植物工厂种植盘自动清洗试验装置.pdf

设施农业 nullnullnullnull 26 设施装备工程 Agricultural Equipment 清洗 国内在穴盘清洗方面进也行了较多研究 如 禹振军等 8 研制了隧道式穴盘清洗机 高原源等 9 研制了穴盘自动清洗机 李恺等 10 设计了穴盘清洗消毒装置 当前 在种植盘自动清洗方面的基础研究较少 需要根据清 洗对象设计清洗方案 探究最佳设备参数 针对植物工厂缺乏成 套装备 开展种植盘清洗机优化设计研究 是实现植物工厂种植 盘全程机械化自动清洗的重要环节 为此 提出一种刷洗 冲 洗联动方式 采用通道式水平送盘清洗和循环水箱 设计种植盘 自动清洗机构 并搭建相应的清洗试验台 探究最佳清洗效果 优化改进种植盘清洗机 降低劳动强度 实现无人化作业 1 试验装置设计 试验装置主要由上下料机构 清洗机构和控制系统组成 图1 上下料机构主要用于过渡上盘和出盘 为了简化清洗试验平台 减少占地面积 上下料采用可摘卸方式 通过螺栓与清洗结构连 接 清洗机构 图 2 图 3 包括机架 喷淋系统 两组清洗毛 刷 传动系统 其中 喷淋系统包括喷淋管路 扇形喷嘴 循环 水箱 水泵等 4 组喷淋管路均匀布置在两组毛刷间 管路上的 扇形喷嘴从下往上喷淋 对种植盘进行无死角清洗 循环水箱固 定在机架上 水箱内设有单独循环过滤和单独排污清洗阀 实现 水循环利用 水泵固定在机架上为清洗机构提供循环水 循环水 箱中安装有加热系统 由不锈钢加热管 温控器 温控探头组成 用于加热循环水 提高清洁效果 两组清洗毛刷位于机架内 传 动系统下方 由电机驱动 循环转动对种植盘进行无死角清洗 植物工厂种植盘自动清洗试验装置 null 摘要 该文设计了一种用于植物工厂种植盘自动清洗的试验装置 主要包括种植盘输送机构 喷淋系统 刷洗系统 控制系统等 试验结果表明 该试验装置运行稳定后 传输速度稳定性良好 设置的水压 流量 温度与测量值基本一致 该试验装置机械结 构设计合理 具有良好的清洗试验研究效果 为优化改进种植盘 自动清洗机提供基础 关键词 种植盘 清洗 试验装置设计 植物工厂是一种规模化 机械化 自动化的现代高效农业系 统 它通过设施内先进技术装备对环境条件进行自动控制 实现 作物周年连续生产 1 为节约资源 保护环境 植物工厂必备的 种植盘的重复利用成为必然选择 已使用过的种植盘附着残根老 叶 微生物 青苔 可能还有一些有害的病菌或虫卵等 需对其 进行清洗消毒 以免影响作物栽培质量 2 传统清洗方式为人工毛刷擦洗或水管喷洗 劳动强度大 效 率低 且不易掌握刷洗力度 容易损坏种植盘 3 4 国内外对设 施园艺种植盘的机械化清洗技术均有研究 国外设施农业技术起 源早 发展时间长 相关配套技术设施较为成熟 栽培单元清洗 消毒和干燥设备自动化程度较高 效果佳 荷兰Visser公司 5 的在线式水压冲洗设备 针对不同材质穴盘 可以实现隧道式 侧立输送式或水平输送式清洗 荷兰SYSPAL公司 6 的餐盘清 洗机 采用 85 水蒸气与热水清洗 意大利 Urbinati 公司 7 的 托盘清洗机 在隧道两侧布置30个清洗喷嘴 实现侧立输送式 李 苇 1 2 王南森 2 1 广东省现代农业装备研究所 广东 广州 510630 2 广东弘科农业机械研究开发有限公司 广东 广州 510555 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 图1 清洗机示意图 设施农业 nullnullnullnull 27 农业工程技术 设施农业 1 3 喷淋机构 喷淋机构 图 5 主要由不锈钢管路 喷嘴 球阀 液位开 关等组成 储水箱中水经管路依此通过水泵 过滤器 然后进入 均匀布置的4根水平喷管组 最终由清洗喷嘴喷出 清洗种植盘 过滤器用于双层过滤 防止清洗喷嘴堵塞 喷淋机构采用冲洗打 击能力较强的扇形喷嘴 液体离开喷嘴后形成的扇形喷雾 喷射 角度小 冲洗打击能力强 水平管道选用 1 寸不锈钢管路 4 条 水平管道均匀布置在毛刷两侧 每个喷管上均匀安装 5 个扇形清 洗喷嘴 共 20 个喷嘴 从下往上喷淋冲洗 传动系统由减速电机 传送带 传动带轮等组成 清洗时 种植 盘反面倒扣在机架上 在传送带上设有若干拨片 用于推动种植 盘 清洗机构两端设有挡水板 防止水花四溅 清洗机构上盖板 采用亚克力透明盖板 且盖板可前后推动 方便更换毛刷和喷嘴 类型及角度 控制系统采用可编程控制器 PLC 由CPU模块 输入模块 输出模块 可编程模块 变频器 触摸屏 空气开关 旋钮开关 继电器 接触器及开关电源等组成 控制着水泵 电 机的启停 以及调节读取水泵输出压力 流量 清洗速度 水温 图 2清洗机试验平台上料架机构 图 4 清洗机试验平台传送机构 图 5清洗机试验平台喷淋机构 图 6清洗机试验平台刷洗机构 图3清洗机试验平台下料架机构 1 2 传送机构 传送机构 图 4 采用水平放置方式 由不锈钢导轨 主传 动轴 被传动轴 减速电机 传送带 传送带拨片等组成 传 送机构设置在清洗机架上方 下方设置防护盖板 在传送机构 与清洗机架之间形成清洗通道 通道宽度适用于项目种植盘 为保证种植盘顺利通过清洗通道 在传送带上设置拨片 推动 种植盘与传送带同步运行 传送电机功率选择三相电机功率 P 0 75 kW 1 4 刷洗机构 刷洗机构 图 6 由两组滚刷 电机 皮带传动等组成 滚 刷载体为空心铝件 采用尼龙刷 长度为 800 运行时 两组滚刷转向应相同 配合喷淋机构 可以更好地清洗种植盘 边缘 设施农业 nullnullnullnull 28 设施装备工程 Agricultural Equipment 1 5 循环水系统 为节约用水 清洗试验台采用循环水系统 图 7 设置双 层的过滤装置 清洗过后的污水经过滤进入储水箱 然后再经过 滤进入喷淋机构 储水箱设有单独排污清洗阀 可以随时清理脏 污 自动进水 图 7清洗机试验平台循环水系统 图 8清洗机试验平台控制界面 图9 清洗速度变化 表1 试验装置水压稳定性测量 单位 kPa 1 6 控制系统 控制系统由 PLC 扩展模块 变频器 空气开关 熔断器 急停按钮 旋钮开关 继电器 开关电源及运行指示灯等组成 控制着水泵 电机的启停 以及水泵输出压力 流量 刷洗速度 传送速度 实际工作中 打开空气开关 依次打开传送电机开关 水泵开关和毛刷电机开关 继电器和运行指示灯接通 相应继电 器触点闭合 变频器对应的启动端口接通 装置开始工作 工作 运行中 通过调节变频器频率调节旋钮 可实时调节清洗压力 流量 清洗速度和水温 控制界面如图 8 所示 2 工作流程 实际工作时 将试验装置接通电源 调节PLC控制器 设 定清洗水压 输送速度 清洗流量 刷洗速度 加热温度 打开 传送带 水泵 毛刷开关 待装置运行稳定后 将种植盘水平反 面倒扣放置在机架上 在传送带拨片推动下 种植盘通过上料 架进入清洗通道 而储水箱中水经过过滤网 在水泵作用下以一 定压力 经过过滤器进入喷淋管路 通过扇形喷嘴冲洗种植盘 清洗过后的污水经过过滤和排污清洗阀后再次流入储水箱 达到 清洗水的循环利用 种植盘清洗后经过下料架输送到下一作业流 程 最终完成整个种植盘清洗输送过程 通过图片处理技术 进 行清洁度数据处理分析 通过设置不同水压 流量 速度 更换 喷嘴 毛刷类型 研究种植盘在不同参数条件下的清洁效果 从 而进行清洗机的优化设计 性能改进研究 3 清洗试验 3 1 清洗稳定性 试验装置输送速度在 0 7 m min 可调 清洗效率可达到 180盘 h 种植盘在轨道上移动时应运行稳定 不能出现严重 的卡盘情况 设置输送速度为 4 m min 测得试验装置清洗速 度变化如图9所示 种植盘是倒扣在机架上运行的 依靠输送 带拨片推动 下方有喷淋系统和毛刷系统 所以产生小幅度速 度波动不可避免 但速度波动幅值较小 0 005 m min 以内 不影响整体清洗效果 能够满足植物工厂清洗和输送的使用 要求 3 2 水压和流量稳定性 试验装置在喷淋水泵出水口设置了水压表和流量表 通过 变频器可实现 0 300 kPa 清洗水压调节 实现 0 15 m 3 h 清洗流量调节 选择30 40 50 Hz频率验证水压和流量稳 定性 结果见表 1 2 测试结果显示 控制系统测量的水压 与出水口水压表读数差值为 5 kPa 控制系统测量的流量与出 水口流量计读数几乎无差值 说明试验装置水压和流量稳定性 良好 水泵频率 Hz 测量的水压读数 出水口水压表读数 差值 30 100 3 100 5 0 40 180 4 180 5 0 50 285 3 280 5 5 设施农业 nullnullnullnull 29 农业工程技术 设施农业 表2 试验装置流量稳定性测量 单位 m 3 h 表3 试验装置温度稳定性测量 单位 水泵频率 Hz 测量的流量读数 出水口流量表读数 差值 30 4 48 0 04 4 48 0 02 0 00 40 7 95 0 07 7 95 0 03 0 00 50 12 50 0 03 12 50 0 02 0 00 设置的温度读数 水槽内温度计读数 差值 30 30 0 0 0 0 45 45 0 1 0 0 60 60 0 5 0 0 3 3 温度稳定性 试验装置通过加热系统可实现 0 60 清洗水温调节 为 了验证温度稳定性 在水槽内3个采样点设置温度计 计算其 平均值 并选择 30 45 60 在试验装置运行稳定后 进行 验证试验 结果见表3 试验结果表明 加热系统的温度值与 水槽内温度计测量值几乎无差值 说明试验装置加热系统温度 很稳定 4 结论 本文设计的用于植物工厂种植盘自动清洗试验装置 采用了 刷洗 冲洗的联动清洗方式 可以用于种植盘自动输送 用于 盘表面青苔 水垢 污渍等自动清洗 可以系统地研究输送速度 水压 流量 刷洗速度 温度对种植盘清洗效果的影响 具有实 用价值 参考文献 1 马义东 胡鹏展 金鑫 等 水培生菜低损柔性采收装置设计与试 验 J 农业机械学报 2022 53 10 175 183 210 2 高原源 王秀 舒象兴 等 育苗穴盘自动清洗装置的设计 J 农 机化研究 2017 39 1 63 67 3 陈旭东 石剑锋 全自动电容器清洗机的控制系统设计 J 南通职 业大学学报 综合版 2006 4 87 90 4 符德龙 袁奎 张富贵 等 烤烟育苗盘双面清洗机设计与试验 J 中国农机化学报 2017 38 4 33 36 5 Visser Washing Industry Washing EB OL 2019 8 22 https www visser eu washing 6 Syspal Washing Equipment Eurobin Washing Equipment EB OL 2019 8 22 https www syspal com 7 Urbinati LAV10 Traywasher Washing Lines EB OL 2019 8 22 traywasherlav10 8 禹振军 刘建福 SDQXJ 型隧道式穴盘清洗机清洗系统设 计 J 农业工程 2013 3 S2 37 39 43 9 高原源 赵春江 王秀 等 穴盘自动清洗装置性能试验研究 J 农机化研究 2017 39 2 143 147 10 李恺 尹义蕾 侯永 育苗穴盘清洗消毒装置的设计 J 农业工程 技术 2019 39 31 10 12 17 null 项目支持 十四五 国家重点研发计划 揭榜挂帅 无人化植物工厂栽培单元清洗与成品菜箱堆垛机器人研发 2021YFD2000705 2 作者简介 李苇 1989 女 高级工程师 研究方向 设 施农业装备技术研究及推广 引用信息 李苇 王南森 植物工厂种植盘自动清洗试验装置 J 农业工程技术 2023 43 30 26 29