日光温室藤蔓类作物整体落蔓装置设计

郎秀丹 史宇亮 黄新平 李天华 王东伟 陈明东

摘要：針对长季节黄瓜和番茄温室藤蔓类作物人工落蔓强度大、成本高等问题，设计一种温室藤蔓类作物整体落蔓装置。基于作物整体落蔓装置结构及工作原理，构建落蔓装置系统模型。结合整体落蔓装置系统模型和工作特点，提出基于配重平衡作物秧蔓负载的整体落蔓运行方法。当整体落蔓装置电机驱动转速分别为286r/min、143r/min和95r/min时，分析了配重平衡负载工况下黄瓜秧蔓下降过程系统工作性能。结果表明，随着电机驱动转速的降低，电机的运行速度出现了轻微波动现象，但整体运行效果较好。随着黄瓜秧蔓的不断降落，秧蔓侧负载量不断减小，秧蔓重量逐渐小于配重量，各工况电机输出转矩均逐渐增大。电机驱动转速286r/min工况下，对比分析了整体落蔓装置驱动秧蔓下降和秧蔓提升的工作性能。结果表明，采用配重平衡黄瓜秧蔓负载方法，秧蔓下降和提升过程，电机输出扭矩变化趋势基本相同，电机输出平均功率分别为7.92W和5.54W。采用S形布点方法，测试分析了试验温室黄瓜植株生长量分布特性。结果表明，生长量最大植株和生长量最小植株每天生长量仅相差0.35cm，整体落蔓装置具有较好适用性。

关键词：温室；藤蔓类作物；整体落蔓；配重；落蔓试验

中图分类号：S24

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 070078

07

Design of integral vine-falling device for solar greenhouse

Lang Xiudan1， Shi Yuliang2， Huang Xinping1， Li Tianhua3， Wang Dongwei1， Chen Mingdong1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao Agricultural University， Qingdao， 266109， China;

2. College of Horticulture， Qingdao Agricultural University， Qingdao， 266109， China; 3. College of Mechanical and

Engineering， Shandong Agricultural University， Taian， 271018， China）

Abstract：  To address the issues of high manual labor intensity and cost associated with the vine-dropping process of long-season cucumbers and tomatoes in greenhouse cultivation， an integrated vine-dropping device for vine crops in the greenhouse was designed. The structure and working principle of the integrated dropping vine device were described， and the system model was constructed. Based on the model and working characteristics of the integrated dropping vine device， an energy-saving method for balancing crops load vine with counterweight was proposed. The working performance of the device during the dropping process is analyzed under different motor rotation speeds of 286r/min， 143r/min， and 95r/min， with a focus on balancing the load of cucumber vines using a counterweight. The test results showed that the motor rotation speed had slight fluctuations during low-speed operation， but the overall running effect was good. As the cucumber vines descended， the weight of the vines gradually became less than that of the counterweight， resulting in a gradual increase in the output torque of the motor under various working conditions. The working performance of the integrated dropping vine device was analyzed under dropping vine and lifting conditions when the motor rotation speed was 286r/min. The results showed that the variation trend of motor output torque is similar for both dropping and lifting the vine using the counterweight method， with slightly higher torque observed during the dropping process. The average power consumption of the system during the dropping and lifting processes was 7.92W and 5.54W， respectively. The distribution characteristics of cucumber plant growth in an experimental greenhouse were tested and analyzed using an S-shaped method. The results showed that the integrated vine-dropping device had good applicability because the daily growth difference between the plants with the greatest growth and the smallest growth was only 0.35cm.

Keywords：  greenhouse; vine crops; integrated dropping vine; counterweight; falling vines experiment

0 引言

近年来，我国设施园艺技术越来越成熟，设施园艺产业种植面积逐年增加［1］。随着劳动力成本的逐年增加，蔬菜设施机械自动化已经成为未来发展的主要方向［28］。

温室内黄瓜和长季节番茄等藤蔓类作物的生长高度能达到10m以上，由于温室高度限制，为了增加作物产量，秧蔓生长到一定高度必须落蔓［9］，落蔓长度一般为2～5m。落蔓工作是藤蔓类作物种植管理过程中费时耗力的重要环节。目前，荷兰、日本等温室机械化程度较为先进，但仍未解决藤蔓类作物落蔓的机械化问题［1012］。在我国，沈富等［13］从农艺角度提出了一种番茄旋转落蔓栽培技术，在一定程度上降低了落蔓次数。韩靖玲等［14］利用单株棘轮吊落蔓器在雌性系秋黄瓜温室生产中进行了试验，结果表明落蔓能够避免植株早衰，对提高产量具有明显效果。随着单株吊蔓器的推广，已经开发了单株吊蔓器的制作装备［15］。姜俊扬等［16］研制了一种简易的黄瓜落蔓技术，将吊黄瓜秧蔓的绳缠绕于秧蔓正上方的钢管，钢管一端设置一字形卡口，卡口插入垂直方向固定的铁丝，需要落蔓时，使卡口与铁丝分离，转动钢管实现单行黄瓜秧蔓下降。冯杰明等［17］将多排钢管安裝在栽培畦的正上方，吊蔓绳固定在圆管架上，通过主传动系统带动多排钢管转动，实现秧蔓下降。彭嘉舜［18］研制了一垄两行落蔓装置，秧蔓吊绳通过滑轮后缠绕在秧蔓上部固定落蔓装置中的绕线板上，通过链条机构驱动绕线板实现秧蔓下降，装置体积较大。山东农业大学［19］提出了一种单株吊蔓高度可调的多垄落蔓装置。祝宁等［20］设计了落秧支架，每次落蔓调整支架下放到下一个支撑，一次能够完成一行作物落蔓。侯永等［21］采用圆形带传动吊蔓轴转动放线落蔓方式与闭环钢丝双向拉动吊蔓轴疏蔓方式结合，通过吊蔓轴的水平移动和原位转动实现自动落蔓疏蔓。

综上所述，现有研发的落蔓器装置主要安装于作物秧蔓顶部，落蔓机构传动系统复杂、体积较大、遮光率高，限制了其推广应用。本文提出了一种温室藤蔓类作物整体落蔓装置，体积小，易于操作，鉴于配重平衡法具有平衡负载的优势［2223］，开展了配重平衡负载工况下黄瓜秧蔓下降和提升试验，并对落蔓装置工作性能进行比较和分析。

1 温室整体落蔓装置设计

1.1 落蔓装置结构及工作原理

温室整体落蔓装置由落蔓机构和驱动机构组成，其整体结构如图1所示。温室采用多行作物种植模式，每行种植植株数根据温室种植模式和宽度确定。各行的落蔓机构均相同，为了直观表示每株作物的落蔓方式，图1仅绘制出4行落蔓机构，且仅绘制了4株秧蔓的吊秧方式，图1右侧虚线区域为每株作物通过吊秧滑轮接至绕绳器的放大图，吊秧滑轮挂在吊滑轮钢丝上，钢丝两端固定于温室上，每株作物通过吊秧绳吊起，吊秧绳绕过吊秧滑轮缠绕于整体落蔓驱动机构的主传动轴的绕绳器上，每株作物均通过主传动轴转动调节。整体落蔓器驱动机构主要由直流无刷电动机、扭矩转速传感器、行星减速机、固定轴支撑和主传动轴组成。

当作物需要落蔓时，电机驱动行星减速机带动主传动轴旋转，固定于主传动轴上的绕绳器将吊秧绳释放，每株作物落蔓绳释放长度相同，从而实现温室作物整体均匀落蔓。电机输出轴安装转速扭矩传感器，实时监测落蔓装置工作过程中转速和扭矩变化，实现秧蔓下降速度闭环控制。

1.2 整体落蔓装置配重方案

整体落蔓装置电动机轴系上的力矩平衡方程

J·dωdt=Te+Tz－Bpω－Tf

（1）

式中：

J——

电机轴系上的总转动惯量，kg·m2；

ω——电机的机械转速，rad/s；

Te——电动机电磁转矩，N·m；

Tz——

电动机轴系上的负载转矩，N·m；

Bp——阻尼转矩系数；

Tf——

电动机轴系机械摩擦阻力矩，N·m。

从式（1）中可以看出，当落蔓装置轴系静止时需满足Tz=Tf。而实际生产中，温室农户种植规模较大，秧蔓侧负载转矩远大于电动机轴系机械摩擦阻力矩，即TzTf，系统停车时需要较大锁止转矩，需配置较大的制动器。该工况系统启动时，电机将处于制动发电工况，由于作物秧蔓每隔一定时间下落，每次秧蔓下降约为0.2m，发电量并不大，且制动器脱开瞬间，对落蔓器系统轴系冲击较大，系统稳定性差。为了保障整体落蔓装置安全和平稳运行，本文采用基于配重平衡作物秧蔓负载的方法，使配重对落蔓器轴系产生的转矩平衡秧蔓侧负载转矩，落蔓过程中电机处于电动工况，系统停车后，主传动轴系机械摩擦阻力矩即可锁止住主传动轴系，系统稳定性好。

2 温室整体落蔓装置试验参数确定

2.1 落蔓装置配重量确定

落蔓装置电动机轴系上的负载转矩

Tz=Nmgr

（2）

式中：

N——作物植株数量；

m——每个植株的平均重量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

r——主传动轴半径，m。

如果忽略系统工作时落蔓装置轴系的摩擦损失，当秧蔓下落时，秧蔓在重力作用下对主传动轴系产生驱动转矩，为使电机输出扭矩最小，仅需使配重对主传动轴产生的转矩平衡秧蔓负载驱动转矩，可表示为

Tp=TzMgR=Nmgr

（3）

式中：

Tp——

配重对主传动轴产生的转矩，N·m；

M——配重质量，kg；

R——配重盘半径，m。

为测试配重工况下整体落蔓装置工作性能，以黄瓜作物作为研究对象，在青岛农业大学试验温室种植110株黄瓜。试验前，随机选取10株黄瓜秧进行称重，称重部分为地面到吊秧滑轮之间黄瓜秧蔓，每株秧蔓上均有1个黄瓜，10株重量测试结果如表1所示。

每株秧蔓平均重量为0.589kg，则110株黄瓜重量约为64.79kg，由于本试验黄瓜株数较少，需要配重量不大，选择直接将配重物通过吊绳缠绕在主传动轴上（R=r），缠绕方向与秧蔓负载吊绳缠绕方向相反，根据式（3）可知，配重质量等于植株负载总质量，配重质量确定为65kg。

2.2 落蔓装置电机驱动转速确定

每株作物秧蔓通过吊秧绳与主传动轴连接，主传动轴的转速取决于作物秧蔓下降速度，可表示为

n=60v2πr

（4）

式中：

n——主传动轴转速，r/min；

v——秧蔓下降速度，m/s。

电机转速

V=n·i

（5）

式中：

i——行星减速机传动比，i=50。

黄瓜秧蔓每次下降高度为0.2m，主传动轴采用DN25钢管，外径测量值为0.033 4m，为了分析不同工况下落蔓装置的工作性能，秧蔓下降时间分别取20s、40s和60s，计算得到秧蔓下降速度和电机驱动转速如表2所示。

3 结果与分析

3.1 配重平衡负载工况下落蔓装置工作性能及节能效果分析

目前，黃瓜和长季节番茄为主要的落蔓作物，本文以黄瓜生产为试验对象，为了测试整体落蔓工况下系统运行的稳定性，在青岛农业大学试验温室进行了配重平衡负载工况下落蔓装置不同电机驱动转速试验，扭矩和转速均采用HCNJ-103型传感器进行测试，灵敏度为0.25%，信号采集时间间隔为200ms，试验现场如图2所示。

3.1.1 配重平衡负载工况下落蔓装置工作性能分析

电机转速采用传统PID控制方法，不同电机驱动转速工况下系统工作性能试验结果如图3所示。

从图3可以看出，虽然随着电机驱动转速的不断降低，即秧蔓下降速度降低，电机的运行速度出现了轻微波动现象，但整体运行效果较好，采用传统PID控制方法能够满足落蔓要求。当电机驱动转速为286r/min、143r/min和95r/min工况下，电机输出最大扭矩分别为0.37N·m、0.33N·m和0.32N·m，每种电机转速工况下，电机输出扭矩均比较小。结果表明采用配重平衡黄瓜秧蔓负载方法是合理的。同时，本研究电机通过行星减速机与落蔓主传动轴相连，减速比为50，以电机驱动转速286r/min工况最大驱动扭矩计算主传动轴承受的扭矩为18.5N·m。结果表明，主传动轴承受扭矩也比较小，实际运行过程中，选用普通的钢管就可满足扭转强度要求。

采用配重平衡负载方法，电机输入功率仅需克服整体落蔓系统的机械损失，电机扭矩输出值应该基本恒定。但从图3每种秧蔓下降速度工况扭矩变化可以看出，电机输出扭矩均呈现逐渐增大趋势，主要原因是配重质量是按照地面到吊秧滑轮之间黄瓜秧蔓重量确定，随着黄瓜秧蔓不断下降，底部秧蔓逐渐落到地面，黄瓜秧蔓侧重量不断减小，此时配重质量大于黄瓜秧蔓质量，为保证秧蔓在指定转速下均速下降，电机输出扭矩逐渐增大。

3.1.2 配重平衡负载工况下落蔓装置节能效果分析

为了进一步分析配重平衡负载工况下系统工作性能，当电机驱动转速286r/min时，即秧蔓下降时间为20s工况，对整体落蔓装置秧蔓下降和秧蔓提升进行了试验，整体落蔓装置秧蔓下降和提升性能对比试验结果如图4所示。

图4中①和②分别为秧蔓下降和秧蔓提升过程，为了更好地观察秧蔓下降和提升过程中扭矩变化，扭矩图的0轴用点线标出。从图4可以看出，秧蔓下降和提升过程中，电机驱动转速均比较平稳，速度控制性能较好。秧蔓提升过程电机驱动扭矩方向与下降过程相反。随着秧蔓的不断提升，电机输出扭矩也逐渐增大，与秧蔓下降过程的扭矩变化趋势相同，但秧蔓提升扭矩小于秧蔓下降工况的扭矩，主要是因为试验工况为秧蔓下降0.2m停机后，电机再反向驱动提升秧蔓。秧蔓下降过程中，秧蔓底部逐渐落在地面上，秧蔓侧重量逐渐减小，下降停止后，此时配重侧重量大于秧蔓侧重量。当电机反向旋转提升秧蔓时，虽然配重侧重量大于秧蔓侧负载重量，电机为克服机械系统阻力，且随着秧蔓提升，秧蔓侧重量逐渐增加，所以电机输出扭矩逐渐增大，与秧蔓下降过程的扭矩变化趋势基本相同，但电机输出扭矩小于秧蔓下降工况，其最大扭矩为0.31N·m。通过电机输出轴转速扭矩传感器测得的数据值，可计算电机输出轴功率

P=Ts·ns9.55

（6）

式中：

Ts——

电机输出轴转速扭矩传感器测得扭矩值，N·m；

ns——

电机输出轴转速扭矩传感器测得转速值，r/min。

根据试验测得的秧蔓下降和提升过程转速和扭矩数据，计算得秧蔓下降和提升过程电机输出轴平均功率分别为7.92W和5.54W，结果表明，采用配重平衡负载重量方法秧蔓下降和上升的平均功率比较接近，且电机输出功率仅需克服整体落蔓系统的机械损失，所以功耗较少，节能效果好。

3.2 无配重工况下落蔓装置工作性能分析

因试验温室种植规模限制，温室内种植黄瓜110株，秧蔓侧负载重量约为64.79kg，本文仅对该负载工况进行了无配重落蔓试验，电机驱动转速为286r/min，系统工作性能测试曲线如图5所示。

从图5可以看出，秧蔓重量为64.79kg时，无配重工况下扭矩检测值为负值，扭矩方向与电机驱动方向相反，理论上来讲，电机此时应处于制动回馈发电工况，但从电机电流检测情况发现，电机仍处于驱动工况。主要原因是扭矩传感器安装于电机和行星减速机之间，最大负扭矩值仅为-0.33N·m，此时秧蔓侧负载力矩稍大于落蔓装置轴系机械摩擦阻力矩，电机输出轴反向拖动扭矩很小，还未能克服电机自身的阻力矩而发电。另外，从图中也可以看出，随着秧蔓的下落，电机输出扭矩从负扭矩逐渐变为正扭矩，主要是因为随着秧蔓的下落，秧蔓侧负载重量逐渐减小，电机输出扭矩也逐渐减小。当扭矩检测值为0时，秧蔓侧负载对主轴产生的力矩与落蔓装置轴系机械摩擦阻力矩相平衡。但实际的温室种植规模都比较大，秧蔓侧负载量较大，在无配重时，电机将处于制动发电工况，系统停车时需要较大锁止转矩，需配置较大的制动器，系统稳定性差。

3.3 植株长势对整体落蔓适用性的影响

试验温室种植黄瓜8行，每行种植14株，管理期间死亡2株，最后试验黄瓜为110株。为分析植株长势对整体落蔓装置适用性的影响，将所有植株调整到同一高度，测量了6天黄瓜植株生长量。为了保证测量点具有代表性，将温室内8行植株划分为3个区域，每个区域测点采用S形布置方法，且每个区域均布置7个测点，测点布置如图6所示，图中●表示被测量植株，★表示未测量植株，×表示死亡植株。

一区、二区和三区被测量植株自上至下株号分为1～7号、8～14号和15～21号。测量黄瓜6天植株长势结果如表3所示。

从表3可以看出，在测试的6d时间内，植株平均生长量为15.7cm，植株生长量17cm以上的仅有一株，仅占总测试植株的比例为4.8%，生长量在16～17cm之间的植株数量占总测试植株的23.8%。然而，植株生长量在15～16cm之间的植株数量占总测试植株数量的比例为71.4%。这表明，在测试期间内，绝大部分植株的生长量相差很小。测试期间，单株黄瓜生长量最大的为17.2cm，生长量最小的为15.1cm，植株测试6天的最大和最小生长量差值为2.1cm，平均到每天的最大和最小植株生长量仅相差0.35cm，这表明温室种植的作物植株每天的生长量相差不大，采用整体落蔓方式是完全可行的。

由于温室种植植株位置和水肥管理差异，必然使植株的生长量存在不同程度的差异。然而，采用整体落蔓方式后，植株的生长周期将延长，为了研究整体落蔓装置的适用性，本文研究了因生长量差异而需要人工干预调整秧蔓整齐度的周期规律。如果以每次落蔓高度为20cm为例，从上述测试株距可知，生长量最大（17.2cm）和最小（15.1cm）的温室植株，每天植株生长量相差0.35cm，约57d后生长量最大和最小植株将出现20cm高差，此时将需要人工调整一次黄瓜秧蔓高度，其调整方法可采用将生长较慢植株顶部吊秧绳打结，使其与生长快的植株处于同一高度后，再进行整体落蔓。如果每次落蔓高度设置为30cm和40cm，生长量最大和最小植株约86d和114d后出现落蔓高度设定值，此时需要人工干预调整一次秧蔓的整齐度。上述分析结果表明，随着每次设定落蔓高度的增加，秧蔓整齐度调整次数将明显减少，实际生产中，可根据生产温室的建造高度调整每次落蔓高度，整体落蔓装置适用性较好。

4 结论

1） 设计了温室藤蔓类作物整体落蔓装置，提出了配重平衡黄瓜秧蔓负载的方法，确定了试验装置配重量为65kg以及电机驱动转速分别为286r/min，143r/min，95r/min三种工况下的系统工作性能。

2） 整体落蔓装置配重量是按照地面到吊秧滑轮之间黄瓜秧蔓重量确定，电机驱动主传动轴带动秧蔓下降过程中，随着黄瓜秧蔓不断下降，底部秧蔓逐渐落到地面，黄瓜秧蔓侧重量不断减小，此时配重质量大于黄瓜秧蔓质量，为保证秧蔓在指定转速下均速下降，电机输出转矩逐渐增大。电机驱动转速286r/min秧蔓下降和秧蔓提升试验工况，电机输出扭矩变化趋势基本相同，其秧蔓下降和秧蔓提升过程系统平均功率分别为7.92W和5.54W，这表明采用配重平衡负载重量方法，实现秧蔓下降和秧蔓提升的平均功率比较接近，且功耗较少。

3） 黄瓜植株生长量测试结果表明，生长量最大植株和生长量最小植株每天生长量仅相差0.35cm，植株每日生长量相差不大，适合采用整体落蔓。同时随着每次设定落蔓高度的增加，秧蔓整齐度调整次数将明显减少，实际生产中，可根据生产温室的建造高度调整每次落蔓高度，整体落蔓装置适用性较好。

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