摘要：NFT（Nutrient Film Technique）栽培模式是葉菜類作物工廠化的常用技術(shù)手段，其可大大提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，但定植期間仍需大量人工，效率低。基于奶油生菜的生長趨勢線，設(shè)計一種自動遞進變距機構(gòu)，通過MATLAB分析，解出該機構(gòu)最優(yōu)空間分布間距，并利用SolidWorks對設(shè)計機構(gòu)進行力學分析，確保機構(gòu)強度符合工程要求。通過機構(gòu)使栽培槽根據(jù)作物生長自動調(diào)整間距，減輕工人勞動負擔，提高工廠苗床的空間利用率，實現(xiàn)增收。臺架試驗結(jié)果表明：該機構(gòu)可完成栽培槽的自動遞進與變距需求，使作物可實現(xiàn)自動化運輸作業(yè)，遞進間距準確率可達96.4%以上，與傳統(tǒng)固定間距栽培槽模式相比，空間利用率可提高14.2%。

關(guān)鍵詞：植物工廠；NFT栽培；奶油生菜；生長模型；變距機構(gòu)

中圖分類號：S225.2+9" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0042?05

Optimal design of NFT variable pitch mechanism based on crop growth regression curve

Ma Biao Pan Shoujiang Ding Xiaoming Wang Huiqiang Wei Da Guo Tianwei

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China;

2. Academy of Agricultural Planning and Engineering， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing， 100020， China;

3. Chengde Green Agricultural Machinery Equipment Manufacturing Co.， Ltd.， Chengde， 068450， China;

4. Chengde Wanlian Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Chengde， 068450， China）

Abstract： The NFT （Nutrient Film Technique） cultivation mode is a commonly used technical means for the industrialization of leafy vegetables. In recent years， it can greatly improve the yield and quality of crops， but during the planting period， a large amount of manual labor is still required， resulting in reduced efficiency. This article designs an automatic progressive and variable pitch mechanism based on the growth trend line of cream lettuce. Through MATLAB analysis， the optimal spatial distribution spacing of the mechanism is solved， and the mechanical analysis of the design mechanism is carried out by using SolidWorks to ensure that the strength of the mechanism meets the engineering requirements. By using mechanisms to automatically adjust the spacing of cultivation slots according to crop growth， the labor burden of workers can be reduced， the space utilization rate of factory seedbeds can be improved， and income can be increased. Bench tests are conducted， and the results show that the mechanism can meet the automatic progressive and variable pitch requirements of the cultivation tank， enabling automatic transportation of crops， The accuracy of progressive spacing can reach over 96.4%， and compared with the traditional fixed spacing cultivation slot model， the space utilization rate can be improved by 14.2%.

Keywords： plant factory; NFT cultivation; cream lettuce; growth model; pitch changing mechanism

0 引言

生菜為菊科萵苣屬一年生草本作物，因其味甘微苦，口感脆香，食用方便，深受廣大消費者關(guān)注與喜愛，其生長周期短、產(chǎn)量大，易實現(xiàn)機械化，是目前世界上水培面積最大的作物之一。歐美一些國家已實現(xiàn)全程機械化生產(chǎn)，近年來我國也相繼開展生菜全程化機械化生產(chǎn)的試驗[1]。

NFT栽培模式作為水培模式的一種，具備產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定、產(chǎn)量高、易于工廠化、可控性好、作物根系氧環(huán)境好等優(yōu)點，是植物工廠機械化生產(chǎn)的主要技術(shù)手段之一[2?4]。目前葉菜NFT栽培模式常采用的種植方式是：將葉菜苗株定植于栽培槽定植孔，人工將栽培槽擺放到合適的位置，中間預留作物生長空間，同時采收時需人工往前推送栽培槽，工人工作量大，且空間利用率較低。因此設(shè)計一種可自動稀疏苗株間距的遞進變距機構(gòu)是有必要的[5， 6]。目前稀苗裝置根據(jù)機械類型不同可分為機械手臂型[7， 8]、x-y-z型[9， 10]與軌道型[11?13]，機械手臂型、x-y-z型在歐美等一些機械化程度較高的植物工廠應用較多[14]，其精度較高，間距可控，但成本較高，多用于定植初期以及多層作物平臺，不適用于整個生長周期的距離調(diào)節(jié)。軌道型遞進裝置又可分為等間距軌道型與變間距軌道型，多采用液壓傳動或鏈傳動，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但空間利用率較低，變間距采用等分方式，與作物生長規(guī)律不符。本文在軌道型遞進裝置的基礎(chǔ)上，通過農(nóng)藝農(nóng)機相結(jié)合，設(shè)計一種符合作物生長規(guī)律的葉菜類整周期自動遞進變距機構(gòu)。

1 遞進距離方程確認

為確定奶油生菜不同定植時間栽培槽間距，提高工廠NFT種植模式的空間利用率，使利益最大化，跟蹤采集完整生長周期奶油生菜的生長參數(shù)，包括：葉展長軸長（葉展最長處）、葉展短軸長（葉展最短處）、葉長、株高、重量等參數(shù)，圖1為葉展軸長示意圖。

1.1 試驗材料

試驗地點位于河北省廊坊市永清縣振興育苗基地，在育苗日光溫室大棚中隨機選取50株同一批次定植的水培奶油生菜，試驗于2022年8月18日—9月27日進行，每兩日跟蹤測量一次，測量時間為上午8：00—11：00。奶油生菜定植于尺寸為300 mm[×]1 000 mm[×]30 mm的EPS泡沫板，定植孔直徑25 mm，每板定植2列，交錯分布，株距為200 mm，奶油生菜根莖部被海綿塊裹住，種植模式為DFT（Deep Flow Technique）深液流模式，如圖2所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集儀器

采用瑞士TESA 數(shù)顯卡尺（型號TWIN-CAL IP67，分辨率為0.01 mm）測量奶油生菜葉展的長短軸長，通過親和shinwa鋼板直尺（型號21575，精度1 mm）測量其株高、葉長等數(shù)據(jù)，稱重時將奶油生菜從定植盤提出瀝水20 s，用菁海高精度電子天平（型號DY10K，精度0.1 g）測量奶油生菜質(zhì)量，通過德國Nscing Es工業(yè)用紅酒精玻璃水溫度計（型號WD，分辨率1 ℃）收集測量期間內(nèi)大棚內(nèi)溫度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel2016版對數(shù)據(jù)進行處理，剔除最大值與最小值各10%，并對同一日數(shù)據(jù)進行平均數(shù)處理，繪制出生長發(fā)育回歸曲線，如圖3所示。通過生長回歸曲線分析得出：奶油生菜前期葉片展開幅度迅速，后期葉展生長速率降低，呈現(xiàn)凸曲線生長趨勢，作物株高、葉長前期生長發(fā)育緩慢，定植后期生長速率提高，呈凹曲線生長趨勢，跟蹤監(jiān)測期間上午8：00棚內(nèi)溫度為17 ℃～22 ℃，11：00溫度為35 ℃～40 ℃。

由數(shù)據(jù)可得，奶油生菜的葉展長軸長生長回歸曲線線相關(guān)系數(shù)為Y=[-]0.060 6[X2]+6.823 6[X]+58.573，[R2=]0.979，回歸線方程與橫坐標軸所包含的面積表示完整一周期奶油生菜生長所占有的空間面積。因作物定植過程常被劃分為：生長前期、生長中期、生長后期、成熟四個階段，故將生長趨勢線分為4階段，如圖4所示。根據(jù)作物生長情況，以定植天數(shù)X和葉展長軸長Y為參量建立積分方程組（1）。

當式（2）值最小時，生菜生長完整一周期的空間占用面積越小，作物的生長空間利用率達到最優(yōu)解。運用MATLAB的Optimization Toolbox內(nèi)點法對該方程進行求解，對編碼進行賦值、限制約束

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計機構(gòu)（圖5（a））由重力角、U型固定槽、頂桿、主動拉桿、從動拉桿、空行程槽（圖5（b））、電控裝置等組成，可分為遞進部分與變距部分。具體工作可分為兩步。

1） 栽培槽需要遞進時，電機通過鏈傳動使拉桿與重力角前移，重力角與栽培槽側(cè)邊接觸后鎖死，并隨拉桿運動，從而使栽培槽前移，當觸碰到限位開關(guān)后，電機停轉(zhuǎn)，如圖6（a）所示，栽培槽達到下階段位置。

2） 通過電機反轉(zhuǎn)，使拉桿后退，重力角接觸到栽培槽后，隨著拉桿移動，重力角沿U型固定槽固定螺栓轉(zhuǎn)動，使其通過栽培槽底部，脫離接觸后，重力角受重力影響復位，當拉桿觸碰到限位開關(guān)后，電機停轉(zhuǎn)，如圖6（b）所示。

兩步為一工作循環(huán)，通過該循環(huán)方實現(xiàn)栽培槽遞進運動。

3 仿真分析

該機構(gòu)計劃安裝于單跨9.6 m，長40 m三折式雙跨Venlo（文洛型）型玻璃溫室內(nèi)，栽培槽支架布局為長35 m，根據(jù)最優(yōu)間距分布計算，共可分布246根栽培槽。根據(jù)確定的參數(shù)，對機構(gòu)進行SolidWorks三維建模，通過對模型進行分析，適當對結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化改進與改進，消除零件間干涉。

通過SolidWorks Simulation插件的靜力學分析模塊對其進行靜力學分析，確定工況下機構(gòu)受力情況及后期需要加強部位。設(shè)計的機構(gòu)主體材料屬性為6063鋁合金，重力角為硬質(zhì)PVC，通過查閱相關(guān)文獻資料，屬性如表1所示。

機構(gòu)為直線往復運動，最大工況為遞進運動進行瞬間，主要變形為拉伸變形，故重點對主動拉桿與從動拉桿的動能傳輸部位進行校核。將機構(gòu)中的螺栓與螺母定義為結(jié)合，對每個推頭施加一水平力，方向與拉桿運動方向相反，根據(jù)栽培槽摩擦因數(shù)與質(zhì)量，賦值為50 N，將拉桿底部進行滾動約束，對推頭與栽培槽接觸面進行固定約束，對機構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型設(shè)置成混合網(wǎng)格，雅克比系數(shù)為29，類型選取混合網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為10.223 mm。進行算例計算，得出機構(gòu)應力云圖，圖9為校核部位網(wǎng)格劃分與應力云圖。

結(jié)果顯示主動拉桿應力最大部位位于鏈條拉扣與主動拉桿固定處，最大值為71.91 MPa，從動拉桿應力最大部位位于空行程槽與銷軸接觸點，最大值為56.89 MPa，6063鋁合金總許用安全系數(shù)[n]取1.8，將仿真結(jié)果代入式（6）。

4 臺架試驗

為驗證機構(gòu)穩(wěn)定性與空間利用率，在廊坊市農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院及國家設(shè)施農(nóng)業(yè)研究中心永清基地展開相應試驗，根據(jù)文獻資料，為維持作物養(yǎng)分吸收效果，栽培槽長度選定為7 m，遞進速度控制選為20 mm/s，傳動裝置選取套筒滾子鏈傳動，電機選取JW7134三相異步電機，通過EDS1000-2S0015變頻器與WJNA80-5.2溫室專用減速機共同作用實現(xiàn)調(diào)速，將5根PVC方梁布置在定植階段，啟動機器，完整運行整個行程，通過TWIN-CAL IP67數(shù)顯卡尺分別測量不同階段的實際位移距離，測量方法如圖10所示。

分別測量栽培槽首部、中部與尾部，測量結(jié)果如表2所示。測量結(jié)果顯示各階段精度均高于96.4%。同時經(jīng)與相同種植面積下其他定植模式相比較，該機構(gòu)提高了傳統(tǒng)NFT模式定植的空間利用率，傳統(tǒng)等間距定植模式在35 m長度栽培區(qū)域內(nèi)可布置175行，而變距定植可達246行，空間利用率提高14.2%。

5 結(jié)論

1） 根據(jù)作物生長曲線設(shè)計的自動步進變距機構(gòu)，主要由主（從）動拉桿、重力角、空行程槽、電控裝置等部分組成，可實現(xiàn)作物栽培槽的自動變距與遞進運動，顯著的提高栽培面積的空間利用率。

2） 在專業(yè)NFT栽培苗床上開展定植與運行性能試驗，結(jié)果表明：機構(gòu)的遞進位置精準度可達到96.4%以上，且機構(gòu)運行平穩(wěn)，驗證設(shè)計與優(yōu)化的可行性。

3） 機構(gòu)在運行過程中發(fā)現(xiàn)一些不足之處：如機構(gòu)的步進速度選取不明確，速度過大，苗株易從栽培孔中脫落，需針對此問題展開深入研究。同時機構(gòu)重力角回落時噪聲大，重力角質(zhì)心位置與旋轉(zhuǎn)中心過近，運行過程中存在死點可能。

4） 另外機構(gòu)在設(shè)計分析時未考慮零件精度、裝配誤差等因素的影響，如添加這些因素，約束、接觸力、應變等關(guān)鍵參數(shù)會有所變化，具體變化數(shù)值，有待后續(xù)深入研究。

參 考 文 獻

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