连栋温室省力采摘运输车的研发

张艳红+郭建业+张岚+董艳华+潘张磊

【摘要】 连栋温室蔬菜生产逐步成为设施蔬菜创建高产、高效的重要生产方式。研发的省力采摘运输车适用于规模化、标准化的无土蔬菜栽培工厂。该设备由人工推动，通过轨道轮和行走轮可实现在轨道上轻松自由前后行走。同时也可以在地面上自由行走，实现了采摘运输车在轨道和地面间行走的自由转换。该设备可增加单次采摘运输量，减少成品装卸次数，提高作业效率，降低作业强度。

引言

设施蔬菜生产是北京市农业产业的主要组成部分，连栋温室生产已逐步成为设施蔬菜创建高产、高效的重要生产方式，但其配套机械化水平相对较低。北京小汤山特菜基地在2011年9月引进荷兰先进的番茄岩棉工厂化、洁净化生产模式，建成一座占地3500 m2的“番茄工厂”，即现代化连栋温室番茄工厂。在4年多的试验示范过程中，均采用国外的无限生长型品种，300多天的生长期内可以无限次结果，每周定期摘果，产量达到32 kg/m2。持续的高产和频繁的采摘期，使番茄的采摘和运输工作量大大增加。然而北京市的农业劳动力日益短缺，雇工难、雇工贵的现象日益加重，省力化生产成为“番茄工厂”实现高产高效急需解决的问题。为此，针对小汤山番茄生产基地连栋温室的具体结构，自主研究开发了省力采摘运輸车，更好地解决现代温室采摘环节机械化、省力化作业问题，以提高蔬菜产业机械化作业水平。

设计思想

在设备的研究开发过程中，无论总体方案的确定，还是主要零部件的结构设计和参数的选择，都遵循连栋温室番茄采摘和运输的农艺要求和应用方式。按照研究学习、自主开发的基本原则，充分考虑原材料的性能和规格、配件的性能和可靠性、产品批量生产的加工工艺性等因素，力求开发的产品经济适用、性能稳定。

连栋温室长125 m，跨度50 m，在番茄行间的地面上铺有间距0.5 m的双轨（图1）。当采摘番茄时，由于番茄种植行长，采摘人员需要多次将装满番茄的箱子搬到连栋温室一端。一个采摘箱装满番茄的重量约为20 kg，运输作业强度大，效率低。整个连栋温室有42行番茄，每次5个工人需要花费1天的时间来采摘果实，并且还要将番茄运到门口，劳动强度大。为此，省力采摘运输车主要实现以下3种功能：①能在已有轨道上灵活行走；②能够加大单次的运输量，减少采摘和运输时的装卸次数；

③能够同时实现轨道式和地面式2种运输方式，方便在行间和地面行走的自由转换。

设计目标

连栋温室内原有轨道外缘到外缘600 mm，轨道为外径52 mm的厚壁无缝钢管，既轨道中心距为600 mm-26 mm-26mm=548mm，故省力采摘运输车的轨道轮距为548 mm，可在轨道上自由前后移动行走。

采摘的果实使用塑料箱盛放，塑料箱长为600 mm，宽为400 mm，高度有150、200、240、320 mm等不同尺寸。根据塑料箱规格，运输车码箱区设计长度应大于2.4 m，宽度应大于0.4 m，高度应大于1.28 m，省力采摘运输车最大承载量为300 kg。

设计方案

构造

省力采摘运输车主要由行走底盘和托箱架两部分组成（图2～4）。底盘由厚壁矩管及槽型钢板焊接成矩形框架，框架上平行等距安装省力托辊，滚轴外径母线与框架上面共面。框架单侧倒装2个L型厚壁方管，方管上安装钢板制成的托盘，中间镂空，形成托箱架。框架前后两端安装倒U型推拉扶手。框架下方安装轨道行走轮及地面行走轮。轨道行走轮由前后2个轮轴、4个尼龙轮及轮轴支架构成，并在轮轴支架端水平安装4个轨道侧向辅助轮，以防推动运输车行走时偏离轨道。该地面行走轮包括地面行走主轮和地面行走辅轮。地面行走主轮由中间单轴、2个轮子及可拆卸支座构成，地面行走辅轮由4个万向轮组成，分别设置在框架的四角内侧。在地面行走时主要是行走主轮工作，万向轮辅助工作或不工作。

安装过程保证轨道行走轮母线和地面行走轮母线垂直距离为轨道的外直径尺寸（理论数值为轨道的外直径尺寸52 mm）。

工作原理

采摘作业时，省力采摘运输车可码放高度320 mm塑料箱16个、高度240 mm塑料箱20个、高度200 mm塑料箱24个、高度150 mm塑料箱32个。以码放6层24个塑料箱进行采摘作业为例，整个采摘码箱过程可分为五步完成。

第1步：采摘人员先码好24个空箱，将第1排的6个塑料箱放在托箱架上，腾空第1排的空间（图5）；第2步：拿取第2排的空箱逐个放在第1排的位置进行采摘塑料码箱（图6）；第3步：箱满之后，将第1排的箱子推到第2排位置，将第3排的空箱转移到第1排，然后再把1、2排的箱子推到下一排，腾出第1排的位置，重复第2步的操作（图7～8）；第4步：采摘人员换到采摘车的另一边，把3、4排的箱子推移到前一排，腾出第4排的位置，用第3排的箱子进行码箱，摘满之后推移到第3排（图9～11）；第5步：最后使用托箱架上的空箱进行摘果码箱，直到整个采摘运输车的所有箱子被摘满。采摘与码放方式可以首尾两端镜像一致（图12～13）。

相关主要参数的确定

省力采摘运输车的宽

由于番茄行间距为1.6 m，行走轨道间距为0.548 m，在满足自由行走的前提下，尽量减小省力采摘运输车的宽度，以增加行间的通过性，减少对番茄植株的损坏，故设计省力采摘运输车的宽度小于0.8 m。

省力采摘运输车的长

省力采摘运输车一次按4排码箱，并且果箱规格为长度600 mm，故采摘运输车的长至少为：4排×0.6 m=

2.4 m，考虑结构连接设计，省力采摘运输车底盘长约为2.5 m。

省力采摘运输车的高

根据省力采摘运输车承重量要求，以及考虑到取空箱时的方便性，省力采摘运输车的高度约为1.6 m（图14）。

结论

使用省力采摘运输车进行番茄采摘作业（图15），工人只需对番茄串（果）进行摘剪和码箱，轻轻辅以外力即可将满载番茄的省力采摘运输车沿轨道前后自由移动，由于承重托盘以平行辊轴组成，装满番茄的多层箱体可实现轻松换位移动。当省力采摘运输车装满箱时，可以轻松实现由轨道运输到地面运输方式的自由转换，方便了轨道到地面的运输转换工作。省力采摘运输车的投入使用，使原本5个工人1天的工作量现只需3 h就轻松的完成，效率提高了62.5%。