塑料溫室棚頂清洗機的設計

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個單節清洗裝置，由溫室骨架和棚頂薄膜共同支撐，可與拱形棚頂的弧度自然貼合；單節清洗裝置主要包括行走機構、清洗機構、支架；控制系統包括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的1節清洗裝置。清洗機的行走和清洗試驗結果表明，清洗裝置在棚頂仿形效果較好，能在棚頂上平穩地往復行走，清洗后透光率可達78.37%，符合清洗要求。

關鍵詞：塑料溫室；棚頂；清洗機；設計；控制系統；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：重慶市科學技術委員會應用開發計劃（編號：CSTC2013yykfa80003）。

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

通信作者：李慶東，教授，碩士生導師，主要從事農業機械化工程研究。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，恢復棚膜透光率，以利于植物光合作用，提高溫室產量[3]。透光率是指溫室內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作物的光合作用和生長狀況[4]。

我國西南地區絕大多數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備很大一部分質量。為了能夠清洗配有遮陽棚的塑料溫室棚頂，要求清洗機結構緊湊、質量輕，有必要設計自動化程度較高、效果好的清洗設備。

1整體設計

塑料溫室棚頂清洗機的設計主要包括機械結構和控制系統的設計。其中，機械結構設計有8節清洗裝置鉸接組成的形式，每個單節清洗裝置包含行走機構、清洗機構和機架等，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機械結構設計

整個機械結構如圖1所示，采用由鉸接機構連接的多節清洗裝置的形式，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。

單節清洗裝置如圖2所示，主要包括行走機構、清洗機構、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。

行走機構的設計采用具有一定柔性的長滾筒配備直流電機驅動其滾動行走；調控機構的行走速度適應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。

行走機構的滾筒采用EVA發泡材料，質量輕、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較大，有利于行走防滑[10]。

清洗機構采用圓盤刷配備直流電機驅動旋轉來清洗溫室棚膜。清洗是通過尼龍毛刷與塑料薄膜之間產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，也就是拱形棚頂的頂點，噴水孔分別設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，主要起到沖刷清洗后留在薄膜表面的藻類、泥漿等污漬。

1.2控制系統的設計

控制系統需要軟件和硬件的結合，硬件部分的設計如圖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的1節清洗裝置。人工手動控制開關，控制系統接受指令，驅動相應的機械結構工作。

1.3主控制器流程設計

主控制器要完成的任務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，讓分控制器控制執行機構完成動作，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結果與分析

2.1試驗平臺

試驗平臺是依照現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，兩側支架均1.35 m；沿棚頂天溝走向每隔1 m設置支架，共設置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行走，且不斷地調節行走速度、配合清洗毛刷轉動。設計達到預期效果，整個清洗機自然與拱形棚頂貼合，仿形效果較好；行走機構可以平穩地在薄膜上行走，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、反轉、停止等的整體控制時，清洗機工作可靠；在調節行走機構的轉速開關時，系統可以快速反應，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，經初步試驗，選用清洗機行走速度、毛刷轉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），試驗方案與結果見表1。

對清洗試驗結果進行極差分析，繪制因子指標圖如圖6所示。

通過數據方差分析結果可知，行走速度、毛刷轉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，行走速度低，清洗效果好；當轉速為60～90 r/min時，透光率隨毛刷轉速增加而快速增加，當轉速>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，導致清洗效果有下降趨勢。

3結論

清洗機試驗結果表明，行走機構可以平穩地帶動清洗機構在塑料溫室棚頂往復運動，符合控制系統的設計要求；清洗裝置的鉸接方式達到設計的預想效果，具有棚頂仿形功能；行走速度、毛刷轉速和噴水量對試驗指標透光率影響顯著；最佳清洗參數為行走速度1 m/min、毛刷轉速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，試驗樣機達到設計要求。

參考文獻：

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