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   设施花卉防倒伏升降网架系统之研制






    

    摘 要

    本研究设计并研制一套设施花卉防倒伏升降网架系统,操控方式具半自动及全自动共四种搭配选择,可供设施菊花、洋桔梗、康乃馨等切花生产管理应用。系统采用AC220V/1hp 电动减速马达为动力源,以钢索悬吊承载网架,藉由马达正逆转带动钢索之收放,达到上升或下降的目的,可简化现行生产过程中,每一期作皆须辛苦与麻烦地进行ㄇ型杆、支撑网、滴灌管线之拆装、调整、搬移等工作,每分地约节省9.8工( 人日) 与19.9~33.0% 之生产成本。当花卉采收完成后,网架可举升至设施顶端,让栽培区形成净空,方便进行残株清理与机械整地、作畦工作;另每一畦沟上方亦可配置悬吊篮,辅助切花采收之搬运作业。

    关键字:网架系统、防倒伏、切花、设施。

    前 言

    我国近年來经济快速发展,生活水准大幅提升,国人消费型态亦随之改变,对于各類农产品的要求,已达质量并重、甚至质重于量的结果。由于花卉類产品消费量的增加,堪称是生活水准提高的象征,所以花农积极生产高品质的花卉,以迎合市场潮流的变迁与需求(5,7)。惟台湾气候属于亚热带及热带地区,气候变化大,对作物之生长发育有不利的影响,包括冬季寒流侵袭,夏季雷雨与台风之侵害等,均是具有危险性之气候逆境(2)。为了克服狂风、骤雨等影响,并提高品质与稳定生产,进而达到企业化经营,许多农友纷纷改采设施栽培,使得设施之应用愈趋普遍(7)。以菊花为例,一般大多为露天栽培,虽然生产成本较低且管理简便,但在产品品质、病虫害防治、产期控制及经营风险上均无法保障,故包括彰化县永靖乡、田尾乡及云林县虎尾镇、林内乡等地区之农友,逐步改变旧有栽培模式而转型为设施生产,以达到品质均一、缩短产期、增加产量、计画生产等优势(5,6)。而其他花卉作物也为了降低外在天候影响等原因,使用各類设施温网室进行栽培与管理。设施花卉之切花生产,对于植株的直立性要求极高,所以架设防倒伏支柱是有必要的措施。农民于花苗定植前,将铁丝网、塑胶绳或尼龍网平铺于畦面上,并用各類材质之ㄇ型杆或直杆予以固定,再随著作物长高而调整支撑网高度,尽量避免花茎弯曲或倒伏,以确保市场要求与商品价值(1)。其栽培管理流程相当繁复,每一期作皆包括田区整理、滴灌管线排列、支撑网铺设、固定杆竖立,以及收获后清园时之净空作业等。其中除了整地、作畦工作目前已有小型曳引机、耕耘机与中耕管理机可资应用外,其余工作项目几乎都是靠人力为之,相当辛苦与费工,亟需藉由机械化辅助或替代,以期降低人工需求。目前国外如荷蘭某生技公司之温室花卉生产农场,采用自动化设备与专业化生产菊花,并利用防倒伏固定网架,可随着菊花植栽之发育,自动调整适当高度,采收后可升高至顶端,以利机械整地作业(4);而韩国设施花卉生产也有類似之防倒伏装置供应用,其操作虽简便与省工时,但系以整栋温室为一个单位,且支撑杆架纵横交错,对于工作人员进出稍有妨碍。经查访国内花农需求、收集相关资料与规划评估后发现,设施切花生产流程中之滴灌管线排列、拆除与搬離,支撑网铺设、调整高度、卷收撤離,固定杆竖立、拔除与拆離等作业项,应可以机械化取代,并达成预期的目标。遂于2007至2008年间与台中县乌日乡协錱园艺设计有限公司办理产学合作计画,研发完成一套「设施花卉防倒伏升降网架系统」,可供设施菊花、洋桔梗、康乃馨等切花生产管理应用,期能扩大设施切花栽培面积与提升产业竞争力。兹针对该系统组成架构、性能规格与作业效能等简介如后,以供花农參考应用。

    材料与方法

    系统设计原则

    一、针对设施内生产切花为主之花卉作物栽培管理所需,以提升作业效率和降低操作辛勞为目的。

    二、传统人工作业流程相当繁复,且清园时须达到栽培区净空,故系统规划应以简化整体作业项目为前提。

    三、升降网架系统设计以每一栽培畦为单位,不可妨碍操作人员于畦沟内行走与工作。

    四、升降网架系统采机电整合应用,操控有多种选择或搭配模式,且应具备安全机制,降低危险。

    五、升降网架系统除供花卉防倒伏管理应用外,亦考虑兼用于其他作业需求,使其发挥最大功能。

    升降网架系统组装型式

    设施花卉防倒伏升降网架系统依据设计原则,采电动马达为动力源,安装于设施前或后侧顶端之适当位置。每一栽培畦上方设置一组长条型网架,宽度与畦面宽略同,并以钢索悬吊承载,以及連结至电动马达传动轴上,藉由马达正逆转來达到网架上升或下降的需求。另于每一栽培畦之中间位置( 畦沟上方) ,各组装一支C 型钢为悬吊轨道,供挂载搬运吊篮之用。

    试验设备与材料

    一、供试设备:研制完成之防倒伏升降网架系统,以及花农习用之支撑铁丝网( 长50× 宽1 m) 、ㄇ型杆( 宽1 m ,高105~110 cm) 等。25

    二、试验区域:彰化县永靖乡张姓农友之铔管塑胶布温室,温室长100 × 宽13.1 m ( 等分为前后二区,每区7 畦),择取前区左侧之4 畦(48 × 7.5 m)为试验区,后区左侧之4 畦为对照区。

    三、供试材料:菊花( 钻石品种) 。

    四、量测器材:码表( 电子式,精度0.01 sec) 、卷尺等。

    测试及调查项目

    一、防倒伏升降网架系统研制完成后,针对其作业性能、效率等加以试验调查,包含:系统动力源规格型式、传动减速比,网架升降操控方式、移动速率等。

    二、设施菊花生长速率调查:配合试验农户种植菊花时,于组装防倒伏升降网架之四栽培畦,每一畦概略区分为前、后2 段,每段随机择取4 列,每一列选择4 株花苗,共计128 株为试验植株。自花苗定植后约2~3 周起,至采收期开始为止,每隔一周量测株高( 自畦面至生长点之长度) ,计算其平均值。

    三、机械与人工作业效率比较:试验区以升降网架系统辅助作业,而对照区则依照试验农户惯行之生产方式进行,记錄调查二区域之作业时间,并换算比较每分地、每期作之作业效率差異。

    四、成本估算与理論探讨:一般农机作业成本之计算主要包括折旧(D) 、利息(I)之固定成本,以及修理维护(M) 、油料(F)、工资(L)等变动成本,每年作业成本为前述五项成本之总和;若估算每公顷(A1) 的作业成本(Ca1) ,则计算方式如公式一所示(3)。本升降网架系统系提供给设施花卉生产管理应用,其单位面积以每分地(A2) 计算较适宜;另采用电动马达驱动,需要耗费电力(E)成本,而传动机组与钢索亦需润滑油脂,但用量少、花费低,故直接并入电力费用计算即可,所以单位面积的作业成本(Ca2),由电力费用(E) 取代油料(F),如公式二所示。又人工作业亦需要使用支撑铁丝网与ㄇ型杆等物件,所以其成本估算也包括折旧、利息、修理维护及工资,只差没有油电支出而已。公式一:Ca1=(D+I +M +F +L) / A1= [ P(1 -α ) / N +P . i(1+ α ) / 2 +P . Cr / N+f . Hp. H +Lc. H ] / A 1公式二:Ca2=(D+I +M +E +L) / A2= [ P(1 -α ) / N +P . i(1+ α ) / 2 +P . Cr / N+e . Kw. H +Lc. H ] / A 2其中A 1:作业面积(ha / year)A 2:作业面积(10a / year)Ca1:一般农机作业成本(NT$ / ha)Ca2:升降网架系统作业成本(NT$ / 10a)Cr :总维修费用与购入价格比值,通常为50%e :单位电力费用(NT$ / kw.hr)f :单位燃油与润滑油费用(NT$ / hp .hr)H :作业时间(hr / year)Hp :机械之马力數(hp)i :年利率,以目前农机低利贷款利率为1.5%26Kw :系统耗电功率(kw)Lc :操作工资(NT$ / hr),升降网架系统仅1 名人工即可N :使用年限(year)P :设备购入价格(NT$)α :设备报废时残留价格与购入价格比值,通常为10%

    结果与讨论

    一、研制完成之设施花卉防倒伏升降网架系统,可适用于设施温网室切花生产管理与采收搬运作业,其外观型式如图一所示,而主要组成架构包括:

    ( 一) 动力源与传动机构:AC220V/1hp电动马达附减速齿輪箱( 减速比1/259) 为动力源,以钢索悬吊承载网架,经设施顶端定滑輪連接至马达传动轴上,藉由马达正逆转与卷轴钢索之收放,达到网架上升或下降的目的。经测试其上升速率约为0.83 m/min ,下降速率则因重力作用而稍为提高。

    ( 二) 支撑网架:以一般习用之支撑铁丝网加上圆管或方框而成,每一栽培畦上设置1 组,若采滴灌作业,则滴灌管可直接固定于该网架上。

    ( 三) 电气控制箱:双层面板形式,外层系防水、防尘之用;内层则包括电源、半自动与全自动选择之旋钮开关,网架上升或下降、紧急停止之按钮开关,以及灯号、电表等操作元件之配置。

    1. 电动马达与变速箱Electric motor & Transmission box2. 悬吊轨道Hanging rail3. 电控箱Controlling box4. 悬吊篮Hanging basket5. 防摇摆插管Tube of preventing swaying6. 安全脚座Safety pedestal7. 滴灌管线Drip irrigation pipes8. 栽培畦Ridge9. 网架Netting frame10.安全挂夹Safety clip11.钢索Wire rope27

    ( 四) 网架升降操控装置:设计有四种操控方式,其中电控箱按钮与遥控器是半自动作业,时间设定和红外线高度侦测则为全自动操作,可供花农依需求或习惯而装设使用。

    1. 电控箱按钮:于电控箱面板上,打开电源开关、选择旋钮开关至半自动位置后,即可借按钮开关启动马达运转,并间接带动网架升降。

    2. 遥控器:遥控接收器装设在电控箱内,藉由遥控发射器驱动马达带动网架升降,其作用原理与一般铁卷门升降方式類同,操作距離经实测大约为30 m。

    3. 时间设定:选择电控箱面板上旋钮开关至全自动位置,并设定电控箱内2 只定时器之马达启动与作动起迄时间,支撑网架即可在每天特定时间自动向上移动一小段预设的距離。通常为配合农业设施離峰用电,大多选择在夜晚进行。

    4. 红外线高度侦测:采用市面上常見装设于整排窗户边之遮断式保全装置,将2 组红外线发射、接收器组装于网架适当位置,采用交叉双线侦测模式,当作物长高并遮断红外线达一段时间( 或若干次數) 时,网架便自动向上举升一小段预设的距離;若红外线未被遮断,则无任何动作发生。此侦测启动也可如时间设定般,只在夜间进行。

    ( 五) 安全装置:区分为机械式与电控式二大部分,其中前者包括在每一组网架侧边( 近畦沟处) 安装简易伸缩套管式脚座、前后端设置防摇摆插管,以及网架举升至最高点之挂夹等,皆是预防马达运转失靈或钢索断裂而发生危险,并提高操作安全性;后者则于电气控制箱内装设回路保护开关、防雷击保护器,各项控制器也有独立欠相保护、过电流跳脱电驿,以及网架举升至最高点即切断电源等设计。

    ( 六) 畦间搬运装置:于每一栽培畦之中间位置( 畦沟上方),安装悬吊轨道与可拆卸式吊篮,该吊篮高度具调整功能,推、拉皆可操作,供采收作业时辅助搬运之用。惟操作时应尽量将负重平均放置于篮面,避免过度集中在单侧而影响吊篮移动。

    二、升降网架系统性能测试

    ( 一) 设施菊花生长速率试验调查结果:配合彰化县永靖乡张姓农户种植钻石品种菊花时,一并进行其生长速率之量测调查。当花苗定植后,每周量测试验植株的平均株高,调查结果如图二所示。其中该菊花株高曲率变化不大,亦即其生长势趋于一致,惟实际观察单株花卉时,靠近畦沟通道、水分灌溉较充分者,其生长速率较快;反之则较差。网架高度系花农依据栽培经验而调整与记錄的结果,但并非每周都需要调升。由于传统方式系农民于菊花生长期间,因避免过度耗费工时,故仅调高支撑网架2 或3 次,且多集中在生长中后期,可因应开花阶段,植株容易倒伏、茎部有弯曲现象等问题(1)。而使用升降网架之后,不需要藉由人力逐次进行繁琐的调整作业,仅需操作电控箱按钮或遥控器即可,整个生产期实际可进行6 次之多,对确保花茎直立性更有助益。若花农想要采行时间控制时,自第3 周至11周止,花茎共计长高76 cm ,平均每周增加9.5 cm 或每日1.4 cm ,可据此作为计时器设定之用。另红外线自动侦测模式之应用,则因成本考量,花农大多认为暂不需要。

    ( 二) 机械与人工作业效率比较结果:

    依据张姓农友之栽培习惯,若采滴灌作业,整个生产周期之管理流程依序是田区整理( 含整地、淹水、作畦)、滴灌管线布置( 含管线排列、与主管线衔接)、支撑网铺设、ㄇ形杆竖立、花苗定植、其他管理作业( 灌溉、施肥或喷药、巡视园区) 、支撑网上移以3 次计、切花采收、ㄇ形杆拆除与搬離、支撑网卷收与搬離、滴灌管线与主管线分離并撤離、残株清理等项目。其中田区整理、花苗定植、切花采收、残株清理无关机械与人工作业比较,且其他管理作业时间因生产者不同而有极大的差異,故不列入调查中,所以其每分地、每期作约需耗费81.0 hr。应用本升降网架系统辅助作业时,其流程变更为田区整理( 含整地、淹水、作畦) 、升降网架降至畦面( 滴灌管线固定于网架上) 、滴灌管线与主管线衔接、花苗定植、其他管理作业( 细项与前述张姓农友之栽培习惯相同) 、支撑网上移( 依花农个人喜好、习惯而定,次數可大于3 次) 、切花采收、滴灌管线与主管线分離、升降网架升至顶端、残株清理等。若同样不考虑田区整理等项目之作业时间,则只需花费2.4 hr,较传统作业方式节省78.6 hr,相当于97.0% 的人力需求。各工作项目作业时间如表一所示,而表中显示「-」者,系指该程序不须进行之意。可知,应用升降网架可取代人工与节省时间之作业项目包括:(1)ㄇ形杆竖立、拆除与搬运,(2)支撑网铺设、上移、卷收与搬运,(3)滴灌管线排列与搬运等,如果每工以8 hr 计,则升降网架系统每分地、每期作较传统人工约节省9.8工( 人日) 。

    ( 三) 机械成本估算与效益分析结果:

    成本估计为一种动态过程,许多条件随经济因素与社会环境而改变,所以在此并非探讨一成不变的作业成本,仅藉由既有公式加以分析,以作为本升降网架系统推广应用之參考。因此,当各项參數确定后,即可代入作业成本公式二:Ca2=(D+I +M +E +L) / A 2= [ P(1 -α ) / N +P . i(1+ α ) / 2 +P . Cr / N +e . Kw. H +Lc. H ] / A2 ,以计算出每分地、每期作的成本支出。由于升降网架系统购入价格(P)以合作厂商预估将來建置的金额,因需考虑四种操控装置选配之价格不同,其中电控箱按钮最便宜,而红外线高度侦测装置较昂贵,所以区分为系统(I) 25 万元及系统(II) 30 万元二种。使用年限(N) 皆以10年预估。每年作业面积(A2) 因建议每套系统建置的单位设施面积是1 分地(10 a) ,且每年以三期作为限,故以3 分地计算。总维修费用与购入价格比值(Cr) 设定为50% 。电力费用包括电力与钢索润滑费用,前者以电表实际量得的结果乘以单位电费,单位电费因用电多寡而采差别费率,且农业用电也有部分优惠计价,而本升降系统用电经周年显示仅约6 度,即便是加装红外线侦测装置,亦与电控箱按钮式差異不大;后者主要是避免钢索摩擦产生噪音而加以局部润滑,因所需數量极低,甚至可忽略不计,为避免繁复,年电力费用(E) 直接以每度电价5 元乘以6 度计算。作业时间(H) 每一期作花费2.4 hr,操作人员以一般男性雇工即可,其工资(Lc) 以1,000元/ 日计,则每小时125 元。各项數值详如表二所示,并导入作业成本计算公式中,则算出本升降网架系统每分地、每期作的作业成本(Ca2) 分别为系统(I) 12,665元与系统(II) 15,135 元。传统人工作业使用之铁丝网、ㄇ型杆,其购入单价分别以5,200元及120 元计,且经调查每分地约需要12卷铁丝网和240 支ㄇ型杆,则共计花费91,200 元。至于折旧、利率等假设30条件皆与升降网架系统相同,唯一因该二物件须经常与潮湿土壤接触及拆装、移动、堆叠等因素考量,所以使用年限仅以5 年计。经换算结果显示,传统人工作业每分地平均支出18,888 元,较升降网架系统(I)与系统(II) 分别增加6,223元、3,753元,相当于33.0% 和19.9%的生产成本,如表三所示。

    结 论

    一、完成一套电动马达驱动、悬吊钢索承载之设施花卉防倒伏升降网架系统,升降操控具有电控箱按钮、遥控器( 半自动) 及时间设定、红外线高度侦测( 全自动) 共四种搭配方式供选择应用,可解决传统人工作业低效率与费工时等问题,亦简化现行栽培管理流程与减轻花农勞力负荷,极具产业上利用性与商品价值。31

    二、本升降网架系统之构造简单、操作容易,且不会影响花农于畦沟内行走与管理、采收作业;为确保人员操作安全,设计有多项机械式与电控式安全装置,希望将危险降至最低;另清园时可将网架举升至设施顶端,让栽培区形成净空,方便后续进行残株清理与机械整地、作畦等工作。

    三、本升降网架系统每分地、每期作较传统人工作业可节省19.9~33.0%之生产成本,其中本文估算购入价格系于既有设施建置时的金额,但若花农搭建设施之同时就装设网架系统,二者便可相互分摊施工费用,自然搭建网架系统的价格可下降,而单位成本也较传统人工作业更为便宜且划算。

    建 议

    一、本升降网架系统除兼具花茎防倒伏支撑、悬吊篮辅助搬运等用途外,花农若有需求,未來亦可利用每一畦的网架框作为轨道,进行简易式花苗定植或定植前打洞机具之试验研制,以期获致更多机械化作业项目,使系统应用功能发挥至最大。

    二、本系统设计以1 hp 电动马达供给1 分地设施花卉防倒伏网架升降作业应用,依据试验结果显示,该马达每期作实际运转时间仅0.4 hr,使用频率甚低。未來拟修改朝向动力分流的作业方式,并兼用于设施内遮阴、侧窗开闭或其他环控设备之作动需求,使其应用范围更宽广与多元,而生产成本也可再降低。


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