設施農(nóng)業(yè)玻璃溫室頂棚清洗機的設計與研究*

陳玉梅

（浙江東方職業(yè)技術學院，浙江 溫州 325000）

0 引言

近年來，隨著設施農(nóng)業(yè)[1]的快速發(fā)展，溫室大棚等農(nóng)業(yè)設施需求量激增。2021年，全國溫室新建面積3 093.64 hm2[2]，其中玻璃溫室達718.14 hm2，玻璃溫室新建面積較上一年的增幅超100%。據(jù)浙江省第三次農(nóng)業(yè)普查[3]數(shù)據(jù)，2016年年末浙江省溫室占地面積2 500 hm2，大棚占地面積57 500 hm2，漁業(yè)養(yǎng)殖用房面積500 hm2。玻璃溫室優(yōu)勢突出，其能夠達到90%以上的透光率，大大提高了植物在棚內(nèi)光合作用的效率，發(fā)展前景巨大[4]。但在環(huán)境污染或者自然環(huán)境的影響下，玻璃溫室頂棚容易附著頑固的泥土塵垢，普通的自然降水根本無法沖刷干凈，長此以往會嚴重降低溫室的透光效果，影響農(nóng)作物的自然生長和經(jīng)濟產(chǎn)量。因此，加強玻璃溫室屋頂?shù)那鍧?，能保障玻璃溫室的自然透光和植物的正常生長發(fā)育。

隨著設施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大型玻璃溫室應用更加廣泛。由于人工清洗存在效率低、安全隱患大、費用高等缺點，如何清潔溫室大棚成了研究熱點。相關研究主要劃分了三個分支——軌道式溫室大棚清潔裝置、機器人式溫室大棚清潔裝置和手持式溫室大棚清潔裝置[5]。荷蘭的玻璃溫室棚頂清洗設備的研究水平位于世界前列，但僅限于天溝行走，無法適用有遮陽網(wǎng)的玻璃溫室[6]?？拙S蓉等[7]研發(fā)的清洗機電機數(shù)量多，電能消耗大且設備較重，設備無法在連棟之間實現(xiàn)自動平移，清洗完一個屋頂后靠人工搬運到下個屋頂，自動化程度不高；李濟霖等[8]所研發(fā)的裝置需要人為輔助移至下一個屋頂，而且需要將所有零件搬上屋頂后才能安裝和調節(jié)清洗兩側的角度，很不方便。

綜上所述，國內(nèi)外現(xiàn)有的玻璃溫室頂棚清洗裝置均存在一定程度的缺陷，不能很好地實現(xiàn)自動化清洗?；诖?，筆者設計了一種頂棚自動化清洗裝置，該裝置具有如下特點：1）可用于各種“人”字形玻璃溫室頂棚的清洗；2）可實現(xiàn)全自動清洗；3）可實現(xiàn)跨屋脊清洗；4）可調整盤刷和玻璃面之間的正壓力，實現(xiàn)良好的清洗效果；5）可在玻璃溫室斜面上爬行；6）屋頂之間通過限位軌道可自動輸送。

1 整體結構設計和工作原理

1.1 整體結構設計

清洗機整體結構設計如圖1所示。其由主體框架2、行走機構1、升降機構5、清洗機構3和活動鉸鏈4組成，另外在平移車上設計伸縮機構6輔助清洗機進入車內(nèi)。

圖1 玻璃溫室棚頂清洗機示意圖

1.2 工作原理

1）調節(jié)角度：單側清洗機由清洗機構3和升降機構5組成，兩側通過活動鉸鏈4連接，調節(jié)以適應當前角度的“人”字形玻璃溫室棚頂。

2）清洗機定位：對稱分布于屋脊兩側，并安裝在主體框架2上。主框架結構穩(wěn)固，其兩側各安裝行走機構1，支撐整個裝置，運行時不易傾倒。

3）調節(jié)清洗壓力：玻璃溫室跨度8 m，坡度為23°，單側清洗機設計總長4 200 mm。兩側清洗機分別平行于屋面放置，通過升降機構5（升降距離為0～8 mm）來調節(jié)尼龍圓盤刷和屋面的間距和正壓力，從而達到較好的清洗效果。

4）清洗：清洗機構3通過動力傳動系統(tǒng)，驅動7個底徑為6 000 mm的尼龍圓盤刷同時旋轉完成清洗動作。

5）清洗機移動：完成一段溫室清洗后，行走機構1工作。行走機構1由一前一后兩個輪子組成，電機驅動后輪行駛，前輪起輔助作用，平衡整個清洗裝置的重心，實現(xiàn)清洗裝置的前進和后退。

6）清洗完成：清洗結束后，平移車內(nèi)的伸縮機構6運行，將伸縮板伸入屋頂表面，清洗裝置通過伸縮板進入平移車，小車平移至下一個屋頂，重復清洗動作。

2 清洗部件設計

2.1 結構設計及選型

電機通過多級同步帶傳動實現(xiàn)多個圓盤刷的同步旋轉。清洗電機位于清洗裝置中間，電機輸出軸和從動軸通過齒輪嚙合，兩軸通過同步帶傳動，各控制3個刷子的旋轉，主動軸末端控制1個圓盤刷。

2.2 關鍵零件分析與計算

主要的零件是傳動齒輪和主動軸，即主要進行電機輸出軸的強度校核。1至7傳動軸中，6至7軸僅有一級帶傳動，3至5軸有二級帶傳動，1至2軸有一級齒輪傳動和一級帶傳動。由此可見，只需要對1軸或2軸進行彎矩和扭矩強度校核，從軸的水平面和垂直面分別計算其彎矩和扭矩。已知1軸上同步帶輪和齒輪的輸入轉矩T=0.596 N·m，經(jīng)計算，1軸的載荷分析如圖2所示。

由圖2可知，1軸的同步輪左側截面承受最大彎矩和扭矩，僅需對此截面進行強度校核[9]，經(jīng)過計算，彎扭合成應力σca=16.51 MPa＜許用彎曲應力[σ-1]=40 MPa，故1軸選用Q235滿足要求[10]。

圖2 1軸的載荷分析圖

3 行走部件設計

3.1 結構設計及選型

整體清洗機兩端各有一對豎直橡膠輪和輔助小輪。單側電機驅動清洗機后側的橡膠輪，而前側輔助輪自然滾動，四個輪子一起支撐整套清洗設備，如圖3所示。此方案輕便，摩擦小，節(jié)省電能，但輪子豎直行走，縮短了使用壽命。

圖3 單側清洗機行走機構

3.2 關鍵零件分析與計算

主要零件是傳動齒輪和傳動軸，即主要進行傳動軸的強度校核。單側行走輪承受的質量是200 kg，輪胎橡膠面摩擦系數(shù)f=0.27。根據(jù)設計條件，已知小齒輪連接軸的輸入轉矩，可得到傳動軸的載荷分布如圖4所示。

圖4 傳動軸的載荷分析圖

4 軟件設計與實現(xiàn)

研發(fā)軟件的主要目的是開發(fā)并設計所對應的軟件控制程序[11]，增加自動化功能。不僅能夠進一步優(yōu)化相關軟件程序的開發(fā)理念與設計方法，而且還能全面提升開發(fā)設計軟件程序的高效性和便捷性。主要工作流程體現(xiàn)在以下三個方面：1）正式啟動該軟件程序的電源之后，相關系統(tǒng)會檢測設備是否連接，使用是否正常；2）在系統(tǒng)正常運行中，控制系統(tǒng)會發(fā)送指令控制清洗機在頂棚上移動，并控制盤刷進行清洗工作；3）傳感器會檢測玻璃表面是否清潔干凈，控制升降機構高度，調節(jié)盤刷和玻璃表面之間的正壓力，提高清洗干凈程度。

5 結論

綜上所述，筆者綜合國內(nèi)外玻璃溫室頂棚清洗機的研究現(xiàn)狀，參考國內(nèi)玻璃溫室的結構和尺寸，對玻璃溫室頂棚自動清洗機進行硬件和軟件設計，進一步提高其自動化程度以及清洗效果，確保清洗機具有以下三個優(yōu)點：1）節(jié)省動力源。將采用單側清洗部分結構僅一個電機驅動多個圓盤刷，一個推桿電機完成清洗結構的升降功能，來調整刷子和玻璃間的正壓力。2）自動化程度高。可實現(xiàn)跨屋脊清洗，通過伸縮裝置進入平移小車，實現(xiàn)在各屋脊間的平移。3）適應性強。采用拼接式結構，可根據(jù)實際跨度調整圓盤刷數(shù)量。同時，清洗機軟件系統(tǒng)的強化，對玻璃溫室實現(xiàn)自動化清洗，進一步提高玻璃的透光率，提高植物光合作用的效率，促進植物生長并增加其產(chǎn)量，從而為我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化貢獻積極力量。