新型大棚扫雪机的整体设计研究

郝志勇，刘 伟

（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁 阜新 123000）

在北方地区，冬季温室积雪影响屋面的透光性、保温性[1]，不利于喜阳植物的生长，且影响温室的总体强度和刚度。目前农业温室除雪多为手工作业，据相关数据显示，对于一个100多米长的温室，除雪工作需要4个人花费3～4 h才能完成。除雪时间较长，一方面会造成其他屋面积雪清扫的延迟，另一方面影响到温室草帘的快速卷起，减少了农作物正常的光照时间[2]，影响农作物生长。对于小雪或薄雪，手工作业基本可以应对；若突遇大雪、暴雪，手工清扫屋面上的积雪，劳动强度大、除雪效率低、除雪时间较长，温室有被压塌的危险。目前温室屋面除雪有的采用热水融雪管[3]，但是投资和运行费用均比较高；整体输送式温室屋面除雪装置，制造成本较高，不适合多个相邻温室屋面的除雪，不易于推广应用，现有的机械化温室除雪装置有利用空气迅速流动原理进行除雪[4]，存在效率低、噪音大、机械结构复杂等缺点，应用范围有限。针对目前尚未出现高效的温室除雪装置，本文设计了一新型温室除雪机，样机试验效果良好，可为温室屋面除雪提供一种有效的低运行费用除雪设备[5]。

1 大棚扫雪机工作原理及结构组成

1.1 大棚扫雪机的工作原理

新型大棚扫雪机安装在农用行走机械之上，利用车载液压马达驱动顶部执行机构和底部执行机构进行工作。顶部执行机构用于清扫温室屋面积雪，并将其输送到温室外侧底部，底部执行机构将从屋面清扫下来的积雪输送到田间合适位置[6]。

由于新型温室除雪机在田间相邻温室之间作业，受实际作业环境限制，因此温室除雪机的高度、宽度等都有明确要求，其具体设计要求如下：①能在田间道路上行驶自如；②能将温室顶部积雪清扫干净，且能使温室底部积雪搬运到合适位置；③可实现全自动化，操作简便，整个除雪过程一人即可完成。

1.2 大棚扫雪机的结构组成

根据温室除雪机的工作原理、功能实现和控制要求，其主要组成部分为：顶部执行机构、底部执行机构、车体、控制部分、伸缩装置等。具体组成部分如图1所示。

图1 大棚扫雪机组成Fig.1 Block diagram of the greenhouse snow blower

2 大棚扫雪机结构的设计

大棚扫雪机主要分为两部分，分别用来清扫温室顶部和底部积雪。具体设计参数由温室结构及其所在田间位置而定。

2.1 顶部执行机构设计

如图2所示，顶部执行机构采用螺旋分布式硬质毛刷，共有五段，每段毛刷固定在各自驱动轴上，轴之间采用联轴器相连，保证动力传递。毛刷支撑架用来支撑毛刷及其驱动轴，毛刷支撑架分为四段，每段之间用销轴连接。每段清扫机构都作用在支持轮上，为了减少对温室屋面的压力，采用6个支撑轮。北方地区冬季温室屋面上都有草帘覆盖，为避免除雪过程中，旋转毛刷卷起草帘，采用压帘杆以防止草帘被卷起。为减轻顶部执行机构重量和降低能耗。毛刷材料选用中等强度的硬质塑料制成，呈细长圆柱状。毛刷轴采用中空钢管，不仅保证了强度和刚度，而且减轻了重量。毛刷支撑架全部采用高强度铝合金制成，支撑轮采用复合橡胶轮。

图2 顶部执行机构Fig.2 Top executive body diagram

如图3所示，为了适应不同大棚曲面的弧度，特意在每个毛刷支撑架上安装有液压缸，通过液压缸的动作来调整每段毛刷支撑架的位置，以适应不同大棚的弧度。

图3 顶部执行机构Fig.3 General map top executive body

2.2 底部执行机构设计

温室除雪机底部采用异形螺旋清扫机构，用于把积雪输送到田间合适位置。其结构见图4。

图4 底部执行机构Fig.4 General map bottom executive body

2.3 整体结构组成

温室除雪机整体结构分为两种：即活动安装和固定安装。活动安装将执行机构固定在农用行走机械上；固定安装根据温室结构重新设计行走机构，并与其他执行机构组合成一体。下面限于篇幅，只给出活动安装结构示意见图5、6。

图5 活动安装整机结构Fig.5 Schematicdiagramofthewholeinstallationactivities

图6 活动安装样机整体模型Fig.6 Prototype model of the whole installation activities

3 扫雪机功耗计算

3.1 顶部执行机构功率计算

3.1.1 克服毛刷和草帘间摩擦力所需功率[7]

毛刷与温室屋面挤压力可用下式表示：

式中，d－毛刷直径（m）；Rm－滚刷半径（m）；I－毛刷自由长度（m）；E－毛刷弹性模量（Pa）；J－毛刷断面惯性矩（m4）；h－毛刷变形量（m）；ZB－工作毛刷数量。

图7 毛刷除雪工作原理Fig.7 Operating principle snow brush

式中，所以工作毛刷数量ZB可按下面公式选取。

式中，B－刷滚清扫宽度（m）；v－机器工作速度（m·s－1）；vm－刷滚圆周速度（m·s－1）。

毛刷和温室表面的摩擦力为f=μ1N。

式中，μ1为毛刷与温室屋面草帘间摩擦系数。

克服毛刷和温室草帘间摩擦力所需功率为P1。

式中，η－摩擦损失效率。

3.1.2 毛刷变形消耗功率P2计算

式中，φ-摩擦角；

n－刷滚转速。

3.1.3 克服空气阻力所消耗功率

克服空气阻力所消耗功率P3由下式确定。

根据以上分析和实际条件，确定其中的设计变量为：d=0.01 m，Rm=0.4 m，I=0.15 m，E=7×1010Pa，J=4.91×10－14m4，h=0.01 m，B=7 m，v=0.56 m·s－1，vm=16.76 m·s－1，n=75 r·min－1，μ1=0.5，η=0.8。

根据以上参数，由给出的公式可以计算出以下参数值：

ZB=149 592，β=0.22，β1=0.086，N=9.5 N，f=4.75 N，P1=1.6 kW，P2=0.76 kW，P3=0.016 kW。

驱动顶部执行机构所需的功率为P：

P=P1+P2+P3=1.6+0.76+0.016=2.38 kW

3.2 底部执行机构功率计算

3.2.1 螺旋机构参数计算[8]

根据实际工作需要设计螺旋机构，其主要参数如图8所示。

图8 螺旋机构结构Fig.8 Screw mechanisn structure diagram

螺旋面展开图圆环内径dl：

螺旋面展开图圆环外径Dl：

展开圆环切除部分的圆心角αl：

其中，d-螺旋轴直径（mm）。

根据实际情况和工作需要，设计参数为：D=400 mm，d=25 mm，s=340 mm其中螺旋叶片厚度为2 mm。

由此计算可得：dl=145.91 mm，Dl=505 mm，αl=64.28。

3.2.2 螺旋机构输送量的确定[7]

螺旋机构输送量可按公式（10）计算。

式中，Q－输送量（t·h－1）；ψ－物料填充系数；β0－倾斜系数；k－螺距与直径比例系数；r－物料容重（t·m－3）；n－转速（r·min－1）；D－螺旋直径（m）。

通过查手册，各个变量取以下值：ψ=0.45，β0=0.75，k=0.89，r=0.5，n=71，D=0.4，经计算可得Q=23.49 t·h－1。

3.2.3 螺旋机构消耗功率计算

P1－克服运行阻力所需的功率（kW）；L－输送长度（m）；Q－输送机的输送量（t·h－1）；μ－雪运行阻力系数，取1.5。取L=4～6 m算得，P1=1.87 kW。

因此驱动底部执行机构所需功率为：P=P1+P2=0.12+1.87=1.99 kW。

4 控制系统

除雪机整体采用电液控制系统。顶部执行机构由液压马达驱动毛刷轴旋转，由电动推杆控制顶部机构的工作位置；底部工作机构由液压马达驱动，利用油缸控制其实际工作位置。整个除雪机的操控都在驾驶室内完成。

5 样机验证试验

根据相似理论，按照一定比例研制了一小型样机。冬季雪花暂时用相似材料替代。整个除雪机样机完全按照实际要求进行设计和加工，由于样机空间的限制，其操控在样机中用遥控手柄进行控制。

图9 除雪机准备状态Fig.9 Snow machine readiness

图10 除雪机工作状态Fig.10 Snow machine working condition

图11 温室扫雪后Fig.11 Greenhouse after snow

6 结 论

从理论计算和样机制作对温室除雪机工作原理、结构性能进行了分析和试验。通过样机实际除雪工作，验证理论计算和分析的合理性，可得出以下结论：

a.温室除雪机结构合理，操作简便。

b.除雪机互换性好，可以方便地安装到农用行走机械上进行除雪工作。

c.除雪机工作效率较高，驱动系统简单，小型原动机可满足实际工作需求。

d.通过实际工作和测试各种试验数据，证明该新型温室除雪机除雪效果明显，除雪效率高，具有实际应用价值。

[1]王健,王钢,林敬东.我国除雪机械现状及发展趋势[J].呼伦贝尔学院学报,2005(2):123－125.

[2]王有为,牟乐,陆程.浅谈我国除雪机械的发展及在除雪工作中的应用[J].北方交通,2009(7):45－48.

[3]周增产,王纲,田真,等.整体输送式温室屋面除雪装置[J].农业机械学报,2005(5):79－83.

[4]刘佩军.中国东北地区农业机械化发展研究[D].长春:吉林大学,2007(5):36－40.

[5]余克强,王双喜.我国温室屋面除雪的研究现状与趋势[J].农机化研究,2011(7):28－36.

[6]于海业,马成林,陈晓光.发达国家温室设施自动化研究的现状[J].农业工程学报.1997,S1:

[7]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008.

[8]孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9]蒋亦元.现代大规模农业机械化将使东北农村粮食生产产生巨变的认识[J].东北农业大学学报,2011,42(2):1－4.