基于水銀開關(guān)的溫室卷簾機防后翻裝置的設(shè)計

鄒 平，姜魯艷 ,王 瑞 ，羅文杰

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊830091；2.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學觀測實驗站）

0 引言

日光溫室機械化和自動化程度越來越高，保溫被成為溫室冬季生產(chǎn)必不可少的裝備。現(xiàn)階段日光溫室保溫被覆蓋率比例逐年增加[1]，大部分通過倒順開關(guān)人工控制開啟，在溫室作物順利安全越冬生產(chǎn)的同時，會產(chǎn)生一系列問題，每座溫室開啟完畢最少需要8 min[2]。如果同時打開，外界環(huán)境的變化會導致卷被機工作方式不可靠，保溫被位置無法精確限位[3]；嚴寒天氣下出現(xiàn)故障后難以解決，稍有不慎就會使保溫被卷過頭，墜落至溫室后墻，難以短時間內(nèi)解決，甚至造成人員傷亡[3-5]；同時造成整座溫室作物凍死和財產(chǎn)損失[6]。

目前，國內(nèi)在溫室卷簾機限位方面的研究有很多，主要有通過碰撞限位開關(guān)切斷電源方式、利用角度傳感器記錄卷簾機運行位置，采用卷簾機定時器進行限位[7-9]，或通過PLC 可編程序控制器對電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計以及采用卷簾機接收到頂端或底端接近開關(guān)電信號時，停止交流電機的運轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)保溫材料的卷放的方式[10-12]。因此，溫室冬季應用卷被機大多采用行程時間控制、紅外電路控制和碰撞機械式裝置等進行控制，這幾種控制裝置經(jīng)過時間和實踐證明在西北極端天氣條件（如-20℃惡劣天氣）下容易出現(xiàn)故障，安全性與可靠性不夠。出現(xiàn)故障的主要原因包括：（1）雨雪滲入保溫被內(nèi)部后，溫度下降易結(jié)冰，卷被機上卷時保溫被變形，導致保溫被左右端上卷速度不一致；（2）冬季雨雪覆蓋，卷被機裝置結(jié)冰，導致機械式裝置失靈或卡死；（3）室外溫度過低且風雪過大，使紅外電路控制元器件部分無法正常工作，卷棉被機構(gòu)失靈導致事故時有發(fā)生。因此，設(shè)計一種在嚴寒天氣中能夠安全可靠使用的卷簾機限位裝置，對于實現(xiàn)日光溫室的自動化管理具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

卷簾機控制系統(tǒng)見圖1，該系統(tǒng)主要由機架、電機、減速器、鋼管、支架及限位控制五部分組成，在冬季作業(yè)時通過控件完成卷放被工作。日光溫室頂部覆蓋保溫被，在推動臂頂端水平設(shè)置鋼管作為卷軸，固定設(shè)有電機，電機與鋼管傳動連接，每卷一次需6～8 min，具體根據(jù)保溫被種類而定。限位裝置接入配電系統(tǒng)，由接觸器線圈零線位控制斷停，其工作原理見圖5。卷簾機手動控制裝置的手動部件在減速器大帶輪上安裝搖把，主要用于停電或者故障時手動操作卷放[13]。設(shè)計的電機主要參數(shù)如下：電動機功率1.5 kW，減速器速比1：280（四軸），鋼管（Φ5 cm）轉(zhuǎn)數(shù) 5.3 r/min-1，適合溫室長度 50～100 m。

圖1 卷簾機控制系統(tǒng)

1.2 工作原理

圖2 限位裝置工作原理

卷簾機位于溫室的中間位置，卷被時根據(jù)機械傳動原理，由電機及減速器帶動左右兩側(cè)鋼管均速轉(zhuǎn)動，利用鋼管綁定覆蓋物將覆蓋物卷起。當卷簾機上升至溫室頂部預設(shè)停止位置附近時，安裝在保溫被內(nèi)側(cè)的水銀限位裝置一同被卷起，限位裝置中玻璃管內(nèi)的水銀因重力而流向另一側(cè)，使控制裝置內(nèi)的觸點連接機構(gòu)由原先的水銀連接的導電狀態(tài)而變成斷開狀態(tài)，從而使卷被機停止工作，達到防止保溫被后翻的目的。

2 關(guān)鍵工作部件應用

2.1 限位裝置結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計選用玻璃外殼水銀開關(guān)（圖3b），當水銀開關(guān)傾斜一個工作角度時，兩個電極通過水銀進行開關(guān)的通斷動作。這種水銀開關(guān)的優(yōu)點是可從外部觀察到它的工作狀態(tài)，出現(xiàn)問題可隨時發(fā)現(xiàn)，缺點是容易破碎，因此在設(shè)計時增加了塑料保護盒（圖4）。為使水銀開關(guān)不易破碎，也可使用塑料外殼（圖3a）或金屬外殼水銀開關(guān)（圖3c），金屬外殼本身就是一個電極，當水銀開關(guān)傾斜一個工作角時，金屬外殼和電極通過水銀進行開關(guān)的通斷動作。這種水銀開關(guān)可承受較大的沖擊加速度，但缺點是成本高，無法觀察其工作狀態(tài)，出現(xiàn)問題時難以排查。

圖3 水銀開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖4 水銀限位裝置實物

水銀限位開關(guān)由玻璃管、設(shè)在玻璃管內(nèi)位于玻璃管兩側(cè)的觸點機構(gòu)和封入玻璃管下端的水銀構(gòu)成，玻璃管中伸入一固定桿，固定桿位于觸點機構(gòu)中間，固定桿下接有發(fā)條，發(fā)條下接有電極，電極上部與觸點機構(gòu)的觸點碰觸，電極下端伸入水銀中。水銀限位裝置1 線路接入卷簾機驅(qū)動電機控制回路中，接觸器線圈零線位（圖5），因接觸器線圈一進一出一火一零，因此限位裝置安全不會發(fā)生電氣事故。

2.2 防后翻控制裝置

2.2.1 防后翻控制設(shè)計

手動按下升起開關(guān)按鈕2，正轉(zhuǎn)交流接觸器1 閉合通電，電機正轉(zhuǎn)，棉被被卷起，水銀限位裝置因被安裝在保溫被下方而跟隨保溫被一起卷起后被抬起，抬起至一定角度后，使玻璃管內(nèi)部的兩側(cè)觸點機構(gòu)通過水銀導電而成連接狀態(tài)，或者變成水銀流向玻璃管的另一端，導致電路斷開；正轉(zhuǎn)交流接觸器1斷開停止供電，從而使卷被機停止工作，實現(xiàn)防止卷被機后翻過度的目的。卷簾系統(tǒng)停止工作后，按下開關(guān)按鈕3，反轉(zhuǎn)交流接觸器4 閉合通電，電機反轉(zhuǎn)，水銀限位裝置隨著棉被放下而恢復至原先的位置，其中的水銀因重力流向兩側(cè)觸點機構(gòu)而后恢復與玻璃管觸點機構(gòu)的連接。按下卷簾機下降按鈕4 后卷簾機開始自鎖下降，當卷簾機下壓下限位5 時，電路斷開失電，卷簾機無法再下降，整個電路設(shè)計可對卷簾機起到保護作用，防止翻過頭和下降過低。

圖5 卷簾機升降控制電路

2.2.2 防后翻裝置分布設(shè)計

進行限位布局安排時，限位裝置應安裝在日光溫室拱桿的中間位置，不應與拱桿接觸造成水銀開關(guān)保護盒受損。整個溫室防后翻限位裝置1 和4 分別安裝于溫室東、西山墻內(nèi)側(cè)約0.5～1 m 處（東西方向），以防止當卷簾機機頭上升時，由于阻力過大或外部天氣影響導致卷簾機機頭上升速度慢于溫室東西山墻處的保溫被卷筒速度，從而使東西兩側(cè)邊緣保溫被翻過溫室頂部。當溫室長度低于50 m 時，可以考慮不安裝。

圖6 限位裝置安裝分布圖

限位裝置2 和3 分別安裝在卷簾機兩側(cè)左右方向各1.5 m 處，4 個限位裝置均安裝在距離溫室屋脊最高處（南北方向）1 m 左右棉被內(nèi)側(cè)下方，安裝于棉被內(nèi)側(cè)，可避免包括嚴寒天氣、風雪雨等外界惡劣環(huán)境對裝置的破壞，增加裝置的可靠性。實際安裝尺寸及個數(shù)還因保溫被的厚薄、溫室的結(jié)構(gòu)尺寸等不同而有差別。

3 應用效果

限位裝置采用水銀電路組成，水銀凝固點為-39°，在嚴寒天氣-30℃下可正常工作；控制方面做到多臺卷簾機可同時實現(xiàn)上卷下落；在操作效果方面安全可靠一鍵式減少勞動力和時間。隨著時代的進步人工智能物聯(lián)網(wǎng)快速融入各個行業(yè)，使用水銀限位開關(guān)可通過云平臺APP直接對溫室卷被機構(gòu)遠程控制、檢測和監(jiān)測。

在解決因嚴寒天氣導致的保溫被變形，機械式裝置失靈或卡死和電路控制元器件部分無法正常工作的問題過程中，設(shè)計的限位裝置使用了該項專利技術(shù)，可長期使用，正常情況下不需要定期保養(yǎng)或維護。2016 年~2018 年在南疆阿圖什市（東經(jīng)76.1°，北緯39.7°），2017~2019 年在北疆烏魯木齊西山溫室基地（東經(jīng)87.7°，北緯43.8°）已進行越冬季生產(chǎn)試驗，經(jīng)過3 年的生產(chǎn)實踐，安全性和可靠性大大提高。

4 結(jié)論

（1）在實現(xiàn)溫室自動化管理的過程當中，無論是電腦還是手機終端，都存在控制信號容易受到干擾或產(chǎn)生延時現(xiàn)象[14]，這一點是制約溫室實現(xiàn)自動化，智能化管理的關(guān)鍵節(jié)點，從目前的技術(shù)應用來看，這個現(xiàn)象普遍存在，以后或可通過5G 技術(shù)手段加以解決。但是在北方嚴寒地區(qū)，自動控制裝置諸如卷簾機限位機構(gòu)，執(zhí)行電腦或手機發(fā)出的信號指令時，可靠性和安全性仍存在許多問題，而這一點對于實現(xiàn)溫室智能化和自動化管理顯得尤為重要。

（2）卷簾機限位裝置應根據(jù)當?shù)氐臍夂颦h(huán)境，溫室結(jié)構(gòu)特點等進行設(shè)計。對于基于水銀開關(guān)設(shè)計的限位裝置來說，適用于氣候惡劣，冰雪較多的西北嚴寒地區(qū)，在實際應用中應根據(jù)保溫被種類、防水質(zhì)量，卷被后的卷筒大小，水銀開關(guān)數(shù)量及安放位置等差別來設(shè)定，但在其它氣候下的運用效果及實用性如何，仍然有待于進一步的驗證與研究。