(shè)備已無法滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)需求，而國外相對成熟的物流系統(tǒng)又存在價格昂貴、設(shè)備維修困難、不適合我國國情等難題[5-7]。近年農(nóng)村勞動力大量向城市轉(zhuǎn)移，園藝生產(chǎn)勞動力短缺、勞動力成本逐年上升，溫室園藝生產(chǎn)對自動化生產(chǎn)裝備的需要日益迫切[8-9]。

本研究以北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司與北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司共建的自動循環(huán)床系統(tǒng)項目作為實例，闡述了自動循環(huán)床系統(tǒng)及配套裝備的設(shè)計方案。

1 生產(chǎn)流程

工廠化盆花生產(chǎn)一般分為2 個種植階段，第1 階段是小苗的培育，第2 階段是中苗和大苗的培育。盆花栽培主要包含育苗、輸盆、剪葉和包裝4 個流程。

（1）育苗。進(jìn)行人工扦插栽苗，待盆花小苗栽種完畢后，將裝有盆花的苗床通過轉(zhuǎn)移軌道、傳送軌道移至小苗生產(chǎn)區(qū)。

（2）輸盆。將盆花從小苗生產(chǎn)區(qū)移至包裝區(qū)的輸盆位置轉(zhuǎn)移軌道上，調(diào)整加大花盆間距，重新擺放至苗床上，通過轉(zhuǎn)移軌道、傳送軌道移至中苗生產(chǎn)區(qū)。

（3）剪葉。將盆花從中苗生產(chǎn)區(qū)移至包裝區(qū)的剪葉位置轉(zhuǎn)移軌道上，進(jìn)行花枝剪短，再通過轉(zhuǎn)移軌道、傳送軌道，經(jīng)過90°旋轉(zhuǎn)軌道移至成苗生產(chǎn)區(qū)。

（4）包裝。將盆花從成苗生產(chǎn)區(qū)通過行走軌道、轉(zhuǎn)移軌道、90°旋轉(zhuǎn)軌道移至包裝區(qū)的采收包裝位置轉(zhuǎn)移軌道上，通過人工將苗床上的盆花放置到傳送帶上，盆花經(jīng)過傳送帶至包裝工位，由人工進(jìn)行套袋包裝、裝箱。

2 總體布局

項目總占地面積20 928 m2，包括盆花育苗采收區(qū)、盆花小苗生產(chǎn)區(qū)、盆花中苗生產(chǎn)區(qū)和盆花成苗區(qū)4 個功能區(qū)。項目整體造型成Z 字形，主要種植的品種為盆栽小玫瑰。項目總體布局如圖1 所示。

3 自動循環(huán)床系統(tǒng)

自動循環(huán)床系統(tǒng)由潮汐苗床、行走裝置、潮汐灌溉系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

3.1 潮汐苗床

潮汐苗床是溫室生產(chǎn)的重要載體，苗床能夠在溫室內(nèi)的X、Y 方向自由行走。一般在12 m 跨溫室內(nèi)共放置2 列苗床，在任意2 個苗床間預(yù)留0.55 m 的作業(yè)通道。溫室內(nèi)苗床安裝位置剖面圖如圖2 所示。

3.1.1 應(yīng)力分析

苗床材質(zhì)為鋁6061，材料屈服極限240 MPa，承載260 kg 重物時，利用有限元分析軟件計算苗床的最大應(yīng)力181.8 MPa，苗床所受的應(yīng)力小于屈服極限，因此苗床滿足承載能力。應(yīng)力分析如圖3 所示。

3.1.2 形變量分析

苗床承載260 kg 重物時，利用有限元分析軟件計算，苗床最大形變量2.56 mm，相對于苗床尺寸來說，形變量微小，因此滿足要求。形變量分析如圖4 所示。

3.2 行走裝置設(shè)計

3.2.1 苗床電動平推動力計算和電機(jī)選型

根據(jù)工況，苗床自重與重物總質(zhì)量m=300 kg，假設(shè)苗床與滾輪之間總摩擦系數(shù)μ=0.05，則苗床向前運(yùn)動所受推力F 至少達(dá)到F=μm=0.05×300=150 N。

苗床移動電機(jī)包膠輪直徑D=200 mm，根據(jù)工況，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=72 r/min， 則電機(jī)功率P=Tn/9550=150×0.1×72/9550=0.113 kW，取0.37 kW 電機(jī)， RV50 渦輪蝸桿減速機(jī)轉(zhuǎn)速1 440 r/min，減速比1∶20，最終選取RV50 型減速機(jī)（減速比1∶20）及Y7124 型電機(jī)（功率0.37 kW）。

3.2.2 90°苗床旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)動力計算和電機(jī)選型

根據(jù)工況，苗床長度L=4.8 m，假設(shè)推苗床的力F=300 N，則轉(zhuǎn)矩T=FL=300×4.5=1440 N·m。

根據(jù)工況，苗床旋轉(zhuǎn)90°，所用的時間為5 s，則苗床的轉(zhuǎn)速n=3 r/min。電機(jī)功率P=Tn/9550=1440×3/9550=0.45 kW，取0.75 kW。

功率P=0.75 kW，輸出軸轉(zhuǎn)速n=3.1 r/min，綜合考慮選擇SEW 公司SF87DT9056 型減速電機(jī)。

3.3 潮汐灌溉系統(tǒng)

潮汐灌溉系統(tǒng)由營養(yǎng)液池、母液A 罐、母液B 罐、母液C 罐、母液D 罐、水處理裝置、供液管路、回流管路、控制系統(tǒng)、水泵、過濾器、紫外消毒器和供氧裝置等組成。供液管路和回流管路連接營養(yǎng)液池與苗床，控制裝置連接傳感器，供氧裝置與營養(yǎng)液池相連，紫外線消毒器與過濾器和供液管路相連，母液灌A、B、C、D 與營養(yǎng)液池相連?？刂葡到y(tǒng)自動檢測營養(yǎng)液各項參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)控制配液裝置。

3.4 智能控制系統(tǒng)

通過PLC 控制器和傳感器控制縱向位移驅(qū)動裝置實現(xiàn)栽培床縱向自動輸送，橫向位移驅(qū)動裝置實現(xiàn)栽培床橫向自動輸送，氣動驅(qū)動裝置實現(xiàn)栽培床橫向和縱向輸送的自動轉(zhuǎn)換。智能控制系統(tǒng)可以為作物提供適宜光照、合理比例的營養(yǎng)液。智能控制系統(tǒng)中的EC 值、pH 值和液位傳感器用于檢測營養(yǎng)液中可溶性鹽的濃度、酸堿度及營養(yǎng)液的容積，為營養(yǎng)液配置提供必要參數(shù)依據(jù)。

4 應(yīng)用情況

自動循環(huán)床系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于盆花生產(chǎn)、藥用植物培育、育苗等多種園藝作物工廠化生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)了節(jié)水節(jié)肥，其設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、行走流暢，提高了工作效率。自動循環(huán)床系統(tǒng)已在河北省、云南省和安徽省等地進(jìn)行了示范推廣，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用場景如圖5 所示。

5 結(jié)束語

自動循環(huán)床系統(tǒng)適合我國國情，可實現(xiàn)盆花生產(chǎn)的規(guī)?；?、精確化操作，解決勞動效率低的問題，提高盆花品質(zhì)，改善勞動條件，降低勞動成本，提高勞動生產(chǎn)率，有利于促進(jìn)花卉產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

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