基于水银开关的温室卷帘机防后翻装置的设计

邹 平，姜鲁艳 ,王 瑞 ，罗文杰

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐830091；2.农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站）

0 引言

日光温室机械化和自动化程度越来越高，保温被成为温室冬季生产必不可少的装备。现阶段日光温室保温被覆盖率比例逐年增加[1]，大部分通过倒顺开关人工控制开启，在温室作物顺利安全越冬生产的同时，会产生一系列问题，每座温室开启完毕最少需要8 min[2]。如果同时打开，外界环境的变化会导致卷被机工作方式不可靠，保温被位置无法精确限位[3]；严寒天气下出现故障后难以解决，稍有不慎就会使保温被卷过头，坠落至温室后墙，难以短时间内解决，甚至造成人员伤亡[3-5]；同时造成整座温室作物冻死和财产损失[6]。

目前，国内在温室卷帘机限位方面的研究有很多，主要有通过碰撞限位开关切断电源方式、利用角度传感器记录卷帘机运行位置，采用卷帘机定时器进行限位[7-9]，或通过PLC 可编程序控制器对电动机的控制系统设计以及采用卷帘机接收到顶端或底端接近开关电信号时，停止交流电机的运转，最终实现保温材料的卷放的方式[10-12]。因此，温室冬季应用卷被机大多采用行程时间控制、红外电路控制和碰撞机械式装置等进行控制，这几种控制装置经过时间和实践证明在西北极端天气条件（如-20℃恶劣天气）下容易出现故障，安全性与可靠性不够。出现故障的主要原因包括：（1）雨雪渗入保温被内部后，温度下降易结冰，卷被机上卷时保温被变形，导致保温被左右端上卷速度不一致；（2）冬季雨雪覆盖，卷被机装置结冰，导致机械式装置失灵或卡死；（3）室外温度过低且风雪过大，使红外电路控制元器件部分无法正常工作，卷棉被机构失灵导致事故时有发生。因此，设计一种在严寒天气中能够安全可靠使用的卷帘机限位装置，对于实现日光温室的自动化管理具有重要意义。

1 结构与工作原理

1.1 总体结构

卷帘机控制系统见图1，该系统主要由机架、电机、减速器、钢管、支架及限位控制五部分组成，在冬季作业时通过控件完成卷放被工作。日光温室顶部覆盖保温被，在推动臂顶端水平设置钢管作为卷轴，固定设有电机，电机与钢管传动连接，每卷一次需6～8 min，具体根据保温被种类而定。限位装置接入配电系统，由接触器线圈零线位控制断停，其工作原理见图5。卷帘机手动控制装置的手动部件在减速器大带轮上安装摇把，主要用于停电或者故障时手动操作卷放[13]。设计的电机主要参数如下：电动机功率1.5 kW，减速器速比1：280（四轴），钢管（Φ5 cm）转数 5.3 r/min-1，适合温室长度 50～100 m。

图1 卷帘机控制系统

1.2 工作原理

图2 限位装置工作原理

卷帘机位于温室的中间位置，卷被时根据机械传动原理，由电机及减速器带动左右两侧钢管均速转动，利用钢管绑定覆盖物将覆盖物卷起。当卷帘机上升至温室顶部预设停止位置附近时，安装在保温被内侧的水银限位装置一同被卷起，限位装置中玻璃管内的水银因重力而流向另一侧，使控制装置内的触点连接机构由原先的水银连接的导电状态而变成断开状态，从而使卷被机停止工作，达到防止保温被后翻的目的。

2 关键工作部件应用

2.1 限位装置结构

本次设计选用玻璃外壳水银开关（图3b），当水银开关倾斜一个工作角度时，两个电极通过水银进行开关的通断动作。这种水银开关的优点是可从外部观察到它的工作状态，出现问题可随时发现，缺点是容易破碎，因此在设计时增加了塑料保护盒（图4）。为使水银开关不易破碎，也可使用塑料外壳（图3a）或金属外壳水银开关（图3c），金属外壳本身就是一个电极，当水银开关倾斜一个工作角时，金属外壳和电极通过水银进行开关的通断动作。这种水银开关可承受较大的冲击加速度，但缺点是成本高，无法观察其工作状态，出现问题时难以排查。

图3 水银开关结构

图4 水银限位装置实物

水银限位开关由玻璃管、设在玻璃管内位于玻璃管两侧的触点机构和封入玻璃管下端的水银构成，玻璃管中伸入一固定杆，固定杆位于触点机构中间，固定杆下接有发条，发条下接有电极，电极上部与触点机构的触点碰触，电极下端伸入水银中。水银限位装置1 线路接入卷帘机驱动电机控制回路中，接触器线圈零线位（图5），因接触器线圈一进一出一火一零，因此限位装置安全不会发生电气事故。

2.2 防后翻控制装置

2.2.1 防后翻控制设计

手动按下升起开关按钮2，正转交流接触器1 闭合通电，电机正转，棉被被卷起，水银限位装置因被安装在保温被下方而跟随保温被一起卷起后被抬起，抬起至一定角度后，使玻璃管内部的两侧触点机构通过水银导电而成连接状态，或者变成水银流向玻璃管的另一端，导致电路断开；正转交流接触器1断开停止供电，从而使卷被机停止工作，实现防止卷被机后翻过度的目的。卷帘系统停止工作后，按下开关按钮3，反转交流接触器4 闭合通电，电机反转，水银限位装置随着棉被放下而恢复至原先的位置，其中的水银因重力流向两侧触点机构而后恢复与玻璃管触点机构的连接。按下卷帘机下降按钮4 后卷帘机开始自锁下降，当卷帘机下压下限位5 时，电路断开失电，卷帘机无法再下降，整个电路设计可对卷帘机起到保护作用，防止翻过头和下降过低。

图5 卷帘机升降控制电路

2.2.2 防后翻装置分布设计

进行限位布局安排时，限位装置应安装在日光温室拱杆的中间位置，不应与拱杆接触造成水银开关保护盒受损。整个温室防后翻限位装置1 和4 分别安装于温室东、西山墙内侧约0.5～1 m 处（东西方向），以防止当卷帘机机头上升时，由于阻力过大或外部天气影响导致卷帘机机头上升速度慢于温室东西山墙处的保温被卷筒速度，从而使东西两侧边缘保温被翻过温室顶部。当温室长度低于50 m 时，可以考虑不安装。

图6 限位装置安装分布图

限位装置2 和3 分别安装在卷帘机两侧左右方向各1.5 m 处，4 个限位装置均安装在距离温室屋脊最高处（南北方向）1 m 左右棉被内侧下方，安装于棉被内侧，可避免包括严寒天气、风雪雨等外界恶劣环境对装置的破坏，增加装置的可靠性。实际安装尺寸及个数还因保温被的厚薄、温室的结构尺寸等不同而有差别。

3 应用效果

限位装置采用水银电路组成，水银凝固点为-39°，在严寒天气-30℃下可正常工作；控制方面做到多台卷帘机可同时实现上卷下落；在操作效果方面安全可靠一键式减少劳动力和时间。随着时代的进步人工智能物联网快速融入各个行业，使用水银限位开关可通过云平台APP直接对温室卷被机构远程控制、检测和监测。

在解决因严寒天气导致的保温被变形，机械式装置失灵或卡死和电路控制元器件部分无法正常工作的问题过程中，设计的限位装置使用了该项专利技术，可长期使用，正常情况下不需要定期保养或维护。2016 年~2018 年在南疆阿图什市（东经76.1°，北纬39.7°），2017~2019 年在北疆乌鲁木齐西山温室基地（东经87.7°，北纬43.8°）已进行越冬季生产试验，经过3 年的生产实践，安全性和可靠性大大提高。

4 结论

（1）在实现温室自动化管理的过程当中，无论是电脑还是手机终端，都存在控制信号容易受到干扰或产生延时现象[14]，这一点是制约温室实现自动化，智能化管理的关键节点，从目前的技术应用来看，这个现象普遍存在，以后或可通过5G 技术手段加以解决。但是在北方严寒地区，自动控制装置诸如卷帘机限位机构，执行电脑或手机发出的信号指令时，可靠性和安全性仍存在许多问题，而这一点对于实现温室智能化和自动化管理显得尤为重要。

（2）卷帘机限位装置应根据当地的气候环境，温室结构特点等进行设计。对于基于水银开关设计的限位装置来说，适用于气候恶劣，冰雪较多的西北严寒地区，在实际应用中应根据保温被种类、防水质量，卷被后的卷筒大小，水银开关数量及安放位置等差别来设定，但在其它气候下的运用效果及实用性如何，仍然有待于进一步的验证与研究。