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溫室自動化搬運系統

簡易搬運機械設施
台大農機系馮丁樹教授
前言
蔬菜育苗的方式已逐漸由傳統之土拔苗方式被取代為穴盤苗,並且利用溫室進行集約栽培,形成育苗中心。這種利用設施栽培來育苗的方式,不僅品質容易控制而且產量較高,供應面積亦大為增加。
種苗生產過程需要相當多的人力,故必須僱用大量人工。在植床生長系統中,介質及容器經送入作業室後,常須被重覆處理十多次。這些處理程序需要大量的勞力。據統計,種苗業者支付之成本中有百分之廿五是屬此方面之勞力成本。是故,在溫室生產過程中,勞力與機械之使用必須有整體性的考慮,絕不能看成孤立或不相干的事件。每一項作業,無論用人工或機器,均會與其他作業息息相關。在基本決策上,對於作業量之大小、容器之形式、作業程序、可用之資金及其他因素等均應詳加考慮。

目前在溫室企業中機械化程度的進展仍然緩慢,其主要原因在於生長模式缺少標準化、生長設備之丞與構造過份複雜及作物種類繁多等因素。國外已有許多此類型之器材公司開始針對基本原則規劃各種所需之機械與設備,以滿足各種作業之需求。國內經過多年的學術單位積極的研發,部份溫室內的作業已開始可以由機械取代。其中較為顯著的項目包括:介質供應、真空播種、排箱積箱等,此類系統部份已能達到一貫化及自動化的需求,以取代一部份的人力。

在搬運方面,國內外則仍存在許多不同之應用層次。荷蘭之育苗系統有些已經使用相當高階的技術,諸如配合電腦的記憶及控制特性,操作農業機器人進行秧苗之搬運作業。這些系統複雜,價格昂貴,很難在小規模之農企業中廣泛應用。簡易的搬運方式變成另一種較為實際而迫切的解決方案。目前國內民間育苗場之搬運作業,其機械化程度仍然不高,大部份必須倚賴人力,因而工作效率較低且成本高。
圖7-1手推式單輪搬運車
設施用簡易搬運機具
設施育苗中心在育苗過程中,搬運作業所耗費的時間及投入之成本最多,而溫室的長度愈長,人員往返溫室入口及植苗床間所需的時間愈久,為解決搬運問題,各種型式的搬運機具亦陸續出現。茲就搬運的方式作一說明如下:
批式搬運機具
批式搬運屬單機作業之方式,大部份以人力驅動,其機體輕便,可行走於設施之間。這些機具的型式因使用習性而異,且變化性甚大。
無動力的方式係利用台車進行植床間與工作間之搬運作業,可節省許多繁瑣的搬運人力。無動力台車以手推為主,有單輪、三輪或四輪者,行走時不設軌道,故較為費力。
圖7-2大型單輪手推車
單輪推車
單輪者易於轉向,但不容易平衡,靜止與行走時之位置不同,有時必須人手支撐。一般言之,單輪車是最簡便的原始搬運車,以橡膠輪行駛於各種路面皆無困難,其機動性頗高,但承載的面積有限,故載運量較少,每車最多可裝約30箱(女工推車裝20至25箱) ,且下車時要再以人工堆積。
圖 7-1 所示為國內一般常用之搬運車,可以載運小件物品,一般溫室內之作業亦可使用,甚為方便。但由於其車輪較小,容易因地面不平而產生振動。圖 7-2 所示亦屬單輪車,其車輪較大,常以腳踏車輪代替。對於未舖設路面之溫室,此型亦相當合適。其承載盤高度與人腰齊,對於穴盤之搬運較容易搭配。歐美地區之溫室內,常見使用。
多輪手推車
圖7-3穴盤苗專用雙輪車
二輪車以上均屬多輪型手推車。在特性上,輪數愈多,搬運時愈為穩定。二輪車則可以獲得左右方向之穩定性,但前後方向則需要支撐。圖 7-3 為穴盤搬運專用之雙輪手推車,後有支撐,穴盤可分置兩層。圖 7-4 亦屬穴盤專用之萬向手推車。此種萬向手推車在平坦的地面上較容易使用,通常以作業室內居多,可以任意往返兩項作業之間。其穴盤底架屬多層,高度依作物而定。可搬運穴盤苗或缽苗。
圖7-4穴盤苗專用多輪車
三輪式則可分為前軸雙輪與後軸雙輪兩種,常因其轉彎之容易度不同而設計,單輪屬萬向輪,亦為轉向輪。通常後軸配置雙輪而以前輪轉向之三輪車輛優於傳統的四輪車輛,其轉彎也較容易,而前軸配置雙輪後輪為轉向之三輪車輛則劣於四輪車輛。
三輪手推車及四輪手推車行走時較平穩,承載量亦比單輪車大。但受限於溫室內走道之寬度及路面的平滑度,較不容易在溫室內之通道內作業(如圖 7-4 )。四輪車前輪通常為轉向輪,後兩輪方向固定。以大園鄉圳頭育苗中心為例,其規模較小,原為北部水稻之育苗中心轉型而成,所用之搬運方式以人力為主。育苗作業室播種完畢之苗盤,以人力或利用手推四輪小台車將之運至溫室中,此四輪小台車為60公分寬、90公分長,在台車平面上可以放置三層苗盤,每層可放二十盤,故其最大承載量為六十盤。輪子是用橡膠輪製成,前方兩輪可以自由地萬向轉動,後方兩輪則固定方向,因其直接行駛在水泥地面上,所以摩擦力較大,又在溫室內走道行駛時不容易控制方向,常易碰撞固定式之植苗床。成苗則以人力從溫室搬至育苗作業室中,再行裝箱出售。因成苗收穫時不可堆疊,故載運量只有三盤,比人工搬運慢。
圖7-5多輪搬運車
四輪搬運台車載運成苗時,有其特別的限制。在成苗無法堆疊之情況下,有些設計可設計成多層方式。然後以一個台車為單位作為運送的對象。種苗場最近為將成苗運至育苗中心進行第二階段之綠化工作,亦設計成可以拆卸的多層式四輪台車。可以直接置入冷藏車中運至目的地。這種層式台車亦可首尾相連,以曳引機進行大量之搬運作業(圖 7-6 )
軌道式台車
圖7-7四輪台車雙軌導引
圖7-6曳引連結車
長距離的輸送工作若以一般無定向的台車搬運則人工花費甚多,而且人除推送外尚需兼顧方向,甚為辛勞。若能將搬運車配置軌道行走,則可以作遠距離的輸送工作。其他如農地搬運車、卡車等亦具有相同的功能。在溫室中鋪設固定式或臨時軌道,其主要意義仍在於行走方向的設定,使其在行走期間,不會遭受到植床等設施之阻礙,並得以解決經常性的搬運工作。使用軌道的搬運車有四輪者(如圖 7-7 ),亦有三輪但以單輪跨於軌道上行走者(如圖 7-8 )。

圖7-8三輪台車單軌導引

四輪者,由於其方向受軌道牽制,其四輪均可為萬向輪,以便前後均能任意推動,但亦得二輪為固定輪,二輪為萬向輪,以增加其穩定性。其軌道架設可用三角鐵或圓管固定於地面上。為防止其距離發生變化,兩軌道間可利用等長的扁鐵固定,由於軌道本身穩定,故即使不固定在地面上,亦能正常發揮其運搬的功能。
圖7-9溫室走道之三輪車
三輪台車利用軌道行走時,僅選其中一輪作為方向輪,並以其一輪限制在軌道上。這種方式並非最為妥適的安排,因為後二輪的方向無法受到拘束,若方向偏離中心太遠時,會使前輪發生脫軌。圖 7-9 為三輪單軌在溫室通道中作業的情形。
圖7-10四輪台車單軌導引
為克服上述之缺點,亦有利用四輪台車的方式,但僅採用單軌導向,另兩輪則以橡膠輪在平地面上行走,以減少地面上軌道太多的麻煩(圖 7-10 )。目前大型溫室為配合自動化搬運系統之設置,亦多採用這種方式。元長茂盛育苗中心之新溫室即採用此種方式。
跨植床台車
圖7-11橫跨植床無軌四輪手推車
圖 7-14 軌道式台車在溫室中作業之情形
為節省台車行走的空間,採用跨植床的台車搬運型式亦可獲得另一種解決的方案。跨植床下,工作人員在通道上的空間會增加,比較容易交錯通行。而且,利用跨植床的方式,其載運量會增加,且可以由植床之兩側同時工作,增加工作的速率。圖 7-11所示為無軌式跨植床台車之外形。其前二輪為萬向輪,方向由把手決定,後二輪則為固定輪。
圖7-12在溫室中跨植床無軌台車
圖 7-12 所示為其在溫室之通道跨中央植床時之作業情形,操作時必須由兩人同時作業,並同時推動前進。這種無軌道之跨植床台車最大缺點在於其方向不容易撐握。若施力不均,容易與中央植床發生碰撞,前進變得不順,利用其把手的位置可以進行制,但必須兩人合力操作。此種台車適用於不具平坦路面之通道作業。
圖7-13橫跨中央植床之軌道式台車
為克服方向不易控制之缺點,在溫室中通常仍以採用軌道式台車較為普遍。其方式係在中央植床之兩側通道之內邊鋪設軌道,其材料以最容易取得之鉛管為主,其直徑約2.5公分。為使其固定,可以一長約30公分之鋼棒每隔一公尺將之銲接於鉛管底部,然後固定在地下。鉛管改用角鐵亦是一可行的方法,但必須倒置於地面上或固定於水泥面上。
台車之尺寸為230cmx123cmx950cm(高度),以配合寬度180cm之中央植床。圖 7-13 右邊之放大圖顯示台車之足部與鉛管接觸之情形。利用凹形輪使其扣住圓形鉛管,以利前進。為使其免於行進前因推動時之過度扭力,致發生脫軌現象,另一側的凹形輪軸需預留一點餘隙,以供其活動。圖7-14為其在溫室中之透視圖。
圖7-14橫跨中央植床之軌道式台車
植床頂部台車
部份溫室為節省溫室之應用空間,其走道均儘量縮小,其走道則在使用時方將中央植床向左右方向移動,騰出所需之走道空間。
使用移動式植台不僅可增加10-25% 的生長空間,而且可減少裝盒及維護時所需的人工。此類植台可配合窄式折疊型輸送機,以將作物送入或移出生長區。另一種設計則使用可移動式輸送植台,120公分至150公分寬,180公分至240公分長,可配合滾式輸送機、連結搬運車或堆高機,移至工作區以進行轉植、上盆或疏盆等作業後再運輸。
圖 7-15 植床之兩側台車架軌道設於其上
移動式植台的基本觀念是僅留一條工作走道,其他所有走道部份均轉成生長空間。 植台的底部由管狀滾子支撐,可向兩旁移動 45公分至60公分,此寬度即為工作走道的寬度。當工作者需要到某一特定植台進行維護工作時,溫室中其它的植台可推在一起,使在該植台旁留出一工作走道。每次只能在植台的一邊產生一個工作走道。由於植台可移動,所以所有附在植台上灌溉用、加熱用及電力系統的管線皆設置的較有彈性。另外,有些設計還可在支撐管的一端裝上曲柄來移動連在一起的植台,即使植台長至 200 呎也可輕易的移動。
圖7-16植床上台車運作情形
針對這種移動式植床,搬運用台車可直接架設於中央植床之上,隨植床而移動。圖 7-15 及圖 7-16 所示為利用輕便台車架,加上滑輪後直接架設於中央植床邊緣而操作的情形。這種台車架設計甚輕,甚至可由兩人抬起而搬至其他位置。這種設計主要缺點是每次搬運時由於通道僅留一處,無法兩邊同時操作。若與母車共同設計時,則母車台面必須有升高裝置,使其配合中央植床的高度。
連續式搬運作業機具
圖 7-17 輕便的半自動運送架
直接利用二條三角輸送帶可以將一至三箱為一疊之育苗盤進行搬運的工作。這種輸送帶每一節約為十公尺,可以連續連接至十數節,直接在育苗室與作業室間作搬運的工作。在國內,這種方式在水稻育苗場中應用尤多,有些甚至將整個輸送帶固定於軌道上,可作橫向移動,以涵蓋所有秧田面積。蔬菜育苗中心亦有多處採用長型輸送帶搭配的方式,使進出苗更為順利。輸送帶通常寬10公分至60公分,長可由90公分到900公分,對於平底苗箱的裝載及卸貨工作十分便利,當運送至儲存位置時,可配合堆疊機進行堆疊,再徒手或以搬運車進行下一步驟的作業。
圖 7-18 可以吊掛之簡易型滾子式運送機
半自動運送架
半自動運送架屬無動力型式,其上裝有可自由轉動之滾軸。使用時,可以每四箱一疊,置於輸送架上,再用人力往前推送。此設備亦可作為輸送過程中之單元或接續用之設備。由於輕巧,有時四腳可加裝萬向小輪,可以自由移動或由兩人抬動(如圖 7-17 )。
在無動力的情況此下,輕便型滾子運送機亦可以使用(圖 7-18)。這種運送梯內裝有滾輪,可以自由滑動。使用滾輪或溜冰輪式輸送機可以不需要動力,長度可伸展1.5公尺至3公尺,4~10%的傾斜度即可讓物品自由地滑動即可靠重力輸送遠至二公尺至四公尺的距離,且不須任何動力,但運送之物品必需底部平滑或利用三夾板為底墊。
圖 7-19 三角皮帶運送機
滾子運送機可平躺,亦可構成一較小的傾斜角度,亦可數台串聯在一起作業,甚為方便。
動力式運送機
運送帶通常均由馬達帶動,其輸送元件為甚長的三角皮帶(圖 7-19 )。以運送帶輔助搬運以後龍鎮合興育苗中心為代表,該中心現有簡易溫室22棟共1000坪,蔬菜育苗作業室有80坪。由於溫室之分佈受地形限制,散佈於育苗作業室兩側,距離由最近之數公尺,到一百公尺以上之最遠距離,搬運作業規劃不易。其溫室有簡易隧道型塑膠布溫室及較堅固之鋼骨結構型溫室。
皮帶運送機以平皮帶作為輸送元件,可搬運各種不同的作物樣式,是傳統的搬運機械。其規格在寬 10公分至 60公分, 長一公尺至十公尺(圖 7-20 ),可用來裝卸箱、袋、盆及盒等。用在盆栽或轉植工作線上時,平的皮帶輸送機為最適宜。皮帶為槽狀者,可用來輸送塊狀的物料。

圖 7-20 皮帶運送機
以後龍鎮之搬運方式為例,其運送方式係在溫室中間架設電動皮帶式輸送機,每部長5公尺,多部串連,配合輸送機,一棟溫室內之植苗床改成兩個,分別置於輸送帶之兩旁。此種安排較占空間,設備費用較高,但搬運量大且穩定。開始時係先將育苗作業室中播完種的苗盤,以人手搬至運送帶上,再送至各個溫室之出(入)口,再放置到溫室出(入)口處之輸送設備上,以輸送機運送至溫室中各個定點。卸箱時以人手接應,將其自輸送機取下,放到所要擺放的位置。
圖 7-21 鍊條式運送機
在溫室中間架設電動三角皮帶輸送機,每部輸送機的水平部份長5公尺寬40公分,多部串連放置於地面上,一棟溫室內之植苗床改成兩個,分別置於溫室兩旁,中間放置輸送機。此種設備比較佔空間,且設備費用較高昂,但搬運大且穩定。

圖 7-22 單軌式吊掛型運送機
鏈式輸送機則是由馬達帶動配有棘形之檔片,可正確帶動物件,不容易產生滑動(圖 7-21 )。
吊掛式運送機具
圖 7-23雙軌式吊掛型運送機具
另外一種型式為掛在溫室上方支架的軌道上,再徒手推吊車或以纜繩控制使其前進(圖 7-22 )。這種型式在國外已普遍使用,可在植苗床作物栽培溫室中進行多功能之搬運作業。工作者將植苗箱抬至距地面70至100公分高的吊架上,數箱為一疊。一般此種設計可充許載重20至50個植苗箱,再一起推送至下一個工作位置。
在簡易溫室中,採用吊掛型搬運系統必須考慮其結構強度,一般足以支持鐵軌的棚架通常可設計承受 20 至 50 個淺盒的重量。但有些地方仍需加以補強,以維持操作時架構之穩定。一般吊掛型搬運機具除具搬運功能外,尚能兼作灑水及噴藥或噴霧的工作。圖 7-23 所示為一雙軌式懸掛搬運機構。其支撐首來自溫室之龍骨部位,並佐以斜側肋骨之支撐。搬運台可載運兩旁及中間的苗盤。由於懸吊的關係,將來可利用繩索牽動,直接由馬達控制及動作,進一步達到自動化的效果。
搬運機具之其他問題
搬運機具需要不同的元件,其來源及取得則必須考慮其方便性及實用性。在前面所介紹的各種項目中,有轉彎及滑動輪設計等問題,可加以討論。
滑輪之設計
圖 7-24凹輪及輪軸之設計
軌道式台車最重要的部份是滑動輪之設計。由於台車必須平滑地在軌道上行走,故其接觸面之平整與密合度需高。軌道之架設水平及高度均會影響台車行走的功能。在雙軌的設計上,其間距必須維持恆定,方能避免台車行走時脫軌,這方面亦可由台車之設計稍加克服。在行走時,推動台車時之著力點亦會造扭力的不平衡,使滑動輪與軌道脫離。茲就某些典型的設計加以討論。
圖 7-25雙平軸承
圖 7-24 所示為凹型輪之設計,其軌道均係架設在地面或有特定設計之平面上。輪軸之凹形面有以平面構成者,有曲面構成者。前者接觸線可能有多條,磨擦力較大,也較容易磨損;後者接觸線則僅能維持一條,但在加工上較不容易。為使其滑動平順,有些材質採用PU者,但價格較高。為避免因上述因素產生脫軌,別一組滑動輪之軸承可設計較長,以留部份空隙供寬度自動調節。
圖 7-25 所示為利用雙平軸承組構而成的滑動輪設計。一般有軌台車之設計以輕便為主,加工用之物料處理線常不易應用到溫室設施上。利用平軸承有時可以改善這方面的需求。圖中左圖所示為取代地上軌道所可能採行的方式,這種排列亦有自動調整寬度的功能。
圖 7-26框架型懸吊軌道
懸吊式軌道之設計在支撐上較不容易獲得解決,但利用分開型之雙平滑軸的搭配亦可解決此項的問題。圖 7-25 右圖所示為這種應用上之構想,可以解決一般懸吊滑動的問題。
圖 7-26 為框架型懸吊軌道式之運作情形。其軌道由一中空框架組成,滑輪在其內滑動。此種方式應用於噴霧系統為多,可用鋼索驅動,或直接吊掛驅動馬達。
簡易型轉彎設計
由於作業室與溫室間常在不同地區,搬運台車之轉彎變成常需考慮的因素。簡易型轉彎時若直接將軌道彎曲,使台車進行轉彎,是一種簡單的解決方式,但需要佔地較大的空間(圖7-7及圖 7-8 )。在溫室中,為配合換棟功能及自動化之應用,有做成子母車的型式,但其軟硬體均較複雜。
圖 7-27簡易型之轉彎設計
簡易型之直角轉彎可利用轉盤(如圖 7-27 )。轉盤上亦架設同材料之軌道。需轉彎時,將四輪車送入轉盤上。將轉盤旋轉九十度,再推入垂直的軌道。
其他搬運方式
植床搬運
圖 7-28移動型植床之構造
所謂植床搬運係以一植床為運搬單位,將十數個育苗盤先安排於一個植床上,再將整個植床置於固定式滾輪或圓管軌道上,直接送至育苗室或綠化場。利用固定式滾輪者,其植床底部需為平整的設計。其典型的例子如位於台南之台糖蘭花溫室,其滾輪沿前進方向以30至40公分為間隔佈置,其動力來自底部之傳動軸,並以圓型皮帶連接(圖 7-28 )。
以圓管軌道者其口徑約8公分,植床底部則需裝有四付接觸輪,可在軌道上自由行走。其典型的例子為台中種苗繁殖改良場自荷蘭引進的精密溫室,其前進的動力依靠植床間的推擠。在這套設備中,舉凡進苗、出苗、灑水及噴藥皆為自動化控制的型式。入苗時,利用上缽機將
圖 7-29運用活動植床以增加空間及效率
育苗盤成排放置於植床上,其後再將裝滿育苗盤之植床沿軌道送進溫室中排放,幼苗即在植床上發育。
待種苗成熟可以出苗時,再循序將植植床送回作業室中,利用取育控制機械來運搬,並送至卡車上。 其灑水及噴藥作業是利用懸吊式管路系統,可以控制其噴水時間及均勻度。
圖 7-29 所述則為左右移動式植床,主要目的在節省通道空間,使溫室可以充分利用,其實際應用與搬運機具之配合則參考圖 7-15及圖 7-16。
利用小貨卡車輔助搬運
大規模的育苗中心為省搬運作業的勞力,常採用貨卡與人手搭配的方式。其典型的代表如溪湖農生公司及埔里之台一公司。大部份的溫室作物大盤商採用貨櫃來運輸。這些貨櫃以鐵皮或夾板為材料,一般尺寸為 150X120X240(cm)。分成7~8個夾層,層距23~28公分,雙夾層隔板可移除以安置較高的作物。貨櫃背靠置卡車平台上,以鐵鍊或鐵軌固定。以堆高機裝卸貨。盤商須有足夠的貨櫃以便在一批貨櫃送出後,仍有另一批貨櫃能在負載區等待上貨。此方式優點是任何型式的平底卡車皆可適用。旺季中卡車不敷使用時,可向外租借。
圖 7-30堆積式運送車
堆積式運送車
簡易之堆積運送車是一台單機搬運的人力車,其外觀類似棧板車(圖 7-30)。車台由二輪支撐,前有插爪,以插入疊箱底部。使用時先準備木製方型墊板,墊板中空,容許插爪進出並獲得支撐。此車常置於一貫作業機之尾端,已播種苗盤可直接疊放在墊板上,疊滿25箱後,可將堆積車移近堆疊箱附近,並將插爪插入墊箱底部。此時只要將把手壓下,即可使墊板昇高。用人力整車拉至堆積處後,用腳踏釋放踏板,即可同時將25箱置於地面,如此亦可節省再積箱之作業。

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實際是這樣嗎?很遺憾,不是。

原因之一:不一樣的水

水到零度以下就結冰了,這是絕大多數人的認識。然而仔細一想,這不適用於冰箱的冷凍室。因為冷凍室存放的不是上百升礦泉水,而是各種各樣的食物。

食物中含有大量水這沒錯,但這些水同時含有大量的鹽、糖等物質。就像每1升海水中大約含有35克鹽,所以平均起來,要到零下1.33℃時海水才會結冰。

因此,要想把食物凍結,並不是溫度只要達到水的冰點就可以,得保證足夠低的溫度,食物中的水才能凍結,這很重要,因為食物中只要有液態水存在,這就等於是為各種細菌的繁殖提供了必備條件。

圖為牛肉薄片在不同溫度和不同時間內測得的牛肉中凍結水量的曲線。

當牛肉薄片的溫度為零下4℃時,只有70%的水分被凍結;溫度下降到零下9℃左右時,也還有3%的水分未凍結;即使牛肉薄片的溫度降低到零下18℃時,也不是100%的水分都被凍結住。

原因之二:嗜冷微生物

根據微生物對不同溫度的適應範圍,可將微生物分為三大類,嗜熱菌、嗜溫菌和嗜冷菌。在食物的冷藏和冷凍過程中,我們面對的「敵人」是嗜溫菌和嗜冷菌。

一般來說,能引起食物腐敗和食物致毒的嗜溫菌,在低於3 ℃情況下不產生毒素,當然,個別菌種例外。

而對於嗜冷菌,一般得在零下10 ℃到零下12 ℃時才會停止生長。

有的黴菌甚至要到零下15~零下18 ℃時才會停止生長。

瞧,我們以為,零下幾攝氏度後微生物就被殺死或停止繁殖了,但…