朱春燕，陳 吉，俞志軒，顧小小，衛(wèi)超婷，李長(zhǎng)興（.上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海 006；.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所，上海0808 ）

上海市民素來(lái)喜食綠葉菜，綠葉菜已經(jīng)成為本市蔬菜消費(fèi)中重要的一類，是蔬菜產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。由于綠葉菜生產(chǎn)種類多、周期短、茬次密、耗工高，且產(chǎn)品具有易腐爛、怕擠壓、容重小等特點(diǎn)，上海市綠葉菜60% 以上為地產(chǎn)地銷。在上海市劃定的50.18 萬(wàn)畝（3.35 萬(wàn)hm2）菜田中一半以上種植綠葉菜，由此可見(jiàn)，綠葉菜在上海市蔬菜生產(chǎn)中具有重要地位和作用。2019 年上海市蔬菜消費(fèi)總量620 萬(wàn)t，其中綠葉菜消費(fèi)量160萬(wàn)t。2019年地產(chǎn)蔬菜上市量246.5萬(wàn)t[1]，占全市蔬菜總消費(fèi)量40%，其中綠葉菜上市量131.4 萬(wàn)t，占全市綠葉菜總消費(fèi)量82.5%。

目前蔬菜的生產(chǎn)模式主要有露地土壤栽培和設(shè)施土壤栽培兩種。截止2016 年，上海溫室占地面積618 hm2，單體大棚占地面積13337 hm2（數(shù)據(jù)來(lái)源：上海市第三次農(nóng)業(yè)普查公報(bào)）。為了確保穩(wěn)定生產(chǎn)和周年供應(yīng)，本市綠葉菜生產(chǎn)主要以設(shè)施土壤栽培為主，在傳統(tǒng)8 m 大棚或通用連棟溫室內(nèi)進(jìn)行綠葉菜的生產(chǎn)種植。為解決蔬菜生產(chǎn)用工難、用工貴問(wèn)題，上海市大力推進(jìn)蔬菜生產(chǎn)“機(jī)器換人”，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科技裝備水平，同時(shí)啟動(dòng)現(xiàn)有設(shè)施宜機(jī)化改造工程，例如擴(kuò)大山墻面開(kāi)門尺寸，山墻面處增設(shè)過(guò)溝板，加長(zhǎng)棚體長(zhǎng)度等，努力為蔬菜穩(wěn)生產(chǎn)、提效率、降成本、增效益提供重要保障。提高綠葉菜種植茬次、優(yōu)化綠葉菜栽培模式、提升綠葉菜管理智能化等能實(shí)現(xiàn)綠葉菜多茬高效栽培模式，同時(shí)也能緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員短缺的問(wèn)題。著眼于綠葉菜生產(chǎn)全過(guò)程，以設(shè)施環(huán)境（光、溫、濕、氣、肥、水）為需求導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；诰G葉菜冠層特點(diǎn)、生長(zhǎng)需求、生理要求和生產(chǎn)機(jī)械化、智能化等要求，以提升土地利用率和生產(chǎn)效率、提高各類生產(chǎn)裝備的適應(yīng)性和適用性為目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)綠葉菜專用溫室。大跨度溫室結(jié)構(gòu)滿足設(shè)施大型化、機(jī)械化作業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)。雙層幕簾，頂、側(cè)通風(fēng)，肥水藥系統(tǒng)等配套實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境因子調(diào)控，溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)控管理,實(shí)現(xiàn)溫室自動(dòng)化管理,提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到綠葉菜生產(chǎn)全過(guò)程智能化管理目的。綠葉菜專用溫室由溫室框架，內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)，肥水藥一體化系統(tǒng)，溫室控制系統(tǒng)等組成。

框架設(shè)計(jì)

溫室采用天溝連接多跨連棟結(jié)構(gòu)，由基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、移門、電動(dòng)頂、側(cè)卷膜等組成?；A(chǔ)是溫室立柱下不連續(xù)的承受上部結(jié)構(gòu)作用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是溫室結(jié)構(gòu)不可缺少的組成部分。考慮未來(lái)生產(chǎn)種植環(huán)節(jié)的無(wú)人化作業(yè)，為智能化農(nóng)機(jī)裝備提供優(yōu)良的作業(yè)環(huán)境，溫室四周與中間設(shè)計(jì)不同的基礎(chǔ)形式。四周基礎(chǔ)樁高出基準(zhǔn)面200 mm，與圈梁頂面平齊；中間基礎(chǔ)樁低于基準(zhǔn)面200 mm，以避免機(jī)具在溫室內(nèi)作業(yè)與基礎(chǔ)產(chǎn)生的干涉與碰撞情況。溫室基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆獨(dú)立式矩形或圓形混凝土柱樁，配縱向筋和箍筋；與立柱采用法蘭連接，這樣能保證達(dá)到溫室承載的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確保溫室基礎(chǔ)質(zhì)量，從根本上保證溫室的制造安裝質(zhì)量。圈梁采用鋼筋混凝土條形結(jié)構(gòu)，選用強(qiáng)度等級(jí)≥C25 的混凝土。散水需現(xiàn)場(chǎng)澆筑，采用強(qiáng)度等級(jí)≥C20 的混凝土，底部整平夯實(shí)，與四周圈梁緊密相接。

溫室采用雙拱頂桁架、4 m 開(kāi)間的主體結(jié)構(gòu)，主要由立柱、主副拱、頂縱梁、端面立桿、水平橫梁、桁架、天溝等組成。溫室跨度方向采用橫向桁架，加強(qiáng)溫室主體框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。立柱間距4 m，立柱之間由天溝連接，形成大面積種植區(qū)域。根據(jù)種植區(qū)域作業(yè)模式，確定開(kāi)門位置。參照拖拉機(jī)、農(nóng)機(jī)具外形尺寸，確定移門尺寸，門框采用鋁合金型材，表面為薄膜覆蓋，門上部安裝滾輪。溫室頂部設(shè)置頂卷膜，四周設(shè)置側(cè)卷膜，形成溫室通風(fēng)口。

內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)主要由動(dòng)力傳動(dòng)部分和幕簾組成。動(dòng)力傳動(dòng)部分采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、行走準(zhǔn)確、控制面積大等特點(diǎn)。遮陽(yáng)、保溫系統(tǒng)選用A 型齒輪齒條拉幕系統(tǒng)，主要由減速器、驅(qū)動(dòng)軸、動(dòng)膜拉桿、推桿、幕簾、齒輪齒條、壓膜卡、導(dǎo)向卡、支撐滾輪、托壓膜線等組成。工作時(shí)，減速器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪齒條做直線運(yùn)動(dòng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)了齒條的直線行走，推桿由支撐滾輪支撐，利用齒條推桿接頭與齒條相連。動(dòng)膜拉桿用大導(dǎo)向卡導(dǎo)向，由拉桿夾和推桿導(dǎo)桿連接卡組成十字連接件相連固定在推桿上。幕簾通過(guò)壓膜卡固定在多組動(dòng)膜拉桿上。當(dāng)減速器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著推桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，幕簾隨著動(dòng)膜拉桿做展開(kāi)、收攏運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)幕簾的開(kāi)啟和閉合。

大面積拉幕系統(tǒng)動(dòng)力主要由電力提供。根據(jù)減速器廠家建議及筆者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，若控制單元面積≤2500 m2時(shí)，選擇的減速器功率約為550 W。面積≤3500 m2時(shí)，選擇的減速器功率約為750 W。拉幕速度不宜過(guò)快，以免影響拉幕整齊度。拉幕速度過(guò)快，幕簾收攏時(shí)，容易疊合、纏繞。一般拉幕速度控制在0.5～0.8 m/min[2]比較合適。

幕簾可根據(jù)當(dāng)?shù)毓庹諚l件和種植作物的生長(zhǎng)要求進(jìn)行選擇，選擇遮陽(yáng)率、保溫率適合的幕簾。常見(jiàn)的幕簾有鋁箔、透氣鋁箔、薄膜遮陽(yáng)幕，高透光保溫幕，鋁箔、薄膜避光幕等。托壓膜線多為L(zhǎng)S 聚酯線。

肥水藥一體化系統(tǒng)

肥水藥一體化系統(tǒng)是在水肥一體化技術(shù)之上增加打藥功能，是灌溉、施肥與打藥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。借助壓力系統(tǒng)，將可溶性或液體肥料、藥劑，按作物生長(zhǎng)所需與灌溉水配兌，通過(guò)管道、噴頭形成噴灌。肥水藥一體化系統(tǒng)通常包括水源工程、首部系統(tǒng)、微噴系統(tǒng)等。溫室安裝地塊附近的河道、水庫(kù)等均可作為水源，只要水質(zhì)符合灌溉要求，均可作為灌溉水源。首部系統(tǒng)是肥水藥一體化系統(tǒng)的控制中心，驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)度，包括水泵、過(guò)濾器、施肥機(jī)和自動(dòng)化控制設(shè)備等組成。微噴系統(tǒng)采用吊掛微噴形式，根據(jù)作物種植模式進(jìn)行灌溉管道和噴頭的選擇和布局。

溫室控制系統(tǒng)

溫室控制系統(tǒng)主要是對(duì)溫室內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫、四周側(cè)卷膜、頂部卷膜等部分進(jìn)行電氣控制，具有熱過(guò)載和斷路雙重保護(hù)，所有控制回路和指令電器均采用交流24 V，具有標(biāo)準(zhǔn)的接地體裝置?？刂葡鋬?nèi)裝配有幕簾展開(kāi)與合攏，頂、側(cè)卷膜展開(kāi)與收攏兩套接觸器件，既可手動(dòng)，又可通過(guò)安裝在減速器內(nèi)的行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停，限位準(zhǔn)確，使溫室配套系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

設(shè)計(jì)案例

項(xiàng)目名稱

上海市科技興農(nóng)創(chuàng)新項(xiàng)目“設(shè)施綠葉蔬菜智能化生產(chǎn)裝備技術(shù)集成示范”。

基本情況

根據(jù)項(xiàng)目要求，建造1 座1 hm2綠葉菜專用溫室。位置在崇明區(qū)長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)附近，要求承受10 級(jí)風(fēng)載，所建地塊為長(zhǎng)方形，北側(cè)有河道及泵房設(shè)施。

規(guī)劃樣式

結(jié)合地塊特點(diǎn)、周邊環(huán)境及所建溫室的配套裝備，設(shè)計(jì)用于設(shè)施綠葉菜智能化生產(chǎn)種植的綠葉菜專用溫室，占地面積9264 m2。溫室由1 個(gè)種植區(qū)域和2 個(gè)隔間區(qū)域組成，見(jiàn)圖1。種植區(qū)域占地9072 m2，9 連棟×21 間；隔間96 m2，1連棟×2 間。2 個(gè)隔間分別位于種植區(qū)域的西北角和東南角，隔間和種植區(qū)域設(shè)置單開(kāi)移門。

圖1 溫室平面圖/mm

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室主要參數(shù)

高效利用地塊面積，結(jié)合綠葉菜生產(chǎn)要求，確定溫室跨度12 m，間距4 m，肩高4 m，頂高5.7 m，溫室屋頂設(shè)計(jì)矢高1.7 m，見(jiàn)圖2。通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，滿足承受風(fēng)載≥0.55 kN/m2，滿足承受雪載≥0.25 kN/m2。溫室的四周與中間設(shè)計(jì)不同形式的基礎(chǔ)，四周基礎(chǔ)見(jiàn)圖3，中間基礎(chǔ)見(jiàn)圖4?；A(chǔ)混凝土強(qiáng)度C25，承載力特征值80 kPa。

圖2 溫室端面圖/mm

圖3 四周基礎(chǔ)（標(biāo)高單位為m，其他為mm）

圖4 中間基礎(chǔ)（標(biāo)高單位為m，其他為mm）

主體框架

溫室框架采用雙圓拱頂結(jié)構(gòu)。周邊立柱和中間立柱都采用120 mm×60 mm×3 mm 矩形管，立柱與基礎(chǔ)采用螺栓連接方式，即基礎(chǔ)中預(yù)埋螺栓，與焊接在立柱底部的底板連接。溫室主拱采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，主拱與主拱、主拱與立柱的連接形式均為法蘭連接。主拱間距4 m，在兩主拱之間增設(shè)三道副拱，間距1 m，副拱采用φ32 mm×1.5 mm 熱鍍鋅鋼管。溫室12 m跨度方向設(shè)計(jì)橫向桁架結(jié)構(gòu)，桁架高度700 mm，桁架的弦桿采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，桁架直腹桿采用60 mm×40 mm×2.5 mm，中間加強(qiáng)桿采用φ16 mm 圓鋼。頂部縱梁采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，通過(guò)L 形連接板用螺栓固定于拱桿。天溝采用2 mm 熱軋鋼板沖壓成型并熱浸鍍鋅，利用支托架、管卡座等用螺栓固定于拱桿、立柱。種植區(qū)域每一跨頂部設(shè)置雙向電動(dòng)卷膜，卷膜尺寸1.2 m。隔間區(qū)域頂部采用黑白膜覆頂。根據(jù)溫室規(guī)劃樣式，設(shè)5 套門，在種植區(qū)域東西中間處的南端設(shè)置3 m×3 m 雙開(kāi)移門1 套，2 個(gè)隔間與種植區(qū)域相連處以及隔間內(nèi)分別設(shè)置2.2 m×2.5 m 單移門，共4 套。種植區(qū)域四周設(shè)置電動(dòng)側(cè)卷膜，隔間非開(kāi)門處設(shè)置手動(dòng)側(cè)卷膜，卷膜高度均為2 m。溫室安裝中均選用性能等級(jí)8.8 的高強(qiáng)度螺栓，從而保證溫室主體框架的穩(wěn)定和可靠。

內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)

根據(jù)綠葉菜生長(zhǎng)要求，在種植區(qū)域設(shè)置齒輪齒條式內(nèi)遮陽(yáng)和內(nèi)保溫系統(tǒng)。種植區(qū)域面積9072 m2，9 連棟×21 間，按照減速器使用面積要求，對(duì)種植區(qū)域進(jìn)行適度分區(qū)。以跨度為方向，分為3 區(qū)，即每區(qū)為3 連棟×21 間，面積3024 m2，每區(qū)可獨(dú)立控制傳動(dòng)系統(tǒng)。按照所分區(qū)域的面積，動(dòng)力選用上海浦東行傳機(jī)械制造有限公司的DWXC-80 型減速器，功率750 W，速比500:1。借用溫室桁架結(jié)構(gòu)，將內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)安裝于桁架上弦桿處、內(nèi)保溫系統(tǒng)安裝于桁架下弦桿處。U 型螺絲將托壓膜線固定梁固定于溫室端面，連接座將斜撐連接于溫室立柱與托壓膜線固定梁之間，以加固溫室端面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。按區(qū)設(shè)計(jì)，每區(qū)的內(nèi)遮陽(yáng)和內(nèi)保溫系統(tǒng)由2 個(gè)減速器分別控制，見(jiàn)圖5。減速器固定于桁架弦桿連接驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸選用33 mm×3.25 mm 鍍鋅鋼管。通過(guò)固定在弦桿上的A 型拉膜齒輪（反向耳式），驅(qū)動(dòng)軸依次與齒條、推桿，動(dòng)膜拉桿等零件相連，見(jiàn)圖6。根據(jù)溫室框架參數(shù)，設(shè)計(jì)推桿長(zhǎng)度4060 mm，動(dòng)膜拉桿長(zhǎng)度6060 mm，齒條長(zhǎng)度3965 mm。

圖5 內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫電機(jī)布置圖

圖6 內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)示意圖

驅(qū)動(dòng)軸尺寸33 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速5.2 r/min，通過(guò)計(jì)算，得出幕簾行走速度v。

v=πdn=3.14×33÷1000×5.2=0.54 m/min

幕簾速度v在0.5～0.8 m/min，滿足設(shè)計(jì)要求。

內(nèi)遮陽(yáng)幕簾選用ANS20 系列，內(nèi)保溫幕簾選用ANS65 系列，利用φ19 mm 壓膜卡沿跨度方向按1 m 間隔固定于動(dòng)膜桿，φ19 mm 大導(dǎo)向卡與壓膜卡間隔1 m 安裝。托壓膜線選用進(jìn)口白色聚酯線，托膜線間隔500 mm、壓膜線間隔1000 mm，固定在同一截面內(nèi)，幕簾平整鋪放托壓膜線之間。用扎線將幕簾固定端綁扎在橫梁上，間距250 mm，注意綁扎力度。在每區(qū)相交區(qū)域設(shè)置幕簾密封兜，密封兜的作用是將兩區(qū)兩側(cè)垂下的幕簾托起、兜住，密封兜長(zhǎng)度與幕簾覆蓋區(qū)域長(zhǎng)度相同，為84 m。將支架板以8 m 間隔安裝在桁架下弦桿和立柱上，形成密封兜框架，用自攻螺釘?shù)葘NS20 幕簾包裹其上，形成密封兜。

肥水藥一體化系統(tǒng)

根據(jù)溫室安裝地塊的河道位置，將肥水藥一體化系統(tǒng)首部置于溫室西北角隔間，并對(duì)原有泵房進(jìn)行改造，利用過(guò)濾器等將河道水處理成可用的灌溉水。為了避免肥和藥在同一主管中產(chǎn)生不良化學(xué)反應(yīng)以及對(duì)管道壁產(chǎn)生的腐蝕性，因此首部系統(tǒng)設(shè)計(jì)肥、藥分別通過(guò)兩根主管輸送至支管。其工作原理是經(jīng)砂石過(guò)濾器、疊片過(guò)濾器充分過(guò)濾的水源分別通過(guò)兩根主管，一根供往儲(chǔ)水罐再經(jīng)打藥泵混合藥劑用于打藥；另一根經(jīng)施肥機(jī)混合肥料用于施肥。兩根主管對(duì)應(yīng)相同的支管和末端灌水器，完成種植區(qū)域的打藥、施肥、灑水作業(yè)。首部系統(tǒng)選用國(guó)興農(nóng)FERTIKID-CH-040 系列施肥機(jī)，由控制系統(tǒng)、吸肥通道、文丘里管網(wǎng)、浮子流量計(jì)、EC/pH傳感器等組成，具體技術(shù)參數(shù)是工作電壓380 V，額定功率1.5 kW，吸肥通道4 個(gè)，通道肥量為單通道0～600 L。根據(jù)綠葉菜種植模式及生產(chǎn)管理特點(diǎn)，微噴系統(tǒng)地下部分設(shè)計(jì)水肥、藥兩路主管，微噴水肥主管采用U-PVCφ90 mm 給水管道，微噴藥主管采用U-PVCφ75 mm 給水管道。微噴系統(tǒng)地上部分設(shè)計(jì)一套管路，采用吊掛微噴，跨度方向間隔2 m 布置PEφ20 mm 支管，間距方向間隔2 m安裝旋轉(zhuǎn)噴頭，噴頭流量為60 L/h，見(jiàn)圖7。為了保證溫室配套設(shè)施控制的一致性，肥水藥一體化系統(tǒng)采用與內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)保溫一樣的分區(qū)法，同時(shí)考慮到溫室長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此長(zhǎng)度方向分東、西兩區(qū)進(jìn)行控制，即每3 跨，東西兩邊各布置清水電磁閥和噴藥電磁閥進(jìn)行肥水藥系統(tǒng)控制。

圖7 溫室內(nèi)灌溉平面圖

溫室控制系統(tǒng)

每跨溫室頂部設(shè)置雙向頂卷膜，即一拱一頂卷膜，共計(jì)頂卷膜36 組，一組頂卷膜配一個(gè)電機(jī)，則溫室頂卷膜36 組配36 個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制。頂卷膜卷膜行程1.2 m，長(zhǎng)度84 m，直流電機(jī)參數(shù)24 V，120 W。內(nèi)遮陽(yáng)和內(nèi)保溫分別控制，且單層分3區(qū)獨(dú)立控制，則溫室內(nèi)遮陽(yáng)內(nèi)保溫配6 個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制，交流電機(jī)參數(shù)380 V，750 W。四周側(cè)卷膜分4 個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制，直流電機(jī)參數(shù)24 V，120 W，見(jiàn)圖8。溫室控制系統(tǒng)控制柜根據(jù)各配套設(shè)施控制方式進(jìn)行接線布局，在手動(dòng)模式情況下，旋動(dòng)旋鈕實(shí)現(xiàn)各部分的打開(kāi)、收攏動(dòng)作。自動(dòng)模式下可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控溫室內(nèi)各配套設(shè)施作業(yè)狀態(tài)。本項(xiàng)目于2021 年5 月完工，經(jīng)受了7 月“煙花”（12 級(jí)以上）、9 月“燦都”（12 級(jí)以上）強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，證實(shí)設(shè)計(jì)合理可靠。

圖8 電機(jī)布置圖

總結(jié)

綠葉菜專用溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)及配套設(shè)施設(shè)計(jì)是以種植模式、機(jī)械操作、生產(chǎn)管理為依據(jù)，相較于傳統(tǒng)溫室，它更具有針對(duì)性，在設(shè)施機(jī)械適應(yīng)性、智能化程度等方面有較大提升，提高了生產(chǎn)設(shè)施、生產(chǎn)技術(shù)和模式、農(nóng)業(yè)機(jī)械和裝備之間的融合性，可作為綠葉菜專用溫室進(jìn)行推廣使用。