塑料大棚棚頂清洗機的設計與試驗

王云力，張賽賽，韓小斌，王萬章,朱晨輝，呂志軍

(1.河南農業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450002；2.河南農先鋒科技股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義 563000)

塑料大棚作為廣泛使用的農業(yè)生產(chǎn)設施，是現(xiàn)代農業(yè)的重要組成部分[1]。塑料大棚通過改變棚內的光照、溫度和濕度等起到保溫栽培的作用，不僅可以跨區(qū)域、跨時令提供種類豐富的農產(chǎn)品，還可以為促進設施農業(yè)標準化生產(chǎn)、規(guī)范農藝技術以及搶占農時提供支撐[2-3]。塑料大棚憑借成本低、易搭建和效益高等特點已得到廣泛的應用和推廣，其在農業(yè)領域占有率逐漸升高，近年來相關研究多集中于棚內氣候[4]、溫度[5]和光性能[6]等條件控制以及傳感器設計[7]和智能管理系統(tǒng)構建[8]等方面。中國塑料大棚多為弓型結構，主體采用鋼管或竹竿制成弓型骨架，然后在其上鋪設一層塑料薄膜。塑料大棚棚頂較高且面積較大，長時間容易堆積灰塵并滋生綠藻苔蘚等，導致棚頂塑料薄膜透光率降低以及植物光合作用效率下降，進而造成塑料大棚內作物減產(chǎn)且質量降低。若更換塑料薄膜不但成本高而且費時費力，同時更換的塑料薄膜會污染環(huán)境。因此，定期清洗塑料大棚棚頂恢復塑料薄膜透光率十分重要[9]。

國外對塑料大棚棚頂清洗設備的研究比較早。荷蘭研發(fā)的半自動和全自動玻璃溫室棚頂清洗機，配合縱橫的導軌可以完成棚頂縱向自動化清洗和橫向移動，清洗效果明顯，自動化程度高[10]。這些設備自動化程度雖然高，但是投入大，需要規(guī)劃和建設標準的大棚以及配套的縱橫導軌和噴淋系統(tǒng)。中國塑料大棚目前尚不具備這種條件，而且現(xiàn)有塑料大棚改造成本也很大。在國內，現(xiàn)有的棚頂清洗設備主要應用在玻璃溫室上，塑料大棚棚頂清洗設備還不成熟，導致目前國內塑料大棚幾乎都是人工清洗，不僅成本高，而且效率低、效果差。近年來，塑料大棚棚頂清洗機相關研究取得一些成果。丁潤鎖等[11]設計的溫室大棚電動清洗機實現(xiàn)了溫室大棚頂部的半自動清洗。趙建等[12]設計的塑料大棚清洗機由6節(jié)清洗裝置鉸接而成，能夠較好地對大棚仿形。殷坤勤等[13]應用無線電遙控技術，使塑料大棚清洗機兩端的輔助行走輪與棚頂行走輪同步前進。黃峰等[14]參照荷蘭清洗設備設計了人字形清洗裝置。陳大軍等[15]通過旋轉的毛刷輥在棚頂上沿軌道縱向移動達到清洗大棚的目的。王坤等[16]則對大棚清洗技術進行分析研究，總結出國內外大棚清洗機的發(fā)展歷程和技術特點。然而，這些清洗設備理論上可行，但實際應用中效果一般。有的設備清洗效果不明顯，需要改造大棚，增設導軌和噴淋系統(tǒng)；有的設備體積大，不易翻跨棚頂；有的設備質量大，容易損壞棚頂塑料薄膜且不方便搬運；有的設備對弓型骨架間距有要求，適應性低；有的設備電池容量不足，作業(yè)時間較短[17]。受這些因素的制約，塑料大棚棚頂清洗機尚未在中國推廣與應用。因此，本研究為解決中國塑料大棚棚頂清洗成本高、適用性差以及操作不便等問題，設計了一種結構簡單、輕便適用的塑料大棚棚頂清洗機，能夠提高清洗效果和清洗作業(yè)效率，促進其工業(yè)化應用和市場化推廣。

1 塑料大棚棚頂清洗機設計

1.1 塑料大棚棚頂清洗機設計原理

本研究設計的塑料大棚棚頂清洗機由2套清洗單體(1套主機和1套副機)及清洗帶組成，具體結構見圖1。主機和副機分別分布在塑料大棚兩側的天溝內。清洗帶緊貼在塑料大棚的棚頂，兩端分別連接在主機和副機上。清洗帶寬度300 mm，厚度5 mm，由化纖編織網(wǎng)(2 800目)制作而成，該材料制成的清洗帶透水性能良好，且相對粗糙的表面有利于搓擦掉棚頂上的灰塵。作業(yè)時，2名操作人員在天溝上分別把持著主機和副機，并同時向前移動，主機和副機的纏繞滾保持同步正轉或反轉。正轉時，主機上的纏繞滾收緊清洗帶，副機上的纏繞滾放松纏繞帶，使緊貼棚頂?shù)那逑磶蛑鳈C一側移動。到設定的時間后，2個纏繞滾同時改變轉動方向，即開始反轉，此時主機上纏繞滾放松清洗帶，副機上的纏繞滾收緊清洗帶，緊貼棚頂?shù)那逑磶蚋睓C一側移動，直至移動到設定的時間后，2個纏繞滾又同時改變轉動方向。如此往復后，塑料大棚棚頂表面的灰塵和綠藻等被清洗帶搓擦下來，從而實現(xiàn)清除棚頂污染物的目的。在清洗帶來回搓拉的過程中，單獨使用普通的PVC軟管或水槍不斷向清洗帶上噴灑清水，使搓拉掉的灰塵順著水流流下來。

注：1.主機；2.清洗帶；3.塑料大棚；4.副機；5.天溝。Note:1.Main machine;2.Cleaning belt;3.Plastic greenhouse;4.Assistant machine;5.Gutter.圖1 塑料大棚棚頂清洗機的結構Fig.1 Structure of plastic greenhouse top cleaning machine

1.2 塑料大棚棚頂清洗機設計

本研究設計的塑料大棚棚頂清洗機中的主機和副機結構一致，作業(yè)開關只在主機上，由主機操控整個設備。主機的結構主要由腳輪、框架、纏繞滾、電機、控制器、無線收發(fā)器、調試開關、電源開關、提手、作業(yè)開關、推桿、電池、軸承和清洗帶固定板等組成，如圖2所示。其中，框架采用1.5 mm優(yōu)質碳鋼板U型折邊設計，強度可靠，結構簡單質量輕；纏繞滾安裝在框架上，用于固定和調整清洗帶，并由電機直接驅動，定時改變轉動方向；控制器控制并協(xié)調著主機和副機的動作邏輯；無線收發(fā)器用于連接主機和副機的控制系統(tǒng)并負責傳遞指令；清洗帶固定板用于把清洗帶固定在纏繞滾上，操作時先用清洗帶固定板把清洗帶的一端壓在纏繞滾上，然后用螺釘緊固；調試開關用于調試電機的正轉或反轉，特別是固定好清洗帶后需要使用調試開關調整清洗帶的張緊程度，使清洗帶緊緊貼附在棚頂上。

本研究設計的塑料大棚棚頂清洗機的主要技術參數(shù)如表1所示。該設備整機質量輕，方便攜帶。電池采用電壓12 V且容量40 Ah的鋰電池，能夠快速充電，且電池容量可滿足設備正常作業(yè)4 h。纏繞滾直徑為50 mm，長度320 mm。清洗帶寬度為300 mm，來回搓拉的時間可調。作業(yè)時，清洗帶緊貼在棚頂上進行往復搓拉，往復搓拉長度l如公式(1)所示。

表1 塑料大棚棚頂清洗機主要技術參數(shù)表Table 1 Main technical parameters of plastic greenhouse top cleaning machine

l=πdnt

(1)

式中：l為清洗帶往復搓拉長度；d為纏繞滾直徑；n為纏繞滾轉速；t為纏繞滾的工作間隔時間。

影響清洗效果主要因素為單位長度清洗搓拉次數(shù)f。f=7～8 次·m-1能保證清洗質量和清洗作業(yè)效率。單位長度清洗搓拉次數(shù)f如公式(2)所示。f與工作間隔時間t和前進速度V相關。

(2)

式中：f為單位長度清洗搓拉次數(shù)；t為主副機纏繞滾工作間隔時間；V為主副清洗機前進速度。

注：1.腳輪；2.框架；3.纏繞滾；4.電機；5.控制器；6.無線收發(fā)器；7.調試開關；8.電源開關；9.提手；10.作業(yè)開關；11.推桿；12.電池；13.軸承；14.清洗帶固定板。Note：1.Wheel;2.Frame;3.Roller;4.Electric motor;5.Controller;6.Wireless transceiver;7.Debug button;8.Power switch;9.Handle;10.Working button;11.Push rod;12.Battery;13.Bearing;14.Cleaning belt fixing plate.圖2 塑料大棚棚頂清洗機主機的結構Fig.2 Main machine structure of plastic greenhouse top cleaning machine

1.3 塑料大棚棚頂清洗機控制系統(tǒng)設計

本研究設計的塑料大棚棚頂清洗機控制系統(tǒng)如圖3所示。主機和副機各有一套控制器，分別為主控制器和副控制器。主控制器和副控制器均使用PIC18F248單片機，該單片機具有指令集小、功耗低、運行速度快、體積小和抗干擾能力強等特性。按下調試開關，主控制器和副控制器可分別控制主機電機和副機電機的轉動方向和轉動時間，以調整清洗帶的松緊度。作業(yè)時，按下主機上的作業(yè)開關，主控制器和副控制器通過無線發(fā)射器和無線接收器傳遞指令，使2個電機始終保持同步轉動和同時換向。無線發(fā)射器和無線接收器均使用DMX512型高速無線收發(fā)器，該無線收發(fā)器具有接收和發(fā)射的雙重功能，采用2.4G國際通用無線頻段，具有高效發(fā)射、高靈敏接收精確控制和抗干擾能力強等特性。無線收發(fā)器和控制器利用串行通信協(xié)議(controller area network，CAN)進行通信。

圖3 塑料大棚棚頂清洗機控制系統(tǒng)Fig.3 Control system of plastic greenhouse top cleaning machine

2 塑料大棚棚頂清洗機測試試驗

2.1 清洗機測試試驗設計

測試試驗于2020-10-12在河南省禹州市雙廟鄉(xiāng)育苗工廠進行。進行測試的弓型塑料大棚寬度為8 m，高度為3 m，長度為30 m，人可在大棚之間的天溝內行走。大棚已使用1 a，離公路約50 m，棚頂表面積塵較多。試驗采用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測光照度。試驗配套有相應的噴水裝置，噴水裝置主要包含水源、水箱、水泵、水管和噴頭等簡易設備，可根據(jù)實際情況而定。本次試驗采用普通PVC軟管，一端接在水龍頭上，一端對著清洗帶噴水。

試驗主要測試單位長度清洗搓拉次數(shù)f對清洗效果和清洗作業(yè)效率的影響。取7種狀態(tài)的f值進行測試。為了保證試驗的準確性，在每種狀態(tài)的f值下測試3次，每次測試區(qū)間長度為2 m。每次清洗測試前，在測試區(qū)間內取樣3點并標記，然后使用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測3個取樣點處的外部光照度和對應的棚內光照度，分別取其平均值并記錄。在清洗測試后，再用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測3個取樣點處的棚內光照度，取其平均值并記錄。透光率為棚內外光照度平均值的比值。同時記錄每次測試的時間，以方便計算作業(yè)效率。清洗作業(yè)效率如公式(3)所示。其中，本次試驗設定每次作業(yè)長度S為2 m，清洗帶有效長度L為8 m。

(3)

式中：η為清洗作業(yè)效率；S為每次清洗作業(yè)長度；L為清洗帶的有效長度；T為每次清洗作業(yè)完成時間。

2.2 清洗機清洗試驗結果

試驗時3個人配合操作，2個人分別把持塑料大棚兩側的主機和副機，勻速向前移動，第3個人手持水管出水端向塑料大棚棚頂正在工作的清洗帶噴灑清水。使用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測試驗前后棚內外光照度。每個試驗狀態(tài)重復試驗3次，試驗結果如表2所示。隨著單位長度清洗搓拉次數(shù)f增大，清洗效果提高顯著；但當透光率達到臨界值后，清洗效果不再隨著f增大而增大。這是因為在清洗開始階段，塑料大棚棚頂?shù)乃芰媳∧け砻婊覊m較多，隨著f增大塑料薄膜被來回擦拭的次數(shù)增加，其表面浮塵被清除的同時，黏著的塵垢也被摩擦掉。隨著塑料薄膜表面的污染物被清理干凈，透光率已經(jīng)接近塑料薄膜本身的透光性能，便不再隨著f增大而增大。此外，隨著單位長度清洗搓拉次數(shù)f的增大，清洗作業(yè)效率降低。這是因為在設定主機和副機纏繞滾換向間隔時間t后，f增大意味著完成單位長度清洗作業(yè)時間變長，即作業(yè)效率降低。因此，綜合考慮清洗效果和清洗作業(yè)效率，當f=8時清洗效果較好，透光率平均值由53.8%提高至85.1%，此時平均清洗作業(yè)效率為11.93 m2·min-1。

表2 塑料大棚棚頂清洗機的試驗結果Table 2 Test results of plastic greenhouse top cleaning machine

3 結論與討論

本研究結果表明，當塑料大棚棚頂清洗機單位長度搓拉次數(shù)f=8時，清洗效果較理想，平均透光率由53.8%提高至85.1%，此時平均清洗作業(yè)效率可達11.93 m2·min-1。何培祥等[17]研究的塑料大棚清洗機，在同為3人作業(yè)的情況下清洗作業(yè)效率6.6 m2·min-1。相比之下，本研究的塑料大棚棚頂清洗機平均作業(yè)效率更高，清洗效果更好。

目前，自動化程度高的塑料大棚棚頂清洗機都需要導軌[18]。中國現(xiàn)有的塑料大棚幾乎都缺乏該裝置，這也是本研究中塑料大棚棚頂清洗機仍需要人工操作的原因。如果改造并增加導軌和噴淋系統(tǒng)，不僅成本投入較高，而且長期維護操作難度較大，不適于推廣應用。本研究的塑料大棚棚頂清洗機針對中國弓型塑料大棚現(xiàn)有狀態(tài)，雖然需要人工參與，但幾乎不需要對塑料大棚進行改造即可投入使用，因此可以大大減少成本。此外，中國目前的塑料大棚建造參數(shù)各不相同，現(xiàn)有的清洗設備在推廣使用時受到限制。李曉賢[19]研究的磁力輪式塑料大棚清洗機受弓型骨架間距的限制，且要求骨架必須為鋼制。而本研究的塑料大棚棚頂清洗機在使用時只需要根據(jù)塑料大棚的尺寸調整清洗帶的長度即可，適用于中國各種建造規(guī)格的塑料大棚。本研究的塑料大棚棚頂清洗機單體質量為10.5 kg，體積小，質量輕，方便攜帶，便于各個大棚之間換向和轉移。現(xiàn)有的塑料大棚棚頂清洗機大多體積大，質量大，不利于轉移，同時有的清洗機主機在作業(yè)時取下或放上棚頂時較麻煩[20]。而本研究的塑料大棚棚頂清洗機在塑料大棚之間轉移時，只需把質量較輕的清洗帶放在棚頂，然后調整好松緊度后即可作業(yè)。此外，塑料大棚棚頂塑料薄膜承載力較低，質量較大的清洗機在塑料薄膜上移動時會使塑料薄膜發(fā)生變形，特別是鋼輪經(jīng)過骨架時會產(chǎn)生碾壓痕跡。趙健等[21]設計的塑料大棚清洗機需要整個設備在塑料大棚上沿著縱向桿行走，且履帶輪作用在塑料薄膜上，理論上對塑料薄膜有損傷。而本研究的塑料大棚棚頂清洗機，只有質量很輕的柔性清洗帶在塑料大棚棚頂上作業(yè)，對塑料薄膜幾乎無損傷。本研究的塑料大棚棚頂清洗機結構簡單，制造成本低，易于批量生產(chǎn)和市場化推廣。