温室大棚卷帘机力学分析*

车小伟

（天水师范学院机电与汽车工程学院，甘肃 天水 741000）

温室大棚为人类提供了新鲜的食材，满足了人民生活的需要，提高了土地种植的收益，因而在全国各地得到了大量的使用[1]。为了得到保温效果，采用在塑料大棚或者玻璃大棚的采光面覆盖保温被方式以减弱热量的散发，从而将白天日光照射得到的热量保存。温室大棚保温被使用卷帘机作业大大减轻农民劳动强度，因而电动卷帘机得到了广泛使用。在卷帘机实际使用中，经常出现卷帘机卷轴断裂、减速器齿轮折断等现象，尤其在温度较低的冬天更易发生，究其原因主要是保温被在吸水或结冰后质量明显增大，导致电动卷帘机负载超过额定负荷，从而导致机械失效情况发生。国内大量学者研究了卷帘机设计及卷帘机运行过程受力情况分析，如刘刚等设计了卷帘机机械本体[1]；孙昊等通过实验的方法测量了卷帘机的载荷，但对卷帘机负载没有采用适当的模型计算。因此，本文对温室大棚卷帘机系统进行建模分析，计算出不同状态下最大拉力值与最大扭矩值，从而为卷帘机设计或选型提供基本理论依据。

1 结构及工作原理

温室大棚卷帘机根据电动机位置不同，可分为后置卷绳上拉式卷帘机和棚面自走式卷帘机两大类[2]；棚面自走式卷帘机又可分为侧置卷轴上推式卷帘机和侧置卷轴上推式两类。其中，侧置卷轴上推式卷帘机因其占用面积少、结构简单、成本低等优点被大量用于大棚长度较小的场合，但其容易发生卷轴断裂或减速器传动齿轮失效的情况。侧置卷轴上推式卷帘机的结构如图1 所示，该装置主要由电动机、减速器、卷轴、支撑杆等构成。其中，卷轴通过减速器与电动机连接，支撑杆1 下端铰接于地面，形成转动副，另一端插入支撑杆2 构成移动副。减速器常采用减速比大、质量小，结构紧凑并具有自锁功能减速器，如蜗轮蜗杆转动减速器，以防止在断电或意外停机的情况下卷轴与保温被在重力作用下向下滑动发生意外事故。为了降低卷帘机生产成本，支撑杆1、支撑杆2 以及卷轴均采用价格低廉的普通钢管制成。工作时，如果电机正转，带动卷轴逆时针转动，将已展开的保温被卷至卷轴上，同时卷轴向上运动，实现保温被收纳；反之，电机反转，卷轴向下运动，实现保温被铺开作业。

图1 侧置式温室大棚卷帘机示意图

2 力学分析

2.1 模型建立

温室大棚在不同工况下，其受力情况不同，而当保温被吸水后其质量将明显增加，也是在这种情况下容易出现机械传动装置失效现象，因此，本文只研究保温被吸水后受力情况。为了进行力学分析，需要对大棚结构进行简化，现做基本假设：将温室大棚断面近似为四分之一椭圆面；卷轴为刚性轴，并且在工作过程中没有跑偏现象，即卷轴垂直于断面运动；载荷为均布载荷，均匀分布于轴上。

（3）论文请用A4纸打印，并请提供电子版（发送电子邮件,邮件名称请标注“2019年第二届微生物制剂在酿酒生产中的应用技术论文”投稿）；

图2 模型示意图

根据上述基于假设，在轴的某一剖面建立直角坐标系进行分析，其中椭圆的参数方程为

L为大棚长度；

b为椭圆短轴长度，单位为m，对应于大棚的高度；

结合交叉学科 水文学及水资源（高校本科专业一般称为水文与水资源工程专业）是水利工程一级学科下的二级学科，内容主要包括水文、水资源、水生态和水环境四大方面。在很多知识点上，如土壤水文、蒸散发计算、水环境监测与分析、流域产汇流计算等，与土壤学、农业水土工程、资源环境科学、系统工程等存在交叉研究。同时，随着科技的进步，水文研究方法也在不断扩展，遥感水文也是现代水文学的一个重要方面，采用遥感手段和地理信息系统进行水文监测与分析也是一项基本技能。为此，可以设计部分学科交叉的内容供有兴趣进行拓展训练的学生选择，一般建议结合指导教师所从事的生产、科研项目进行自由选题。

由于芦埠港河重新通航，原来确定的采砂船舶集中停泊点已不适合继续使用。经报请市政府批准后，确定将采砂船舶集中停泊点位置移到芦埠港闸北200 m处，并重新竖立标志牌。在新确定的停泊点加装监控设备，以便随时了解停泊情况。如采砂船只不经许可擅自离开，监控设备录像资料可作为证据材料。制订《采砂船舶集中停泊点管理制度》，加强对采砂船的统一管理。定期召开江阴籍采砂船主座谈会，不断开展说服教育工作，尽可能劝诫江阴籍采砂船主改行从事其他合法经营活动。

T为椭圆参数方程的参变量。

Lt为已卷起大棚 的长度：

式中：m0为卷帘机在低部时总质量；

ρ为保温被干密度；

(2)混凝土养护时间不足。轨枕养护时间不足会导致脱模强度不满足规范要求，从而导致轨枕挡肩出现裂纹。但轨枕脱膜前均需试验室下发脱模通知单，待脱模强度达到要求后方可进行脱模作业，不存在养护时间不足的情况。

μ为保温被吸水率，定义为（湿重量-干重量）/干重量*100%[3]；

式中：a为椭圆长轴长度，单位为m，对应于大棚的宽度；

H为保温被厚度；

入冬了，来暖气了。回想起以前那个零食不如现在丰富的年代，家里大人放在暖气上烘烤的苹果干、山楂干、地瓜干和胡萝卜干等，就成了孩子们的零食。在暖气旁边玩边吃，也成了多少人的童年回忆。其实除了它们，暖气还能做出各种各样好吃的。

对于任一点，其卷轴上质量m为

侧面两支撑杆之间为移动副连接，其底部铰接于地面支座，所以其主要起限位作用，受力很小，可忽略不计。由于大棚卷帘机整个工作过程为5～10 min，其运行平稳，运行过程中加速度小，忽略惯性力影响[4]，则其切线斜率k 为

因此，保温被拉力与水平线夹角计算公式为：

2.2 受力分析

将卷帘机、卷轴及已缠绕至卷轴上的保温被当成一整体，其作为一个整体，卷轴在保温被拉力Ft、大棚表面支撑力Fn和重力G以及电动机转矩TM作用下力学平衡，建立力学平衡方程得：

①素填土层，呈松散状，压缩性高，承载力较低，分布较均匀，未经过处理，不能直接作为拟建建筑物的天然地基浅基础的持力层；

式中，R为拉力Ft至重心的距离，因保温被螺旋形缠绕于卷轴上，为了将问题简化，将其截面近似为圆，则其半径为

将（1）～（6）式联合求解得出拉力、扭矩计算方程：

橘红是被迫走的，她并不想离开滨湖。杨琳说，橘红和她分手告别时，流了眼泪。何牦只要站在临湖广场这个昔日的码头上，仿佛就看了橘红流着两串长长的泪水，依依不舍走向四层客轮。滨湖是她的伤心之地，为何还这样依依不舍？对滨湖她有什么不舍？一定是为了他，为了他这个不争气的胆小男人。橘红早预料到这一走难能相见。

3 编程计算

3.1 程序编写

分别求出Ft与TM的最大值用于大棚设计校核，而Lt计算表达式中积分无解析解，因而无法用解析法求最大值，本文使用MATLAB 软件编程进行数值计算方法求最大值。MATLAB程序主要部分如下。

t=0:0.01:pi/2;

s=size(t)

A0=pi*d*d/4;

ft=inline((a*a*sin(tao)*sin(tao)+b*b*cos(tao)*cos(tao))^0.5)

for N=1:s(2)

当学生学习了一些英语流行歌曲，初步建立起了记忆曲库之后，教师可以在适当的时候，播放一些学过的歌曲的片段，让学生猜出其歌名，说出其演唱歌手。还可以在推荐学生进行泛听的曲目里选择一些歌曲片段，采取抢答游戏的形式，让学生识别其歌名，检验其学习效果，活跃课堂气氛。

Lt(N)=quad(ft，0，t(N));

其次，要敢于担当，善于担当。要将人民拥护不拥护、赞成不赞成、高兴不高兴、答应不答应作为工作的出发点和落脚点。习近平总书记号召各级领导干部要学习焦裕禄“敢叫日月换新天”的精神，始终做到心中有党、心中有民、心中有责、心中有戒。党的十九大给我们制定了任务书、路线图和时间表，我们要不忘初心、牢记使命，将实现个人梦想与实现国家的发展战略同频，用奋斗书写历史，用奋斗书写幸福。

end

thetat=pi+atan(K)

(4)常见的管道连接方式有3种：①丝扣连接；②法兰连接；③卡箍连接。选择配件时，其接口应当与管道的连接方式相匹配，特殊情况下可采用相应的转换管件，例如将丝扣连接转为法兰连接的管件。

K=-b/a*cot(t)

mt=m0+miu*rho*L*h*Lt

G=mt*g

syms tao

R=((A0+h*Lt)/pi).^0.5

Ft=G.*sin(thetat)

T=Ft.*R

3.2 计算结果分析

本文选用现在较为常用的针刺毡保温被为例计算，其吸水率因不同的环境有差异，在下雨和下雪情况下，1 h 内其吸水率约为127%、108%[5]，而在温度较低有结冰现象时，其吸水率更高，约为200%[6]。因此，本文分别以吸水率μ为0%（完全干燥），100%（下雨或下雪），200%（结冰）分别计算，计算过程主要参数如表1所示。

表1 计算所用主要参数取值及意义

通过运行计算程序，得出干、湿、结冰三种情况下卷帘机在不同位置对应的拉力及电机扭矩曲线，如图3所示。

由计算结果可知。

1）对于侧置棚面自走式卷帘机，其保温被拉力及电动机负载扭矩都由小变大再变小，在中部出现最大值，与文献1的实际测量结果一致。

公路工程项目施工周期长、涉及范围广、资金回笼慢，施工工种众多，这无形中增加了公路工程全过程造价管理难度。PPP模式下，私人投资者最为关注的是投资收益，对投资估算的要求更加精确，所以，建设方案既要适应宏观政策，更要让私人投资者满意于项目风险的控制。PPP模式下公路工程施工成本如果根据定额等标准计算，则会高出常规的施工成本[2]，因为定额中并不包含新工艺、新技术等成本。

2）不同吸水率μ对应的卷帘机受力情况差异较大，μ分别取1、2、3时，对应的最大拉力依次为2.277 5 kN、3.326 5 kN、4.3769 kN，μ越大，相同位置对应的拉力值越大，μ=3 时的最大拉力是μ=1时的1.92倍，相差较大。

图3 不同吸水率对应的拉力及扭矩曲线

3）不同吸水率μ对应的最大拉力出现位置不同，μ分别取1、2、3 时，对应的最大拉力对应角度依次为42.971 8°，44.117 8°，44.690 7°，但相差较小。

4）同一吸水率μ对应的最大拉力与最大扭矩出现位置不同，如μ=1 时，最大拉力对应角度为42.97°，而最大扭矩对应角度为57.30°，相差较大。

4 结论

本文通过对温室大棚卷帘机的受力情况建立数学模型并使用MATLAB 编程计算不同吸水率对应的保温被受力及卷轴受力情况，通过计算可知，同一吸水率情况下最大扭矩与最大拉力出现位置不同，不吸水率对应的拉力与扭矩差异较明显，因此，为分析不同吸水率对应的保温被受力及卷轴受力，为温室大棚卷帘机设计与选型奠定了基础。虽然本文是将温室大棚断面近似为四分之一椭圆得出，但是对不同形状的大棚分析过程相似，所以计算结果具有一定的参考价值。