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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草莓移動栽培架的設(shè)計與試驗

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)計了一種平滑式移動栽培架。首先對總體設(shè)計要求進行闡述，在此基礎(chǔ)上提出總體設(shè)計方案，然后對該裝置的關(guān)鍵部件進行選型、設(shè)計與分析，最后對樣機開展臺架試驗研究。結(jié)果表明：該移動架總成能實現(xiàn)多組架體單元同時左右平動，各項參數(shù)達到設(shè)計要求，操作簡單，省力輕便，能夠滿足草莓栽培生產(chǎn)實際需求。

移動栽培架；草莓栽培；平滑式

0 引言

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，草莓因其具有生長周期短、產(chǎn)量高、收益高、食用性佳等特點，消費者對高品質(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密集型產(chǎn)業(yè)，強度大、成本高，且面臨用工老齡化問題，推行省工省力的栽培方式已成為當(dāng)務(wù)之急。為減輕勞動強度、實現(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、實用性強，倍受農(nóng)戶喜歡[2-3]。

根據(jù)架式設(shè)計結(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)的移動式栽培架。固定式栽培架一般按照南北向排放，排布時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。各國已開始研究適合草莓生產(chǎn)的移動栽培架結(jié)構(gòu)，其中以日本和荷蘭等國家最為典型[4-5]。

國內(nèi)對于移動栽培架的設(shè)計研究僅限于為數(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的結(jié)構(gòu)，操作時阻力較大，且易產(chǎn)生軌道內(nèi)卡殼現(xiàn)象，不宜大面積推廣。為此，針對目前設(shè)施草莓高架栽培種植密度受限，結(jié)合長三角地區(qū)生產(chǎn)實際情況，提出了一種平滑式移動栽培架，并對其關(guān)鍵部件進行設(shè)計與分析，最后開展試驗研究，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)計要求

考慮到棚室縱向長度較大，本移動栽培系統(tǒng)采用多組平滑式移動栽培架組合而成。其中，縱向每兩組架體之間采用連接件固定，最終形成縱向整體式結(jié)構(gòu)，同時在最端部的一個架體上安裝有動力驅(qū)動部件，帶動整體式結(jié)構(gòu)左右滑移；橫向每兩個整體式結(jié)構(gòu)之間相互緊挨，可根據(jù)需要相互產(chǎn)生平移運動。下面僅針對縱向整體式結(jié)構(gòu)中最端部的平滑式移動栽培架進行設(shè)計，其他架體參照此架體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

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)栽培的實際需求，平滑式移動栽培架設(shè)計過程中主要考慮以下3個參數(shù)：栽培槽寬度、架高及架體下部總寬。根據(jù)文獻[8]可知，栽培槽寬度通常取30cm；根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計原理，架高(即栽培槽至地面寬度)一般取80～100cm，本設(shè)計取95cm。

一般單個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標準棚進行規(guī)劃計算，得出架體數(shù)量宜取7。與固定式栽培架相比，一般移動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)計以提高50%為計算依據(jù)，即移動栽培架體數(shù)量取為11；同時，預(yù)留下80cm的行間道寬度，計算可得架體下部總寬約為65.45cm，對參數(shù)圓整，取66cm。

2 總體方案提出

移動栽培架裝置設(shè)計還需考慮到栽培槽支架類型選擇、軌道類型、移動方式的選擇及動力傳動方式選擇等，以軌道類型和移動方式的選擇最為關(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種軌道類型與移動方式進行組配的設(shè)計方案。

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以帶動整個架體移動；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以帶動整個架體移動。

(a) 滾輪滾軸圓鋼式 (b) 滾輪滾軸角鋼式

對比發(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，操作人員管理時容易絆腳。最后，綜合性能穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟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)計了如圖2所示的端部移動栽培架，包含1個栽培槽支架、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)面安裝有鏈傳動部件，用于傳遞動力給滾軸。

1.栽培槽支架 2.連接梁 3.左滾軸 4.鏈傳動機構(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

3.1 栽培槽及其支架

為提高架體移動的靈活性，栽培槽支架宜設(shè)計得簡單輕便：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行搭建，鍍鋅管之間通過抱箍等活動件進行連接，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紡布，被卡簧壓緊于卡槽內(nèi)，無紡布上均勻裝栽培基質(zhì)。

1.H形支架 2.防水膜 3.無紡布 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。若尺寸過小，滾軸單次周期轉(zhuǎn)動的距離變小，導(dǎo)致支架移動相同的橫向距離所需的時間變長，驅(qū)動力也增加?？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

由于滑輪組和滾軸之間為滾動連接，假設(shè)設(shè)計中滾軸直徑不變且兩個滑輪之間的中心距固定，此時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，但若選取過小，滾軸轉(zhuǎn)動的過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，增強底座前后的穩(wěn)定性，防止前后發(fā)生偏移；下蓋為兩個“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通孔，通過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。

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

1.滑輪組 2.下蓋 3.上蓋

3.4 傳動機構(gòu)設(shè)計

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

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

4 臺架性能試驗

2016年1月，在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所中試工廠內(nèi)進行臺架試驗，如圖7所示。試驗樣機采用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)，試驗中通過相同質(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，主要對裝置的承重能力和搖柄的臂力參數(shù)進行檢測。經(jīng)測試，搖動手柄能較容易地實現(xiàn)8組架體的同步平移，操作方便且省力，符合設(shè)計要求，能夠滿足草莓栽培移動架體的生產(chǎn)實際需求。

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

試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每個架體單元上放置兩袋泥土?xí)r，整個架體移動中架體上部的鍍鋅管中部將發(fā)生嚴重彎曲變形，且有少量的顫動，表明該架體承壓質(zhì)量范圍小于50kg為宜； 另外，試驗發(fā)現(xiàn)整個栽培架體上放置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)，表明整個裝置所需的驅(qū)動力很小，適合多種年齡段人群使用。

5 結(jié)論

1) 移動栽培架裝置可有效解決我國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題，可為我國超高密度、超高產(chǎn)栽培提供好的解決方案。

2) 設(shè)計了一種平滑式移動栽培架單元，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)簡單易操作，能夠為高架作物(草莓)提供良好的管理作業(yè)移動平臺。

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

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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

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014406)；蘇州市科技計劃項目(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