連棟溫室省力采摘運(yùn)輸車的研發(fā)

張艷紅+郭建業(yè)+張嵐+董艷華+潘張磊

【摘要】 連棟溫室蔬菜生產(chǎn)逐步成為設(shè)施蔬菜創(chuàng)建高產(chǎn)、高效的重要生產(chǎn)方式。研發(fā)的省力采摘運(yùn)輸車適用于規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的無土蔬菜栽培工廠。該設(shè)備由人工推動(dòng)，通過軌道輪和行走輪可實(shí)現(xiàn)在軌道上輕松自由前后行走。同時(shí)也可以在地面上自由行走，實(shí)現(xiàn)了采摘運(yùn)輸車在軌道和地面間行走的自由轉(zhuǎn)換。該設(shè)備可增加單次采摘運(yùn)輸量，減少成品裝卸次數(shù)，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)強(qiáng)度。

引言

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)是北京市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，連棟溫室生產(chǎn)已逐步成為設(shè)施蔬菜創(chuàng)建高產(chǎn)、高效的重要生產(chǎn)方式，但其配套機(jī)械化水平相對(duì)較低。北京小湯山特菜基地在2011年9月引進(jìn)荷蘭先進(jìn)的番茄巖棉工廠化、潔凈化生產(chǎn)模式，建成一座占地3500 m2的“番茄工廠”，即現(xiàn)代化連棟溫室番茄工廠。在4年多的試驗(yàn)示范過程中，均采用國外的無限生長型品種，300多天的生長期內(nèi)可以無限次結(jié)果，每周定期摘果，產(chǎn)量達(dá)到32 kg/m2。持續(xù)的高產(chǎn)和頻繁的采摘期，使番茄的采摘和運(yùn)輸工作量大大增加。然而北京市的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力日益短缺，雇工難、雇工貴的現(xiàn)象日益加重，省力化生產(chǎn)成為“番茄工廠”實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效急需解決的問題。為此，針對(duì)小湯山番茄生產(chǎn)基地連棟溫室的具體結(jié)構(gòu)，自主研究開發(fā)了省力采摘運(yùn)輸車，更好地解決現(xiàn)代溫室采摘環(huán)節(jié)機(jī)械化、省力化作業(yè)問題，以提高蔬菜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化作業(yè)水平。

設(shè)計(jì)思想

在設(shè)備的研究開發(fā)過程中，無論總體方案的確定，還是主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)的選擇，都遵循連棟溫室番茄采摘和運(yùn)輸?shù)霓r(nóng)藝要求和應(yīng)用方式。按照研究學(xué)習(xí)、自主開發(fā)的基本原則，充分考慮原材料的性能和規(guī)格、配件的性能和可靠性、產(chǎn)品批量生產(chǎn)的加工工藝性等因素，力求開發(fā)的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)適用、性能穩(wěn)定。

連棟溫室長125 m，跨度50 m，在番茄行間的地面上鋪有間距0.5 m的雙軌（圖1）。當(dāng)采摘番茄時(shí)，由于番茄種植行長，采摘人員需要多次將裝滿番茄的箱子搬到連棟溫室一端。一個(gè)采摘箱裝滿番茄的重量約為20 kg，運(yùn)輸作業(yè)強(qiáng)度大，效率低。整個(gè)連棟溫室有42行番茄，每次5個(gè)工人需要花費(fèi)1天的時(shí)間來采摘果實(shí)，并且還要將番茄運(yùn)到門口，勞動(dòng)強(qiáng)度大。為此，省力采摘運(yùn)輸車主要實(shí)現(xiàn)以下3種功能：①能在已有軌道上靈活行走；②能夠加大單次的運(yùn)輸量，減少采摘和運(yùn)輸時(shí)的裝卸次數(shù)；

③能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌道式和地面式2種運(yùn)輸方式，方便在行間和地面行走的自由轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

連棟溫室內(nèi)原有軌道外緣到外緣600 mm，軌道為外徑52 mm的厚壁無縫鋼管，既軌道中心距為600 mm-26 mm-26mm=548mm，故省力采摘運(yùn)輸車的軌道輪距為548 mm，可在軌道上自由前后移動(dòng)行走。

采摘的果實(shí)使用塑料箱盛放，塑料箱長為600 mm，寬為400 mm，高度有150、200、240、320 mm等不同尺寸。根據(jù)塑料箱規(guī)格，運(yùn)輸車碼箱區(qū)設(shè)計(jì)長度應(yīng)大于2.4 m，寬度應(yīng)大于0.4 m，高度應(yīng)大于1.28 m，省力采摘運(yùn)輸車最大承載量為300 kg。

設(shè)計(jì)方案

構(gòu)造

省力采摘運(yùn)輸車主要由行走底盤和托箱架兩部分組成（圖2～4）。底盤由厚壁矩管及槽型鋼板焊接成矩形框架，框架上平行等距安裝省力托輥，滾軸外徑母線與框架上面共面。框架單側(cè)倒裝2個(gè)L型厚壁方管，方管上安裝鋼板制成的托盤，中間鏤空，形成托箱架?？蚣芮昂髢啥税惭b倒U型推拉扶手?？蚣芟路桨惭b軌道行走輪及地面行走輪。軌道行走輪由前后2個(gè)輪軸、4個(gè)尼龍輪及輪軸支架構(gòu)成，并在輪軸支架端水平安裝4個(gè)軌道側(cè)向輔助輪，以防推動(dòng)運(yùn)輸車行走時(shí)偏離軌道。該地面行走輪包括地面行走主輪和地面行走輔輪。地面行走主輪由中間單軸、2個(gè)輪子及可拆卸支座構(gòu)成，地面行走輔輪由4個(gè)萬向輪組成，分別設(shè)置在框架的四角內(nèi)側(cè)。在地面行走時(shí)主要是行走主輪工作，萬向輪輔助工作或不工作。

安裝過程保證軌道行走輪母線和地面行走輪母線垂直距離為軌道的外直徑尺寸（理論數(shù)值為軌道的外直徑尺寸52 mm）。

工作原理

采摘作業(yè)時(shí)，省力采摘運(yùn)輸車可碼放高度320 mm塑料箱16個(gè)、高度240 mm塑料箱20個(gè)、高度200 mm塑料箱24個(gè)、高度150 mm塑料箱32個(gè)。以碼放6層24個(gè)塑料箱進(jìn)行采摘作業(yè)為例，整個(gè)采摘碼箱過程可分為五步完成。

第1步：采摘人員先碼好24個(gè)空箱，將第1排的6個(gè)塑料箱放在托箱架上，騰空第1排的空間（圖5）；第2步：拿取第2排的空箱逐個(gè)放在第1排的位置進(jìn)行采摘塑料碼箱（圖6）；第3步：箱滿之后，將第1排的箱子推到第2排位置，將第3排的空箱轉(zhuǎn)移到第1排，然后再把1、2排的箱子推到下一排，騰出第1排的位置，重復(fù)第2步的操作（圖7～8）；第4步：采摘人員換到采摘車的另一邊，把3、4排的箱子推移到前一排，騰出第4排的位置，用第3排的箱子進(jìn)行碼箱，摘滿之后推移到第3排（圖9～11）；第5步：最后使用托箱架上的空箱進(jìn)行摘果碼箱，直到整個(gè)采摘運(yùn)輸車的所有箱子被摘滿。采摘與碼放方式可以首尾兩端鏡像一致（圖12～13）。

相關(guān)主要參數(shù)的確定

省力采摘運(yùn)輸車的寬

由于番茄行間距為1.6 m，行走軌道間距為0.548 m，在滿足自由行走的前提下，盡量減小省力采摘運(yùn)輸車的寬度，以增加行間的通過性，減少對(duì)番茄植株的損壞，故設(shè)計(jì)省力采摘運(yùn)輸車的寬度小于0.8 m。

省力采摘運(yùn)輸車的長

省力采摘運(yùn)輸車一次按4排碼箱，并且果箱規(guī)格為長度600 mm，故采摘運(yùn)輸車的長至少為：4排×0.6 m=

2.4 m，考慮結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)，省力采摘運(yùn)輸車底盤長約為2.5 m。

省力采摘運(yùn)輸車的高

根據(jù)省力采摘運(yùn)輸車承重量要求，以及考慮到取空箱時(shí)的方便性，省力采摘運(yùn)輸車的高度約為1.6 m（圖14）。

結(jié)論

使用省力采摘運(yùn)輸車進(jìn)行番茄采摘作業(yè)（圖15），工人只需對(duì)番茄串（果）進(jìn)行摘剪和碼箱，輕輕輔以外力即可將滿載番茄的省力采摘運(yùn)輸車沿軌道前后自由移動(dòng)，由于承重托盤以平行輥軸組成，裝滿番茄的多層箱體可實(shí)現(xiàn)輕松換位移動(dòng)。當(dāng)省力采摘運(yùn)輸車裝滿箱時(shí)，可以輕松實(shí)現(xiàn)由軌道運(yùn)輸?shù)降孛孢\(yùn)輸方式的自由轉(zhuǎn)換，方便了軌道到地面的運(yùn)輸轉(zhuǎn)換工作。省力采摘運(yùn)輸車的投入使用，使原本5個(gè)工人1天的工作量現(xiàn)只需3 h就輕松的完成，效率提高了62.5%。