移动式草莓人工光立体种植装置设计及应用_胡福生.pdf

第 11 卷 第 3 期 农 业 工 程 Vol 11 No 3 2021 年 3 月 Agricultural Engineering Mar 2021 收稿日期 2020 11 24 修回日期 2021 01 14 基金项目 中 罗农业科技示范园构建及合作研究示范项目 KY201702008 作者简介 胡福生 博士 高级工程师 研究方向 农业机械 E mail 11931658 qq com 在线投稿 www d1ae com 移动式草莓人工光立体种植装置设计及应用 胡福生 1 2 周增产 1 2 3 姚涛 1 2 张晓文 1 2 曲维明 2 1 北京市农业机械研究所有限公司 北京 100096 2 北京市植物工厂工程技术研究中心 北京 100094 3 北京京鹏环球科技股份有限公司 北京 100094 摘 要 草莓立体种植是一种高效 节能和无污染的规范化生产模式 为有效提高草莓种植空间利用率和更好实现草 莓生长环节中的光照控制 设计了一种移动式草莓人工光立体种植装置 装置总体结构由铝合金栽培架 行走底座和 链轮架等组成 基于总体设计方案 对装置的关键部件进行了详细结构设计 参数计算和校核 开展种植试验 试验 结果表明 光照设计 给排水设计均能满足草莓生长要求 设计的装置平移方式可有效提高空间利用率和单位面积产 量 装置运行稳定 草莓长势良好 关键词 草莓 立体种植 人工光 移动式 中图分类号 S223 文献标识码 A 文章编号 2095 1795 2021 03 0108 05 Design and Application of Mobile Artificial Light Stereoscopic Planting Device for Strawberry HU Fusheng 1 2 ZHOU Zengchan 1 2 3 YAO Tao 1 2 ZHANG Xiaowen 1 2 QU Weiming 2 1 Beijing Agricultural Machinery esearch Institute Co Ltd Beijing 100096 China 2 Beijing Plant Engineering Technology esearch Center Beijing 100094 China 3 Beijing Kingpeng International Hi tech Corporation Beijing 100094 China Abstract Strawberry stereoscopic cultivation is a highly efficient energy saving and pollution free standardized production mode In order to effectively improve utilization rate of strawberry planting space and better realize light control during strawberry growth process a mobile strawberry artificial light stereoscopic planting device was designed Mobile strawberry artificial light stereoscopic planting device was composed of aluminum alloy cultivation frame walking base and sprocket carrier etc Based on overall design scheme detailed structural design parameter calculation and check of key components were conducted Planting experiment was carried out and experiment results showed that light design water supply and drainage design both could meet requirements of strawberry growth translation mode could effectively improve space utilization rate and yield per unit area de vice operated stably and strawberry grew well Keywords strawberry stereoscopic planting artificial light mobile type 0 引言 草莓栽培具有产量高 适应性强和品质好等特 点 越来越受到关注 草莓立体种植是一种高效 节 能和无污染的规范化生产模式 1 2 草莓种植生产过 程中 常用的草莓立体栽培模式有架式栽 柱式栽和 槽式栽等 立体栽培具有可提高空间利用率和单位面 积产量 解决重茬问题和减少土传病虫害等优点 经 济价值和观赏性均较高 3 4 目前 草莓立体栽培已 成为设施园艺的一个亮点 立体草莓种植架之间必须要设置走廊 以满足农 事操作要求 然而这些走廊的设置降低了草莓种植的 空间利用率 不利于提高单位面积产量 现行草莓立 体栽培架均无人工补光设备 对于草莓在不同的生长 期所需的不同光照强度不可调节 不利于草莓的品质 控制 也使得草莓无法在无光照条件的场地种植 移 动式草莓人工光立体种植装置槽轮在地面移动 多组 种植装置共用一条走廊 可有效提高草莓种植的空间 利用率 栽培槽上部分布有 LED 补光灯 且具有控 制装置 可以控制补光强度 在不同生长时期做光照 调节 更有利于控制草莓的品质 1 总体方案设计 草莓立体种植装置包含栽培架 链轮架和行走底 胡福生 等 移动式草莓人工光立体种植装置设计及应用 座 3 部分 栽培架为 4 层式结构 每层底部放置横截 面为梯形的长条形栽培槽 槽内装草莓栽培基质 顶 部安装 LED 补光灯 链轮架内部装有立体种植装置 的动力传动链轮和链条 摇动手柄时 动力可通过链 轮和链条传动到底部行走底座 行走底座上装有 8 个 槽轮 架设在轨道上 动力通过链轮架传递到槽轮 上 当摇动手柄时 槽轮在轨道上滚动 带动整个立 体种植装置横向移动 1 1 栽培架 基于对草莓株距 摆放场地尺寸和农事操作方便 性等因素的综合考虑 栽培架的长宽高尺寸确定为 9 860 mm 400 mm 2 130 mm 通过查阅资料 目 前市场流行的草莓品种植株高度在 20 cm 左右 冠径 约为 30 cm 5 栽培架的每层空间中 栽培槽和补光 灯占据 20 cm 高度 层间距设置为 50 cm 因每层有 补光灯进行补光 可将株距适当增密 设计株距为 15 cm 每条种植槽布置 2 列草莓 栽培架总体方案 如图 1 所示 1 栽培架 2 LED 补光灯 3 种植槽 4 行走底座 图 1 栽培架总体布置方案 Fig 1 General layout plan of cultivation frame 1 2 行走底座 行走底座为栽培架和链轮架的承载机构 栽培架 通过角码和 T 型螺栓固定到行走底座上 链轮架固 定到行走底座的一端 如图 2 所示 行走底座内部安 装有 16 个槽轮 每 8 个一组穿到两根通轴上 两通 轴的一端分别固定到链轮架的两个动力传动链轮上 槽轮架设到轨道上 动力通过链轮架传递到槽轮上 当摇动手柄时 槽轮在轨道上滚动 带动整个立体种 植装置横向移动 1 底架 2 槽轮 3 通轴 4 手柄 5 链轮架 图 2 行走底座 Fig 2 Walking base 1 3 链轮架 链轮架固定到行走底座的一端 内部设计 3 组链 轮 如图 3 所示 手柄和链轮固定在一起 摇动手 柄 动力通过链条带动与底部轨道轮相连的两个链轮 同步转动 为安装调试方便 中间部位安装了一个张 紧链轮 1 手摇链轮 2 链条 3 行走链轮 4 张紧链轮 图 3 链轮架结构 Fig 3 Structure of sprocket frame 2 关键部件设计 2 1 光照设计 PIOVENE CHIA A 等 6 8 研究发现总光量子通量 强度 PPFD 为 200 mol m 2 s 时 红蓝光强 比 1 5 最有利于草莓植株叶片营养物质积累 而红 蓝光强比 1 1 最能提高果实产量 根据这一研究结 果 栽培架每层设置 3 排共 24 盏 40 W LED 补光灯 每层在距离草莓株冠顶部 20 cm 处 平均取 5 个点 通过密度仪测量了补光灯的光量通过密度 其测量结 果如表 1 所示 从测试数据可以看出 各点均能满足 光量密度要求 项目采用的 LED 补光辐射照度如图 4 所示 由图 4 可以看出 其灯光中所含的蓝色和红色 光谱相对较足 对植物光合作用更具针对性 表 1 各位置点 PPFD 值 Tab 1 PPFD value of each position 位置 距灯 20 cm PPFD mol m 2 s 1 A 点 259 63 B 点 279 75 C 点 275 55 D 点 211 63 E 点 285 70 901 农业工程 设计制造及理论研究 图 4 LED 补光的辐射照度 Fig 4 adiation intensity of LED supplementary light 2 2 手摇力计算及通轴扭力校核 移动装置通过手摇手柄转动 将动力传动到装置 底部槽轮 槽轮同步滚动 实现装置平移 手摇力矩 的大小为装置能否实现正常平移的关键因素 测算设 备质量与草莓基质和草莓植株的总质量为 750 kg 计 算摇动手柄所需力矩及手摇力 转移装置的槽轮在轨 道上滚动 需克服滚动摩擦力矩 如图 5 所示 图 5 滚动摩擦力距示意 Fig 5 Schematic diagram of rolling friction distance 图 5 中 N 为槽轮所受压力 取 7 500 N M z 为槽 轮所受扭矩 k 为钢材与钢材的滚动摩擦系数 取 0 000 5 m r 为槽轮半径 则摩擦力力矩为 M z N k 3 75 N m 1 手柄通过链轮传递动力到槽轮 中间没有变速 因此 手柄上的力矩也为 3 75 Nm 手柄长度 L 为 0 2 m 则手摇手柄的力为 F M z L 18 75 N 2 通过以上计算得出手摇手柄的力较小 臂力范围 内可轻松摇动手柄 移动装置长度为 10 m 有两组槽轮布置在轨道 上 每组槽轮穿在一根长度为 9 848 mm 的通轴上 通轴为外径 33 5 mm 壁厚 3 25 mm 的圆钢管所制 在手柄力矩作用下 轴的扭角不能过大 否则移动装 置前后速度不一致 容易跑偏卡轨 通轴上所受外力 扭矩及轴截面扭矩如图 6 所示 图中 M M z 16 0 23 N m 图 6 通轴上所受外力扭矩及轴截面扭矩 Fig 6 External force torque and shaft section torque on through shaft 因每一段所受扭矩不同 可分段求解扭转角 轴 的扭角公式如式 3 所示 i M i l i GI 180 3 式中 i 每段轴的扭转角 M i 每段轴所受扭矩 N m l i 每段轴长度 mm G 材料的切变模量 I 抗扭惯性矩 材料的切变模量 G 如式 4 计算 G E 2 1 4 式中 E 材料弹性模量 材料泊松比 抗扭惯性矩 I 如式 5 计算 I 32 D 4 1 4 5 式中 D 通轴外径 通轴内外径之比 将轴分为 8 段 可通过公式计算出每段的扭转角 如表 2 所示 表 2 各段轴参数及扭角 Tab 2 Shaft parameters and torsion angle of each section 段标号 扭矩 M i N m 1 长度 l i mm 扭角 i 1 0 23 2 094 0 004 92 2 0 46 371 0 001 74 3 0 69 2 094 0 001 47 4 0 92 371 0 003 48 5 1 15 2 094 0 002 46 6 1 38 371 0 005 23 7 1 61 2 094 0 003 44 8 1 84 233 5 0 004 80 总扭转角为 8 i 1 i 0 093 5 6 槽轮的直径设计为 100 mm 反映到槽轮周长上 最前端槽轮和最后端槽轮滚动距离差为 S 3 14D 轮 360 0 081 mm 7 011 胡福生 等 移动式草莓人工光立体种植装置设计及应用 此距离差对装置的平移影响可忽略不计 2 3 供水计算 供水系统示意图如图 7 所示 立体种植草莓灌 溉采用滴灌的方式 每组栽培槽通过 2 条滴灌带向 草莓浇水 滴灌带滴孔间距 150 mm 与草莓种植 间距一致 种植草莓的供水量大致为 150 m 3 hm 2 每组草莓种植架的种植面积 20 m 2 每 3 组栽培架 共用一套灌溉系统 供水量 0 9 m 3 30 min 浇完 供水泵流量至少为 1 8 m 3 h 保守起见选择流量 3 5 m 3 h 扬程 30 m 的自吸泵 管内径 20 mm 取 经济流速为 1 m s 1 滴灌带 2 上水管 3 水箱 4 活接 5 水泵 6 废水口 7 EC 传感器 8 球阀 9 pH 传感器 10 上水口 11 电磁阀 图 7 供水系统示意 Fig 7 Schematic diagram of water supply system 已知上述设计条件 可计算管道的水头损失 h z h y h j 8 式中 h z 管道总水头损失 m h y 管道沿程水头损失 m h j 管道局部水头损失 m 其中管道沿程水头损失 h y L d i v 2 2g 9 式中 沿程摩擦系数 L 管道长度 15 m d i 水管直径 0 02 m v 水流速度 1 m s g 重力加速度 m s 2 其雷诺数为 e d 10 式中 水密度 kg m 3 v 水流速 m s 水黏度 Pa s 计算得出 e 8 466 为紊流状态 管道内壁可按 光滑内壁计算 查阅摩狄图 得沿途摩擦系数 0 025 可算出管道沿程的水头损失为 0 957 m 管道 的局部水头损失按沿程损失的 10 计算 为 0 095 7 m 总的水头损失为 1 053 m 查阅相关资料 长度 10 m 内径 16 mm 和孔间距 150 mm 的滴灌带总水头 损失为 2 m 9 10 供水高度 2 5 m 供水系统总水头 损失为 5 053 m 远小于水泵扬程 2 4 种植效果 移动式草莓人工光立体种植装置作为集装箱式草 莓植物工厂的种植架 运行 1 个月时间 其光照条 件 灌溉条件均满足草莓的生长需求 移动底架横向 移动 3 组草莓种植架共用一条走廊 提高了种植密 度 满足农事管理需要 草莓长势良好 种植应用现 场如图 8 所示 图 8 种植应用 Fig 8 Planting application 3 结论 通过连续观察移动式草莓人工光立体种植装置工 作状况 发现草莓长势良好 得到以下 4 点结论 1 每层设置 24 盏 40 W 白光 LED 补光灯 补光 距离草莓植株冠顶 27 cm 以内 可达到草莓所需光量 密度要求 满足草莓叶片营养物质积累 能够提高果 实产量 2 通过手摇手柄转动 将动力传动到装置底部 槽轮 槽轮同步滚动 实现装置平移的方式 可在更 少的种植空间布置更多的种植架 能够有效提高单位 面积产量 设计的链轮传动装置轻巧实用 移动栽培 架所用手摇力在臂力所承受范围内 3 根据草莓需水量设计的水路管径合理 水泵 流量及扬程均符合栽培架现场工程需求 滴灌带孔距 合理 每株草莓在匹配一个滴孔的情况下 能满足草 莓浇灌及施肥需求 4 设计的草莓人工光立体种植装置在实际种植 应用中草莓长势良好 能有效提高空间利用率和单位 111 农业工程 设计制造及理论研究 面积产量 解决重茬问题 减少土传病虫害 果实品 质可控 是草莓种植技术的积极有益尝试 参考文献 1 余锡寿 刘跃萍 植物工厂中影响植物品质的因素及其控制 J 农业展望 2014 10 5 52 55 YU Xishou LIU Yueping Factors of influencing plant quality and its control in plant factory J Agricultural Outlook 2014 10 5 52 55 2 糜林 霍恒志 李金凤 等 草莓省力化架式基质栽培技术规 程 J 江苏农业科学 2014 42 12 221 223 3 霍恒志 糜林 李金凤 等 草莓架式基质栽培与地面栽培适 应性比较试验 J 江西农业学报 2010 22 11 48 49 52 4 姚宝林 日光温室草莓栽培技术研究 J 农业技术与装备 2020 5 139 140 YAO Baolin Study on cultivation techniques of strawberry in solar greenhouse J Agricultural Technology Equipment 2020 5 139 140 5 张豫超 杨肖芳 苗立祥 等 三种草莓立体栽培架型及生产 性能比较 J 浙江农业学报 2013 25 6 1 288 1 292 ZHANG Yuchao YANG Xiaofang MIAO Lixiang et al Com parison of performances among three different strawberry stereoscopic cultivation systems J Acta Agriculturae Zhejiangensis 2013 25 6 1 288 1 292 6 周增产 赵静 姚涛 等 罗马尼亚 LED 植物工厂设计与应 用 J 农业工程 2020 10 3 35 41 ZHOU Zengchan ZHAO Jing YAO Tao et al Design and ap plication of LED plant factory in omania J Agricultural Engi neering 2020 10 3 35 41 7 刘庆 连海峰 刘世琦 等 不同光质 LED 光源对草莓光合 特性 产量及品质的影响 J 应用生态学报 2015 26 6 1 743 1 750 LIU Qing LIAN Haifeng LIU Shiqi et al Effects of different LED light qualities on photosynthetic characteristics fruit produc tion and quality of strawberry J Chinese Journal of Applied Ecol ogy 2015 26 6 1 743 1 750 8 PIOVENE CHIA A O SINI F ANCESCO BOSI SA A et al Optimal red blue ratio in led lighting for nutraceutical indoor horti culture J Scientia Horticulturae 2015 193 202 208 9 刘玉春 吴现兵 刘宏权 等 内镶式滴灌带水力性能试验研 究 J 河北农业大学学报 2011 34 2 131 135 LIU Yuchun WU Xianbing LIU Hongquan et al Experimental study on hydraulic characteristics of integral drip lines J Journal of Agricultural University of Hebei 2011 34 2 131 135 10 陈瑞 朱德兰 吴守军 等 涌泉根灌灌水器外壳材料对水力 性能的影响 J 排灌机械工程学报 2019 37 4 358 362 CHEN ui ZHU Delan WU Shoujun et al Effects of shell ma terial characteristics on hydraulic performance of bubbled root emit ter J Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering 2019 37 4 358 362 211