草莓移动栽培架的设计与试验

管春松，胡 桧，杨雅婷，高庆生，赵金元

(1.农业部 南京农业机械化研究所，南京 210014；常熟市农业科技发展有限公司，江苏 苏州 215557)



草莓移动栽培架的设计与试验

管春松1，胡 桧1，杨雅婷1，高庆生1，赵金元2

(1.农业部 南京农业机械化研究所，南京 210014；常熟市农业科技发展有限公司，江苏 苏州 215557)

为提高设施温室内草莓栽培种植密度和棚室空间利用率，设计了一种平滑式移动栽培架。首先对总体设计要求进行阐述，在此基础上提出总体设计方案，然后对该装置的关键部件进行选型、设计与分析，最后对样机开展台架试验研究。结果表明：该移动架总成能实现多组架体单元同时左右平动，各项参数达到设计要求，操作简单，省力轻便，能够满足草莓栽培生产实际需求。

移动栽培架；草莓栽培；平滑式

0 引言

随着设施农业的发展，草莓因其具有生长周期短、产量高、收益高、食用性佳等特点，消费者对高品质草莓的需求更加迫切，引起设施草莓栽培面积逐年上升，已成为我国发展速度最快、效益最高的果树树种之一[1]。然而，草莓栽培属于典型的劳动密集型产业，强度大、成本高，且面临用工老龄化问题，推行省工省力的栽培方式已成为当务之急。为减轻劳动强度、实现草莓省力化栽培和清洁生产，以及提高设施的利用率，设施立体栽培应运而生，主要包括吊柱式栽培、高设栽培及管道式栽培等。其中，高设栽培因其管理方便、实用性强，倍受农户喜欢[2-3]。

根据架式设计结构不同，高设栽培可分为以“A”形、“X”形和“H”形为代表的固定式结构类型和架体可调节的移动式栽培架。固定式栽培架一般按照南北向排放，排布时各栽培架单元都固定于地面上，各单元间留有一定的行间距，以供作业人员田间管理与收获。随着设施单位面积产出量也逐年提高，温室大棚面临空间利用率低的问题，原有的固定式栽培架之间的行间道已造成了一种资源浪费。各国已开始研究适合草莓生产的移动栽培架结构，其中以日本和荷兰等国家最为典型[4-5]。

国内对于移动栽培架的设计研究仅限于为数不多的专利技术文件中[6-7]，基本采用定向轮放置在定向轨道中移动的结构，操作时阻力较大，且易产生轨道内卡壳现象，不宜大面积推广。为此，针对目前设施草莓高架栽培种植密度受限，结合长三角地区生产实际情况，提出了一种平滑式移动栽培架，并对其关键部件进行设计与分析，最后开展试验研究，为草莓超高密度、超高产栽培推广提供依据。

1 总体设计要求

考虑到棚室纵向长度较大，本移动栽培系统采用多组平滑式移动栽培架组合而成。其中，纵向每两组架体之间采用连接件固定，最终形成纵向整体式结构，同时在最端部的一个架体上安装有动力驱动部件，带动整体式结构左右滑移；横向每两个整体式结构之间相互紧挨，可根据需要相互产生平移运动。下面仅针对纵向整体式结构中最端部的平滑式移动栽培架进行设计，其他架体参照此架体结构进行设计。

本着遵循土地利用率高、种植密度大和省力等总体原则，结合草莓高设栽培的实际需求，平滑式移动栽培架设计过程中主要考虑以下3个参数：栽培槽宽度、架高及架体下部总宽。根据文献[8]可知，栽培槽宽度通常取30cm；根据人体工程学设计原理，架高(即栽培槽至地面宽度)一般取80～100cm，本设计取95cm。

一般单个固定架的占地宽度与栽培槽宽度相等为30cm，考虑到行间道宽度为80cm，以8m标准棚进行规划计算，得出架体数量宜取7。与固定式栽培架相比，一般移动式栽培架可使单位面积草莓种植密度提高50%以上[9]，本设计以提高50%为计算依据，即移动栽培架体数量取为11；同时，预留下80cm的行间道宽度，计算可得架体下部总宽约为65.45cm，对参数圆整，取66cm。

2 总体方案提出

移动栽培架装置设计还需考虑到栽培槽支架类型选择、轨道类型、移动方式的选择及动力传动方式选择等，以轨道类型和移动方式的选择最为关键。如图1所示，本文考虑了滚轮滚轴圆钢式和滚轮滚轴角钢式2种轨道类型与移动方式进行组配的设计方案。

图1(a)中，采用的方案为支撑座预埋于地面，圆钢被固定于支撑座上，其上与圆钢垂直的滚轴在圆钢上左右滚动以带动整个架体移动；图1(b)中，采用的方案为角钢预埋于地面，其上与圆钢垂直的滚轴在角钢上左右滚动以带动整个架体移动。

(a) 滚轮滚轴圆钢式 (b) 滚轮滚轴角钢式

对比发现：图1(a)方案中由于地面整理平整度较难控制，此时多组支撑座预埋于地面，难以保证其上表面处于同一水平面，而后固定在其上的圆钢也会崎岖不平，不能保证水平，影响轨道性能和圆钢使用寿命；而图1(b)中角钢直接预埋于地下2cm左右，能够保证好的水平性能。另外图1(a)中由于圆钢置于支撑座上，其上表面离地高度较高，操作人员管理时容易绊脚。最后，综合性能稳定性、安全性和经济性等因素的考虑选择如图1(b)中的滚轮滚轴角钢式结构组合。

在此基础上，设计了如图2所示的端部移动栽培架，包含1个栽培槽支架、两平行角钢基座、两平行滚轴、两平行支撑梁、两连接梁、4个滑轮组和与之配套的滑轮座。在角钢基座的上部支撑与之垂直方向的相互平行的左滚轴和右滚轴，左滚轴和右滚轴的两端上分别安装与之构成滚动副的左右两组滑轮组，左右两组滑轮组被分别嵌装于左右滑轮座的下部；左右两滑轮座的内侧插装有支撑梁，前后两滑轮座的内侧插装有连接梁，栽培槽支架和右滚轴的侧面安装有链传动部件，用于传递动力给滚轴。

1.栽培槽支架 2.连接梁 3.左滚轴 4.链传动机构 5.摇柄 6.支撑梁 7.滑轮座 8.角钢基座 9.滑轮组 10.右滚轴

3 关键部件选型与设计

3.1 栽培槽及其支架

为提高架体移动的灵活性，栽培槽支架宜设计得简单轻便：一方面需减轻支架本身的质量，降低制造成本，易于农户接受；另一方面需利于人工管理及采收。本设计中栽培槽支架类型选择使用最为普遍的“H”形单层栽培方式，具体结构如图3所示。栽培槽支架以镀锌管为骨架进行搭建，镀锌管之间通过抱箍等活动件进行连接，便于拆装维修；支架的最上端外侧面固定安装有卡槽，其内侧安装有栽培槽，槽内宽为30cm、深25cm；槽的上下层分别布置防水膜和无纺布，被卡簧压紧于卡槽内，无纺布上均匀装栽培基质。

1.H形支架 2.防水膜 3.无纺布 4.基质 5.卡簧 6.卡槽

3.2 滚轴

从稳定性角度考虑，滚轴直径选取越大越好；但从材料成本角度考虑，滚轴直径尺寸宜小些，也不宜太小。若尺寸过小，滚轴单次周期转动的距离变小，导致支架移动相同的横向距离所需的时间变长，驱动力也增加。考虑到更换的方便性和一定的承载能力，滚轴材料选用为工程上常用的圆钢管，滚轴选取为直径5cm、壁厚3.5mm的圆钢管。

3.3 滑轮组选型与滑轮座设计

由于滑轮组和滚轴之间为滚动连接，假设设计中滚轴直径不变且两个滑轮之间的中心距固定，此时滑轮的直径尺寸选择取决于滚轴的直径尺寸。同样从节约成本的角度考虑，宜取尺寸小些，但若选取过小，滚轴转动的过程中易引起滑轮组滑出滚轴外，从而产生支架倾覆的现象，使整体结构稳定性变差，影响工作性能。综合考虑，本设计滑轮选取50中型轮，外径尺寸为5cm，材料为尼龙，弹性好，耐磨，更换率低。

在此基础上，如图4所示，可确定左右滑轮间中心距L的尺寸，滑轮组能正常工作，需满足以下条件，有

(1)

其中，R为滚轴和滑轮的外径，此处取5cm；α为滚轴滑轮中心连接线与竖直垂线之间的夹角。

两式计算可得出α的取值范围为30°≤α≤60° ，考虑结构紧凑性因素最后确定α为37°，则左右滑轮中心距L为6cm。

1.滚轴 2.左滑轮 3.右滑轮

滑轮组尺寸确定后，为保证滑轮组与支架的连接，设计了如图5所示的滑轮座。该滑轮座由上盖和下盖两部分组成，两者通过螺栓连接紧固。上盖为“b”形折弯钢板，其凹面处装插有连接梁，增强底座前后的稳定性，防止前后发生偏移；下盖为两个“u”形的钢板上下焊接而成，下u形钢板的底部开有与滑轮组中心距尺寸一致的一对通孔，通过开口销将滑轮组嵌装于“u”形槽前后两面间的通孔内。下盖的长度方向尺寸取决于下部总宽与支架宽度，满足如下关系式，有

2S+b1+2d1≤b

(2)

其中，S为下盖长度尺寸；b1为槽内宽，此处取30cm；d1为镀锌管直径，此处取2.7cm；b为架体下部总宽，此处取66cm。

计算可知，下盖的长度尺寸需满足S≤15.3cm，同时S≥L=6cm，考虑到结构整体重心的因素，本设计中S取13cm。

1.滑轮组 2.下盖 3.上盖

3.4 传动机构设计

为便于操控滚轴运动，同时兼顾省力的总体设计原则，采用如图6所示的动力传动方式，摇柄安装于摇柄套中，并利用圆螺母锁死；摇柄套与主动链轮的轮毂通过沉头螺栓紧固，两者同步运动；主动链轮的内圆周面和连接块的外圆周面分别与滚动轴承的外圈和内圈配合；从动链轮的轮毂外圆周面与滚轴的内圆周面配合，两者通过螺栓紧固。根据人体工程学原理，本设计中主动链轮的中心线与地面的垂直距离取为67cm，链传动的传动比为1∶1。

工作时，摇动摇柄，使得摇柄套和主动链轮产生旋转运动，经过链条将动力传递至从动链轮上，因从动链轮与右滚轴固定于一体，从而带动右滚轴滚动；由于右滚轴与嵌装于右滑轮座的滑轮组之间为滚动连接，最终带动滑轮组、滑轮座及其上的栽培槽支架一起在两个平行角钢基座上左右来回平动。

4 台架性能试验

2016年1月，在农业部南京农业机械化研究所中试工厂内进行台架试验，如图7所示。试验样机采用8组相同结构的栽培架单元焊接组成为整体结构，试验中通过相同质量泥土口袋(平均约30kg/袋)模拟栽培槽基质承压在架体上，主要对装置的承重能力和摇柄的臂力参数进行检测。经测试，摇动手柄能较容易地实现8组架体的同步平移，操作方便且省力，符合设计要求，能够满足草莓栽培移动架体的生产实际需求。

1.圆螺母 2.摇柄套 3.主动链轮 4.连接块 5.摇柄 6.支架 7.链条 8.从动链轮

试验中发现，当每个架体单元上放置两袋泥土时，整个架体移动中架体上部的镀锌管中部将发生严重弯曲变形，且有少量的颤动，表明该架体承压质量范围小于50kg为宜； 另外，试验发现整个栽培架体上放置240kg重的泥土袋，摇柄上的臂力为3.8kg(38N)。当承重每增加1倍，臂力约增加1kg(10N)，变化不是很明显，完全在成年人正常的臂力范围内，表明整个装置所需的驱动力很小，适合多种年龄段人群使用。

5 结论

1) 移动栽培架装置可有效解决我国温室大棚固定栽培架空间利用率低、单位面积种植密度受限的问题，可为我国超高密度、超高产栽培提供好的解决方案。

2) 设计了一种平滑式移动栽培架单元，可根据目前大部分温室结构的尺寸自由调节数量，适用性广，结构简单易操作，能够为高架作物(草莓)提供良好的管理作业移动平台。

3) 试验结果表明：设计方案合理，架体承重建议小于50kg为宜，移动所需臂力小，省力轻便，能够满足草莓栽培生产实际需求。

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[9] 陈一帆，沈建生.“品”字型可移动草莓栽培床及生产性能研究[J]. 中国园艺文摘，2012(12)：7-8.Abstract ID:1003-188X(2017)05-0167-EA

Design and Experiment on Strawberry Moving Cultivation Frame

Guan Chunsong1, Hu Hui1, Yang Yating1, Gao Qingsheng1, Zhao Jinyuan2

(1.Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China;2.Changshu Agricultural Science and Technology Development Co., Ltd, Suzhou 215557, China)

In order to improve the planting density of strawberry cultivation and the utilization rate of the space in the greenhouse, a moving cultivation frame was designed. First, the overall design requirements were described, on the basis of this, the overall design scheme was proposed. Then the key components of the device were selected, designed and analyzed. At last, the experiment of the prototype was carried out. The results show that the whole moving cultivation frame can realize the movement of multiple frame units at the same time, the parameters have reached the mechanical requirements. It is easy to use and labor-saving, can meet the production requirements of strawberry cultivation.

moving cultivation frame; strawberry cultivation; smooth type

2016-04-08

江苏省科技支撑计划项目(BE2014406)；苏州市科技计划项目(SNG201501)

管春松(1987-)，男，江苏盐城人，助理研究员，(E-mail)cs.guan@163.com。

胡 桧(1974-)，男，湖北公安人，副研究员，(E-mail)wsdhu@163.com。

S223.1

A

1003-188X(2017)05-0167-04