朱康熹++梁永江++徐丹++李慶東++何培祥++蔣猛++趙進++劉宏博

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.118

摘要：設(shè)計一種塑料溫室棚頂清洗機，可用于清洗配有遮陽棚和無遮陽棚的塑料溫室棚頂。清洗機包含8個單節(jié)清洗裝置，由溫室骨架和棚頂薄膜共同支撐，可與拱形棚頂?shù)幕《茸匀毁N合；單節(jié)清洗裝置主要包括行走機構(gòu)、清洗機構(gòu)、支架；控制系統(tǒng)包括1個主控制器和8個分控制器，主控制器通過CAN總線與8個分控制器進行信息傳遞，每個分控制器控制相應(yīng)的1節(jié)清洗裝置。清洗機的行走和清洗試驗結(jié)果表明，清洗裝置在棚頂仿形效果較好，能在棚頂上平穩(wěn)地往復(fù)行走，清洗后透光率可達78.37%，符合清洗要求。

關(guān)鍵詞：塑料溫室；棚頂；清洗機；設(shè)計；控制系統(tǒng)；清洗試驗

中圖分類號：S24；S237 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0404-03

收稿日期：2015-08-11

基金項目：重慶市科學(xué)技術(shù)委員會應(yīng)用開發(fā)計劃（編號：CSTC2013yykfa80003）。

作者簡介：朱康熹（1993—），男，江西鄱陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械化工程機電一體化技術(shù)研究。E-mail：1739809228 @ qq.com。

通信作者：李慶東，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械化工程研究。E-mail：liqingd@163.com。在我國各類溫室的使用中，塑料溫室因經(jīng)濟性好，其占有率逐漸升高[1]。塑料溫室大棚在使用過程中，棚頂表面易被灰塵污染[2]，生長苔蘚等植物，使棚膜的透光率下降，因而有必要定期清洗溫室棚頂，恢復(fù)棚膜透光率，以利于植物光合作用，提高溫室產(chǎn)量[3]。透光率是指溫室內(nèi)的光照入射量與室外光照量的比例，溫室的透光率直接影響農(nóng)作物的光合作用和生長狀況[4]。

我國西南地區(qū)絕大多數(shù)塑料溫室棚頂配有遮陽棚[5]，國外清洗機因無法在棚頂天溝行走而不能使用，因而通常只能靠人工清洗塑料溫室棚頂，效率低、費用高、存在安全隱患。棚頂塑膜柔軟輕薄，易破損，摩擦系數(shù)較小[6]，棚頂為具有一定曲率的拱形面，不利于清洗機械在其上移動和清洗，同時棚頂只由幾根縱橫交叉的骨架支承[7]，塑料薄膜要承擔清洗設(shè)備很大一部分質(zhì)量。為了能夠清洗配有遮陽棚的塑料溫室棚頂，要求清洗機結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，有必要設(shè)計自動化程度較高、效果好的清洗設(shè)備。

1整體設(shè)計

塑料溫室棚頂清洗機的設(shè)計主要包括機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。其中，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計有8節(jié)清洗裝置鉸接組成的形式，每個單節(jié)清洗裝置包含行走機構(gòu)、清洗機構(gòu)和機架等，這種鉸接的形式可以很好地對大棚的弧度進行仿形；控制系統(tǒng)包括1個主控制器和多個分控制器，通信采用CAN總線[8-9]。

1.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用由鉸接機構(gòu)連接的多節(jié)清洗裝置的形式，以利于對大棚的弧度進行仿形，整個清洗機由薄膜和骨架共同支撐。

單節(jié)清洗裝置如圖2所示，主要包括行走機構(gòu)、清洗機構(gòu)、支架；整個清洗機配有極限位置檢測模塊、定位檢測裝置、配電、配水等輔助機構(gòu)。

行走機構(gòu)的設(shè)計采用具有一定柔性的長滾筒配備直流電機驅(qū)動其滾動行走；調(diào)控機構(gòu)的行走速度適應(yīng)清洗不同污濁程度的薄膜，低速行走適宜清洗污濁程度較高的溫室薄膜；高速用于污濁程度較低的薄膜清洗，提高清洗效率。

行走機構(gòu)的滾筒采用EVA發(fā)泡材料，質(zhì)量輕、密度小，具有柔性和彈性適當、吸水性差的特點，并與濕潤的薄膜之間摩擦系數(shù)較大，有利于行走防滑[10]。

清洗機構(gòu)采用圓盤刷配備直流電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)來清洗溫室棚膜。清洗是通過尼龍毛刷與塑料薄膜之間產(chǎn)生的摩擦力和沖擊力來分離污物，通過噴水帶走污漬。噴水管縱向放置在整個清洗機的中間，也就是拱形棚頂?shù)捻旤c，噴水孔分別設(shè)置在噴水管的最前端和最后端，前端的噴水孔水流量較小，主要起到提前濕潤薄膜浸泡臟物的作用，后端的噴水孔較大，主要起到?jīng)_刷清洗后留在薄膜表面的藻類、泥漿等污漬。

1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)需要軟件和硬件的結(jié)合，硬件部分的設(shè)計如圖3所示，包括1個主控制器和8個分控制器，主控制器通過CAN總線與多個分控制器進行信息傳遞，每個分控制器控制相應(yīng)的1節(jié)清洗裝置。人工手動控制開關(guān)，控制系統(tǒng)接受指令，驅(qū)動相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)工作。

1.3主控制器流程設(shè)計

主控制器要完成的任務(wù)是將操作人員下達的行走和清洗等命令通過CAN總線傳遞給多個分控制器，讓分控制器控制執(zhí)行機構(gòu)完成動作，主控制器還要通過CAN總線接收每個分控制器反饋的定位信號，并向整個清洗機發(fā)出同步行走的命令和棚頂端部停車命令，防止清洗機從棚頂墜下。主控制器主程序流程如圖4所示。

2結(jié)果與分析

2.1試驗平臺

試驗平臺是依照現(xiàn)有南方連棟塑料溫室的棚頂，采用直徑25 mm、壁厚1.2 mm的薄壁鍍鋅管，建成拱形溫室棚頂，如圖5所示。棚頂整體弧長8.9 m，弦長8 m，中心主支撐架 1.7 m，兩側(cè)支架均1.35 m；沿棚頂天溝走向每隔1 m設(shè)置支架，共設(shè)置4個支架，總長為3 m，用3根縱向桿連接每個支架，分別對應(yīng)在3根支撐架的位置。在整個平臺上部覆蓋 0.1 mm 厚度的塑料薄膜，透光率35%，模擬使用后的塑料溫室棚頂。

將鉸接好的溫室清洗機置于試驗平臺上，不斷地在拱形塑料棚頂往復(fù)行走，且不斷地調(diào)節(jié)行走速度、配合清洗毛刷轉(zhuǎn)動。設(shè)計達到預(yù)期效果，整個清洗機自然與拱形棚頂貼合，仿形效果較好；行走機構(gòu)可以平穩(wěn)地在薄膜上行走，且不損壞塑料薄膜，毛刷自然地貼服在薄膜表面，對薄膜可以起到清洗效果。在清洗機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等的整體控制時，清洗機工作可靠；在調(diào)節(jié)行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)速開關(guān)時，系統(tǒng)可以快速反應(yīng)，達到令人滿意的效果，檢測模塊能夠及時有效地反饋信息，增加整機工作的安全性。

2.2結(jié)果與分析

采用正交試驗研究清洗機的清洗效果和清洗工藝，經(jīng)初步試驗，選用清洗機行走速度、毛刷轉(zhuǎn)速和噴水量作為試驗因子，試驗指標為棚頂塑膜清洗后的透光率。選擇正交表 L9（34）安排試驗（第3列為空列），試驗方案與結(jié)果見表1。

對清洗試驗結(jié)果進行極差分析，繪制因子指標圖如圖6所示。

通過數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果可知，行走速度、毛刷轉(zhuǎn)速和噴水量對透光率影響顯著，清洗后透光率可達78.37%。由圖6

可知，行走速度與清洗效果呈線性負相關(guān)，行走速度低，清洗效果好；當轉(zhuǎn)速為60～90 r/min時，透光率隨毛刷轉(zhuǎn)速增加而快速增加，當轉(zhuǎn)速>90 r/min時，透光率增加趨勢放緩；當噴水量>0.09 L/s后，由于薄膜表面水量偏高，毛刷與薄膜之間摩擦力減小，導(dǎo)致清洗效果有下降趨勢。

3結(jié)論

清洗機試驗結(jié)果表明，行走機構(gòu)可以平穩(wěn)地帶動清洗機構(gòu)在塑料溫室棚頂往復(fù)運動，符合控制系統(tǒng)的設(shè)計要求；清洗裝置的鉸接方式達到設(shè)計的預(yù)想效果，具有棚頂仿形功能；行走速度、毛刷轉(zhuǎn)速和噴水量對試驗指標透光率影響顯著；最佳清洗參數(shù)為行走速度1 m/min、毛刷轉(zhuǎn)速120 r/min、噴水量0.09 L/s；清洗后棚頂塑膜的透光率可達78%，能夠滿足清洗需要，試驗樣機達到設(shè)計要求。

參考文獻：

[1]鐘鋼. 國內(nèi)外溫室發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（9）：68-69.

[2]蔣國際. 鋼架大棚的保養(yǎng)方法[J]. 湖南農(nóng)業(yè)，2014（11）：20.

[3]彭三河. 塑料大棚清洗裝置的設(shè)計[J]. 長江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（4）：102-104.

[4]周娟. 基于單片機的溫室大棚智能清潔機[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[5]李保明. 中國設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究與應(yīng)用進展[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2005，5（2）：7-8.

[6]李愛英，張帆，許育輝，等. 農(nóng)用大棚塑料薄膜材料的研究進展[J]. 化工新型材料，2014（12）：25-26，37.

[7]周長吉. 中國溫室的發(fā)展與標準化進程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19（增刊）：88-91.

[8]Yasutomi F，Yamada M，Tsukamoto K. Cleaning robot control[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation，1988：1839-1841.

[9]劉榮勝，李兆波，江亦瀾，等. 溫室頂棚清洗機器人的設(shè)計[J]. 福建農(nóng)機，2014（3）：40-42.

[10]楊鋼，李啟成，李雅明，等. 乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）的性能及應(yīng)用[J]. 膠體與聚合物，2009，27（3）：45-46.