自動循環(huán)床系統設計與應用

蘭立波 李秀剛 周增產 胡福生 王志冉 董微

摘 要： 針對盆花生產人工勞動強度大、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。該系統可配合育苗設備、輸盆設備和包裝設備等完成盆花育苗、生產、輸盆、剪枝、灌溉和采收等需求的運輸操作，實現盆花在不同功能區(qū)及配套設備之間的快速轉移。

關鍵詞：循環(huán)床；盆花；育苗設備；潮汐苗床；灌溉系統

中圖分類號：S629文獻標識碼：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、觀賞性強和養(yǎng)護方便等特點，盆栽植物越來越受到消費者歡迎，消費市場覆蓋面不斷擴大，消費人群逐漸延伸，生產規(guī)模穩(wěn)中有增[1-4]。隨著盆花產量的規(guī)模化、精確化生產，簡易的普通苗床等生產設備已無法滿足現在的生產需求，而國外相對成熟的物流系統又存在價格昂貴、設備維修困難、不適合我國國情等難題[5-7]。近年農村勞動力大量向城市轉移，園藝生產勞動力短缺、勞動力成本逐年上升，溫室園藝生產對自動化生產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業(yè)機械研究所有限公司共建的自動循環(huán)床系統項目作為實例，闡述了自動循環(huán)床系統及配套裝備的設計方案。

1 生產流程

工廠化盆花生產一般分為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移軌道、傳送軌道移至小苗生產區(qū)。

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

（3）剪葉。將盆花從中苗生產區(qū)移至包裝區(qū)的剪葉位置轉移軌道上，進行花枝剪短，再通過轉移軌道、傳送軌道，經過90°旋轉軌道移至成苗生產區(qū)。

（4）包裝。將盆花從成苗生產區(qū)通過行走軌道、轉移軌道、90°旋轉軌道移至包裝區(qū)的采收包裝位置轉移軌道上，通過人工將苗床上的盆花放置到傳送帶上，盆花經過傳送帶至包裝工位，由人工進行套袋包裝、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)、盆花小苗生產區(qū)、盆花中苗生產區(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

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

3.1 潮汐苗床

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

3.1.1 應力分析

苗床材質為鋁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力181.8 MPa，苗床所受的應力小于屈服極限，因此苗床滿足承載能力。應力分析如圖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 行走裝置設計

3.2.1 苗床電動平推動力計算和電機選型

根據工況，苗床自重與重物總質量m=300 kg，假設苗床與滾輪之間總摩擦系數μ=0.05，則苗床向前運動所受推力F 至少達到F=μm=0.05×300=150 N。

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

3.2.2 90°苗床旋轉系統動力計算和電機選型

根據工況，苗床長度L=4.8 m，假設推苗床的力F=300 N，則轉矩T=FL=300×4.5=1440 N·m。

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

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

3.3 潮汐灌溉系統

潮汐灌溉系統由營養(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、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。控制系統自動檢測營養(yǎng)液各項參數，并根據參數控制配液裝置。

3.4 智能控制系統

通過PLC 控制器和傳感器控制縱向位移驅動裝置實現栽培床縱向自動輸送，橫向位移驅動裝置實現栽培床橫向自動輸送，氣動驅動裝置實現栽培床橫向和縱向輸送的自動轉換。智能控制系統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依據。

4 應用情況

自動循環(huán)床系統可廣泛應用于盆花生產、藥用植物培育、育苗等多種園藝作物工廠化生產模式，在生產過程中實現了節(jié)水節(jié)肥，其設計結構合理、行走流暢，提高了工作效率。自動循環(huán)床系統已在河北省、云南省和安徽省等地進行了示范推廣，取得了較好的經濟效益。應用場景如圖5 所示。

5 結束語

自動循環(huán)床系統適合我國國情，可實現盆花生產的規(guī)模化、精確化操作，解決勞動效率低的問題，提高盆花品質，改善勞動條件，降低勞動成本，提高勞動生產率，有利于促進花卉產業(yè)快速發(fā)展。

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