朱康熹++梁永江++徐丹++李慶東++何培祥++蔣猛++趙進(jìn)++劉宏博
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.118
摘要:設(shè)計(jì)一種塑料溫室棚頂清洗機(jī),可用于清洗配有遮陽棚和無遮陽棚的塑料溫室棚頂。清洗機(jī)包含8個(gè)單節(jié)清洗裝置,由溫室骨架和棚頂薄膜共同支撐,可與拱形棚頂?shù)幕《茸匀毁N合;單節(jié)清洗裝置主要包括行走機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、支架;控制系統(tǒng)包括1個(gè)主控制器和8個(gè)分控制器,主控制器通過CAN總線與8個(gè)分控制器進(jìn)行信息傳遞,每個(gè)分控制器控制相應(yīng)的1節(jié)清洗裝置。清洗機(jī)的行走和清洗試驗(yàn)結(jié)果表明,清洗裝置在棚頂仿形效果較好,能在棚頂上平穩(wěn)地往復(fù)行走,清洗后透光率可達(dá)78.37%,符合清洗要求。
關(guān)鍵詞:塑料溫室;棚頂;清洗機(jī);設(shè)計(jì);控制系統(tǒng);清洗試驗(yàn)
中圖分類號(hào):S24;S237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2016)10-0404-03
收稿日期:2015-08-11
基金項(xiàng)目:重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃(編號(hào):CSTC2013yykfa80003)。
作者簡(jiǎn)介:朱康熹(1993—),男,江西鄱陽人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程機(jī)電一體化技術(shù)研究。E-mail:1739809228 @ qq.com。
通信作者:李慶東,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。E-mail:liqingd@163.com。在我國(guó)各類溫室的使用中,塑料溫室因經(jīng)濟(jì)性好,其占有率逐漸升高[1]。塑料溫室大棚在使用過程中,棚頂表面易被灰塵污染[2],生長(zhǎng)苔蘚等植物,使棚膜的透光率下降,因而有必要定期清洗溫室棚頂,恢復(fù)棚膜透光率,以利于植物光合作用,提高溫室產(chǎn)量[3]。透光率是指溫室內(nèi)的光照入射量與室外光照量的比例,溫室的透光率直接影響農(nóng)作物的光合作用和生長(zhǎng)狀況[4]。
我國(guó)西南地區(qū)絕大多數(shù)塑料溫室棚頂配有遮陽棚[5],國(guó)外清洗機(jī)因無法在棚頂天溝行走而不能使用,因而通常只能靠人工清洗塑料溫室棚頂,效率低、費(fèi)用高、存在安全隱患。棚頂塑膜柔軟輕薄,易破損,摩擦系數(shù)較小[6],棚頂為具有一定曲率的拱形面,不利于清洗機(jī)械在其上移動(dòng)和清洗,同時(shí)棚頂只由幾根縱橫交叉的骨架支承[7],塑料薄膜要承擔(dān)清洗設(shè)備很大一部分質(zhì)量。為了能夠清洗配有遮陽棚的塑料溫室棚頂,要求清洗機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕,有必要設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度較高、效果好的清洗設(shè)備。
1整體設(shè)計(jì)
塑料溫室棚頂清洗機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有8節(jié)清洗裝置鉸接組成的形式,每個(gè)單節(jié)清洗裝置包含行走機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)和機(jī)架等,這種鉸接的形式可以很好地對(duì)大棚的弧度進(jìn)行仿形;控制系統(tǒng)包括1個(gè)主控制器和多個(gè)分控制器,通信采用CAN總線[8-9]。
1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用由鉸接機(jī)構(gòu)連接的多節(jié)清洗裝置的形式,以利于對(duì)大棚的弧度進(jìn)行仿形,整個(gè)清洗機(jī)由薄膜和骨架共同支撐。
單節(jié)清洗裝置如圖2所示,主要包括行走機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、支架;整個(gè)清洗機(jī)配有極限位置檢測(cè)模塊、定位檢測(cè)裝置、配電、配水等輔助機(jī)構(gòu)。
行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用具有一定柔性的長(zhǎng)滾筒配備直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)其滾動(dòng)行走;調(diào)控機(jī)構(gòu)的行走速度適應(yīng)清洗不同污濁程度的薄膜,低速行走適宜清洗污濁程度較高的溫室薄膜;高速用于污濁程度較低的薄膜清洗,提高清洗效率。
行走機(jī)構(gòu)的滾筒采用EVA發(fā)泡材料,質(zhì)量輕、密度小,具有柔性和彈性適當(dāng)、吸水性差的特點(diǎn),并與濕潤(rùn)的薄膜之間摩擦系數(shù)較大,有利于行走防滑[10]。
清洗機(jī)構(gòu)采用圓盤刷配備直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)來清洗溫室棚膜。清洗是通過尼龍毛刷與塑料薄膜之間產(chǎn)生的摩擦力和沖擊力來分離污物,通過噴水帶走污漬。噴水管縱向放置在整個(gè)清洗機(jī)的中間,也就是拱形棚頂?shù)捻旤c(diǎn),噴水孔分別設(shè)置在噴水管的最前端和最后端,前端的噴水孔水流量較小,主要起到提前濕潤(rùn)薄膜浸泡臟物的作用,后端的噴水孔較大,主要起到?jīng)_刷清洗后留在薄膜表面的藻類、泥漿等污漬。
1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)需要軟件和硬件的結(jié)合,硬件部分的設(shè)計(jì)如圖3所示,包括1個(gè)主控制器和8個(gè)分控制器,主控制器通過CAN總線與多個(gè)分控制器進(jìn)行信息傳遞,每個(gè)分控制器控制相應(yīng)的1節(jié)清洗裝置。人工手動(dòng)控制開關(guān),控制系統(tǒng)接受指令,驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)工作。
1.3主控制器流程設(shè)計(jì)
主控制器要完成的任務(wù)是將操作人員下達(dá)的行走和清洗等命令通過CAN總線傳遞給多個(gè)分控制器,讓分控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作,主控制器還要通過CAN總線接收每個(gè)分控制器反饋的定位信號(hào),并向整個(gè)清洗機(jī)發(fā)出同步行走的命令和棚頂端部停車命令,防止清洗機(jī)從棚頂墜下。主控制器主程序流程如圖4所示。
2結(jié)果與分析
2.1試驗(yàn)平臺(tái)
試驗(yàn)平臺(tái)是依照現(xiàn)有南方連棟塑料溫室的棚頂,采用直徑25 mm、壁厚1.2 mm的薄壁鍍鋅管,建成拱形溫室棚頂,如圖5所示。棚頂整體弧長(zhǎng)8.9 m,弦長(zhǎng)8 m,中心主支撐架 1.7 m,兩側(cè)支架均1.35 m;沿棚頂天溝走向每隔1 m設(shè)置支架,共設(shè)置4個(gè)支架,總長(zhǎng)為3 m,用3根縱向桿連接每個(gè)支架,分別對(duì)應(yīng)在3根支撐架的位置。在整個(gè)平臺(tái)上部覆蓋 0.1 mm 厚度的塑料薄膜,透光率35%,模擬使用后的塑料溫室棚頂。
將鉸接好的溫室清洗機(jī)置于試驗(yàn)平臺(tái)上,不斷地在拱形塑料棚頂往復(fù)行走,且不斷地調(diào)節(jié)行走速度、配合清洗毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果,整個(gè)清洗機(jī)自然與拱形棚頂貼合,仿形效果較好;行走機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)地在薄膜上行走,且不損壞塑料薄膜,毛刷自然地貼服在薄膜表面,對(duì)薄膜可以起到清洗效果。在清洗機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等的整體控制時(shí),清洗機(jī)工作可靠;在調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速開關(guān)時(shí),系統(tǒng)可以快速反應(yīng),達(dá)到令人滿意的效果,檢測(cè)模塊能夠及時(shí)有效地反饋信息,增加整機(jī)工作的安全性。
2.2結(jié)果與分析
采用正交試驗(yàn)研究清洗機(jī)的清洗效果和清洗工藝,經(jīng)初步試驗(yàn),選用清洗機(jī)行走速度、毛刷轉(zhuǎn)速和噴水量作為試驗(yàn)因子,試驗(yàn)指標(biāo)為棚頂塑膜清洗后的透光率。選擇正交表 L9(34)安排試驗(yàn)(第3列為空列),試驗(yàn)方案與結(jié)果見表1。
對(duì)清洗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,繪制因子指標(biāo)圖如圖6所示。
通過數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果可知,行走速度、毛刷轉(zhuǎn)速和噴水量對(duì)透光率影響顯著,清洗后透光率可達(dá)78.37%。由圖6
可知,行走速度與清洗效果呈線性負(fù)相關(guān),行走速度低,清洗效果好;當(dāng)轉(zhuǎn)速為60~90 r/min時(shí),透光率隨毛刷轉(zhuǎn)速增加而快速增加,當(dāng)轉(zhuǎn)速>90 r/min時(shí),透光率增加趨勢(shì)放緩;當(dāng)噴水量>0.09 L/s后,由于薄膜表面水量偏高,毛刷與薄膜之間摩擦力減小,導(dǎo)致清洗效果有下降趨勢(shì)。
3結(jié)論
清洗機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明,行走機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)地帶動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)在塑料溫室棚頂往復(fù)運(yùn)動(dòng),符合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求;清洗裝置的鉸接方式達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)想效果,具有棚頂仿形功能;行走速度、毛刷轉(zhuǎn)速和噴水量對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)透光率影響顯著;最佳清洗參數(shù)為行走速度1 m/min、毛刷轉(zhuǎn)速120 r/min、噴水量0.09 L/s;清洗后棚頂塑膜的透光率可達(dá)78%,能夠滿足清洗需要,試驗(yàn)樣機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn):
[1]鐘鋼. 國(guó)內(nèi)外溫室發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備,2013(9):68-69.
[2]蔣國(guó)際. 鋼架大棚的保養(yǎng)方法[J]. 湖南農(nóng)業(yè),2014(11):20.
[3]彭三河. 塑料大棚清洗裝置的設(shè)計(jì)[J]. 長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007(4):102-104.
[4]周娟. 基于單片機(jī)的溫室大棚智能清潔機(jī)[D]. 保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.
[5]李保明. 中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè),2005,5(2):7-8.
[6]李愛英,張帆,許育輝,等. 農(nóng)用大棚塑料薄膜材料的研究進(jìn)展[J]. 化工新型材料,2014(12):25-26,37.
[7]周長(zhǎng)吉. 中國(guó)溫室的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(增刊):88-91.
[8]Yasutomi F,Yamada M,Tsukamoto K. Cleaning robot control[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,1988:1839-1841.
[9]劉榮勝,李兆波,江亦瀾,等. 溫室頂棚清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J]. 福建農(nóng)機(jī),2014(3):40-42.
[10]楊鋼,李啟成,李雅明,等. 乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)的性能及應(yīng)用[J]. 膠體與聚合物,2009,27(3):45-46.