移動式草莓人工光立體種植裝置設計及應用

胡福生，周增產，3，姚濤，張曉文，曲維明

(1.北京市農業機械研究所有限公司，北京100096； 2.北京市植物工廠工程技術研究中心，北京100094；3.北京京鵬環球科技股份有限公司，北京100094)

0 引言

草莓栽培具有產量高、適應性強和品質好等特點，越來越受到關注，草莓立體種植是一種高效、節能和無污染的規范化生產模式[1-2]。草莓種植生產過程中，常用的草莓立體栽培模式有架式栽、柱式栽和槽式栽等。立體栽培具有可提高空間利用率和單位面積產量、解決重茬問題和減少土傳病蟲害等優點，經濟價值和觀賞性均較高[3-4]。目前，草莓立體栽培已成為設施園藝的一個亮點。

立體草莓種植架之間必須要設置走廊，以滿足農事操作要求，然而這些走廊的設置降低了草莓種植的空間利用率，不利于提高單位面積產量。現行草莓立體栽培架均無人工補光設備，對于草莓在不同的生長期所需的不同光照強度不可調節，不利于草莓的品質控制，也使得草莓無法在無光照條件的場地種植。移動式草莓人工光立體種植裝置槽輪在地面移動，多組種植裝置共用一條走廊，可有效提高草莓種植的空間利用率。栽培槽上部分布有LED補光燈，且具有控制裝置，可以控制補光強度，在不同生長時期做光照調節，更有利于控制草莓的品質。

1 總體方案設計

草莓立體種植裝置包含栽培架、鏈輪架和行走底座3部分。栽培架為4層式結構，每層底部放置橫截面為梯形的長條形栽培槽，槽內裝草莓栽培基質，頂部安裝LED補光燈。鏈輪架內部裝有立體種植裝置的動力傳動鏈輪和鏈條，搖動手柄時，動力可通過鏈輪和鏈條傳動到底部行走底座。行走底座上裝有8個槽輪，架設在軌道上，動力通過鏈輪架傳遞到槽輪上。當搖動手柄時，槽輪在軌道上滾動，帶動整個立體種植裝置橫向移動。

1.1 栽培架

基于對草莓株距、擺放場地尺寸和農事操作方便性等因素的綜合考慮，栽培架的長寬高尺寸確定為9 860 mm×400 mm×2 130 mm。通過查閱資料，目前市場流行的草莓品種植株高度在20 cm左右，冠徑約為30 cm[5]。栽培架的每層空間中，栽培槽和補光燈占據20 cm高度，層間距設置為50 cm。因每層有補光燈進行補光，可將株距適當增密，設計株距為15 cm，每條種植槽布置2列草莓。栽培架總體方案如圖1所示。

1.栽培架 2.LED補光燈 3.種植槽 4.行走底座圖1 栽培架總體布置方案Fig.1 General layout plan of cultivation frame

1.2 行走底座

行走底座為栽培架和鏈輪架的承載機構，栽培架通過角碼和T型螺栓固定到行走底座上，鏈輪架固定到行走底座的一端，如圖2所示。行走底座內部安裝有16個槽輪，每8個一組穿到兩根通軸上，兩通軸的一端分別固定到鏈輪架的兩個動力傳動鏈輪上。槽輪架設到軌道上，動力通過鏈輪架傳遞到槽輪上。當搖動手柄時，槽輪在軌道上滾動，帶動整個立體種植裝置橫向移動。

1.底架 2.槽輪 3.通軸 4.手柄 5.鏈輪架圖2 行走底座Fig.2 Walking base

1.3 鏈輪架

鏈輪架固定到行走底座的一端，內部設計3組鏈輪，如圖3所示，手柄和鏈輪固定在一起，搖動手柄，動力通過鏈條帶動與底部軌道輪相連的兩個鏈輪同步轉動，為安裝調試方便，中間部位安裝了一個張緊鏈輪。

1.手搖鏈輪 2.鏈條 3.行走鏈輪 4.張緊鏈輪圖3 鏈輪架結構Fig.3 Structure of sprocket frame

2 關鍵部件設計

2.1 光照設計

PIOVENE CHIARA等[6-8]研究發現總光量子通量強度(PPFD)為200 μmol/(m2·s)時，紅藍光強比1∶5最有利于草莓植株葉片營養物質積累，而紅藍光強比1∶1最能提高果實產量。根據這一研究結果，栽培架每層設置3排共24盞40 W LED補光燈，每層在距離草莓株冠頂部20 cm處，平均取5個點，通過密度儀測量了補光燈的光量通過密度，其測量結果如表1所示。從測試數據可以看出，各點均能滿足光量密度要求，項目采用的LED補光輻射照度如圖4所示，由圖4可以看出，其燈光中所含的藍色和紅色光譜相對較足，對植物光合作用更具針對性。

表1 各位置點PPFD值

圖4 LED補光的輻射照度Fig.4 Radiation intensity of LED supplementary light

2.2 手搖力計算及通軸扭力校核

移動裝置通過手搖手柄轉動，將動力傳動到裝置底部槽輪，槽輪同步滾動，實現裝置平移，手搖力矩的大小為裝置能否實現正常平移的關鍵因素。測算設備質量與草莓基質和草莓植株的總質量為750 kg，計算搖動手柄所需力矩及手搖力。轉移裝置的槽輪在軌道上滾動，需克服滾動摩擦力矩，如圖5所示。

圖5 滾動摩擦力距示意Fig.5 Schematic diagram of rolling friction distance

圖5中N為槽輪所受壓力，取7 500 N，Mz為槽輪所受扭矩，μk為鋼材與鋼材的滾動摩擦系數，取0.000 5 m，r為槽輪半徑。則摩擦力力矩為

Mz=Nμk=3.75 N·m

(1)

手柄通過鏈輪傳遞動力到槽輪，中間沒有變速，因此，手柄上的力矩也為3.75 Nm，手柄長度L為0.2 m，則手搖手柄的力為

F=Mz/L=18.75 N

(2)

通過以上計算得出手搖手柄的力較小，臂力范圍內可輕松搖動手柄。

移動裝置長度為10 m，有兩組槽輪布置在軌道上，每組槽輪穿在一根長度為9 848 mm的通軸上。通軸為外徑33.5 mm、壁厚3.25 mm的圓鋼管所制。在手柄力矩作用下，軸的扭角不能過大，否則移動裝置前后速度不一致，容易跑偏卡軌。通軸上所受外力扭矩及軸截面扭矩如圖6所示，圖中M=Mz/16=0.23 N·m。

圖6 通軸上所受外力扭矩及軸截面扭矩Fig.6 External force torque and shaft section torque on through shaft

因每一段所受扭矩不同，可分段求解扭轉角，軸的扭角公式如式(3)所示。

(3)

式中φi——每段軸的扭轉角，(°)

Mi——每段軸所受扭矩，N·m

li——每段軸長度，mm

G——材料的切變模量

I——抗扭慣性矩

材料的切變模量G如式(4)計算。

(4)

式中E——材料彈性模量

μ——材料泊松比

抗扭慣性矩I如式(5)計算。

(5)

式中D——通軸外徑

α——通軸內外徑之比

將軸分為8段，可通過公式計算出每段的扭轉角如表2所示。

表2 各段軸參數及扭角

總扭轉角為

(6)

槽輪的直徑設計為100 mm，反映到槽輪周長上，最前端槽輪和最后端槽輪滾動距離差為

(7)

此距離差對裝置的平移影響可忽略不計。

2.3 供水計算

供水系統示意圖如圖7所示。立體種植草莓灌溉采用滴灌的方式，每組栽培槽通過2條滴灌帶向草莓澆水，滴灌帶滴孔間距150 mm，與草莓種植間距一致。種植草莓的供水量大致為150 m3/hm2，每組草莓種植架的種植面積20 m2，每3組栽培架共用一套灌溉系統，供水量0.9 m3，30 min澆完，供水泵流量至少為1.8 m3/h，保守起見選擇流量3.5 m3/h、揚程30 m的自吸泵。管內徑20 mm，取經濟流速為1 m/s。

1.滴灌帶 2.上水管 3.水箱 4.活接 5.水泵 6.廢水口7.EC傳感器 8.球閥 9.pH傳感器 10.上水口 11.電磁閥圖7 供水系統示意Fig.7 Schematic diagram of water supply system

已知上述設計條件，可計算管道的水頭損失。

hz=hy+hj

(8)

式中hz——管道總水頭損失，m

hy——管道沿程水頭損失，m

hj——管道局部水頭損失，m

其中管道沿程水頭損失

(9)

式中λ——沿程摩擦系數

L——管道長度，15 m

di——水管直徑，0.02 m

v——水流速度，1 m/s

g——重力加速度，m/s2

其雷諾數為

(10)

式中ρ——水密度，kg/m3

v——水流速，m/s

μ——水黏度，Pa·s

計算得出Re=8 466，為紊流狀態。管道內壁可按光滑內壁計算，查閱摩狄圖，得沿途摩擦系數λ=0.025，可算出管道沿程的水頭損失為0.957 m。管道的局部水頭損失按沿程損失的10%計算，為0.095 7 m，總的水頭損失為1.053 m。查閱相關資料，長度10 m、內徑16 mm和孔間距150 mm的滴灌帶總水頭損失為2 m[9-10]。供水高度2.5 m，供水系統總水頭損失為5.053 m，遠小于水泵揚程。

2.4 種植效果

移動式草莓人工光立體種植裝置作為集裝箱式草莓植物工廠的種植架，運行1個月時間，其光照條件、灌溉條件均滿足草莓的生長需求，移動底架橫向移動，3組草莓種植架共用一條走廊，提高了種植密度，滿足農事管理需要，草莓長勢良好。種植應用現場如圖8所示。

3 結論

通過連續觀察移動式草莓人工光立體種植裝置工作狀況，發現草莓長勢良好，得到以下4點結論。

(1)每層設置24盞40 W白光LED補光燈，補光距離草莓植株冠頂27 cm以內，可達到草莓所需光量密度要求，滿足草莓葉片營養物質積累，能夠提高果實產量。

(2)通過手搖手柄轉動，將動力傳動到裝置底部槽輪，槽輪同步滾動，實現裝置平移的方式，可在更少的種植空間布置更多的種植架，能夠有效提高單位面積產量。設計的鏈輪傳動裝置輕巧實用，移動栽培架所用手搖力在臂力所承受范圍內。

(3)根據草莓需水量設計的水路管徑合理，水泵流量及揚程均符合栽培架現場工程需求，滴灌帶孔距合理，每株草莓在匹配一個滴孔的情況下，能滿足草莓澆灌及施肥需求。

(4)設計的草莓人工光立體種植裝置在實際種植應用中草莓長勢良好，能有效提高空間利用率和單位面積產量，解決重茬問題，減少土傳病蟲害。果實品質可控，是草莓種植技術的積極有益嘗試。