移动式草莓人工光立体种植装置设计及应用

胡福生，周增产，3，姚涛，张晓文，曲维明

(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)

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 CHIARA等[6-8]研究发现总光量子通量强度(PPFD)为200 μmol/(m2·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

图4 LED补光的辐射照度Fig.4 Radiation 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，Mz为槽轮所受扭矩，μk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

Mz=Nμk=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=Mz/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=Mz/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。

(3)

式中φi——每段轴的扭转角，(°)

Mi——每段轴所受扭矩，N·m

li——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。

(4)

式中E——材料弹性模量

μ——材料泊松比

抗扭惯性矩I如式(5)计算。

(5)

式中D——通轴外径

α——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

总扭转角为

(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

(7)

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 m3/hm2，每组草莓种植架的种植面积20 m2，每3组栽培架共用一套灌溉系统，供水量0.9 m3，30 min浇完，供水泵流量至少为1.8 m3/h，保守起见选择流量3.5 m3/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。

hz=hy+hj

(8)

式中hz——管道总水头损失，m

hy——管道沿程水头损失，m

hj——管道局部水头损失，m

其中管道沿程水头损失

(9)

式中λ——沿程摩擦系数

L——管道长度，15 m

di——水管直径，0.02 m

v——水流速度，1 m/s

g——重力加速度，m/s2

其雷诺数为

(10)

式中ρ——水密度，kg/m3

v——水流速，m/s

μ——水黏度，Pa·s

计算得出Re=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λ=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。

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。