拱型温室外保温被翻越式铺卷系统的设计与模拟试验

展正朋 杨其长 张 义* 马前磊 张晋芳 宋国祥 杨 华

(1.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081；3.山东省寿光蔬菜种业集团有限公司，山东 寿光，262702；4.农业农村部 规划设计研究院，北京 100020)

保温被是夜间覆盖在温室外部或内部以减少室内热量散失的重要保温材料。拱型温室如半拱型的日光温室、圆拱型的塑料大棚等，因其屋面结构可以覆盖保温被，在冬天不需要加温或极少加温就可以满足北方寒冷地区的农业生产[1-2]。

半拱型日光温室和部分圆拱型塑料大棚的保温被卷起后放置在屋面的外顶部，会在室内形成阴影带；且因卷帘机运行的需要，屋面的中部需搭接一块固定保温被，也会在室内造成阴影带。目前，覆盖保温被的方式主要有3种[3-4]：第一种，均布牵引绳式。滕光辉等[5]设计的上拉式卷被系统，加入了下拉装置，解决了近屋顶处坡度较小下放困难的问题；不足之处是保温被卷起后放置在温室屋面顶部，对屋面拱架造成集中荷载和遮阴，且容易造成操作人员头发、衣物缠入丝杠致使伤亡[6]。第二种，中间卷轴式和轨道式[7-10]。在温室中部上方安装有卷被机卷收保温被，易于覆盖和卷收保温被；但中间卷被机搭接两侧保温被的固定搭接保温被会形成大面积遮阴带，严重影响室内采光。第三种，侧摆式。相比于前面2种方式其结构简单，投入较少，但是无法将保温被卷平行，容易出现远离电机端保温被滞后近电机端，温室越长跨度越大这种现象越严重。譬如王安振等[11]发明的山墙侧摆式卷被机，包括电机和伸缩杆，通过加入链轮和均匀分布的套有钢丝绳的稳定环，使得整个卷被杆可以近似同步平行铺卷；但因其结构复杂、成本高昂，农民接纳度不高。单栋和连栋日光温室[5,7-13]以及圆拱形温室的保温被[14-15]覆盖方式都是将卷起的保温被放置在温室顶部，造成遮阴并给屋面骨架施加额外荷载；而且无法在拱型温室屋面上一体覆盖，只能分成2个坡面分别覆盖保温被，降低了保温效果。上述3种卷帘机铺卷保温被的方式之所以无法实现翻越屋顶的全屋面一体覆盖，是因为当卷起的保温与固定端的距离小于半坡弧长时，保温被会因重力作用发生“溜坡”现象。因此，目前每个坡面必须采用独立的保温被和卷被机，投入和管理成本较高[16-18]。在不改变原有温室结构的基础上，既能有效的解决拱型温室外保温被翻越式一体化铺卷覆盖问题，既减少额外遮光、又不对屋面施加额外集中荷载，便于管理、安全易操作，这样的卷被机系统有很大需求[19-20]。

链传动是通过链条将主动链轮的运动和动力传递到从动链轮的一种传动方式,它兼有齿轮传动和带传动的优点，又具备大中心距、过载能力强、多轴传动的优势,尤其适用农业上覆盖保温被这种重载荷的低速传动，以及潮湿、有污染等恶劣的环境中工作[21-23]。

本研究拟设计一套基于链传动的拱型温室外保温被翻越式铺卷系统，对其覆盖和打开保温被的工作方式及系统零部件参数进行研究，以期解决拱型温室保温被遮阴及其对屋面的集中荷载问题，并为系统的参数设计提供理论依据。

1 翻越式铺卷系统总体结构、工作方式及主要参数

1.1 总体结构

翻越式铺卷系统(Over-the-top rolling system, ORS)主要由导轨、牵引杆、卷被杆、卷绳杆、牵引绳、保温被、塔轮、限位轮、转向轮、张紧轮、链轮链条和驱动电机组成(图1)。卷被杆和卷绳杆由轴承座支撑放置在两侧天沟上；保温被卷收在卷被杆上放置于天沟一侧，另一边固定在牵引杆上；牵引杆固定牵引保温被的一边在拱形屋面上运动；牵引绳一端与牵引杆固定相连，另一端缠绕在卷绳杆上的塔轮螺纹槽内置于天沟另一侧，缠绕方向与保温被缠绕方向相反；链轮与链条配套，通过正反转电机带动进行传动；导轨由拱杆、转向轮组成，设置在山墙外侧，拱杆与温室拱杆形状相同，转向轮均布在拱杆下方，是牵引绳的转向节点。

1.牵引杆;2.牵引绳;3.导轨;4.卷绳杆;5.塔轮;6.保温被;7.卷被杆;8.驱动电机;9.天沟;10.限位轮;11.链轮链条;12.张紧轮。A～G为7个转向轮。

1.2 工作方式及主要参数

牵引杆两端设置有限位轮，限位轮在导轨上限位运动，此为上方拱架屋面运动部分。下方的动力传输部分：链轮固定在卷被杆、卷绳杆的同侧一端，由一个驱动电机带动卷绳杆或卷被杆端部的主动轮或从动轮通过链条带动，实现电机动力传输到卷绳杆和卷被杆并使缠绕在上面的牵引绳和保温被同步转动。

翻越式铺卷系统具体工作方式见图2：电机顺时针转动时带动卷绳杆和卷被杆顺时针同步转动，保温被逐步松开、牵引绳逐步收紧。牵引绳收紧缠绕在卷绳杆时拉动牵引杆将松开的保温被逐步从卷被杆天沟一侧拉铺到卷绳杆天沟一侧，实现保温被的拉铺覆盖过程(图2(a))。系统卷收打开时电机逆时针转动时带动卷绳杆和卷被杆逆时针同步转动，保温被逐步收紧、牵引绳逐步松开。保温被收紧缠绕在卷被杆时拉动牵引杆和牵引绳从卷绳杆天沟一侧拉铺到卷被杆天沟一侧，实现保温被的卷收打开过程(图2(b))。

1.保温被;2.牵引杆;3.牵引绳;4.天沟。A～G为7个转向轮。

为解决连栋拱棚天沟阴影与保温被阴影的重合问题，本研究探究了保温被厚度、温室跨度与天沟宽度的关系。以拱杆左侧端点为坐标原点、水平方向为S轴、竖直方向为H轴，建立直角坐标系，拱杆合理轴线方程[24]为：

式中：H为轴线上任意坐标点的纵坐标，m；Hg为轴线上最高坐标点对应的纵坐标，m；S为轴线上任意坐标点的横坐标，m；Smax为轴线上最右侧坐标点的横坐标，m。

设天沟宽度为D，保温被卷起直径≤D可不额外遮阴。保温被以卷被杆为中心进行阿基米德螺旋规律转动，用极坐标表示保温被半径R，即

(1)

式中：Δ为保温被单层厚度，mm；R0为卷被杆半径，mm；θ为绕极坐标原点旋转的角度，rad。

对轴线方程H在区间[0,Smax]上求定积分可得到保温被沿跨度方向的长度L，对极坐标方程求定积分也可得到L，则有：

(2)

由式(1)和(2)可得到保温被最大厚度Δmax。

现有保温被卷帘机无法实现翻越屋顶的一体化铺卷保温被，难以提高整体保温性、降低骨架荷载。以两节悬臂式卷帘机铺卷方式为例，以卷被杆截面圆心为原点、运动方向为x正方向、y正方向朝上，建立直角坐标系，对其进行受力分析(图3(a))。y轴方向有：

Gcosγ+Tcosβ=Fn

(3)

x轴方向有：

Gsinγ+Tsinβ-μFn=ma

(4)

式中：μ为保温被与棚膜间动摩擦因数；m为保温被和卷被杆质量；a为保温被和卷被杆运动的加速度。联立式(3)和(4)，得：

因为G≫T,简化后为：

1.保温被溜坡位置;2.拱架;3.卷帘机支撑杆;4.保温被;5.转向轮;6.牵引绳。

当卷起的保温被与固定端的距离小于半坡弧长时，即保温被从一侧翻越屋顶后，保温被会因重力方向与保温被运行方向夹角缩小为锐角并逐步缩小，以μ=0.2为例，当γ>8.5°时，a>0，使得保温被无法平衡自身重力，发生“溜坡”现象。

ORS将保温被的一边固定在卷被杆上卷起后放在温室屋面一侧，另一边固定在牵引杆上；牵引绳一端固定缠绕在卷绳杆上，另一端固定在牵引杆上牵引其运动。ORS保温被自身重力不作为主要驱动力，而是尝试采用收放牵引绳和保温被分别作为拉铺覆盖和卷收打开保温被的主动驱动力，使其方向始终与保温被的运动方向一致，并互为牵制力，以解决溜坡问题。

为探究所需钢丝绳的规格，需确定牵引绳拉力最大值。以牵引杆截面圆心为原点、y正方向朝上、运动方向为x正方向建立直角坐标系，对其进行受力分析(图3(b))。假定牵引绳拖动牵引杆匀速运动，建立平衡方程。y轴方向有:

Gcosα+Fcos(90°-ε)=Fn

(5)

x轴方向有:

Gsinα+μFn=Fcosε

(6)

式中：ε=|α-θ|。导轨下方均匀分布7根直径为 8 mm 的304钢筋做的“L”形支架，用于放置带内径为8 mm的转向轮，减少牵引绳的张力。牵引绳与运动方向夹角在每两个转向轮之间呈相似的从大到小规律，当转向轮越少时，牵引绳拉力F方向与保温被运动方向夹角越大，F无用分力Fsinε越大，拉力损耗越多，牵引绳所需张力越大。牵引杆在端点处夹角最大，夹角αmax可由拱架曲线方程在端点处求导解得，为90°，测得第一转向轮到端点连线与水平方向夹角θ为51°。μ一般为0.15～0.45，根据实际情况取μ=0.15。计算选定直径为2 mm的4根钢丝绳作为牵引绳，设置在转向轮内运动。牵引杆、卷绳杆均为外径25 mm、壁厚1.5 mm的镀锌钢管，可满足牵引和卷绳的刚性强度需求。选用链号为 06B 的链条和配套链轮(GB/T 1243—2006《传动用短节距精密滚子链、套筒链、附件和链轮》)，链轮29齿、内径加工成25 mm，安装在卷被杆和卷绳杆一端，通过400 W正反转电机带动链条进行转动。

2 关键部件设计

2.1 同步塔轮

为使牵引绳的收放速度与卷保温被的收放速度一致，设计了与保温被缠绕在卷被杆上的阿基米德螺旋线相似的塔轮，套在卷绳杆上缠绕牵引绳使用(图4)：塔轮选用耐磨损材质制作并以材质确定塔轮最薄处壁厚，内径取决于卷绳杆外径；由保温被的厚度与螺距构成的直角计算塔轮拔摸的角度，根据保温缠绕压缩变薄比率和塔轮最薄处壁厚，拔摸角度设计值宜比计算值小3°～5°；螺纹槽宽度与钢丝绳直径相同，螺距由钢丝绳直径附加上0.5～1.0 mm 的螺纹牙厚决定，缠绕更稳定并延长寿命；螺旋线圈数与保温被在卷被杆上的缠绕圈数相同，可额外增加2圈便于钢丝绳缠绕；塔轮定位孔直径4～12 mm，用于将塔轮在卷绳杆上固定旋转和阻止沿径向移动；牵引绳定位孔直径4～12 mm,用以压紧固定钢丝绳，使其可以在塔轮上固定缠绕。以此塔轮缠绕牵引绳模仿保温被缠绕在卷被杆上，使得牵引绳和保温被缠绕速度接近一致，实现保温被的同步卷收和拉铺，从而实现保温被的一体化全屋面覆盖。试验用塔轮为尼龙材质，通过3D打印机制作，最薄处壁厚设计为3 mm，塔轮内径为25 mm，螺距设计为3 mm，拔摸角度为30°，螺旋线22圈，螺纹槽宽2 mm、深1 mm，塔轮定位孔直径和牵引绳定位孔直径均设计为4 mm(图4(b))。

1.牵引绳定位孔;2.塔轮定位孔;3.牵引绳。

2.2 牵引杆运行轨道和限位轮

1.轨道;2.限位轮;3.拱架；A～G为7个转向轮。

2.3 链传动系统

温室外环境较恶劣，工作条件极不稳定，因此需要系统具有一定的耐候性和容错率，保证系统可以稳定的运行。链传动具有承载能力高、传输距离远、容错率高、成本低的优点，适用于恶劣的工作环境[27]。为了满足拱架屋面拉铺和卷收保温被的动力需求，还需验证链传动系统是否能满足主动轮到从动轮稳定的动力传输，保证卷被杆和牵引绳杆的同步转动。

根据《机械设计》[28]滚子链传动设计指导进行计算选型，为减少多边形效应的影响，尽量选用小节距(p)的链条[29-30]；为使链轮与链条磨损更均匀，链轮齿数选用与链节数互为质数的奇数，链节数为偶数；为兼顾拱形温室的跨度和链条的轻便，采用中心距a>80p的非标准传动形式，在主从动链轮中心连线上方上方设置可调节高度的张紧轮，避免链条中心距过大导致的垂度过大，高度可调节能解决链条使用时间久了发生的变形拉长导致的铰链等问题；主动轮和从动轮相同，便于卷收保温被与卷绳同步设计。试验的ORS传动系统链条链轮材质均为40Mn钢，主从动链轮内径r=25 mm，齿数Z=29，配套链条选用节距p=9.525 mm、滚子直径d=6.35 mm、节数X=282，a=126p；张紧轮为链号为06 B的11齿链轮(GB/T 1243—2006)，设置在主从动链轮中心连线中点正上方100 mm处，可调节高度范围0～100 mm；电机选用功率P=400 W 正反转调速电机。为验证传动系统设计的合理性和安全性，进行非标准参数链传动系统的仿真试验。

2.3.1建模

滚子链是由链轮、内外链板、销轴、套筒和滚子6个零件组成，为降低运算量，将内链板和套筒简化为一个整体，外链板和销轴简化为一个整体，采用SolidWorks建立三维模型。

2.3.2ADAMS动力学仿真分析

将SolidWorks模型转存为x-t格式，导入ADAMS中检验模型正确性并设置模型重力、接触、约束。设置冲击函数，接触刚度取2×105;接触指数为2.2，动摩擦因数为0.1，静摩擦因数取0.3[28-29,33]，模拟链轮与链条实际运动冲击各项参数。将电机驱动选为速度驱动Velocity,建立驱动函数[31-33]:step(time,2,0,4,72°)+ step(time,8,0,10,-72°)：0～2 s只受重力，链条与链轮贴合，2～4 s 逐步启动到72(°)/s，在4～8 s匀速运动，在8～10 s逐步降速停止，模拟链条从开始到逐步匀速稳定运行再逐步停止的过程。图6为电机驱动函数曲线图。

图6 电机驱动函数曲线图

仿真参数设置为：时间10 s，步数100 步。完成仿真后进入后处理模块得到各特性曲线。由所选取链节加速度曲线(图7(a))可知，0～2 s内，由于重力影响，链节与链轮贴合；2 s时电机启动，所有链节和链轮有充分接触逐步启动，3 s时产生了1个幅度较高的波峰，随后加速度降为0并上下波动，逐步达到平稳运行状态。波动是因为多边形效应和链轮节距过大产生的垂度影响的，速度越大影响越明显。卷帘机实际运行时以2.3 r/min左右的速度缓慢转动，影响将减小。链节之间接触力在4 s匀速运行前后有4个峰值，此时张紧轮将链条完全绷直，张力达到最大值，因仍在强度范围之内，没有发生绷断，随后下降并稳定波动(图7(b))。

电机从2 s启动，因为链节与齿轮冲击，以及多边形效应的影响，整体呈上下周期性波动的规律，最大工作功率小于额定400 W功率，平稳运行后在 200 W 上下波动(图7(c))。

图7 传动系统运行曲线

由以上分析可知，试验选用的链传动系统中心距a=126p的非标准传动形式可正常运行传动。对于较大跨度的温室，可采用圆环链[34-35]替代滚子链，克服滚子链传输距离小的限制。

3 ORS模型试验

于2017年7月21日—2018年12月6日在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所顺义试验基地温室模型上建立ORS，验证其工作方式的可行性，以及链传动系统部件和牵引绳参数的合理性。

3.1 试验设计

试验选用双层编织布夹芯太空棉的保温被，其自然蓬松厚度为10 mm、压实厚度为2 mm，整体密度为160 g/m2，卷起后最大平均直径为115.7 mm。试验模型见图8。试验前对该系统进行不卷收保温被的空载试验，初步了解系统的运行情况；调试完毕后放置保温被，通过电机及传动机构将保温被从天沟一侧拉铺至另一侧，实现全屋面覆盖；再通过电机反转将保温被从天沟另一侧卷收回来。实时监测记录整个过程的拉力和扭矩数据。

图8 试验用拱棚及翻越式铺卷系统

采用S型 DYLY-103型号拉力传感器，数据精度±0.001 N,设置在2根牵引绳上；采用DYN-206型号动态扭矩传感器，数据精度±0.001 N·m,安装在牵引绳杆和卷被杆靠近电机一侧的端部；用V8016型数显表实时监测记录绳子拉力和卷被杆扭矩并用M400数据采集管理软件进行分析，数据采集间隔2 s。图9为扭矩和拉力传感器安装示意图。

3.2 结果与分析

模拟试验表明，ORS在拉铺覆盖和卷收打开保温被的整个工作过程中卷被和卷绳的转速可以同步，ORS运行流畅。卷被杆扭矩Ti和牵引绳杆扭矩Tr及链轮侧牵引绳张力Fl和无链轮侧牵引绳张力Fw，数值为正时，为拉铺覆盖过程，负值表示反向，为卷收过打开程。在整个拉铺和卷收往返过程中牵引绳张力及卷被杆和牵引绳杆扭矩变化曲线见图10。

1.驱动电机;2.扭矩传感器A;3.扭矩传感器B;4.拉力传感器A;5.拉力传感器B;6.卷绳杆;7.保温被。

Ti为卷被杆扭矩;Tr为牵引绳杆扭矩;Fl为链轮侧牵引绳张力;Fw为无链轮侧牵引绳张力。

拉铺覆盖过程中，牵引绳主动拉动牵引杆将保温被拉向牵引绳杆一侧，实现拉铺覆盖；以转向轮为节点，呈现较为规律的7个周期变化。在卷收打开保温被过程中，牵引绳被动的跟随牵引杆从牵引绳杆运动到卷被杆一侧，实现保温被的卷收打开。

因为转向轮的转向作用，牵引绳张力F与运动方向呈现递减然后在转向轮节点附近突变的规律，牵引绳张力F也对应的呈现递减然后在节点附近突变的规律变化。A点，牵引绳拉力F最大值为736.119 N，直径2 mm的钢丝绳的最大张力为2 296 N，满足所需强度。牵引绳在卷收过程被动跟随牵引杆运动，数值在30 N附近波动。保温因卷被杆转动作用松开、并在牵引杆的拉动下拉铺覆盖整个屋面，在转向节点附近因牵引绳张力减小，卷被杆阻力增大，扭矩骤增，最大值为8 849.138 N·m，见A～G 7个数值点，其余数值呈现规律的变化，400 W 电机最大容许扭矩为6×105N·m,满足需求；卷收过程中，卷被杆卷收保温被，扭矩随卷收过程整体呈波动上升的趋势。牵引绳跟随牵引杆运动，数值在 20 N·m 上下波动。

试验表明，牵引绳杆上的阿基米德螺旋塔轮解决了牵引绳和卷被的同步问题，使得整个拉铺和卷收过程中牵引绳和卷被速度同步匹配，流畅运行。导轨架均匀分布7个转向轮，呈现6个变化周期。试验选用的牵引绳张力满足所需强度，电机能够提供所需动力，ORS可以实现保温被的全屋面翻越式覆盖。

相比于将保温被放置在顶部的铺卷方式，ORS可以避免两卷保温被放置在顶部形成的0.4 m宽遮阴带，减少遮阴33%；减小了保温被和卷被杆对屋面拱架的荷载42 N/m2。

4 结论与讨论

本研究针对现有保温被覆盖方式无法实现翻越拱面顶部覆盖，且卷起后的保温被放置在屋顶给屋面造成额外荷载和室内遮阴的问题，设计了一套拱型温室外保温被翻越式铺卷系统(Over-the-top rolling system,ORS)。对ORS的工作方式和零部件参数进行研究，在微缩拱型温室上安装ORS进行模拟试验，得到以下结论：

1)采用拉铺覆盖和卷收打开保温被的整个工作过程中卷被和卷绳的转速可以同步，确定了塔轮尺寸规格的设计方法。

2)保温被卷起后平均最大直径为116.2 mm，小于模型温室天沟的宽度(320 mm)，不额外遮阴，确定了保温被规格的计算方法；牵引绳的张力最大值为736.119 N，小于所选择的2 mm钢丝绳的最小破断拉力2 296 N，确定了牵引绳的选型方法。

3)扭矩传感器最大测量值为8 849.138 N·m，小于选用电机6×105N·m的最大容许扭矩；电机最大工作功率为384 W<400 W(额定功率)，表明电机的最大容许扭矩和功率的选型满足需求。

4)相比保温被放置在屋顶的方式，ORS放置在天沟上减少了屋面拱架荷载42 N/m2，避免了保温被放置在屋顶造成的33%的室内遮阴，提高了保温被的整体保温性并有效解决了滴露问题。

生产实践中长度和跨度较大温室的保温被自重较大，仅靠卷被杆两端的支撑无法避免卷被杆发生弯曲。可在卷被杆下方设置若干滚筒进行支撑，且不影响保温被的转动；在棚面上每隔2～3根拱架加设1道压膜槽放置牵引绳，并在天沟上每个缠绕牵引绳的塔轮处设置1个轴承支座，既可以避免牵引杆在牵引运动中发生过度弯曲，又可以减少单根牵引绳的直径，便于缠绕和牵引。

保温被和设置在棚面的牵引绳在工作过程中会对棚膜产生磨损，可通过在拱架外加设的压膜槽，减少牵引绳和保温被与棚膜的接触压力；此外，贴近棚膜侧的保温被包覆光滑的材料，如塑料膜、编织布等，减小保温被与棚膜的摩擦因数。