拱棚支柱打入机自动供杆装置

摘要：中国是一个农业大国，一个大国的命脉就是进行农业的基础设施建设从而保证粮食的稳定供应，而农业的根本出路在于机械化，在实现大面积规模化耕作时，机械作业方式不但是不可少的，而且是必须的。在蔬菜种植中，拱棚支柱打入机的使用正是机械化作业的体现。所谓的拱棚是顶部呈弧形、上面覆盖塑料膜的棚。对于蔬菜种植而言，拱棚首先它能够通过较小的占地面积提高土地利用率；其次是它通过两面采光与棚内较大的高度提供充足的光照条件；最后是它能够在温度极低的条件下，铺一层棉被用于升温，以延长蔬菜的栽培期。而与拱棚相匹配的拱棚支柱打入机的出现能够有效提高搭建拱棚的效率，降低人力成本。

关键词：拱棚；机械；自动化

随着大棚技术的广泛应用与推广，越来越多的新的技术要求也在不断地更新，拱棚支柱打入机的出现能够有效提高搭建拱棚的效率，降低人力成本。但是目前拱棚自动打入机的供料还是要依靠人力，实时跟随供杆，车行驶到要打入的位置制动后，由人将杆放到下压机构的槽里，从而实现打入前的供杆。

一、国内外现状

国内外目前存在的供棚支柱自动打入机的工作过程：

车身的行驶靠柴油机提供动力，在行驶到要求的位置时，下压机构动作将杆件打入泥土中，下压机构的运动靠机器车身的液压机构驱动，通过压入机构下压产生的力将杆打入土中，紧接着通过车身前方的塑膜滚筒将塑料膜覆盖在成型的杆上方，最后通过机器最前方的回转叉刀将泥土推到塑料膜一侧，从而完成打杆、铺膜、覆土的整个过程。虽然已经实现了打入机的主要功能，但是将杆放入下压机构的槽中是靠人完成的。考虑完整过程的自动化，该机器主要的缺陷是未实现自动供杆这一功能，从而无法自动进行一次工作循环，需要人为的下放一根杆。因此，这次设计的核心要求或设计要点就是解决自动供杆这个问题。

二、方案设计

1、方案设计

方案：运输之前加隔料机构，通过齿形拨轮实现杆件的依次通过。

运输通过带槽运输轮的转动实现，槽中有弹簧机构，实现缓冲作用、控制一次通过一根杆件。承接部分选用弹簧轴承，杆件掉落的地方安置承接轨道。

2、方案确定

方案通过简单的机构实现在杆的一个一个拨分后，再将杆进行输送，且机构连贯性较好，能够较有效地克服工作中振动摩擦等因素的干扰，虽然机构的难点在于设计齿的形状和槽的形状，但是设计思路较明确，适用性较好。因此，通过事先将杆摆放在轨道上，通过重力使其下滑，齿形拨轮将其一个一个拨下，带槽运输轮既起到隔离的作用，还起到了运输的作用，最后通过预摆放位置的设计将杆摆放在预定的位置，等检测通过后再驱动下滑机构动作，整个过程能够较好的利用杆的重力产生的动力，并能够较好的避免振动及摩擦产生的影响，机构简单但却能保证适用性。

三、研究进展

1、理论部分

（1）杆

1）材料：菱镁复合材料

优点：①表面不吸潮，不返卤。通过先进的改性技术和科学的生产工艺，解决了菱镁复合材料大棚架易吸潮返卤、耐水性差和易变形的缺点。②可制作无支柱大棚，其空间大，便于机械化耕作，可用于养殖（养羊、养鸡、养鱼等）和种植（花卉、蔬菜），对于种植早熟或晚熟果木、蔬菜尤为适合。③产品不锈蚀、不腐蚀，表面光滑，外形美观，能延长棚膜使用寿命。④安装方便，跨度与角度可根据需要随意制作。

近几年来，冬暖式大棚蔬菜栽培面积逐年迅速扩大，低造价、高性能的菱镁复合材料大棚架应用范围将越来越大，将给大棚蔬菜产区，带来显著的经济效益和社会效益。

2）摩擦系数

镁-钢的摩擦系数：U=0.42

根据下压机构的尺寸确定杆的尺寸大小：d1=14mm， d2=20mm

密度：P=1.74g/cm3

根據下压机构的弧形部分估算出杆的长度：l=2300mm

质量：m=p·v≈640.88g

3）下滑临界角度

θ=arctanu=arctan（0.25）=14.04°

考虑到为使杆件的下滑速度小，且防止自锁，应稍增大自锁角，故角度假设为

θ=15°

假设下滑距离为两个杆之间的距离为△l=20mm

则杆件获得的末速度v=√（2gsinθ△l）=0.32m/s

（2）齿形拨轮

1）设计齿端的过渡半径分别为：R1=4mm，R2=2mm

2）预算齿形拨轮的齿数：Z=20

3）齿形拨轮最大直径估算值：D=95.54mm

（3）带槽运输轮

1）预先设计槽数：2-4个

2）理论依据基础：①如果运输轮距离较大，应在增加运输轮直径的同时，增多槽的数目，以便提高运输效率，缩短成本；②缩短滑道的距离，以避免加速度产生的末速度过大从而带来过大的冲击；③反之，如果输送距离较短，可缩小运输轮直径的同时，减少槽的数目。但无论出于何种情况，尽量利用运输轮输送的同时避免槽过多。

3）机构设计

拨轮与带槽运输轮之间的轨道长度根据两者直径大小确定为：l≈345mm；

计算末速度对带槽运输轮的冲击影响，确定线性速度V、线性加速度a；

计算摩擦力f，防自锁的角度Φ≈5.52°

4）通过杆件的直径设计槽的形状

确定重要的尺寸及角度分别为：轮的直径D=300mm、槽的最大宽度dw=33.42mm、槽的圆弧直径d=21mm、角度=5.52°、30°、120°

5）设计槽端的过渡半径分别为：

R1=5mm，R2=3mm

6）弹性装置的设计

①通过在带槽运输轮的槽内增加弹性装置，使杆在落入槽中有减震的作用，并在运输轮运输了一定角度有，通过弹性力的回复来产生弹力将杆推出。②弹性装置通过螺钉与弹簧的连接弹性固定在带槽运输轮的槽中

棚支柱打入机自动供杆装置三维装配轴测图

基金项目：2018年校级大学生创新创业训练计划项目；项目编号：1201810712103。

参考文献

[1]李红寿_应用拱棚_空调法对极干旱区降水的模拟回收 [J]生态学报，2014.

[2]孙杰_陇南小拱棚地膜覆盖马铃薯早熟高效栽培技术 [J]甘肃农业科技，2005.

[3]张德奇_旱区地膜覆盖技术的研究进展及发展前景 [J]干旱地区农业研究，2005.

[4]毕继业_地膜覆盖对农作物产量的影响 [J]农业工程学报，2008.

[5]Cooling effect of mechanical ventilation in grape Greenhouse based on CFD numerical simulation

[6]Metal-Organic Frameworks with Functional Pores for Recognition of Small Molecules

作者简介：冯斌（1996-10）男，陕西宝鸡人，西北农林科技大学本科生，研究方向：农业机械化及其自动化。

（作者单位：陕西省咸阳市杨凌区西北农林科技大学北校区）