連棟溫室省力采摘運輸車的研發

張艷紅+郭建業+張嵐+董艷華+潘張磊

【摘要】 連棟溫室蔬菜生產逐步成為設施蔬菜創建高產、高效的重要生產方式。研發的省力采摘運輸車適用于規模化、標準化的無土蔬菜栽培工廠。該設備由人工推動，通過軌道輪和行走輪可實現在軌道上輕松自由前后行走。同時也可以在地面上自由行走，實現了采摘運輸車在軌道和地面間行走的自由轉換。該設備可增加單次采摘運輸量，減少成品裝卸次數，提高作業效率，降低作業強度。

引言

設施蔬菜生產是北京市農業產業的主要組成部分，連棟溫室生產已逐步成為設施蔬菜創建高產、高效的重要生產方式，但其配套機械化水平相對較低。北京小湯山特菜基地在2011年9月引進荷蘭先進的番茄巖棉工廠化、潔凈化生產模式，建成一座占地3500 m2的“番茄工廠”，即現代化連棟溫室番茄工廠。在4年多的試驗示范過程中，均采用國外的無限生長型品種，300多天的生長期內可以無限次結果，每周定期摘果，產量達到32 kg/m2。持續的高產和頻繁的采摘期，使番茄的采摘和運輸工作量大大增加。然而北京市的農業勞動力日益短缺，雇工難、雇工貴的現象日益加重，省力化生產成為“番茄工廠”實現高產高效急需解決的問題。為此，針對小湯山番茄生產基地連棟溫室的具體結構，自主研究開發了省力采摘運輸車，更好地解決現代溫室采摘環節機械化、省力化作業問題，以提高蔬菜產業機械化作業水平。

設計思想

在設備的研究開發過程中，無論總體方案的確定，還是主要零部件的結構設計和參數的選擇，都遵循連棟溫室番茄采摘和運輸的農藝要求和應用方式。按照研究學習、自主開發的基本原則，充分考慮原材料的性能和規格、配件的性能和可靠性、產品批量生產的加工工藝性等因素，力求開發的產品經濟適用、性能穩定。

連棟溫室長125 m，跨度50 m，在番茄行間的地面上鋪有間距0.5 m的雙軌（圖1）。當采摘番茄時，由于番茄種植行長，采摘人員需要多次將裝滿番茄的箱子搬到連棟溫室一端。一個采摘箱裝滿番茄的重量約為20 kg，運輸作業強度大，效率低。整個連棟溫室有42行番茄，每次5個工人需要花費1天的時間來采摘果實，并且還要將番茄運到門口，勞動強度大。為此，省力采摘運輸車主要實現以下3種功能：①能在已有軌道上靈活行走；②能夠加大單次的運輸量，減少采摘和運輸時的裝卸次數；

③能夠同時實現軌道式和地面式2種運輸方式，方便在行間和地面行走的自由轉換。

設計目標

連棟溫室內原有軌道外緣到外緣600 mm，軌道為外徑52 mm的厚壁無縫鋼管，既軌道中心距為600 mm-26 mm-26mm=548mm，故省力采摘運輸車的軌道輪距為548 mm，可在軌道上自由前后移動行走。

采摘的果實使用塑料箱盛放，塑料箱長為600 mm，寬為400 mm，高度有150、200、240、320 mm等不同尺寸。根據塑料箱規格，運輸車碼箱區設計長度應大于2.4 m，寬度應大于0.4 m，高度應大于1.28 m，省力采摘運輸車最大承載量為300 kg。

設計方案

構造

省力采摘運輸車主要由行走底盤和托箱架兩部分組成（圖2～4）。底盤由厚壁矩管及槽型鋼板焊接成矩形框架，框架上平行等距安裝省力托輥，滾軸外徑母線與框架上面共面。框架單側倒裝2個L型厚壁方管，方管上安裝鋼板制成的托盤，中間鏤空，形成托箱架。框架前后兩端安裝倒U型推拉扶手。框架下方安裝軌道行走輪及地面行走輪。軌道行走輪由前后2個輪軸、4個尼龍輪及輪軸支架構成，并在輪軸支架端水平安裝4個軌道側向輔助輪，以防推動運輸車行走時偏離軌道。該地面行走輪包括地面行走主輪和地面行走輔輪。地面行走主輪由中間單軸、2個輪子及可拆卸支座構成，地面行走輔輪由4個萬向輪組成，分別設置在框架的四角內側。在地面行走時主要是行走主輪工作，萬向輪輔助工作或不工作。

安裝過程保證軌道行走輪母線和地面行走輪母線垂直距離為軌道的外直徑尺寸（理論數值為軌道的外直徑尺寸52 mm）。

工作原理

采摘作業時，省力采摘運輸車可碼放高度320 mm塑料箱16個、高度240 mm塑料箱20個、高度200 mm塑料箱24個、高度150 mm塑料箱32個。以碼放6層24個塑料箱進行采摘作業為例，整個采摘碼箱過程可分為五步完成。

第1步：采摘人員先碼好24個空箱，將第1排的6個塑料箱放在托箱架上，騰空第1排的空間（圖5）；第2步：拿取第2排的空箱逐個放在第1排的位置進行采摘塑料碼箱（圖6）；第3步：箱滿之后，將第1排的箱子推到第2排位置，將第3排的空箱轉移到第1排，然后再把1、2排的箱子推到下一排，騰出第1排的位置，重復第2步的操作（圖7～8）；第4步：采摘人員換到采摘車的另一邊，把3、4排的箱子推移到前一排，騰出第4排的位置，用第3排的箱子進行碼箱，摘滿之后推移到第3排（圖9～11）；第5步：最后使用托箱架上的空箱進行摘果碼箱，直到整個采摘運輸車的所有箱子被摘滿。采摘與碼放方式可以首尾兩端鏡像一致（圖12～13）。

相關主要參數的確定

省力采摘運輸車的寬

由于番茄行間距為1.6 m，行走軌道間距為0.548 m，在滿足自由行走的前提下，盡量減小省力采摘運輸車的寬度，以增加行間的通過性，減少對番茄植株的損壞，故設計省力采摘運輸車的寬度小于0.8 m。

省力采摘運輸車的長

省力采摘運輸車一次按4排碼箱，并且果箱規格為長度600 mm，故采摘運輸車的長至少為：4排×0.6 m=

2.4 m，考慮結構連接設計，省力采摘運輸車底盤長約為2.5 m。

省力采摘運輸車的高

根據省力采摘運輸車承重量要求，以及考慮到取空箱時的方便性，省力采摘運輸車的高度約為1.6 m（圖14）。

結論

使用省力采摘運輸車進行番茄采摘作業（圖15），工人只需對番茄串（果）進行摘剪和碼箱，輕輕輔以外力即可將滿載番茄的省力采摘運輸車沿軌道前后自由移動，由于承重托盤以平行輥軸組成，裝滿番茄的多層箱體可實現輕松換位移動。當省力采摘運輸車裝滿箱時，可以輕松實現由軌道運輸到地面運輸方式的自由轉換，方便了軌道到地面的運輸轉換工作。省力采摘運輸車的投入使用，使原本5個工人1天的工作量現只需3 h就輕松的完成，效率提高了62.5%。