拱型溫室外保溫被翻越式鋪卷系統(tǒng)的設(shè)計與模擬試驗

展正朋 楊其長 張 義* 馬前磊 張晉芳 宋國祥 楊 華

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081；3.山東省壽光蔬菜種業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 壽光，262702；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100020)

保溫被是夜間覆蓋在溫室外部或內(nèi)部以減少室內(nèi)熱量散失的重要保溫材料。拱型溫室如半拱型的日光溫室、圓拱型的塑料大棚等，因其屋面結(jié)構(gòu)可以覆蓋保溫被，在冬天不需要加溫或極少加溫就可以滿足北方寒冷地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。

半拱型日光溫室和部分圓拱型塑料大棚的保溫被卷起后放置在屋面的外頂部，會在室內(nèi)形成陰影帶；且因卷簾機(jī)運行的需要，屋面的中部需搭接一塊固定保溫被，也會在室內(nèi)造成陰影帶。目前，覆蓋保溫被的方式主要有3種[3-4]：第一種，均布牽引繩式。滕光輝等[5]設(shè)計的上拉式卷被系統(tǒng)，加入了下拉裝置，解決了近屋頂處坡度較小下放困難的問題；不足之處是保溫被卷起后放置在溫室屋面頂部，對屋面拱架造成集中荷載和遮陰，且容易造成操作人員頭發(fā)、衣物纏入絲杠致使傷亡[6]。第二種，中間卷軸式和軌道式[7-10]。在溫室中部上方安裝有卷被機(jī)卷收保溫被，易于覆蓋和卷收保溫被；但中間卷被機(jī)搭接兩側(cè)保溫被的固定搭接保溫被會形成大面積遮陰帶，嚴(yán)重影響室內(nèi)采光。第三種，側(cè)擺式。相比于前面2種方式其結(jié)構(gòu)簡單，投入較少，但是無法將保溫被卷平行，容易出現(xiàn)遠(yuǎn)離電機(jī)端保溫被滯后近電機(jī)端，溫室越長跨度越大這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。譬如王安振等[11]發(fā)明的山墻側(cè)擺式卷被機(jī)，包括電機(jī)和伸縮桿，通過加入鏈輪和均勻分布的套有鋼絲繩的穩(wěn)定環(huán)，使得整個卷被桿可以近似同步平行鋪卷；但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，農(nóng)民接納度不高。單棟和連棟日光溫室[5,7-13]以及圓拱形溫室的保溫被[14-15]覆蓋方式都是將卷起的保溫被放置在溫室頂部，造成遮陰并給屋面骨架施加額外荷載；而且無法在拱型溫室屋面上一體覆蓋，只能分成2個坡面分別覆蓋保溫被，降低了保溫效果。上述3種卷簾機(jī)鋪卷保溫被的方式之所以無法實現(xiàn)翻越屋頂?shù)娜菝嬉惑w覆蓋，是因為當(dāng)卷起的保溫與固定端的距離小于半坡弧長時，保溫被會因重力作用發(fā)生“溜坡”現(xiàn)象。因此，目前每個坡面必須采用獨立的保溫被和卷被機(jī)，投入和管理成本較高[16-18]。在不改變原有溫室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，既能有效的解決拱型溫室外保溫被翻越式一體化鋪卷覆蓋問題，既減少額外遮光、又不對屋面施加額外集中荷載，便于管理、安全易操作，這樣的卷被機(jī)系統(tǒng)有很大需求[19-20]。

鏈傳動是通過鏈條將主動鏈輪的運動和動力傳遞到從動鏈輪的一種傳動方式,它兼有齒輪傳動和帶傳動的優(yōu)點，又具備大中心距、過載能力強(qiáng)、多軸傳動的優(yōu)勢,尤其適用農(nóng)業(yè)上覆蓋保溫被這種重載荷的低速傳動，以及潮濕、有污染等惡劣的環(huán)境中工作[21-23]。

本研究擬設(shè)計一套基于鏈傳動的拱型溫室外保溫被翻越式鋪卷系統(tǒng)，對其覆蓋和打開保溫被的工作方式及系統(tǒng)零部件參數(shù)進(jìn)行研究，以期解決拱型溫室保溫被遮陰及其對屋面的集中荷載問題，并為系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 翻越式鋪卷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、工作方式及主要參數(shù)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

翻越式鋪卷系統(tǒng)(Over-the-top rolling system, ORS)主要由導(dǎo)軌、牽引桿、卷被桿、卷繩桿、牽引繩、保溫被、塔輪、限位輪、轉(zhuǎn)向輪、張緊輪、鏈輪鏈條和驅(qū)動電機(jī)組成(圖1)。卷被桿和卷繩桿由軸承座支撐放置在兩側(cè)天溝上；保溫被卷收在卷被桿上放置于天溝一側(cè)，另一邊固定在牽引桿上；牽引桿固定牽引保溫被的一邊在拱形屋面上運動；牽引繩一端與牽引桿固定相連，另一端纏繞在卷繩桿上的塔輪螺紋槽內(nèi)置于天溝另一側(cè)，纏繞方向與保溫被纏繞方向相反；鏈輪與鏈條配套，通過正反轉(zhuǎn)電機(jī)帶動進(jìn)行傳動；導(dǎo)軌由拱桿、轉(zhuǎn)向輪組成，設(shè)置在山墻外側(cè)，拱桿與溫室拱桿形狀相同，轉(zhuǎn)向輪均布在拱桿下方，是牽引繩的轉(zhuǎn)向節(jié)點。

1.牽引桿;2.牽引繩;3.導(dǎo)軌;4.卷繩桿;5.塔輪;6.保溫被;7.卷被桿;8.驅(qū)動電機(jī);9.天溝;10.限位輪;11.鏈輪鏈條;12.張緊輪。A～G為7個轉(zhuǎn)向輪。

1.2 工作方式及主要參數(shù)

牽引桿兩端設(shè)置有限位輪，限位輪在導(dǎo)軌上限位運動，此為上方拱架屋面運動部分。下方的動力傳輸部分：鏈輪固定在卷被桿、卷繩桿的同側(cè)一端，由一個驅(qū)動電機(jī)帶動卷繩桿或卷被桿端部的主動輪或從動輪通過鏈條帶動，實現(xiàn)電機(jī)動力傳輸?shù)骄砝K桿和卷被桿并使纏繞在上面的牽引繩和保溫被同步轉(zhuǎn)動。

翻越式鋪卷系統(tǒng)具體工作方式見圖2：電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動時帶動卷繩桿和卷被桿順時針同步轉(zhuǎn)動，保溫被逐步松開、牽引繩逐步收緊。牽引繩收緊纏繞在卷繩桿時拉動牽引桿將松開的保溫被逐步從卷被桿天溝一側(cè)拉鋪到卷繩桿天溝一側(cè)，實現(xiàn)保溫被的拉鋪覆蓋過程(圖2(a))。系統(tǒng)卷收打開時電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動時帶動卷繩桿和卷被桿逆時針同步轉(zhuǎn)動，保溫被逐步收緊、牽引繩逐步松開。保溫被收緊纏繞在卷被桿時拉動牽引桿和牽引繩從卷繩桿天溝一側(cè)拉鋪到卷被桿天溝一側(cè)，實現(xiàn)保溫被的卷收打開過程(圖2(b))。

1.保溫被;2.牽引桿;3.牽引繩;4.天溝。A～G為7個轉(zhuǎn)向輪。

為解決連棟拱棚天溝陰影與保溫被陰影的重合問題，本研究探究了保溫被厚度、溫室跨度與天溝寬度的關(guān)系。以拱桿左側(cè)端點為坐標(biāo)原點、水平方向為S軸、豎直方向為H軸，建立直角坐標(biāo)系，拱桿合理軸線方程[24]為：

式中：H為軸線上任意坐標(biāo)點的縱坐標(biāo)，m；Hg為軸線上最高坐標(biāo)點對應(yīng)的縱坐標(biāo)，m；S為軸線上任意坐標(biāo)點的橫坐標(biāo)，m；Smax為軸線上最右側(cè)坐標(biāo)點的橫坐標(biāo)，m。

設(shè)天溝寬度為D，保溫被卷起直徑≤D可不額外遮陰。保溫被以卷被桿為中心進(jìn)行阿基米德螺旋規(guī)律轉(zhuǎn)動，用極坐標(biāo)表示保溫被半徑R，即

(1)

式中：Δ為保溫被單層厚度，mm；R0為卷被桿半徑，mm；θ為繞極坐標(biāo)原點旋轉(zhuǎn)的角度，rad。

對軸線方程H在區(qū)間[0,Smax]上求定積分可得到保溫被沿跨度方向的長度L，對極坐標(biāo)方程求定積分也可得到L，則有：

(2)

由式(1)和(2)可得到保溫被最大厚度Δmax。

現(xiàn)有保溫被卷簾機(jī)無法實現(xiàn)翻越屋頂?shù)囊惑w化鋪卷保溫被，難以提高整體保溫性、降低骨架荷載。以兩節(jié)懸臂式卷簾機(jī)鋪卷方式為例，以卷被桿截面圓心為原點、運動方向為x正方向、y正方向朝上，建立直角坐標(biāo)系，對其進(jìn)行受力分析(圖3(a))。y軸方向有：

Gcosγ+Tcosβ=Fn

(3)

x軸方向有：

Gsinγ+Tsinβ-μFn=ma

(4)

式中：μ為保溫被與棚膜間動摩擦因數(shù)；m為保溫被和卷被桿質(zhì)量；a為保溫被和卷被桿運動的加速度。聯(lián)立式(3)和(4)，得：

因為G?T,簡化后為：

1.保溫被溜坡位置;2.拱架;3.卷簾機(jī)支撐桿;4.保溫被;5.轉(zhuǎn)向輪;6.牽引繩。

當(dāng)卷起的保溫被與固定端的距離小于半坡弧長時，即保溫被從一側(cè)翻越屋頂后，保溫被會因重力方向與保溫被運行方向夾角縮小為銳角并逐步縮小，以μ=0.2為例，當(dāng)γ>8.5°時，a>0，使得保溫被無法平衡自身重力，發(fā)生“溜坡”現(xiàn)象。

ORS將保溫被的一邊固定在卷被桿上卷起后放在溫室屋面一側(cè)，另一邊固定在牽引桿上；牽引繩一端固定纏繞在卷繩桿上，另一端固定在牽引桿上牽引其運動。ORS保溫被自身重力不作為主要驅(qū)動力，而是嘗試采用收放牽引繩和保溫被分別作為拉鋪覆蓋和卷收打開保溫被的主動驅(qū)動力，使其方向始終與保溫被的運動方向一致，并互為牽制力，以解決溜坡問題。

為探究所需鋼絲繩的規(guī)格，需確定牽引繩拉力最大值。以牽引桿截面圓心為原點、y正方向朝上、運動方向為x正方向建立直角坐標(biāo)系，對其進(jìn)行受力分析(圖3(b))。假定牽引繩拖動牽引桿勻速運動，建立平衡方程。y軸方向有:

Gcosα+Fcos(90°-ε)=Fn

(5)

x軸方向有:

Gsinα+μFn=Fcosε

(6)

式中：ε=|α-θ|。導(dǎo)軌下方均勻分布7根直徑為 8 mm 的304鋼筋做的“L”形支架，用于放置帶內(nèi)徑為8 mm的轉(zhuǎn)向輪，減少牽引繩的張力。牽引繩與運動方向夾角在每兩個轉(zhuǎn)向輪之間呈相似的從大到小規(guī)律，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪越少時，牽引繩拉力F方向與保溫被運動方向夾角越大，F(xiàn)無用分力Fsinε越大，拉力損耗越多，牽引繩所需張力越大。牽引桿在端點處夾角最大，夾角αmax可由拱架曲線方程在端點處求導(dǎo)解得，為90°，測得第一轉(zhuǎn)向輪到端點連線與水平方向夾角θ為51°。μ一般為0.15～0.45，根據(jù)實際情況取μ=0.15。計算選定直徑為2 mm的4根鋼絲繩作為牽引繩，設(shè)置在轉(zhuǎn)向輪內(nèi)運動。牽引桿、卷繩桿均為外徑25 mm、壁厚1.5 mm的鍍鋅鋼管，可滿足牽引和卷繩的剛性強(qiáng)度需求。選用鏈號為 06B 的鏈條和配套鏈輪(GB/T 1243—2006《傳動用短節(jié)距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》)，鏈輪29齒、內(nèi)徑加工成25 mm，安裝在卷被桿和卷繩桿一端，通過400 W正反轉(zhuǎn)電機(jī)帶動鏈條進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 同步塔輪

為使?fàn)恳K的收放速度與卷保溫被的收放速度一致，設(shè)計了與保溫被纏繞在卷被桿上的阿基米德螺旋線相似的塔輪，套在卷繩桿上纏繞牽引繩使用(圖4)：塔輪選用耐磨損材質(zhì)制作并以材質(zhì)確定塔輪最薄處壁厚，內(nèi)徑取決于卷繩桿外徑；由保溫被的厚度與螺距構(gòu)成的直角計算塔輪拔摸的角度，根據(jù)保溫纏繞壓縮變薄比率和塔輪最薄處壁厚，拔摸角度設(shè)計值宜比計算值小3°～5°；螺紋槽寬度與鋼絲繩直徑相同，螺距由鋼絲繩直徑附加上0.5～1.0 mm 的螺紋牙厚決定，纏繞更穩(wěn)定并延長壽命；螺旋線圈數(shù)與保溫被在卷被桿上的纏繞圈數(shù)相同，可額外增加2圈便于鋼絲繩纏繞；塔輪定位孔直徑4～12 mm，用于將塔輪在卷繩桿上固定旋轉(zhuǎn)和阻止沿徑向移動；牽引繩定位孔直徑4～12 mm,用以壓緊固定鋼絲繩，使其可以在塔輪上固定纏繞。以此塔輪纏繞牽引繩模仿保溫被纏繞在卷被桿上，使得牽引繩和保溫被纏繞速度接近一致，實現(xiàn)保溫被的同步卷收和拉鋪，從而實現(xiàn)保溫被的一體化全屋面覆蓋。試驗用塔輪為尼龍材質(zhì)，通過3D打印機(jī)制作，最薄處壁厚設(shè)計為3 mm，塔輪內(nèi)徑為25 mm，螺距設(shè)計為3 mm，拔摸角度為30°，螺旋線22圈，螺紋槽寬2 mm、深1 mm，塔輪定位孔直徑和牽引繩定位孔直徑均設(shè)計為4 mm(圖4(b))。

1.牽引繩定位孔;2.塔輪定位孔;3.牽引繩。

2.2 牽引桿運行軌道和限位輪

1.軌道;2.限位輪;3.拱架；A～G為7個轉(zhuǎn)向輪。

2.3 鏈傳動系統(tǒng)

溫室外環(huán)境較惡劣，工作條件極不穩(wěn)定，因此需要系統(tǒng)具有一定的耐候性和容錯率，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行。鏈傳動具有承載能力高、傳輸距離遠(yuǎn)、容錯率高、成本低的優(yōu)點，適用于惡劣的工作環(huán)境[27]。為了滿足拱架屋面拉鋪和卷收保溫被的動力需求，還需驗證鏈傳動系統(tǒng)是否能滿足主動輪到從動輪穩(wěn)定的動力傳輸，保證卷被桿和牽引繩桿的同步轉(zhuǎn)動。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》[28]滾子鏈傳動設(shè)計指導(dǎo)進(jìn)行計算選型，為減少多邊形效應(yīng)的影響，盡量選用小節(jié)距(p)的鏈條[29-30]；為使鏈輪與鏈條磨損更均勻，鏈輪齒數(shù)選用與鏈節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)的奇數(shù)，鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)；為兼顧拱形溫室的跨度和鏈條的輕便，采用中心距a>80p的非標(biāo)準(zhǔn)傳動形式，在主從動鏈輪中心連線上方上方設(shè)置可調(diào)節(jié)高度的張緊輪，避免鏈條中心距過大導(dǎo)致的垂度過大，高度可調(diào)節(jié)能解決鏈條使用時間久了發(fā)生的變形拉長導(dǎo)致的鉸鏈等問題；主動輪和從動輪相同，便于卷收保溫被與卷繩同步設(shè)計。試驗的ORS傳動系統(tǒng)鏈條鏈輪材質(zhì)均為40Mn鋼，主從動鏈輪內(nèi)徑r=25 mm，齒數(shù)Z=29，配套鏈條選用節(jié)距p=9.525 mm、滾子直徑d=6.35 mm、節(jié)數(shù)X=282，a=126p；張緊輪為鏈號為06 B的11齒鏈輪(GB/T 1243—2006)，設(shè)置在主從動鏈輪中心連線中點正上方100 mm處，可調(diào)節(jié)高度范圍0～100 mm；電機(jī)選用功率P=400 W 正反轉(zhuǎn)調(diào)速電機(jī)。為驗證傳動系統(tǒng)設(shè)計的合理性和安全性，進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)鏈傳動系統(tǒng)的仿真試驗。

2.3.1建模

滾子鏈?zhǔn)怯涉溳啞?nèi)外鏈板、銷軸、套筒和滾子6個零件組成，為降低運算量，將內(nèi)鏈板和套筒簡化為一個整體，外鏈板和銷軸簡化為一個整體，采用SolidWorks建立三維模型。

2.3.2ADAMS動力學(xué)仿真分析

將SolidWorks模型轉(zhuǎn)存為x-t格式，導(dǎo)入ADAMS中檢驗?zāi)Ｐ驼_性并設(shè)置模型重力、接觸、約束。設(shè)置沖擊函數(shù)，接觸剛度取2×105;接觸指數(shù)為2.2，動摩擦因數(shù)為0.1，靜摩擦因數(shù)取0.3[28-29,33]，模擬鏈輪與鏈條實際運動沖擊各項參數(shù)。將電機(jī)驅(qū)動選為速度驅(qū)動Velocity,建立驅(qū)動函數(shù)[31-33]:step(time,2,0,4,72°)+ step(time,8,0,10,-72°)：0～2 s只受重力，鏈條與鏈輪貼合，2～4 s 逐步啟動到72(°)/s，在4～8 s勻速運動，在8～10 s逐步降速停止，模擬鏈條從開始到逐步勻速穩(wěn)定運行再逐步停止的過程。圖6為電機(jī)驅(qū)動函數(shù)曲線圖。

圖6 電機(jī)驅(qū)動函數(shù)曲線圖

仿真參數(shù)設(shè)置為：時間10 s，步數(shù)100 步。完成仿真后進(jìn)入后處理模塊得到各特性曲線。由所選取鏈節(jié)加速度曲線(圖7(a))可知，0～2 s內(nèi)，由于重力影響，鏈節(jié)與鏈輪貼合；2 s時電機(jī)啟動，所有鏈節(jié)和鏈輪有充分接觸逐步啟動，3 s時產(chǎn)生了1個幅度較高的波峰，隨后加速度降為0并上下波動，逐步達(dá)到平穩(wěn)運行狀態(tài)。波動是因為多邊形效應(yīng)和鏈輪節(jié)距過大產(chǎn)生的垂度影響的，速度越大影響越明顯。卷簾機(jī)實際運行時以2.3 r/min左右的速度緩慢轉(zhuǎn)動，影響將減小。鏈節(jié)之間接觸力在4 s勻速運行前后有4個峰值，此時張緊輪將鏈條完全繃直，張力達(dá)到最大值，因仍在強(qiáng)度范圍之內(nèi)，沒有發(fā)生繃斷，隨后下降并穩(wěn)定波動(圖7(b))。

電機(jī)從2 s啟動，因為鏈節(jié)與齒輪沖擊，以及多邊形效應(yīng)的影響，整體呈上下周期性波動的規(guī)律，最大工作功率小于額定400 W功率，平穩(wěn)運行后在 200 W 上下波動(圖7(c))。

圖7 傳動系統(tǒng)運行曲線

由以上分析可知，試驗選用的鏈傳動系統(tǒng)中心距a=126p的非標(biāo)準(zhǔn)傳動形式可正常運行傳動。對于較大跨度的溫室，可采用圓環(huán)鏈[34-35]替代滾子鏈，克服滾子鏈傳輸距離小的限制。

3 ORS模型試驗

于2017年7月21日—2018年12月6日在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所順義試驗基地溫室模型上建立ORS，驗證其工作方式的可行性，以及鏈傳動系統(tǒng)部件和牽引繩參數(shù)的合理性。

3.1 試驗設(shè)計

試驗選用雙層編織布夾芯太空棉的保溫被，其自然蓬松厚度為10 mm、壓實厚度為2 mm，整體密度為160 g/m2，卷起后最大平均直徑為115.7 mm。試驗?zāi)Ｐ鸵妶D8。試驗前對該系統(tǒng)進(jìn)行不卷收保溫被的空載試驗，初步了解系統(tǒng)的運行情況；調(diào)試完畢后放置保溫被，通過電機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)將保溫被從天溝一側(cè)拉鋪至另一側(cè)，實現(xiàn)全屋面覆蓋；再通過電機(jī)反轉(zhuǎn)將保溫被從天溝另一側(cè)卷收回來。實時監(jiān)測記錄整個過程的拉力和扭矩數(shù)據(jù)。

圖8 試驗用拱棚及翻越式鋪卷系統(tǒng)

采用S型 DYLY-103型號拉力傳感器，數(shù)據(jù)精度±0.001 N,設(shè)置在2根牽引繩上；采用DYN-206型號動態(tài)扭矩傳感器，數(shù)據(jù)精度±0.001 N·m,安裝在牽引繩桿和卷被桿靠近電機(jī)一側(cè)的端部；用V8016型數(shù)顯表實時監(jiān)測記錄繩子拉力和卷被桿扭矩并用M400數(shù)據(jù)采集管理軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采集間隔2 s。圖9為扭矩和拉力傳感器安裝示意圖。

3.2 結(jié)果與分析

模擬試驗表明，ORS在拉鋪覆蓋和卷收打開保溫被的整個工作過程中卷被和卷繩的轉(zhuǎn)速可以同步，ORS運行流暢。卷被桿扭矩Ti和牽引繩桿扭矩Tr及鏈輪側(cè)牽引繩張力Fl和無鏈輪側(cè)牽引繩張力Fw，數(shù)值為正時，為拉鋪覆蓋過程，負(fù)值表示反向，為卷收過打開程。在整個拉鋪和卷收往返過程中牽引繩張力及卷被桿和牽引繩桿扭矩變化曲線見圖10。

1.驅(qū)動電機(jī);2.扭矩傳感器A;3.扭矩傳感器B;4.拉力傳感器A;5.拉力傳感器B;6.卷繩桿;7.保溫被。

Ti為卷被桿扭矩;Tr為牽引繩桿扭矩;Fl為鏈輪側(cè)牽引繩張力;Fw為無鏈輪側(cè)牽引繩張力。

拉鋪覆蓋過程中，牽引繩主動拉動牽引桿將保溫被拉向牽引繩桿一側(cè)，實現(xiàn)拉鋪覆蓋；以轉(zhuǎn)向輪為節(jié)點，呈現(xiàn)較為規(guī)律的7個周期變化。在卷收打開保溫被過程中，牽引繩被動的跟隨牽引桿從牽引繩桿運動到卷被桿一側(cè)，實現(xiàn)保溫被的卷收打開。

因為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向作用，牽引繩張力F與運動方向呈現(xiàn)遞減然后在轉(zhuǎn)向輪節(jié)點附近突變的規(guī)律，牽引繩張力F也對應(yīng)的呈現(xiàn)遞減然后在節(jié)點附近突變的規(guī)律變化。A點，牽引繩拉力F最大值為736.119 N，直徑2 mm的鋼絲繩的最大張力為2 296 N，滿足所需強(qiáng)度。牽引繩在卷收過程被動跟隨牽引桿運動，數(shù)值在30 N附近波動。保溫因卷被桿轉(zhuǎn)動作用松開、并在牽引桿的拉動下拉鋪覆蓋整個屋面，在轉(zhuǎn)向節(jié)點附近因牽引繩張力減小，卷被桿阻力增大，扭矩驟增，最大值為8 849.138 N·m，見A～G 7個數(shù)值點，其余數(shù)值呈現(xiàn)規(guī)律的變化，400 W 電機(jī)最大容許扭矩為6×105N·m,滿足需求；卷收過程中，卷被桿卷收保溫被，扭矩隨卷收過程整體呈波動上升的趨勢。牽引繩跟隨牽引桿運動，數(shù)值在 20 N·m 上下波動。

試驗表明，牽引繩桿上的阿基米德螺旋塔輪解決了牽引繩和卷被的同步問題，使得整個拉鋪和卷收過程中牽引繩和卷被速度同步匹配，流暢運行。導(dǎo)軌架均勻分布7個轉(zhuǎn)向輪，呈現(xiàn)6個變化周期。試驗選用的牽引繩張力滿足所需強(qiáng)度，電機(jī)能夠提供所需動力，ORS可以實現(xiàn)保溫被的全屋面翻越式覆蓋。

相比于將保溫被放置在頂部的鋪卷方式，ORS可以避免兩卷保溫被放置在頂部形成的0.4 m寬遮陰帶，減少遮陰33%；減小了保溫被和卷被桿對屋面拱架的荷載42 N/m2。

4 結(jié)論與討論

本研究針對現(xiàn)有保溫被覆蓋方式無法實現(xiàn)翻越拱面頂部覆蓋，且卷起后的保溫被放置在屋頂給屋面造成額外荷載和室內(nèi)遮陰的問題，設(shè)計了一套拱型溫室外保溫被翻越式鋪卷系統(tǒng)(Over-the-top rolling system,ORS)。對ORS的工作方式和零部件參數(shù)進(jìn)行研究，在微縮拱型溫室上安裝ORS進(jìn)行模擬試驗，得到以下結(jié)論：

1)采用拉鋪覆蓋和卷收打開保溫被的整個工作過程中卷被和卷繩的轉(zhuǎn)速可以同步，確定了塔輪尺寸規(guī)格的設(shè)計方法。

2)保溫被卷起后平均最大直徑為116.2 mm，小于模型溫室天溝的寬度(320 mm)，不額外遮陰，確定了保溫被規(guī)格的計算方法；牽引繩的張力最大值為736.119 N，小于所選擇的2 mm鋼絲繩的最小破斷拉力2 296 N，確定了牽引繩的選型方法。

3)扭矩傳感器最大測量值為8 849.138 N·m，小于選用電機(jī)6×105N·m的最大容許扭矩；電機(jī)最大工作功率為384 W<400 W(額定功率)，表明電機(jī)的最大容許扭矩和功率的選型滿足需求。

4)相比保溫被放置在屋頂?shù)姆绞?，ORS放置在天溝上減少了屋面拱架荷載42 N/m2，避免了保溫被放置在屋頂造成的33%的室內(nèi)遮陰，提高了保溫被的整體保溫性并有效解決了滴露問題。

生產(chǎn)實踐中長度和跨度較大溫室的保溫被自重較大，僅靠卷被桿兩端的支撐無法避免卷被桿發(fā)生彎曲?？稍诰肀粭U下方設(shè)置若干滾筒進(jìn)行支撐，且不影響保溫被的轉(zhuǎn)動；在棚面上每隔2～3根拱架加設(shè)1道壓膜槽放置牽引繩，并在天溝上每個纏繞牽引繩的塔輪處設(shè)置1個軸承支座，既可以避免牽引桿在牽引運動中發(fā)生過度彎曲，又可以減少單根牽引繩的直徑，便于纏繞和牽引。

保溫被和設(shè)置在棚面的牽引繩在工作過程中會對棚膜產(chǎn)生磨損，可通過在拱架外加設(shè)的壓膜槽，減少牽引繩和保溫被與棚膜的接觸壓力；此外，貼近棚膜側(cè)的保溫被包覆光滑的材料，如塑料膜、編織布等，減小保溫被與棚膜的摩擦因數(shù)。