第 11 卷 第 3 期 農(nóng) 業(yè) 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 基金項目 中 羅農(nóng)業(yè)科技示范園構(gòu)建及合作研究示范項目 KY201702008 作者簡介 胡福生 博士 高級工程師 研究方向 農(nóng)業(yè)機械 E mail 11931658 qq com 在線投稿 www d1ae com 移動式草莓人工光立體種植裝置設計及應用 胡福生 1 2 周增產(chǎn) 1 2 3 姚濤 1 2 張曉文 1 2 曲維明 2 1 北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司 北京 100096 2 北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心 北京 100094 3 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司 北京 100094 摘 要 草莓立體種植是一種高效 節(jié)能和無污染的規(guī)范化生產(chǎn)模式 為有效提高草莓種植空間利用率和更好實現(xiàn)草 莓生長環(huán)節(jié)中的光照控制 設計了一種移動式草莓人工光立體種植裝置 裝置總體結(jié)構(gòu)由鋁合金栽培架 行走底座和 鏈輪架等組成 基于總體設計方案 對裝置的關(guān)鍵部件進行了詳細結(jié)構(gòu)設計 參數(shù)計算和校核 開展種植試驗 試驗 結(jié)果表明 光照設計 給排水設計均能滿足草莓生長要求 設計的裝置平移方式可有效提高空間利用率和單位面積產(chǎn) 量 裝置運行穩(wěn)定 草莓長勢良好 關(guān)鍵詞 草莓 立體種植 人工光 移動式 中圖分類號 S223 文獻標識碼 A 文章編號 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 草莓栽培具有產(chǎn)量高 適應性強和品質(zhì)好等特 點 越來越受到關(guān)注 草莓立體種植是一種高效 節(jié) 能和無污染的規(guī)范化生產(chǎn)模式 1 2 草莓種植生產(chǎn)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(chǎn)量 解決重茬問題和減少土傳病蟲害等優(yōu)點 經(jīng) 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(nóng) 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(chǎn)量 現(xiàn)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(diào)節(jié) 不利于草莓的品質(zhì) 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(diào)節(jié) 更有利于控制草莓的品質(zhì) 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 胡福生 等 移動式草莓人工光立體種植裝置設計及應用 座 3 部分 栽培架為 4 層式結(jié)構(gòu) 每層底部放置橫截 面為梯形的長條形栽培槽 槽內(nèi)裝草莓栽培基質(zhì) 頂 部安裝 LED 補光燈 鏈輪架內(nèi)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(nóng)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(jù) 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(gòu) 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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)動 為安裝調(diào)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(jié)構(gòu) Fig 3 Structure of sprocket frame 2 關(guān)鍵部件設計 2 1 光照設計 PIOVENE CHIA A 等 6 8 研究發(fā)現(xiàn)總光量子通量 強度 PPFD 為 200 mol m 2 s 時 紅藍光強 比 1 5 最有利于草莓植株葉片營養(yǎng)物質(zhì)積累 而紅 藍光強比 1 1 最能提高果實產(chǎn)量 根據(jù)這一研究結(jié) 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(jié) 果如表 1 所示 從測試數(shù)據(jù)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 Tab 1 PPFD value of each position 位置 距燈 20 cm PPFD mol m 2 s 1 A 點 259 63 B 點 279 75 C 點 275 55 D 點 211 63 E 點 285 70 901 農(nóng)業(yè)工程 設計制造及理論研究 圖 4 LED 補光的輻射照度 Fig 4 adiation 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(zhuǎn)動 將動力傳動到裝置 底部槽輪 槽輪同步滾動 實現(xiàn)裝置平移 手搖力矩 的大小為裝置能否實現(xiàn)正常平移的關(guān)鍵因素 測算設 備質(zhì)量與草莓基質(zhì)和草莓植株的總質(zhì)量為 750 kg 計 算搖動手柄所需力矩及手搖力 轉(zhuǎn)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 M z 為槽 輪所受扭矩 k 為鋼材與鋼材的滾動摩擦系數(shù) 取 0 000 5 m r 為槽輪半徑 則摩擦力力矩為 M z N k 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 M z 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(nèi)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 M z 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(zhuǎn)角 軸 的扭角公式如式 3 所示 i M i l i GI 180 3 式中 i 每段軸的扭轉(zhuǎn)角 M i 每段軸所受扭矩 N m l i 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 G E 2 1 4 式中 E 材料彈性模量 材料泊松比 抗扭慣性矩 I 如式 5 計算 I 32 D 4 1 4 5 式中 D 通軸外徑 通軸內(nèi)外徑之比 將軸分為 8 段 可通過公式計算出每段的扭轉(zhuǎn)角 如表 2 所示 表 2 各段軸參數(shù)及扭角 Tab 2 Shaft parameters and torsion angle of each section 段標號 扭矩 M i N m 1 長度 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 總扭轉(zhuǎn)角為 8 i 1 i 0 093 5 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 S 3 14D 輪 360 0 081 mm 7 011 胡福生 等 移動式草莓人工光立體種植裝置設計及應用 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(tǒng)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 m 3 hm 2 每組草莓種植架的種植面積 20 m 2 每 3 組栽培架 共用一套灌溉系統(tǒng) 供水量 0 9 m 3 30 min 澆完 供水泵流量至少為 1 8 m 3 h 保守起見選擇流量 3 5 m 3 h 揚程 30 m 的自吸泵 管內(nèi)徑 20 mm 取 經(jīng)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(tǒng)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 h z h y h j 8 式中 h z 管道總水頭損失 m h y 管道沿程水頭損失 m h j 管道局部水頭損失 m 其中管道沿程水頭損失 h y L d i v 2 2g 9 式中 沿程摩擦系數(shù) L 管道長度 15 m d i 水管直徑 0 02 m v 水流速度 1 m s g 重力加速度 m s 2 其雷諾數(shù)為 e d 10 式中 水密度 kg m 3 v 水流速 m s 水黏度 Pa s 計算得出 e 8 466 為紊流狀態(tài) 管道內(nèi)壁可按 光滑內(nèi)壁計算 查閱摩狄圖 得沿途摩擦系數(shù) 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(guān)資料 長度 10 m 內(nèi)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(tǒng)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(nóng)事管理需要 草莓長勢良好 種植應用現(xiàn) 場如圖 8 所示 圖 8 種植應用 Fig 8 Planting application 3 結(jié)論 通過連續(xù)觀察移動式草莓人工光立體種植裝置工 作狀況 發(fā)現(xiàn)草莓長勢良好 得到以下 4 點結(jié)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(nèi) 可達到草莓所需光量 密度要求 滿足草莓葉片營養(yǎng)物質(zhì)積累 能夠提高果 實產(chǎn)量 2 通過手搖手柄轉(zhuǎn)動 將動力傳動到裝置底部 槽輪 槽輪同步滾動 實現(xiàn)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(chǎn)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(nèi) 3 根據(jù)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(xiàn)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 111 農(nóng)業(yè)工程 設計制造及理論研究 面積產(chǎn)量 解決重茬問題 減少土傳病蟲害 果實品 質(zhì)可控 是草莓種植技術(shù)的積極有益嘗試 參考文獻 1 余錫壽 劉躍萍 植物工廠中影響植物品質(zhì)的因素及其控制 J 農(nóng)業(yè)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 李金鳳 等 草莓省力化架式基質(zhì)栽培技術(shù)規(guī) 程 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2014 42 12 221 223 3 霍恒志 糜林 李金鳳 等 草莓架式基質(zhì)栽培與地面栽培適 應性比較試驗 J 江西農(nóng)業(yè)學報 2010 22 11 48 49 52 4 姚寶林 日光溫室草莓栽培技術(shù)研究 J 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備 2020 5 139 140 YAO Baolin Study on cultivation techniques of strawberry in solar greenhouse J Agricultural Technology Equipment 2020 5 139 140 5 張豫超 楊肖芳 苗立祥 等 三種草莓立體栽培架型及生產(chǎn) 性能比較 J 浙江農(nóng)業(yè)學報 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 周增產(chǎn) 趙靜 姚濤 等 羅馬尼亞 LED 植物工廠設計與應 用 J 農(nóng)業(yè)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 劉慶 連海峰 劉世琦 等 不同光質(zhì) LED 光源對草莓光合 特性 產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 J 應用生態(tài)學報 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 劉玉春 吳現(xiàn)兵 劉宏權(quán) 等 內(nèi)鑲式滴灌帶水力性能試驗研 究 J 河北農(nóng)業(yè)大學學報 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 陳瑞 朱德蘭 吳守軍 等 涌泉根灌灌水器外殼材料對水力 性能的影響 J 排灌機械工程學報 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