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设施草莓标准化装配式栽培架系统研究

时间:2018-05-27 20:04来源:未知 作者:admin 点击:
设施草莓标准化装配式栽培架系统研究*
杨雅婷,陈永生**,管春松,高庆生,崔志超(农业部南京农业机械化研究所,南京 210014)

草莓是一种深受大众喜爱的短季节栽培水果,营养价值高,口感好,但其种植劳动力成本高、劳动强度大。随着设施农业保护性栽培结构的发展,草莓实现了反季节栽培和避雨栽培,品质也得到进一步提升。设施草莓栽培面积逐年上升,已成为中国发展速度最快、效益最高的果树树种之一。
草莓温室栽培可分为土壤栽培和无土栽培。土壤栽培的劳动强度大,通常栽培管理较为粗放,品质难以进一步提高,利润空间低。无土栽培又可分为架式栽培、盆式栽培、槽式栽培、管道式栽培等多种方式,其中草莓架式栽培管理方便,实用性强,既可提高空间利用率,大大降低劳动强度,还为草莓采摘等休闲农业提供了更多可能,备受农业企业和农户喜爱。
根据栽培架结构不同,架式栽培主要可分为“品”形、“X”形、“H”形等方式,其中“H”形空间利用率高,管理简便,应用广泛。栽培架通常南北向平行放置,固定于地面,各平行的栽培架之间留有固定行距,是工人进行田间管理和收获的通道。通常栽培架需要按照生产企业或农户的草莓栽培农艺要求定制,在装备生产企业进行钢管下料、焊接、铆接等工艺后,运至栽培温室进行地面固定安装和连接。由于栽培架单元通常尺寸大于6000 mm×300 mm×850 mm,其运输成本较高。因此,课题组开发了移动装配式草莓栽培架系统,一方面降低了运输成本,只需要运输标准尺寸的管件、焊接好的“H”支撑部件和紧固件零件,在温室现场通过管件套接、螺纹连接等方式即可完成安装固定;另一方面,栽培架的总体尺寸更加灵活,可根据温室空间大小和栽培要求随意进行栽培架单元的拼接装配,使用方便灵活,横向移动功能还大大提高了温室空间利用率。在此基础上,还开发了智能移动草莓栽培架系统,进一步提高了温室空间利用率,降低了劳动强度。
 
设计思路
草莓移动式栽培架通常沿温室天沟方向布置,根据栽培需要和温室长度,可采用连接件组合多个栽培架单元,形成完整的草莓栽培架。考虑到镀锌钢管原料长度一般为6 m,因此栽培架单元长度也以6 m 为标准,只需要运输标准尺寸的管件、“H”形支撑部件和紧固件零件,均可实现高密度堆叠包装,运输体积小,可降低制造运输成本;以栽培架单元长度6 m 为基准,再根据温室结构尺寸、栽培农艺要求配置栽培架系统中单元数量,有助于实现温室草莓栽培架系统的标准化配置。靠近作业区的栽培架单元端部应安装动力驱动部件,可带动整体栽培架实现左右滑动,驱动栽培架实现平移,管理人员可在需要时进行整枝、采摘等行间作业;作业结束后再次驱动栽培架平移,继续进行栽培架的行间作业,通过多个栽培架共用一个行间作业空间的方式,有效提高了空间利用率,见图1。
草莓移动架栽培系统原理
系统总体结构
下面以8 m 跨度连栋温室为例, 介绍系统结构设计。通常单个草莓栽培架的栽培槽宽度为30 cm,考虑到架体稳定平衡等因素,估算移动草莓架单个架体的占地宽度约为60 cm;考虑到工作人员操作的方便性和电动作业平台的通过性,行间道宽度以100 cm 为宜,温室两侧应当各留30 cm 的间距,由此得出架体数量宜取11,重新计算单个架体底部占地宽度为58.18 cm,取整得58 cm,见图2。
草莓栽培架系统布置图/cm
移动栽培架系统主要包括栽培槽支架部件、动力传动部件、轨道、行走部件4 部分,其中行走机构和动力传动机构是关键部件,见图3。
移动栽培架单元结构图
栽培槽支架部件主要包括栽培槽支架、集水槽和加固杆。栽培槽支架长度取6 m,既实现移动栽培架单元标准化生产安装,又减少管件的切割工作量,降低成本。长度方向的两个相邻栽培槽支架通过抱箍等活动件在现场与“H”形支撑架连接组装,无需针对不同结构温室进行设计,便于拆装维修。栽培槽支架光管外侧固定安装卡槽,用于和卡簧配合安装栽培用无纺布和塑料膜。
动力传动部件主要包括手柄和链传动机构。手柄安装在摇柄套中并锁死,摇柄套与主动链轮的轮毂紧固,二者同步运动;主动链轮的内圆周面与滚动轴承外圈配合,滚动轴承的内圈与钢管紧固;主动链轮通过链条带动从动链轮,从动链轮与行走杆紧固,从而完成动力传输。
轨道、基座、地面平整度对系统运行有重要影响,必须保证基座上表面位于同一水平面,避免对轨道性能和钢管使用寿命的影响。综合考虑栽培架自重和生长期草莓栽培基质的重量,通过计算得知单位长度轨道承重约为286 kg/m,选用6 分管(Φ 19.08 mm)即可满足强度要求。
行走部件是该系统可正常可靠运行的保障,主要包括行走杆、限位片和滚动部件。行走杆与动力传动部件的从动链轮连接,由从动链轮带动行走杆滚动。限位片紧贴轨道外侧,铆接在行走杆上,防止行走杆在往复运动中发生横向位移,造成栽培槽无法移动的现象。滚动装置是行走部件的主要部分,实现了支撑栽培槽支架、配合行走杆滚动的重要功能,见图4。
滚动装置结构图
滑轮组和行走杆之间为滚动连接,考虑到系统结构工作性能、稳定性和经济性,滑轮选择50 中型轮,外径尺寸为5 cm,材料为尼龙,弹性好,耐磨,降低更换率。经过计算,2 个滑轮之间距离为6 cm。滑轮组与连接座焊接,连接座上下部分通过螺栓连接紧固;栽培槽支架的底座从连接座中间穿过,实现滚动装置和栽培槽支架的连接。行走杆在从动链轮转动带动下滚动,通过滚动装置实现连接的滑轮组也随之滚动,进而带动栽培槽支架整体滚动,实现栽培架的前后往复运动。
 
应用
2016 年1 月,该系统进行了台架试验。试验结果表明,8 组标准栽培架单元组成的栽培架系统能够实现同步平移,操作简单省力。随后,2016 年6 月在江苏常熟国家农业科技园区内进行了系统安装和试验,标准化栽培架单元的设计使得安装便捷快速。试验表明,该系统运行情况良好,一个正常劳力即可完成装填栽培基质的、总长约42 m 的移动栽培架的往复移动,实现了标准化单元快装,提高了温室利用率。但在系统运行过程中发现集水塑料膜排水不方便,见图5,常需要人工辅助排水,因此对系统集水排水部分进行了优化。
移动栽培架系统运行情况
在栽培架一端的集水塑料膜上安装排水管,排水管出口通入温室地基排水系统内。由于排水管的自重,塑料膜底部向排水一端自然倾斜,消除了集水现象,并实现了自动排水,见图6。
栽培架系统排水部件优化改进
结论与展望
随着社会发展,农业劳动力资源紧缺,耕地资源瓶颈等问题凸显,现代农业面对越来越多的挑战,必须通过科技手段来降低农业工人劳动强度,提高生产效率和土地利用率来解决或缓解这些问题。草莓移动栽培架系统通过标准化单元加工、现场组装的方式降低了运输和安装成本,可根据温室结构的尺寸自由调节单元数量,适应范围广;通过栽培架往复平移,充分利用了固定栽培架之间的人工作业通道,极大地提高了温室空间利用率和单位面积种植密度;通过设计省力化摇臂的驱动方式和自动排水部件降低了系统运行对人工的依赖,降低了用工数量和劳动强度。该系统为温室高密度栽培和种植物流化管理提供了一种解决思路,有助于下一步实现温室超高密度、超高产高架栽培模式。为设施草莓优质高产栽培提供了一种可复制模式,有助于满足长江中下游地区的草莓有效供给,提高土地生产率和降低劳动生产强度。
(责任编辑:admin)
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