农用大棚网自动收卷机的设计

郭德伟，李 丽，俞利宾，王鸿钧，张文斌

(红河学院 a.工学院；b.商学院，云南 蒙自 661199)



农用大棚网自动收卷机的设计

郭德伟a，李 丽b，俞利宾a，王鸿钧a，张文斌a

(红河学院 a.工学院；b.商学院，云南 蒙自 661199)

目前，三七类药材的种植过程中，大棚网的收卷主要依靠手工完成，不仅费时费力，而且在收卷过程中很容易将大棚网弄坏，因而设计了一种新型的农用大棚网自动收卷机。该机采用电机带动辊轴对大棚网进行自动卷收，结合梯形机架和辅助支架，使得大棚网在卷裹过程中受力均匀；同时，组合式辊轴的设计更增加了设备携带的灵活性，实现了户外大棚网的自动收卷。实际测试结果表明：该机解决了目前户外作业时卷收大棚网费时费力且易损坏大棚网的问题，对于提高收卷效率和大棚网的循环使用发挥了极大作用，值得进一步推广普及。

大棚网；自动收卷机；辊轴；直流电机

0 引言

大棚属于现代农业的主要生产设施，利用大棚生产农作物的方式被称为设施农业。大棚与外界自然环境有一定程度的隔绝，温湿度等作物生长要素与棚外存在较大差异且易于人为控制，因而大棚内作物的生长较之自然条件具有较大优越性。大棚不仅能避冰雹、抗风抗旱、防霜冻、避免虫鸟病害，甚至还能生产反季节蔬菜瓜果，调节市场供应。由于存在诸多优势，大棚农业倍受人们的追捧，大棚建造规模不断增加，适用范围也日益扩大，从普通农作物到经济作物，甚至中药材都有应用。因此，大棚在农业生产中的地位和作用越来越强大[1]。

与大棚密不可分的材料是透明薄膜和遮阳网，遮阳网又称大棚网。透明薄膜相对固定，是一种永久性的构件；而大棚网则要根据作物对生长温度、光照度的不同要求而经常变换，一天之内可能要变换多次。光线太强时需要盖上遮阳网，光线太弱则要撤去遮阳网；棚内温度太高时，除了增加通风量外，还用遮盖大棚网的做法来辅助降温。大棚网的幅宽一般为2～3m，生产商多做成一卷卷的形式，使用时展开，不用时卷起以便下次再用[2]。目前，大棚网的撤和盖都依靠人工完成，劳动强度大，不仅费时费力，尤其在卷网时，不小心还会弄坏，形成破网烂网，严重影响了大棚网的循环使用。因此，如能有类似收卷机的设备来对大棚网进行自动收卷，将在很大程度上避免目前人工收卷时的破损和效率低下的问题。

目前，收卷类的机械有很多种：一是建筑方面使用的卷帘门、窗的原理实现的收卷；二是针对车间生产而用，如车间对薄膜、各类网收卷的机械。这些技术虽然都比较成熟，但均采用交流电源供电，且质量与所占体积如果在户外工作时则不太方便，易受到工作环境的制约。尤其对于云南省的文山、红河等三七的主要产地，现在几乎都是采用大棚对三七进行种植，大棚网的收卷在三七的种植过程中较为频繁。因此，研发一种专门针对户外作业的农用大棚网自动收卷机，对解决目前大棚网人工收卷时费时、费力的现状和提高大棚网循环使用率是很有现实意义的[3]。

1 设计方案选择

为满足户外工作的方式，初步拟定了3种方案，选择较为合理的方案运用在本设计的大棚网自动收卷机中[4]。

1.1 方案1

方案1结构如图1所示。机架采用3层式的结构设计：第1层用于放置电瓶装置；第2层用于安装直流电机，电机安装时采用普通可调位式的安装方式；最上一层用于安装轴承座。辊轴采用伸缩式，初步设计由两节组成，在搬运时可节省空间，也比较方便。机架的后两条支架脚与水平地面成90°夹角，前面两条支架脚与水平地面成75°夹角，可保证整机在运转过程中不会摇动太大，具有一定的稳定性。

1.机架 2.电瓶装置 3.传动轮1 4.直流电机 5.传动轮2 6.传动装置 7.联轴器 8.辊轴 9.设备辅助支架

1.2 方案2

本方案在方案1的基础上稍微做了一些调整，由原来3层机架的设计改为了只用2层，将直流电机与电瓶置于同一层。这样可以将整个设备的高度降低，也降低了整机的重心，收卷机在卷收过程中对机架产生的晃动就会有一定的减少，间接增加了整机工作的稳定性。辊轴由原来的可伸缩两节式改为整体一节式，避免了制作伸缩部分的费用。当然，在经济条件允许的范围内采用伸缩式的辊轴也是可行的。若采用不可拆装的辊轴，其缺点就是携带不太方便，整机的长度稍长。方案2结构如图2所示。

1.电瓶 2.直流电动机 3.传动轮1 4.皮带 5.传动轮2 6.轴承及轴承座 7.传动轴 8.联轴器 9.辊轴 10.设备辅助支架 11.机架

1.3 方案3

本方案在方案2的基础上又进行了可行性优化。在前面两个方案中，机架的高度都设计为800mm，加上轴承座的高度，整个设备的总体高度已经超过了900mm。由于机架的高度会影响整个设备运行的性能、安全及可靠性，本方案中将机架调整为700mm。这样收卷机的整体高度可保证处于800～850mm之间，将收卷机的中心降低，有利于增强卷收机的机械性能。前面两种方案中轴承座均采用一体式，在本方案中采用分开成对使用，避免一个轴承或轴承座损坏时更换的难度，辅助支架顶端安装一个滑动轴承支撑辊轴的右端部分；辊轴继续采用方案1中的两节式，之前方案中使用的伸缩式改为螺纹联接或者方形插入。方案3结构如图3所示。

1.电瓶 2.直流电动机 3.传动轮1 4.皮带 5.传动轮2 6、8.轴承座 7.传动轴 9.联轴器 10.辊轴 11.设备辅助支架 12.机架

综合分析上述3种方案可知：无论是整机尺寸，还是机械性能，得都较前两种考虑的周全。因此，本设计采用此种结构，并对各零部件进行详细设计。

2 系统关键零部件设计

2.1 电机的选择

电机是本设计的动力元件，主要为辊轴收卷大棚网提供动力，因此电机功率和类型的选择至关重要。由于收卷机主要用于户外作业，电源供给主要依靠蓄电池，因此选用直流电机为动力来源，通过V带传动实现辊轴的转动[5]。由于无刷电动机相比有刷电动机具有寿命较长、维护简单、噪音低且运转流畅等特点，结合户外大棚网收卷的具体工作要求和条件，最终选择了一台型号为GC71-048R255的无刷直流电机，其性能参数如表1所示。

表1 电机性能参数

2.2 传动带类型选择

根据该设备的设计性能要求，在卷收遮阳网时，当遇到遮阳网挂住某些物件时，能够使电机不严重超负卡停至烧坏，需要存在打滑情况，因此选择普通V带传动。其特点是带两侧与轮槽附着较好，当量摩擦因数较大、允许包角小、传动比较大、中心距较小、预紧力较小，传动功率可达700kW。对V带结构要求是曲挠性好、横向刚度大、承载能力高寿命长，其截面呈梯形，由胶帆布、顶胶、缓冲胶、芯绳、底胶等组成。胶帆布由涂帆布制成，能增强带的强度，减少带的磨损；底胶层、顶胶层和缓冲胶由橡胶制成，在胶带弯曲时，顶胶层受拉，底胶层受压；芯绳是V带的骨架层，用来承受纵向拉力[6]。

2.3 带轮的设计

由于V带的速度较低，所以在对与之相匹配的带轮进行选材时并无特殊需求，因此带轮材料选用灰铸铁，即HT150。综合考虑收卷大棚网所需要的转速和已经选择好的电机的功率，选取带型为Z型。由机械设计手册可知：取小带轮直径φ71mm，结构形式为实心轮；大带轮直径φ224mm，结构形式为腹板轮。其中，对带轮的要求是质量小、分布均匀、工艺性能好，且与带接触的工作表面要仔细加工，以减少带的磨损[7]。小带轮用普通平键安置在直流电动机芯轴上，大带轮通过平键的固定方式安置在传动轴一端。根据机械设计手册，对小带轮和大带轮的尺寸进行了详细设计，最终得到的小带轮和大带轮的尺寸和结构如图4所示。

2.4 传动轴的设计

本设计中，传动轴主要是将电机的动力通过联轴器传递给辊轴，因此要充分考虑其上各零部件的安装位置。根据带轮、联轴器和轴承的尺寸，最终设计完成的传动轴如图5所示。其中，轴上的1～2段用于安置大带轮，6～7段的右端安置联轴器，3～4段与5～6段的左边均用深沟球轴承支撑，轴上布置键槽时，同一轴上有多个键槽的，需保持键槽在同一直线上。

图4 带轮结构图

图5 传动轴结构图

2.5 辊轴的设计

为了使辊轴在卷收过程中不易产生变形，采用镀锌、耐腐蚀钢管作为辊轴材料。辊轴采用两节联接，联接口采用螺纹紧固，但要求电机工作只能选择正转或者反转。当卷收小型网或者对卷收质量要求不高时，也可直接使用一节来完成，此时电机可以同时实现正反转。

对于辊轴的设计，根据经验分析并结合单折遮阳网的宽度，选取φ25～φ50mm的镀锌不锈钢管。为了方便联轴器的制作，安装联轴器端的直径选取φ25mm，辊轴工作部分的有效直径选取为φ32±0.5mm；两节间联接螺纹的有效长度取60mm；安置于机架的辅助端部分长度取60mm；同时，为了保持辊轴处于水平位置，则该段轴的直径也取为φ25mm。最终设计得到的辊轴其结构如图6所示。

图6 辊轴结构图

辊轴是通过螺纹来联接的，带有键槽的一节辊轴是连接联轴器的，没有键槽的一节的直径25mm端是用辅助支架来做支撑。在安装时，需注意其顺序，避免安装错误。

2.6 机架的设计

目前，市场上农机销售点的各种小型农用机的机架普遍采用等腰梯形架、直角梯形架及方形架3类。直角梯形架与非直角梯形架相比，稳定性能稍差一些；但设计上相对较美观，且所占空间相对较少，因而此处选择梯形机架。将机架设计为两层式，架顶为1层，用于安置轴承座、电机调速旋钮、控制器及开关；第2层主要用于安装电机，也可以在剩余的空间处搁放蓄电池。其三维结构如图7所示。

图7 机架三维结构图

2.7 辅助支架的设计

辅助支架是为了平衡辊轴运行，防止辊轴在卷收大棚网的过程中随卷收增加质量，此时辊轴与机架呈简支梁形式，有可能产生变形。因此，辅助支架对收卷机的正常卷收起着重要作用。考虑到辅助支架对辊轴支撑的稳定性，与辊轴的接触部分设计为U型槽，辅助支架底部设计了多个支撑脚， 同时在机架与辅助支架之间还加装了一根伸缩连杆以增强其稳定性。其三维结构如图8所示。

图8 辅助支架及伸缩连杆三维结构图

2.8 整机结构及工作原理

农用大棚网自动收卷机主要由机架、电机传动轴、联轴器和辊轴等零部件组成，如图9所示[8]。电机和传动轴安装在机架上，传动轴通过皮带传动方式由电机驱动，传动轴通过联轴器与辊轴连接传动，辊轴的另一端安装在辅助支架上。电机为无级调速直流电机，机架上配装有蓄电池，辅助支架独立于机架。辅助支架上有安装辊轴的环套或者叉口，表面附润滑剂，以利于辊轴转动。辊轴由两段管子以螺纹方式连接而成。

1.机架 2.电池 3.小带轮 4.传动带 5.大带轮 6.轴承座 7.传动轴 8.联轴器 9.辊轴 10.辅助支架 11.伸缩连杆 12.蓄电池

工作原理：使用时，将大棚网端头用双面胶粘结在辊轴上，开动电机，让大棚网慢慢卷裹在辊轴上形成卷筒。当卷筒卷裹到一定粗细时关闭电机，将卷筒连同辊轴一起从传动轴和辅助支架上卸下，换上另一根棍轴重复相同操作，继续收卷，直到将需要收卷的大棚网收完。当需要展开铺盖时，将大棚网卷筒连同辊轴一起重新装到辅助支架和机架上并与传动轴连接，让电机慢慢反转，工人拉着展开的棚网即可实施铺盖。如果卷筒不是太大，靠棚网的拉力能将其展开的话，可以不与传动轴连接，用辅助支架和一个临时叉架临时承载展开卷筒即可。不论是收卷还是展开，电机的转速均是可以无极调整，刚开展时棚网与辊轴尚未连接牢固，可以慢卷，待连接牢固后就可以快卷，以提高工作效率。

3 结论

本设计完成了一种农用大棚网自动收卷机的结构设计，以及相应的实物制作和实际大棚网收卷测试，同时获得了国家专利授权(专利号：ZL2014205181

33.3)。该农用大棚网自动收卷机有如下特点：

1)实现了大棚网收卷过程的机械化和自动化。

2)收卷机结构简单，操作容易，组装与拆卸方便快捷，收卷速度快慢随意，可任意调节。

3)使用直流电机驱动，采用蓄电池提供电源，不依赖电网，拓展了该设备的使用范围，同时具备节能环保的优点。

4)经过实地对三七大棚网的卷收，效果令人满意，反映良好。

[1] 百度资料．大棚蔬菜[EB/OL].[2016-01-29].http://baike.baidu.com/link?url=AzCGzHmKuD0KYYrsc9qNHe 2qm5nk-BHZy_mUsYRtOIXL4E3UwzN1s1ekavUmsXJpSzj1 FE77RyY08Sue3E_Yqa.

[2] 百度资料．大棚[EB/OL].[2015-08-29].http://baike.baidu.com/link?url=qaL3TppGIC8UIsbV7rWFWtxHDKvki_a9yE1eZWfYbKDB1YVmfhUgwmdejgXaJPomwaZk8ZJhzkev mzaX7zvfea.

[3] 陈常茂.户外小型收卷机[D]．蒙自：红河学院，2014.

[4] 李刚，孙宇.薄膜收卷机设计选型原则研究[J].研究与开发，2011,40(10)：87-89.

[5] 武建文，李德成.小型电动机现代实用设计技术[M]．北京：机械工业出版社，2008.

[6] 王黎钦，陈铁鸣.机械设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.

[7] 常德功，樊智敏.带传动和链传动设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2009.

[8] 王鸿均，陈常茂，张文斌，等.大棚网收卷机：中国，201420518133.3[P].2015-02-08.Abstract ID:1003-188X(2017)04-0117-EA

Design of Agricultural Greenhouse Network Automatic Rolling Machine

Guo Deweia， Li Lib， Yu Libina， Wang Hongjuna， Zhang Wenbina

(a.College of Engineering; b.College of Bussiness, Honghe University, Mengzi 661199, China)

Focusing on the current planting process, such as panax notoginseng kinds of medicinal materials, rolling the greenhouse network is mainly rely on the manual, which is not only time-consuming, but also very easy to damage the network in the rolling process, it will affect the circulation of the network. Therefore, a novel agricultural greenhouse network automatic rolling machine is designed. This machine adopts the motor to drive the rolling shaft of greenhouse network for automatic rolling and combined with the trapezoidal frame and an auxiliary support, so the network receives uniform stress in the rolling process. And the design of combined roller increases the flexibility of the equipment to carry, so the automatic rolling of greenhouse network can be realized. The practical testing results show that this machine could solve the problem of the current outdoor work furl greenhouse fee laborious and easy to damage the network, it will improve the efficiency of rolling and increase the greenhouse network circulation, and it has great value to popularize.

greenhouse network; automatic rolling machine; roll shaft; DC motor

2016-01-08

云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目(2014HB026)；云南省教育厅重点项目(2014Z156)；红河学院中青年学术带头人后备人才项目(2014HB0205)；红河学院质量工程项目(ZXKC1308)

郭德伟(1978-)，男，云南通海人，副教授，硕士，(E-mail)28659783@qq.com。

张文斌(1981-)，男，云南建水人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail) georgezwb@sohu.com。

S625.3；TS255

A

1003-188X(2017)02-0117-05