塑料温室棚顶清洗机的设计

朱康熹++梁永江++徐丹++李庆东++何培祥++蒋猛++赵进++刘宏博

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.118

摘要：设计一种塑料温室棚顶清洗机，可用于清洗配有遮阳棚和无遮阳棚的塑料温室棚顶。清洗机包含8个单节清洗装置，由温室骨架和棚顶薄膜共同支撑，可与拱形棚顶的弧度自然贴合；单节清洗装置主要包括行走机构、清洗机构、支架；控制系统包括1个主控制器和8个分控制器，主控制器通过CAN总线与8个分控制器进行信息传递，每个分控制器控制相应的1节清洗装置。清洗机的行走和清洗试验结果表明，清洗装置在棚顶仿形效果较好，能在棚顶上平稳地往复行走，清洗后透光率可达78.37%，符合清洗要求。

关键词：塑料温室；棚顶；清洗机；设计；控制系统；清洗试验

中图分类号：S24；S237 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0404-03

收稿日期：2015-08-11

基金项目：重庆市科学技术委员会应用开发计划（编号：CSTC2013yykfa80003）。

作者简介：朱康熹（1993—），男，江西鄱阳人，硕士研究生，主要从事农业机械化工程机电一体化技术研究。E-mail：1739809228 @ qq.com。

通信作者：李庆东，教授，硕士生导师，主要从事农业机械化工程研究。E-mail：liqingd@163.com。在我国各类温室的使用中，塑料温室因经济性好，其占有率逐渐升高[1]。塑料温室大棚在使用过程中，棚顶表面易被灰尘污染[2]，生长苔藓等植物，使棚膜的透光率下降，因而有必要定期清洗温室棚顶，恢复棚膜透光率，以利于植物光合作用，提高温室产量[3]。透光率是指温室内的光照入射量与室外光照量的比例，温室的透光率直接影响农作物的光合作用和生长状况[4]。

我国西南地区绝大多数塑料温室棚顶配有遮阳棚[5]，国外清洗机因无法在棚顶天沟行走而不能使用，因而通常只能靠人工清洗塑料温室棚顶，效率低、费用高、存在安全隐患。棚顶塑膜柔软轻薄，易破损，摩擦系数较小[6]，棚顶为具有一定曲率的拱形面，不利于清洗机械在其上移动和清洗，同时棚顶只由几根纵横交叉的骨架支承[7]，塑料薄膜要承担清洗设备很大一部分质量。为了能够清洗配有遮阳棚的塑料温室棚顶，要求清洗机结构紧凑、质量轻，有必要设计自动化程度较高、效果好的清洗设备。

1整体设计

塑料温室棚顶清洗机的设计主要包括机械结构和控制系统的设计。其中，机械结构设计有8节清洗装置铰接组成的形式，每个单节清洗装置包含行走机构、清洗机构和机架等，这种铰接的形式可以很好地对大棚的弧度进行仿形；控制系统包括1个主控制器和多个分控制器，通信采用CAN总线[8-9]。

1.1机械结构设计

整个机械结构如图1所示，采用由铰接机构连接的多节清洗装置的形式，以利于对大棚的弧度进行仿形，整个清洗机由薄膜和骨架共同支撑。

单节清洗装置如图2所示，主要包括行走机构、清洗机构、支架；整个清洗机配有极限位置检测模块、定位检测装置、配电、配水等辅助机构。

行走机构的设计采用具有一定柔性的长滚筒配备直流电机驱动其滚动行走；调控机构的行走速度适应清洗不同污浊程度的薄膜，低速行走适宜清洗污浊程度较高的温室薄膜；高速用于污浊程度较低的薄膜清洗，提高清洗效率。

行走机构的滚筒采用EVA发泡材料，质量轻、密度小，具有柔性和弹性适当、吸水性差的特点，并与湿润的薄膜之间摩擦系数较大，有利于行走防滑[10]。

清洗机构采用圆盘刷配备直流电机驱动旋转来清洗温室棚膜。清洗是通过尼龙毛刷与塑料薄膜之间产生的摩擦力和冲击力来分离污物，通过喷水带走污渍。喷水管纵向放置在整个清洗机的中间，也就是拱形棚顶的顶点，喷水孔分别设置在喷水管的最前端和最后端，前端的喷水孔水流量较小，主要起到提前湿润薄膜浸泡脏物的作用，后端的喷水孔较大，主要起到冲刷清洗后留在薄膜表面的藻类、泥浆等污渍。

1.2控制系统的设计

控制系统需要软件和硬件的结合，硬件部分的设计如图3所示，包括1个主控制器和8个分控制器，主控制器通过CAN总线与多个分控制器进行信息传递，每个分控制器控制相应的1节清洗装置。人工手动控制开关，控制系统接受指令，驱动相应的机械结构工作。

1.3主控制器流程设计

主控制器要完成的任务是将操作人员下达的行走和清洗等命令通过CAN总线传递给多个分控制器，让分控制器控制执行机构完成动作，主控制器还要通过CAN总线接收每个分控制器反馈的定位信号，并向整个清洗机发出同步行走的命令和棚顶端部停车命令，防止清洗机从棚顶坠下。主控制器主程序流程如图4所示。

2结果与分析

2.1试验平台

试验平台是依照现有南方连栋塑料温室的棚顶，采用直径25 mm、壁厚1.2 mm的薄壁镀锌管，建成拱形温室棚顶，如图5所示。棚顶整体弧长8.9 m，弦长8 m，中心主支撑架 1.7 m，两侧支架均1.35 m；沿棚顶天沟走向每隔1 m设置支架，共设置4个支架，总长为3 m，用3根纵向杆连接每个支架，分别对应在3根支撑架的位置。在整个平台上部覆盖 0.1 mm 厚度的塑料薄膜，透光率35%，模拟使用后的塑料温室棚顶。

将铰接好的温室清洗机置于试验平台上，不断地在拱形塑料棚顶往复行走，且不断地调节行走速度、配合清洗毛刷转动。设计达到预期效果，整个清洗机自然与拱形棚顶贴合，仿形效果较好；行走机构可以平稳地在薄膜上行走，且不损坏塑料薄膜，毛刷自然地贴服在薄膜表面，对薄膜可以起到清洗效果。在清洗机进行正转、反转、停止等的整体控制时，清洗机工作可靠；在调节行走机构的转速开关时，系统可以快速反应，达到令人满意的效果，检测模块能够及时有效地反馈信息，增加整机工作的安全性。

2.2结果与分析

采用正交试验研究清洗机的清洗效果和清洗工艺，经初步试验，选用清洗机行走速度、毛刷转速和喷水量作为试验因子，试验指标为棚顶塑膜清洗后的透光率。选择正交表 L9（34）安排试验（第3列为空列），试验方案与结果见表1。

对清洗试验结果进行极差分析，绘制因子指标图如图6所示。

通过数据方差分析结果可知，行走速度、毛刷转速和喷水量对透光率影响显著，清洗后透光率可达78.37%。由图6

可知，行走速度与清洗效果呈线性负相关，行走速度低，清洗效果好；当转速为60～90 r/min时，透光率随毛刷转速增加而快速增加，当转速>90 r/min时，透光率增加趋势放缓；当喷水量>0.09 L/s后，由于薄膜表面水量偏高，毛刷与薄膜之间摩擦力减小，导致清洗效果有下降趋势。

3结论

清洗机试验结果表明，行走机构可以平稳地带动清洗机构在塑料温室棚顶往复运动，符合控制系统的设计要求；清洗装置的铰接方式达到设计的预想效果，具有棚顶仿形功能；行走速度、毛刷转速和喷水量对试验指标透光率影响显著；最佳清洗参数为行走速度1 m/min、毛刷转速120 r/min、喷水量0.09 L/s；清洗后棚顶塑膜的透光率可达78%，能够满足清洗需要，试验样机达到设计要求。

参考文献：

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