陳玉梅

（浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000）

0 引言

近年來，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)[1]的快速發(fā)展，溫室大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施需求量激增。2021年，全國(guó)溫室新建面積3 093.64 hm2[2]，其中玻璃溫室達(dá)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(shì)突出，其能夠達(dá)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(zhǎng)此以往會(huì)嚴(yán)重降低溫室的透光效果，影響農(nóng)作物的自然生長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。因此，加強(qiáng)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(zhǎng)發(fā)育。

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大型玻璃溫室應(yīng)用更加廣泛。由于人工清洗存在效率低、安全隱患大、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，如何清潔溫室大棚成了研究熱點(diǎn)。相關(guān)研究主要?jiǎng)澐至巳齻€(gè)分支——軌道式溫室大棚清潔裝置、機(jī)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(shè)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(yáng)網(wǎng)的玻璃溫室[6]。孔維蓉等[7]研發(fā)的清洗機(jī)電機(jī)數(shù)量多，電能消耗大且設(shè)備較重，設(shè)備無法在連棟之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平移，清洗完一個(gè)屋頂后靠人工搬運(yùn)到下個(gè)屋頂，自動(dòng)化程度不高；李濟(jì)霖等[8]所研發(fā)的裝置需要人為輔助移至下一個(gè)屋頂，而且需要將所有零件搬上屋頂后才能安裝和調(diào)節(jié)清洗兩側(cè)的角度，很不方便。

綜上所述，國(guó)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗?；诖?，筆者設(shè)計(jì)了一種頂棚自動(dòng)化清洗裝置，該裝置具有如下特點(diǎn)：1）可用于各種“人”字形玻璃溫室頂棚的清洗；2）可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)清洗；3）可實(shí)現(xiàn)跨屋脊清洗；4）可調(diào)整盤刷和玻璃面之間的正壓力，實(shí)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(dòng)輸送。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。其由主體框架2、行走機(jī)構(gòu)1、升降機(jī)構(gòu)5、清洗機(jī)構(gòu)3和活動(dòng)鉸鏈4組成，另外在平移車上設(shè)計(jì)伸縮機(jī)構(gòu)6輔助清洗機(jī)進(jìn)入車內(nèi)。

圖1 玻璃溫室棚頂清洗機(jī)示意圖

1.2 工作原理

1）調(diào)節(jié)角度：?jiǎn)蝹?cè)清洗機(jī)由清洗機(jī)構(gòu)3和升降機(jī)構(gòu)5組成，兩側(cè)通過活動(dòng)鉸鏈4連接，調(diào)節(jié)以適應(yīng)當(dāng)前角度的“人”字形玻璃溫室棚頂。

2）清洗機(jī)定位：對(duì)稱分布于屋脊兩側(cè)，并安裝在主體框架2上。主框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，其兩側(cè)各安裝行走機(jī)構(gòu)1，支撐整個(gè)裝置，運(yùn)行時(shí)不易傾倒。

3）調(diào)節(jié)清洗壓力：玻璃溫室跨度8 m，坡度為23°，單側(cè)清洗機(jī)設(shè)計(jì)總長(zhǎng)4 200 mm。兩側(cè)清洗機(jī)分別平行于屋面放置，通過升降機(jī)構(gòu)5（升降距離為0～8 mm）來調(diào)節(jié)尼龍圓盤刷和屋面的間距和正壓力，從而達(dá)到較好的清洗效果。

4）清洗：清洗機(jī)構(gòu)3通過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)7個(gè)底徑為6 000 mm的尼龍圓盤刷同時(shí)旋轉(zhuǎn)完成清洗動(dòng)作。

5）清洗機(jī)移動(dòng)：完成一段溫室清洗后，行走機(jī)構(gòu)1工作。行走機(jī)構(gòu)1由一前一后兩個(gè)輪子組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪行駛，前輪起輔助作用，平衡整個(gè)清洗裝置的重心，實(shí)現(xiàn)清洗裝置的前進(jìn)和后退。

6）清洗完成：清洗結(jié)束后，平移車內(nèi)的伸縮機(jī)構(gòu)6運(yùn)行，將伸縮板伸入屋頂表面，清洗裝置通過伸縮板進(jìn)入平移車，小車平移至下一個(gè)屋頂，重復(fù)清洗動(dòng)作。

2 清洗部件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

電機(jī)通過多級(jí)同步帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)圓盤刷的同步旋轉(zhuǎn)。清洗電機(jī)位于清洗裝置中間，電機(jī)輸出軸和從動(dòng)軸通過齒輪嚙合，兩軸通過同步帶傳動(dòng)，各控制3個(gè)刷子的旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)軸末端控制1個(gè)圓盤刷。

2.2 關(guān)鍵零件分析與計(jì)算

主要的零件是傳動(dòng)齒輪和主動(dòng)軸，即主要進(jìn)行電機(jī)輸出軸的強(qiáng)度校核。1至7傳動(dòng)軸中，6至7軸僅有一級(jí)帶傳動(dòng)，3至5軸有二級(jí)帶傳動(dòng)，1至2軸有一級(jí)齒輪傳動(dòng)和一級(jí)帶傳動(dòng)。由此可見，只需要對(duì)1軸或2軸進(jìn)行彎矩和扭矩強(qiáng)度校核，從軸的水平面和垂直面分別計(jì)算其彎矩和扭矩。已知1軸上同步帶輪和齒輪的輸入轉(zhuǎn)矩T=0.596 N·m，經(jīng)計(jì)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(cè)截面承受最大彎矩和扭矩，僅需對(duì)此截面進(jìn)行強(qiáng)度校核[9]，經(jīng)過計(jì)算，彎扭合成應(yīng)力σca=16.51 MPa＜許用彎曲應(yīng)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(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

整體清洗機(jī)兩端各有一對(duì)豎直橡膠輪和輔助小輪。單側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)清洗機(jī)后側(cè)的橡膠輪，而前側(cè)輔助輪自然滾動(dòng)，四個(gè)輪子一起支撐整套清洗設(shè)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(cè)清洗機(jī)行走機(jī)構(gòu)

3.2 關(guān)鍵零件分析與計(jì)算

主要零件是傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸，即主要進(jìn)行傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核。單側(cè)行走輪承受的質(zhì)量是200 kg，輪胎橡膠面摩擦系數(shù)f=0.27。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，已知小齒輪連接軸的輸入轉(zhuǎn)矩，可得到傳動(dòng)軸的載荷分布如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)軸的載荷分析圖

4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

研發(fā)軟件的主要目的是開發(fā)并設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的軟件控制程序[11]，增加自動(dòng)化功能。不僅能夠進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)軟件程序的開發(fā)理念與設(shè)計(jì)方法，而且還能全面提升開發(fā)設(shè)計(jì)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(gè)方面：1）正式啟動(dòng)該軟件程序的電源之后，相關(guān)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)設(shè)備是否連接，使用是否正常；2）在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)送指令控制清洗機(jī)在頂棚上移動(dòng)，并控制盤刷進(jìn)行清洗工作；3）傳感器會(huì)檢測(cè)玻璃表面是否清潔干凈，控制升降機(jī)構(gòu)高度，調(diào)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(jié)論

綜上所述，筆者綜合國(guó)內(nèi)外玻璃溫室頂棚清洗機(jī)的研究現(xiàn)狀，參考國(guó)內(nèi)玻璃溫室的結(jié)構(gòu)和尺寸，對(duì)玻璃溫室頂棚自動(dòng)清洗機(jī)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度以及清洗效果，確保清洗機(jī)具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）節(jié)省動(dòng)力源。將采用單側(cè)清洗部分結(jié)構(gòu)僅一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)圓盤刷，一個(gè)推桿電機(jī)完成清洗結(jié)構(gòu)的升降功能，來調(diào)整刷子和玻璃間的正壓力。2）自動(dòng)化程度高?？蓪?shí)現(xiàn)跨屋脊清洗，通過伸縮裝置進(jìn)入平移小車，實(shí)現(xiàn)在各屋脊間的平移。3）適應(yīng)性強(qiáng)。采用拼接式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際跨度調(diào)整圓盤刷數(shù)量。同時(shí)，清洗機(jī)軟件系統(tǒng)的強(qiáng)化，對(duì)玻璃溫室實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗，進(jìn)一步提高玻璃的透光率，提高植物光合作用的效率，促進(jìn)植物生長(zhǎng)并增加其產(chǎn)量，從而為我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化貢獻(xiàn)積極力量。