郎秀丹 史宇亮 黃新平 李天華 王東偉 陳明東

摘要：針對長季節(jié)黃瓜和番茄溫室藤蔓類作物人工落蔓強度大、成本高等問題，設計一種溫室藤蔓類作物整體落蔓裝置?；谧魑镎w落蔓裝置結構及工作原理，構建落蔓裝置系統(tǒng)模型。結合整體落蔓裝置系統(tǒng)模型和工作特點，提出基于配重平衡作物秧蔓負載的整體落蔓運行方法。當整體落蔓裝置電機驅動轉速分別為286r/min、143r/min和95r/min時，分析了配重平衡負載工況下黃瓜秧蔓下降過程系統(tǒng)工作性能。結果表明，隨著電機驅動轉速的降低，電機的運行速度出現(xiàn)了輕微波動現(xiàn)象，但整體運行效果較好。隨著黃瓜秧蔓的不斷降落，秧蔓側負載量不斷減小，秧蔓重量逐漸小于配重量，各工況電機輸出轉矩均逐漸增大。電機驅動轉速286r/min工況下，對比分析了整體落蔓裝置驅動秧蔓下降和秧蔓提升的工作性能。結果表明，采用配重平衡黃瓜秧蔓負載方法，秧蔓下降和提升過程，電機輸出扭矩變化趨勢基本相同，電機輸出平均功率分別為7.92W和5.54W。采用S形布點方法，測試分析了試驗溫室黃瓜植株生長量分布特性。結果表明，生長量最大植株和生長量最小植株每天生長量僅相差0.35cm，整體落蔓裝置具有較好適用性。

關鍵詞：溫室；藤蔓類作物；整體落蔓；配重；落蔓試驗

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：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

近年來，我國設施園藝技術越來越成熟，設施園藝產業(yè)種植面積逐年增加［1］。隨著勞動力成本的逐年增加，蔬菜設施機械自動化已經成為未來發(fā)展的主要方向［28］。

溫室內黃瓜和長季節(jié)番茄等藤蔓類作物的生長高度能達到10m以上，由于溫室高度限制，為了增加作物產量，秧蔓生長到一定高度必須落蔓［9］，落蔓長度一般為2～5m。落蔓工作是藤蔓類作物種植管理過程中費時耗力的重要環(huán)節(jié)。目前，荷蘭、日本等溫室機械化程度較為先進，但仍未解決藤蔓類作物落蔓的機械化問題［1012］。在我國，沈富等［13］從農藝角度提出了一種番茄旋轉落蔓栽培技術，在一定程度上降低了落蔓次數(shù)。韓靖玲等［14］利用單株棘輪吊落蔓器在雌性系秋黃瓜溫室生產中進行了試驗，結果表明落蔓能夠避免植株早衰，對提高產量具有明顯效果。隨著單株吊蔓器的推廣，已經開發(fā)了單株吊蔓器的制作裝備［15］。姜俊揚等［16］研制了一種簡易的黃瓜落蔓技術，將吊黃瓜秧蔓的繩纏繞于秧蔓正上方的鋼管，鋼管一端設置一字形卡口，卡口插入垂直方向固定的鐵絲，需要落蔓時，使卡口與鐵絲分離，轉動鋼管實現(xiàn)單行黃瓜秧蔓下降。馮杰明等［17］將多排鋼管安裝在栽培畦的正上方，吊蔓繩固定在圓管架上，通過主傳動系統(tǒng)帶動多排鋼管轉動，實現(xiàn)秧蔓下降。彭嘉舜［18］研制了一壟兩行落蔓裝置，秧蔓吊繩通過滑輪后纏繞在秧蔓上部固定落蔓裝置中的繞線板上，通過鏈條機構驅動繞線板實現(xiàn)秧蔓下降，裝置體積較大。山東農業(yè)大學［19］提出了一種單株吊蔓高度可調的多壟落蔓裝置。祝寧等［20］設計了落秧支架，每次落蔓調整支架下放到下一個支撐，一次能夠完成一行作物落蔓。侯永等［21］采用圓形帶傳動吊蔓軸轉動放線落蔓方式與閉環(huán)鋼絲雙向拉動吊蔓軸疏蔓方式結合，通過吊蔓軸的水平移動和原位轉動實現(xiàn)自動落蔓疏蔓。

綜上所述，現(xiàn)有研發(fā)的落蔓器裝置主要安裝于作物秧蔓頂部，落蔓機構傳動系統(tǒng)復雜、體積較大、遮光率高，限制了其推廣應用。本文提出了一種溫室藤蔓類作物整體落蔓裝置，體積小，易于操作，鑒于配重平衡法具有平衡負載的優(yōu)勢［2223］，開展了配重平衡負載工況下黃瓜秧蔓下降和提升試驗，并對落蔓裝置工作性能進行比較和分析。

1 溫室整體落蔓裝置設計

1.1 落蔓裝置結構及工作原理

溫室整體落蔓裝置由落蔓機構和驅動機構組成，其整體結構如圖1所示。溫室采用多行作物種植模式，每行種植植株數(shù)根據溫室種植模式和寬度確定。各行的落蔓機構均相同，為了直觀表示每株作物的落蔓方式，圖1僅繪制出4行落蔓機構，且僅繪制了4株秧蔓的吊秧方式，圖1右側虛線區(qū)域為每株作物通過吊秧滑輪接至繞繩器的放大圖，吊秧滑輪掛在吊滑輪鋼絲上，鋼絲兩端固定于溫室上，每株作物通過吊秧繩吊起，吊秧繩繞過吊秧滑輪纏繞于整體落蔓驅動機構的主傳動軸的繞繩器上，每株作物均通過主傳動軸轉動調節(jié)。整體落蔓器驅動機構主要由直流無刷電動機、扭矩轉速傳感器、行星減速機、固定軸支撐和主傳動軸組成。

當作物需要落蔓時，電機驅動行星減速機帶動主傳動軸旋轉，固定于主傳動軸上的繞繩器將吊秧繩釋放，每株作物落蔓繩釋放長度相同，從而實現(xiàn)溫室作物整體均勻落蔓。電機輸出軸安裝轉速扭矩傳感器，實時監(jiān)測落蔓裝置工作過程中轉速和扭矩變化，實現(xiàn)秧蔓下降速度閉環(huán)控制。

1.2 整體落蔓裝置配重方案

整體落蔓裝置電動機軸系上的力矩平衡方程

J·dωdt=Te+Tz－Bpω－Tf

（1）

式中：

J——

電機軸系上的總轉動慣量，kg·m2；

ω——電機的機械轉速，rad/s；

Te——電動機電磁轉矩，N·m；

Tz——

電動機軸系上的負載轉矩，N·m；

Bp——阻尼轉矩系數(shù)；

Tf——

電動機軸系機械摩擦阻力矩，N·m。

從式（1）中可以看出，當落蔓裝置軸系靜止時需滿足Tz=Tf。而實際生產中，溫室農戶種植規(guī)模較大，秧蔓側負載轉矩遠大于電動機軸系機械摩擦阻力矩，即TzTf，系統(tǒng)停車時需要較大鎖止轉矩，需配置較大的制動器。該工況系統(tǒng)啟動時，電機將處于制動發(fā)電工況，由于作物秧蔓每隔一定時間下落，每次秧蔓下降約為0.2m，發(fā)電量并不大，且制動器脫開瞬間，對落蔓器系統(tǒng)軸系沖擊較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。為了保障整體落蔓裝置安全和平穩(wěn)運行，本文采用基于配重平衡作物秧蔓負載的方法，使配重對落蔓器軸系產生的轉矩平衡秧蔓側負載轉矩，落蔓過程中電機處于電動工況，系統(tǒng)停車后，主傳動軸系機械摩擦阻力矩即可鎖止住主傳動軸系，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

2 溫室整體落蔓裝置試驗參數(shù)確定

2.1 落蔓裝置配重量確定

落蔓裝置電動機軸系上的負載轉矩

Tz=Nmgr

（2）

式中：

N——作物植株數(shù)量；

m——每個植株的平均重量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

r——主傳動軸半徑，m。

如果忽略系統(tǒng)工作時落蔓裝置軸系的摩擦損失，當秧蔓下落時，秧蔓在重力作用下對主傳動軸系產生驅動轉矩，為使電機輸出扭矩最小，僅需使配重對主傳動軸產生的轉矩平衡秧蔓負載驅動轉矩，可表示為

Tp=TzMgR=Nmgr

（3）

式中：

Tp——

配重對主傳動軸產生的轉矩，N·m；

M——配重質量，kg；

R——配重盤半徑，m。

為測試配重工況下整體落蔓裝置工作性能，以黃瓜作物作為研究對象，在青島農業(yè)大學試驗溫室種植110株黃瓜。試驗前，隨機選取10株黃瓜秧進行稱重，稱重部分為地面到吊秧滑輪之間黃瓜秧蔓，每株秧蔓上均有1個黃瓜，10株重量測試結果如表1所示。

每株秧蔓平均重量為0.589kg，則110株黃瓜重量約為64.79kg，由于本試驗黃瓜株數(shù)較少，需要配重量不大，選擇直接將配重物通過吊繩纏繞在主傳動軸上（R=r），纏繞方向與秧蔓負載吊繩纏繞方向相反，根據式（3）可知，配重質量等于植株負載總質量，配重質量確定為65kg。

2.2 落蔓裝置電機驅動轉速確定

每株作物秧蔓通過吊秧繩與主傳動軸連接，主傳動軸的轉速取決于作物秧蔓下降速度，可表示為

n=60v2πr

（4）

式中：

n——主傳動軸轉速，r/min；

v——秧蔓下降速度，m/s。

電機轉速

V=n·i

（5）

式中：

i——行星減速機傳動比，i=50。

黃瓜秧蔓每次下降高度為0.2m，主傳動軸采用DN25鋼管，外徑測量值為0.033 4m，為了分析不同工況下落蔓裝置的工作性能，秧蔓下降時間分別取20s、40s和60s，計算得到秧蔓下降速度和電機驅動轉速如表2所示。

3 結果與分析

3.1 配重平衡負載工況下落蔓裝置工作性能及節(jié)能效果分析

目前，黃瓜和長季節(jié)番茄為主要的落蔓作物，本文以黃瓜生產為試驗對象，為了測試整體落蔓工況下系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在青島農業(yè)大學試驗溫室進行了配重平衡負載工況下落蔓裝置不同電機驅動轉速試驗，扭矩和轉速均采用HCNJ-103型傳感器進行測試，靈敏度為0.25%，信號采集時間間隔為200ms，試驗現(xiàn)場如圖2所示。

3.1.1 配重平衡負載工況下落蔓裝置工作性能分析

電機轉速采用傳統(tǒng)PID控制方法，不同電機驅動轉速工況下系統(tǒng)工作性能試驗結果如圖3所示。

從圖3可以看出，雖然隨著電機驅動轉速的不斷降低，即秧蔓下降速度降低，電機的運行速度出現(xiàn)了輕微波動現(xiàn)象，但整體運行效果較好，采用傳統(tǒng)PID控制方法能夠滿足落蔓要求。當電機驅動轉速為286r/min、143r/min和95r/min工況下，電機輸出最大扭矩分別為0.37N·m、0.33N·m和0.32N·m，每種電機轉速工況下，電機輸出扭矩均比較小。結果表明采用配重平衡黃瓜秧蔓負載方法是合理的。同時，本研究電機通過行星減速機與落蔓主傳動軸相連，減速比為50，以電機驅動轉速286r/min工況最大驅動扭矩計算主傳動軸承受的扭矩為18.5N·m。結果表明，主傳動軸承受扭矩也比較小，實際運行過程中，選用普通的鋼管就可滿足扭轉強度要求。

采用配重平衡負載方法，電機輸入功率僅需克服整體落蔓系統(tǒng)的機械損失，電機扭矩輸出值應該基本恒定。但從圖3每種秧蔓下降速度工況扭矩變化可以看出，電機輸出扭矩均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，主要原因是配重質量是按照地面到吊秧滑輪之間黃瓜秧蔓重量確定，隨著黃瓜秧蔓不斷下降，底部秧蔓逐漸落到地面，黃瓜秧蔓側重量不斷減小，此時配重質量大于黃瓜秧蔓質量，為保證秧蔓在指定轉速下均速下降，電機輸出扭矩逐漸增大。

3.1.2 配重平衡負載工況下落蔓裝置節(jié)能效果分析

為了進一步分析配重平衡負載工況下系統(tǒng)工作性能，當電機驅動轉速286r/min時，即秧蔓下降時間為20s工況，對整體落蔓裝置秧蔓下降和秧蔓提升進行了試驗，整體落蔓裝置秧蔓下降和提升性能對比試驗結果如圖4所示。

圖4中①和②分別為秧蔓下降和秧蔓提升過程，為了更好地觀察秧蔓下降和提升過程中扭矩變化，扭矩圖的0軸用點線標出。從圖4可以看出，秧蔓下降和提升過程中，電機驅動轉速均比較平穩(wěn)，速度控制性能較好。秧蔓提升過程電機驅動扭矩方向與下降過程相反。隨著秧蔓的不斷提升，電機輸出扭矩也逐漸增大，與秧蔓下降過程的扭矩變化趨勢相同，但秧蔓提升扭矩小于秧蔓下降工況的扭矩，主要是因為試驗工況為秧蔓下降0.2m停機后，電機再反向驅動提升秧蔓。秧蔓下降過程中，秧蔓底部逐漸落在地面上，秧蔓側重量逐漸減小，下降停止后，此時配重側重量大于秧蔓側重量。當電機反向旋轉提升秧蔓時，雖然配重側重量大于秧蔓側負載重量，電機為克服機械系統(tǒng)阻力，且隨著秧蔓提升，秧蔓側重量逐漸增加，所以電機輸出扭矩逐漸增大，與秧蔓下降過程的扭矩變化趨勢基本相同，但電機輸出扭矩小于秧蔓下降工況，其最大扭矩為0.31N·m。通過電機輸出軸轉速扭矩傳感器測得的數(shù)據值，可計算電機輸出軸功率

P=Ts·ns9.55

（6）

式中：

Ts——

電機輸出軸轉速扭矩傳感器測得扭矩值，N·m；

ns——

電機輸出軸轉速扭矩傳感器測得轉速值，r/min。

根據試驗測得的秧蔓下降和提升過程轉速和扭矩數(shù)據，計算得秧蔓下降和提升過程電機輸出軸平均功率分別為7.92W和5.54W，結果表明，采用配重平衡負載重量方法秧蔓下降和上升的平均功率比較接近，且電機輸出功率僅需克服整體落蔓系統(tǒng)的機械損失，所以功耗較少，節(jié)能效果好。

3.2 無配重工況下落蔓裝置工作性能分析

因試驗溫室種植規(guī)模限制，溫室內種植黃瓜110株，秧蔓側負載重量約為64.79kg，本文僅對該負載工況進行了無配重落蔓試驗，電機驅動轉速為286r/min，系統(tǒng)工作性能測試曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，秧蔓重量為64.79kg時，無配重工況下扭矩檢測值為負值，扭矩方向與電機驅動方向相反，理論上來講，電機此時應處于制動回饋發(fā)電工況，但從電機電流檢測情況發(fā)現(xiàn)，電機仍處于驅動工況。主要原因是扭矩傳感器安裝于電機和行星減速機之間，最大負扭矩值僅為-0.33N·m，此時秧蔓側負載力矩稍大于落蔓裝置軸系機械摩擦阻力矩，電機輸出軸反向拖動扭矩很小，還未能克服電機自身的阻力矩而發(fā)電。另外，從圖中也可以看出，隨著秧蔓的下落，電機輸出扭矩從負扭矩逐漸變?yōu)檎ぞ?，主要是因為隨著秧蔓的下落，秧蔓側負載重量逐漸減小，電機輸出扭矩也逐漸減小。當扭矩檢測值為0時，秧蔓側負載對主軸產生的力矩與落蔓裝置軸系機械摩擦阻力矩相平衡。但實際的溫室種植規(guī)模都比較大，秧蔓側負載量較大，在無配重時，電機將處于制動發(fā)電工況，系統(tǒng)停車時需要較大鎖止轉矩，需配置較大的制動器，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

3.3 植株長勢對整體落蔓適用性的影響

試驗溫室種植黃瓜8行，每行種植14株，管理期間死亡2株，最后試驗黃瓜為110株。為分析植株長勢對整體落蔓裝置適用性的影響，將所有植株調整到同一高度，測量了6天黃瓜植株生長量。為了保證測量點具有代表性，將溫室內8行植株劃分為3個區(qū)域，每個區(qū)域測點采用S形布置方法，且每個區(qū)域均布置7個測點，測點布置如圖6所示，圖中●表示被測量植株，★表示未測量植株，×表示死亡植株。

一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)被測量植株自上至下株號分為1～7號、8～14號和15～21號。測量黃瓜6天植株長勢結果如表3所示。

從表3可以看出，在測試的6d時間內，植株平均生長量為15.7cm，植株生長量17cm以上的僅有一株，僅占總測試植株的比例為4.8%，生長量在16～17cm之間的植株數(shù)量占總測試植株的23.8%。然而，植株生長量在15～16cm之間的植株數(shù)量占總測試植株數(shù)量的比例為71.4%。這表明，在測試期間內，絕大部分植株的生長量相差很小。測試期間，單株黃瓜生長量最大的為17.2cm，生長量最小的為15.1cm，植株測試6天的最大和最小生長量差值為2.1cm，平均到每天的最大和最小植株生長量僅相差0.35cm，這表明溫室種植的作物植株每天的生長量相差不大，采用整體落蔓方式是完全可行的。

由于溫室種植植株位置和水肥管理差異，必然使植株的生長量存在不同程度的差異。然而，采用整體落蔓方式后，植株的生長周期將延長，為了研究整體落蔓裝置的適用性，本文研究了因生長量差異而需要人工干預調整秧蔓整齊度的周期規(guī)律。如果以每次落蔓高度為20cm為例，從上述測試株距可知，生長量最大（17.2cm）和最小（15.1cm）的溫室植株，每天植株生長量相差0.35cm，約57d后生長量最大和最小植株將出現(xiàn)20cm高差，此時將需要人工調整一次黃瓜秧蔓高度，其調整方法可采用將生長較慢植株頂部吊秧繩打結，使其與生長快的植株處于同一高度后，再進行整體落蔓。如果每次落蔓高度設置為30cm和40cm，生長量最大和最小植株約86d和114d后出現(xiàn)落蔓高度設定值，此時需要人工干預調整一次秧蔓的整齊度。上述分析結果表明，隨著每次設定落蔓高度的增加，秧蔓整齊度調整次數(shù)將明顯減少，實際生產中，可根據生產溫室的建造高度調整每次落蔓高度，整體落蔓裝置適用性較好。

4 結論

1） 設計了溫室藤蔓類作物整體落蔓裝置，提出了配重平衡黃瓜秧蔓負載的方法，確定了試驗裝置配重量為65kg以及電機驅動轉速分別為286r/min，143r/min，95r/min三種工況下的系統(tǒng)工作性能。

2） 整體落蔓裝置配重量是按照地面到吊秧滑輪之間黃瓜秧蔓重量確定，電機驅動主傳動軸帶動秧蔓下降過程中，隨著黃瓜秧蔓不斷下降，底部秧蔓逐漸落到地面，黃瓜秧蔓側重量不斷減小，此時配重質量大于黃瓜秧蔓質量，為保證秧蔓在指定轉速下均速下降，電機輸出轉矩逐漸增大。電機驅動轉速286r/min秧蔓下降和秧蔓提升試驗工況，電機輸出扭矩變化趨勢基本相同，其秧蔓下降和秧蔓提升過程系統(tǒng)平均功率分別為7.92W和5.54W，這表明采用配重平衡負載重量方法，實現(xiàn)秧蔓下降和秧蔓提升的平均功率比較接近，且功耗較少。

3） 黃瓜植株生長量測試結果表明，生長量最大植株和生長量最小植株每天生長量僅相差0.35cm，植株每日生長量相差不大，適合采用整體落蔓。同時隨著每次設定落蔓高度的增加，秧蔓整齊度調整次數(shù)將明顯減少，實際生產中，可根據生產溫室的建造高度調整每次落蔓高度，整體落蔓裝置適用性較好。

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