袁永偉，馬躍進，弋景剛，孔德剛，劉江濤，李珊珊

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

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日光溫室無縫卷簾機的研制

袁永偉，馬躍進，弋景剛，孔德剛，劉江濤，李珊珊

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

日光溫室卷簾機作為小型農(nóng)用機械已廣泛應用于設施農(nóng)業(yè)中，針對前置卷軸上推式卷簾機在減速機下方區(qū)域總有2m左右的區(qū)域不能自動卷簾的問題，設計了一套日光溫室中間被自動卷放的接縫裝置。該裝置采用兩級鏈傳動，具有折疊功能，運行時裝置打開150°角，避免與大棚表面的碰撞，放到地面后折起，減小占地空間。無縫卷簾機采用現(xiàn)場手動、近程遙控和遠程手機短信控制3種模式，采用位置開關(guān)和時間保護方式，實現(xiàn)雙重限位保護。試驗表明：設備運行良好，操作安全方便，接縫裝置收放自如，實現(xiàn)了自動無縫卷放簾。

日光溫室；卷簾機；接縫裝置；遙控

0 引言

日光溫室在設施農(nóng)業(yè)發(fā)展中意義重大，不僅可縮短農(nóng)作物生長周期、提供反季節(jié)蔬菜，而且能夠大幅提高農(nóng)作物的成活率。在設施農(nóng)業(yè)機械化與智能化發(fā)展的前提下，卷簾機作為小型農(nóng)用機械已得到廣泛應用[1]。

卷簾機的出現(xiàn)極大地推動了日光溫室機械化發(fā)展，同時降低了農(nóng)戶的勞動強度[2-3]。由于溫室大棚長度一般較大，大多數(shù)卷簾機安裝于大棚中間位置，通過兩端伸出的卷簾軸實現(xiàn)兩側(cè)棉被的卷起和鋪放，但是在減速機下方有2m寬的棉被不能被卷起，如圖1所示。一般情況下，中間的棉被需通過人工來卷起或始終蓋在棚面上。如果始終蓋在棚面上，就會影響中間棉被下方農(nóng)作物的采光和生長，降低了蔬菜的產(chǎn)量及溫室土地的利用率；如果人工卷起，不僅費時費力，操作時也具有一定的危險性[4]。

目前使用的日光溫室卷簾機基本上采用手動開關(guān)，不僅存在著較大的安全隱患，而且浪費時間。為了解決上述問題，現(xiàn)急需研制一種日光溫室無縫卷簾機，實現(xiàn)中間棉被隨卷簾機自動卷起和鋪放，同時能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場手動、近程遙控和遠程手機短信控制。

圖1 傳統(tǒng)日光溫室卷簾機卷簾效果圖Fig.1 The effect of traditional rolling machine

1 無縫卷簾機總體設計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設計

針對目前溫室卷簾機存在的問題，設計了一種日光溫室無縫卷簾機，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.溫室大棚 2.支撐臂 3.鉸接軸 4.搖臂 5.動力機構(gòu) 6.中間保溫被 7.接縫裝置 8.保溫被 9.卷簾軸圖2 日光溫室無縫卷簾機總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The overall effect of the seamless rolling machine for solar greenhouse

該卷簾機主要由動力機構(gòu)、卷簾軸、支撐機構(gòu)、接縫裝置和限位保護等組成。其中，動力機構(gòu)由三相異步電機和渦輪蝸桿減速機組成，減速器兩側(cè)的輸出軸通過聯(lián)軸器與卷簾軸相連，右側(cè)輸出軸上安裝有鏈輪，鏈輪與卷簾軸同步轉(zhuǎn)動，作為接縫裝置的動力。接縫裝置采用二級鏈傳動，其前端的兩個夾持套與卷簾軸套接，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置隨著卷簾機的升降貼合大棚表面上下運動；裝置的頂端在夾持套與軸二的連接處安裝有硬限位，使得裝置具有折疊性，裝置后端的軸3用于卷中間棉被。

1.2 工作原理

工作時，電動機將動力傳輸給卷簾機渦輪蝸桿減速器，卷簾機減速器的輸出軸與卷簾軸相聯(lián)，實現(xiàn)大棚左右棉被的卷放。減速機右側(cè)輸出軸上的鏈輪隨卷簾軸同步轉(zhuǎn)動，通過第1級和第2級鏈條傳動將動力傳遞給軸3，軸3與中間棉被相連，從而實現(xiàn)中間棉被的自動卷放。在折疊功能方面，卷簾機開始卷簾并爬升大棚時裝置自動打開，完全鋪放棉被接觸地面時裝置自動折疊收起，卷放簾過程中則與大棚表面保持一定的角度，與溫室棚膜表面貼合。

1.3 功能要求

1)操控要求：現(xiàn)場能夠?qū)崿F(xiàn)手動控制、近程遙控控制及遠程手機短信控制。

2)安全要求：具有限位安全保護措施，遠程手機短信控制能設定工作時間，同時需設有機械限位，防止超出行程，發(fā)生危險事故。

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 接縫裝置結(jié)構(gòu)設計

卷簾機接縫裝置主要用于中間保溫覆蓋材料棉被的卷放作業(yè)，實現(xiàn)中間棉被與左右兩側(cè)棉被的同步卷放，裝置中心始終與卷簾軸保持1m左右的距離，并且具有可折疊性接縫裝置如圖3所示。

1.第1夾持套 2.第2夾持套 3.第1級傳動鏈 4.軸2 5.第2級傳動鏈 6.硬限位 7.軸3圖3 自動接縫裝置圖Fig.3 Automatic seamless device

該裝置由第1夾持套、第2夾持套、第1級傳動鏈、第2級傳動鏈、軸2、軸3所構(gòu)成。該裝置的前端與卷簾軸相聯(lián)，能夠隨著卷簾機的上下運動，軸2和第1、第2夾持套末端保持同軸，第1、第2加持套末端焊接有硬限位，用于限定角度，從而使裝置頂端與大棚表面能夠始終保持一定的角度，避免與大棚表面的碰撞，后端的軸3用于卷放中間棉被。該裝置具有良好的折疊性，卷簾機開始卷簾爬升時，裝置自動打開，棉被完全鋪放時裝置自動折疊在一起。

2.2 傳動系統(tǒng)設計

2.2.1 傳動方案的設計

由于電機轉(zhuǎn)速較高、功率較大，故使用V型帶傳動，卷簾軸與卷簾機通過聯(lián)軸器連接，自動接縫裝置的軸2與軸3通過鏈條進行傳動。傳動線路為：電動機—V型帶傳動—卷簾機減速器—聯(lián)軸器—卷簾軸—第1級鏈條傳動—軸2—第2級鏈條傳動—軸3。卷簾機減速器為4級齒輪減速。電機與減速器配合使用，選擇Y90L-4型號電機，額定功率2.2kW，滿載轉(zhuǎn)速1 400r/min，效率為78.0%。

2.2.2 傳動比的確定

裝置傳動的結(jié)構(gòu)型式為1級帶傳動、4級齒輪減速傳動和2級鏈條傳動。帶傳動的傳動比i1=2.25，減速器傳動比i減=155.56，鏈條傳動比i鏈=1，總傳動比為

(1)

2.2.3 傳動效率的確定

傳動系統(tǒng)的總效率為

(2)

其中，ηa為V型帶的傳動效率；ηb為減速器軸承的傳動效率；ηc為減速器齒輪的傳動效率；ηd為聯(lián)軸器的傳動效率；ηc為鏈條的傳動效率。其各自傳動效率值如表1所示。將數(shù)值帶入式(2)，得η=0.96×0.995×0.984×0.99×0.952=0.747，總的傳動效率為74.7%。

表1 相關(guān)機構(gòu)傳動效率表

2.2.4 傳動系統(tǒng)的動力參數(shù)

1)各個軸的轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速為n0=1 400r/min；減速器輸入軸為n1=n0/i1=1 400/2.25=622r/min；卷簾軸為n2=n1/i減=622/155.56=3.998r/min；軸2和軸3為n3=n4=n2/i鏈=3.998/1=3.998r/min。

2.3 接縫裝置折角的確定

折角的大小主要取決于溫室表面的弧度，因此首先要分析溫室棚面的弧度。目前，流線型溫室的棚面通常是參照合理軸線原理進行設計[5]，合理軸線計算公式為

Y=4FX(L-X)/L2

(3)

式中Y—弧線各位點對應高度；

F—溫室中間點高度(矢高)；

L—溫室跨度；

X—各位點對應水平距離。

設定溫室跨度L=8m，矢高F=3.3m，水平距離X從1m到4m隔1m取一個值，使用MatLab得出以下擬合曲線[6]，如圖4所示。

圖4 溫室棚面的曲線擬合Fig.4 Curve fitting of the solar greenhouse surface

圖4中，曲線擬合部分為溫室的真實弧度，直線擬合部分為溫室的近似弧度，其大小為φ=arctan 0.825=38.85°，由于溫室表面的弧度是變化的，故取平均坡度為38.85°。軸2與軸3隨著卷簾軸同步運行，軸2與軸3速度的方向均沿著溫室表面斜向上，而且是時刻變化。為了確保接縫裝置折疊功能運行正常，接縫裝置頂部既不觸碰到搖臂又不碰到溫室表面，最終折疊角最大值設定為150°。

2.4 限位開關(guān)

限位開關(guān)選用接觸開關(guān)，布置在溫室頂部和底部，正常情況下，接觸開關(guān)處于導通狀態(tài)，卷簾機根據(jù)短信設定的工作時長進行卷放簾，不會觸碰接觸開關(guān)，如圖5所示。一旦出現(xiàn)異常情況，如短信設定工作時長超出卷簾機卷簾行程或通過遙控控制時忘記停止，卷簾機運動到限定位置時，觸發(fā)接觸開關(guān)，立刻斷開電機電源。

圖5 限位開關(guān)Fig.5 The limit switch

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

控制系統(tǒng)主要由手動開關(guān)、遙控模塊、手機GSM模塊、控制單元、驅(qū)動模塊和位置反饋傳感器等組成, 如圖6所示。控制箱上設置有3檔開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動、遙控和手機短信控制3種模式。操作人員不僅可以采用遙控對多個卷簾機進行操作，而且可以通過短信對園區(qū)多個卷簾機同時控制，采用接觸開關(guān)作為位置傳感器進行限位，保證了卷簾機工作的安全可靠性。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the control system

3.2 單片機選擇

控制單元采用STM32FIO3增強型單片機，其時鐘頻率達到72MHz，是同類型中性能最高的產(chǎn)品。其內(nèi)置RTC時鐘模塊，通過程序可以設置當前時間，同時可搭配12864模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和不同操作模式的切換，通過USART串口模塊實現(xiàn)與GSM模塊之間的通信。

3.3 遙控器設計

無線電遙控系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成：發(fā)射系統(tǒng)主要由計數(shù)編址電路、編碼電路及無線電發(fā)射電路組成；接收系統(tǒng)主要由無線電接收電路、譯碼電路及開關(guān)控制電路組成。

本無線電遙控開關(guān)系統(tǒng)采用CMOS 集成電路, 發(fā)射模塊采用PT2262 芯片進行編碼，接收模塊采用PT2272芯片進行解碼，同時采用數(shù)碼無線編碼技術(shù)，保證了開關(guān)互不干擾，在室外空曠處遙控距離在500m以上。遙控器上設置卷簾、放簾和停止3個按鈕，遙控器與接收器具有學習功能，通過學習實現(xiàn)一個遙控器同時控制多個卷簾機。

3.4 GSM通訊模塊

GSM模塊可以實現(xiàn)短信的接收和發(fā)送，通過單片機對短信控制指令進行解碼并完成相應的操控。該系統(tǒng)采用西門子TC35i工業(yè)級GSM模塊，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM讀卡器和天線，SIM讀卡器用于放置手機卡，數(shù)據(jù)接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，自動波特率為1.2～11.5kB/s，本系統(tǒng)采用既支持英文短信又支持中文短信的PDU模式。TC35i與單片機通過USART進行數(shù)據(jù)通信，設定通信速率為9 600kbps。

斷電狀態(tài)下將SIM卡安裝在SIM讀卡器中，首先進行用戶配對，向控制器發(fā)送：主號888888888，888888888表示控制卷簾機的手機號，完成配對，確保只有當前手機能夠?qū)砗煓C進行操控。

3.5 動作執(zhí)行電路設計

針對卷簾機的控制系統(tǒng)的設計與所選用的電氣元件，對控制系統(tǒng)的動作執(zhí)行電路進行了設計，如圖7所示。

1)卷簾機的手動控制。接通空氣開關(guān)QF，將單刀雙刃開關(guān)撥至手動端M(Manual end)，按下電機正裝開關(guān)按鈕SB2-1，相關(guān)連接按鈕SB2-2閉合，電機正轉(zhuǎn)電路啟動，控制電機正轉(zhuǎn)的交流接觸器KMF得電，交流接觸器開關(guān)KMF-1接通、KMF-2斷開，電機開始正轉(zhuǎn)；卷簾機運行卷簾作業(yè)，同時形成呼互鎖，防止電機反轉(zhuǎn)；卷簾機完成棉被卷簾之后，按動停止按鈕SB1，電機停止工作，結(jié)束卷簾。同理，按下SB3-1實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)，能夠完成放簾作業(yè)。

2)卷簾機的近程遙控控制。接通空氣開關(guān)QF，將單刀雙刃開關(guān)撥至遙控端R(Remote end)，按動遙控器控開啟控制按鈕，繼電器JQ1得電，繼電器開關(guān)JQ1接通，交流接觸器KMF得電，電機開始正轉(zhuǎn)，卷簾機運行卷簾作業(yè)卷起棉被。同理，繼電器JQ2得電，電機反轉(zhuǎn)，卷簾機運行卷簾作業(yè)放下棉被。

3)卷簾機的手機遠程控制。接通空氣開關(guān)QF，將單刀雙刃開關(guān)撥至手動端M(Manual end)，用戶使用手機編輯短信向 GSM超遠程控制器手機遙控開關(guān)發(fā)送“定時xx秒”或發(fā)送“定時xx分”，再發(fā)送“輸出1開”。時間繼電器KT1得電，延時xx秒之后，時間繼電器KT1的延時開關(guān)KT1接通，交流接觸器KMF得電，電機開始正轉(zhuǎn)，卷簾機運行卷簾作業(yè)；卷簾機完成棉被卷簾之后，時間繼電器KT1自動失電，延時xx秒之后，時間繼電器KT1的延時開關(guān)KT1斷開，交流接觸器KMF失電，電機停止轉(zhuǎn)動。同理，發(fā)送“定時xx秒”或發(fā)送“定時xx分”，再發(fā)送“輸出2開”，電機正轉(zhuǎn)，完成放簾作業(yè)。

L1、L2和L3.電源接線 QF.空氣開關(guān) KMF、KMR.交流接觸器 SB1、SB2和SB3.按鈕 JQ1、JQ2.繼電器 KT1、KT2.時間繼電器 S-M-R.單刀雙刃開關(guān)圖7 動作執(zhí)行電路圖Fig.7 Action execution circuit diagram

4 試驗

為驗證該日光溫室無縫卷簾的實用性及可靠性，于 2015 年 10月至 2016 年 3月在河北省保定市南市區(qū)河北農(nóng)業(yè)大學科技園進行了驗證試驗。試驗效果如圖8所示。

試驗表明：控制系統(tǒng)穩(wěn)定，3種操作模式切換自如，遙控控制距離實測不小于500m，手機短信控制功能正常。卷簾機接縫裝置能夠使中間棉被隨同左右棉被同步卷放，中間棉被厚度在1cm左右，寬度有2m，平均速度1.5m/min，15s即能完成1圈棉被的卷放。其效率較高，卷起或鋪開10m的棉被僅需5～8min，全部卷起時棉被厚度在60cm左右；接縫裝置折角保持150°，能夠適應溫室表面弧度的變化，未發(fā)生碰撞現(xiàn)象。在折疊性方面，卷簾30s后即能全部打開，鋪放棉被完成后該裝置能夠自動折疊，整機運行正常，安全可靠，實際卷簾效果良好。

圖8 無縫卷簾機卷簾效果Fig.8 The rolling effect of seamless rolling machine

5 結(jié)論

日光溫室無縫卷簾機具有自動接縫和折疊特性，解決了傳統(tǒng)卷簾機無法卷起中間棉被的問題，大大降低了農(nóng)民卷放簾的工作量，提高了安全性。接縫裝置可折疊，開始卷簾后，接縫裝置保持150°的折角，能夠適應溫室表面弧度的變化，不會發(fā)生碰撞現(xiàn)象；放簾接觸地面時自動折疊，節(jié)約占地空間。無縫卷簾機擁有現(xiàn)場手動、近程遙控和遠程手機短信控制3種模式，采用接觸開關(guān)和時間保護，實現(xiàn)了雙重限位保護。

試驗表明：設備運行良好，操作安全方便，接縫裝置收放自如，實現(xiàn)了自動無縫卷放簾。

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Development of Seamless Rolling Machine for Solar Greenhouse

Yuan Yongwei, Ma Yuejin, Yi Jinggang, Kong Degang, Liu Jiangtao, Li Shanshan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China)

The shutter machine as a small agricultural machinery has been widely used in agricultural facilities,for the pre-push reel rolling machine have about two-metre-wide blankets below the regional can not be automatic rolled up and down problems, designed a seamless device which can automatic roll up and down the intermediate blankets.The device has a folding function, runing-time, the device is open 150 °to avoid collision with the surface of the greenhouses. After contact with the ground, it is folding. The control system has site manual, short-range remote control and SMS remote control three modes, Using location switch and time protection to achieve double protection. The test result shows that the equipment is not only running well but also safe and convenient to operate, The intermediate blankets realizes automatically rolled up and down.

sunlight greenhouse; rolling machine; seamless device; remote control

2016-04-28

河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)中心建設項目(XDNZ201501);河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(2015)；河北農(nóng)業(yè)大學理工基金項目(ZD201617)

袁永偉(1987-),男，河北任丘人，助教，碩士，(E-mail) yuan499619387@126.com。

馬躍進(1958-),男，河北肅寧人，教授，博士生導師，工學博士，(E-mail)myj@hebau.edu.cn。

S625.3

A

1003-188X(2017)06-0140-05