自动覆膜控温移动苗床的设计

材料等整个大环境进行加热，能耗大、运行成本高[3，4]；二是苗床上塑料薄膜的覆盖、揭开过程依靠人工完成，工作量大且易损伤幼苗；三是温室大环境温度只能满足一种作物育苗温度条件，造成空间、能源浪费。

为此，本研究提出了构建基于移动苗床的温室“小环境”解决方案——自动覆膜控温移动苗床，即通过研发移动苗床拱棚装置、加热隔热系统，建立苗床及作物的独立加热保温小环境，降低劳动强度、提高作业效率、实现节能降耗。自动覆膜控温移动苗床作为工厂化育苗过程中的新型装备，为工厂化育苗柔性化生产提供了便利，可针对不同种苗的农艺要求在同一温室内实现集群管理。

1 自动覆膜控温移动苗床的总体设计方案

自动覆膜控温移动苗床自动卷覆膜机的总体结构如图1所示。

塑料薄膜安装示意图见图2。从图2可以看出，自动覆膜机卷管安装在靠近支架顶端的一侧，双层塑料薄膜的一端通过透明胶带固定在卷管轴线上。缠绕数圈后分别向支架两侧引出左、右单层薄膜，牵引杆用压膜卡固定在左、右单层薄膜末端，牵引杆两端安装滚轮，牵引着塑料薄膜沿着支架斜面上下滚动。

屋脊型支架棚肩的内侧安装与卷管轴线平行的导向杆，对完全覆盖的塑料薄膜起到张紧作用，使塑料薄膜覆盖面与支架构形一致。

管状电机安装在苗床端部卷管空腔中，固定好卷管和管状电机输出轴，每段卷管通过传动轴连接，使所有卷管同步转动，通过控制电机正反转动方向，实现薄膜的卷收和覆盖，电机行程可以调整，保证卷收薄膜后与空气接触面尽可能大，覆盖薄膜后完全密封。

2 自动覆膜控温移动苗床主要零部件设计

2.1 支架结构设计

支架由镀锌薄钢板折弯而成，宽度与移动苗床的内宽一致，呈屋脊形结构，以利于塑料薄膜内面的凝聚水珠沿膜面向两侧滑落，避免露滴久留或滴落[5]。支架左右两侧的棚肩用于保证作物生长所需的空间高度。

相对于其材料尺寸而言，支架属于大跨度柔性结构，因此在设计校核时需重点进行结构刚度分析。以16 m×1.75 m的苗床为例，确定支架的间隔距离为4 050 mm，末端间隔3 580 mm，数量为5个，支架的宽度为1 680 mm，深度140 mm，脊高716 mm，肩高分别为220 mm和240 mm，在Ansys中建立三维模型[5]，设定Shell 63单元实常数即支架板厚为1.5 mm，如表1、图3至图6所示，加筋支架最大变形量和最大应力均小于未加筋支架，为保证自动覆膜机稳定运行，优先选择加筋支架。

2.2 牵引杆校核

牵引杆是自动卷覆膜机的重要组成部分，其对薄膜起到牵引、张紧作用。为保证在潮湿环境下牵引杆能顺利下滑，避免过重造成塑料薄膜的破损或者蠕变，采用了钢制牵引杆，其截面为圆环形，直径22 mm，壁厚1.2 mm，每段4 m。

在Ansys中建立三维模型，选择Shell 63单元类型，设置Q235材料属性，采用映射网格划分得到有限元模型[6]。约束两端面的Y向位移自由度，忽略牵引杆上塑料薄膜的重量，加载重力场后求解，计算得到牵引杆的最大变形量为6.5 mm，小于支架顶面与导向杆间的设计间隙，即覆收薄膜时牵引杆可以顺利越过支架的棚肩处，其结构刚度可满足设计要求。牵引杆X向变形图见图7。

3 自动覆膜控温移动苗床温控系统设计

3.1 仪器和材料

温控器采用鑫动8802系列（明装）旋钮电子式，型号为8802/16WD，额定电压220 V，频率50 Hz，额定电流16 A，额定功率3 kW，温控容差 ±0.7 ℃，温控范围10～60 ℃，温度传感器采用外置式。

电热膜为韩国考利亚远红外线电热膜，功率密度220 W/m2，最高加热温度可达50 ℃。交流接触器型号为CJ-40，适应电压220 V、电流20 A。

3.2 电热膜的制作、铺设和温控器的安装

以试验所用苗床为例，裁剪4块7.5 m×0.8 m规格的电热膜，安装纯铜卡子并固定，然后接2.5平方国标电源线，用胶泥和布基胶带分别做两次防水处理。温控器设置在苗床两端。电热膜、交流接触器和温控器接线原理如图8所示[7]。

苗床垫层共分为5层，从下至上安装过程如图9。首先铺设厚30 mm的棉垫，并粘贴一面附有锡箔纸的保温材料，作为隔热反射层，隔绝内外热交换，随后铺设远红外线电热膜，其上覆盖防水塑料薄膜，最后铺设无纺布压实。隔热层接口与电热膜均用锡箔胶带固定。

4 能耗试验及分析

4.1 材料与方法

试验育苗容器选用70孔绿色软塑料穴盘，育苗基质为90%泥炭与10%珍珠岩混合物[8]，试验农作物为江城薯尖扦插苗，种苗数量为9 660株。

首先用粉碎机粉碎基质，提前1 d喷水备用，对场地进行整理消毒，育苗基质中加入杀菌剂[9]，混合均匀，再淋水调节水分含量，直到手轻握成团手指间有滴水，最后将混合好的基质装入育苗穴盘中，用木板刮平。

试验方法：将装好营养基质的穴盘准备好后扦插薯尖扦插苗，并整体移至苗床上，设置育苗棚内加热温度在20 ℃左右，盖膜保温，每天10：00浇水、施肥、施药等操作，4 d后每天10：00～11：00对育苗棚进行适当通风降温，防幼苗徒长，促根茎长壮[10]。

4.2 结果与分析

试验于2014年1～2月进行，共两批，试验期间每日环境最高温度、最低温度、苗床设定温度与耗电量的变化曲线如图10和图11所示，基本信息如表2所示。

湖北省维尔福种苗有限公司目前育苗成活率在70%左右，单株苗加热成本为0.15元，本设计的育苗成活率为99%，较维尔福种苗有限公司的育苗成活率提高29%，电费按0.8元/kW·h计算，第一、二批试验折合单株苗加热成本分别为0.042、0.046元，单株苗加热成本降低69%以上。

5 小结

本研究提出了构建基于移动苗床的温室“小环境”解决方案。根据育苗作业的实际需求，结合移动苗床的结构特点，设计了自动卷覆膜机、自动控温系统，建立苗床及作物的独立加热保温小环境，与湖北省维尔福种苗有限公司相比育苗成活率可提高29%，单株苗加热成本降低69%以上，可有效提高作业效率，实现节能降耗，具有较高的经济效益和推广价值。

参考文献：

[1] 戴有华，陈志明，刘永华，等.基于Solidworks的移动苗床架设计与应用[J].中国农机化，2011（6）：91-94.

[2] 李宝筏.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[3] 马 丹，须 辉，韩亚东，等.日光温室专用燃煤热风炉加温效果分析[J].农业工程技术（温室园艺），2007（5）：13-14.

[4] 孙淑钧.温室加温系统及存在问题[J].中国花卉园艺，2012（4）：48-49.

[5] 王双喜.设施农业装备[M].北京：中国农业大学出版社，2010.

[6] 博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[7] 巩星花，成筱琴.远红外线低温辐射电热膜地暖施工控制[J].山西建筑，2011，37（12）：137.

[8] 崔秀敏，王秀峰.蔬菜育苗基质及其研究进展[J].天津农业科学，2001，7（1）：37-42.

[9] 郝瑞敏.北方温室大棚冬春茬番茄栽培技术[J].上海蔬菜，2009（2）：30-31.

[10]束海刚，尹元拴，王美丽，等.网棚扦插育苗繁殖马铃薯脱毒微型种薯技术[J].种子科技，2013，21（2）：114-115.

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