设施农业玻璃温室顶棚清洗机探讨

摘要：近年来，设施农业发展迅速，玻璃温室越来越多，但玻璃温室容易附着顽固的泥土尘垢，使得透光率降低，极大地影响了农作物的自然生长和产量。加强玻璃温室屋顶的清洁，能保障玻璃温室的自然透光和植物的正常生长发育。目前，国内玻璃温室的清洁以人力为主，工作效率低，操作危险。基于此，笔者详细分析了玻璃温室顶棚清洗的方式和实现途径，设计了一款包含行走结构、清洗结构、升降功能和伸缩板结构的新型清洗机。仿真结果表明，该清洗机具有较高的自动化程度和清洗效率，能够节约能源，提高玻璃表面灰尘杂质的清洗充分度。

关键词：玻璃温室顶棚；自动；清洗机

近年来，随着设施农业[1]的快速发展，温室大棚等农业设施需求量激增。2021年，全国温室新建面积3093.64hm2[2]，其中玻璃温室达718.14hm2，玻璃温室新建面积较上一年的增幅超100%。据浙江省第三次农业普查[3]数据，2016年年末浙江省温室占地面积2500hm2，大棚占地面积57500hm2，渔业养殖用房面积500hm2。玻璃温室优势突出，其能够达到90%以上的透光率，大大提高了植物在棚内光合作用的效率，发展前景巨大[4]。但在环境污染或者自然环境的影响下，玻璃温室顶棚容易附着顽固的泥土尘垢，普通的自然降水根本无法冲刷干净，长此以往会严重降低温室的透光效果，影响农作物的自然生长和经济产量。因此，加强玻璃温室屋顶的清洁，能保障玻璃温室的自然透光和植物的正常生长发育。随着设施农业的快速发展，大型玻璃温室应用更加广泛。由于人工清洗存在效率低、安全隐患大、费用高等缺点，如何清洁温室大棚成了研究热点。相关研究主要划分了三个分支——轨道式温室大棚清洁装置、机器人式温室大棚清洁装置和手持式温室大棚清洁装置[5]。荷兰的玻璃温室棚顶清洗设备的研究水平位于世界前列，但仅限于天沟行走，无法适用有遮阳网的玻璃温室[6]。孔维蓉等[7]研发的清洗机电机数量多，电能消耗大且设备较重，设备无法在连栋之间实现自动平移，清洗完一个屋顶后靠人工搬运到下个屋顶，自动化程度不高；李济霖等[8]所研发的装置需要人为辅助移至下一个屋顶，而且需要将所有零件搬上屋顶后才能安装和调节清洗两侧的角度，很不方便。综上所述，国内外现有的玻璃温室顶棚清洗装置均存在一定程度的缺陷，不能很好地实现自动化清洗。基于此，笔者设计了一种顶棚自动化清洗装置，该装置具有如下特点：1）可用于各种“人”字形玻璃温室顶棚的清洗；2）可实现全自动清洗；3）可实现跨屋脊清洗；4）可调整盘刷和玻璃面之间的正压力，实现良好的清洗效果；5）可在玻璃温室斜面上爬行；6）屋顶之间通过限位轨道可自动输送。

1整体结构设计和工作原理

1.1整体结构设计

清洗机整体结构设计如图1所示。其由主体框架2、行走机构1、升降机构5、清洗机构3和活动铰链4组成，另外在平移车上设计伸缩机构6辅助清洗机进入车内。

1.2工作原理

1）调节角度：单侧清洗机由清洗机构3和升降机构5组成，两侧通过活动铰链4连接，调节以适应当前角度的“人”字形玻璃温室棚顶。2）清洗机定位：对称分布于屋脊两侧，并安装在主体框架2上。主框架结构稳固，其两侧各安装行走机构1，支撑整个装置，运行时不易倾倒。3）调节清洗压力：玻璃温室跨度8m，坡度为23°，单侧清洗机设计总长4200mm。两侧清洗机分别平行于屋面放置，通过升降机构5（升降距离为0~8mm）来调节尼龙圆盘刷和屋面的间距和正压力，从而达到较好的清洗效果。4）清洗：清洗机构3通过动力传动系统，驱动7个底径为6000mm的尼龙圆盘刷同时旋转完成清洗动作。5）清洗机移动：完成一段温室清洗后，行走机构1工作。行走机构1由一前一后两个轮子组成，电机驱动后轮行驶，前轮起辅助作用，平衡整个清洗装置的重心，实现清洗装置的前进和后退。6）清洗完成：清洗结束后，平移车内的伸缩机构6运行，将伸缩板伸入屋顶表面，清洗装置通过伸缩板进入平移车，小车平移至下一个屋顶，重复清洗动作。

2清洗部件设计

2.1结构设计及选型

电机通过多级同步带传动实现多个圆盘刷的同步旋转。清洗电机位于清洗装置中间，电机输出轴和从动轴通过齿轮啮合，两轴通过同步带传动，各控制3个刷子的旋转，主动轴末端控制1个圆盘刷。

2.2关键零件分析与计算

主要的零件是传动齿轮和主动轴，即主要进行电机输出轴的强度校核。1至7传动轴中，6至7轴仅有一级带传动，3至5轴有二级带传动，1至2轴有一级齿轮传动和一级带传动。由此可见，只需要对1轴或2轴进行弯矩和扭矩强度校核，从轴的水平面和垂直面分别计算其弯矩和扭矩。已知1轴上同步带轮和齿轮的输入转矩T=0.596N·m，经计算，1轴的载荷分析如图2所示。由图2可知，1轴的同步轮左侧截面承受最大弯矩和扭矩，仅需对此截面进行强度校核[9]，经过计算，弯扭合成应力σca=16.51MPa＜许用弯曲应力[σ-1]=40MPa，故1轴选用Q235满足要求[10]。

3行走部件设计

3.1结构设计及选型

整体清洗机两端各有一对竖直橡胶轮和辅助小轮。单侧电机驱动清洗机后侧的橡胶轮，而前侧辅助轮自然滚动，四个轮子一起支撑整套清洗设备，如图3所示。此方案轻便，摩擦小，节省电能，但轮子竖直行走，缩短了使用寿命。

3.2关键零件分析与计算

主要零件是传动齿轮和传动轴，即主要进行传动轴的强度校核。单侧行走轮承受的质量是200kg，轮胎橡胶面摩擦系数f=0.27。根据设计条件，已知小齿轮连接轴的输入转矩，可得到传动轴的载荷分布如图4所示。

4软件设计与实现

研发软件的主要目的是开发并设计所对应的软件控制程序[11]，增加自动化功能。不仅能够进一步优化相关软件程序的开发理念与设计方法，而且还能全面提升开发设计软件程序的高效性和便捷性。主要工作流程体现在以下三个方面：1）正式启动该软件程序的电源之后，相关系统会检测设备是否连接，使用是否正常；2）在系统正常运行中，控制系统会发送指令控制清洗机在顶棚上移动，并控制盘刷进行清洗工作；3）传感器会检测玻璃表面是否清洁干净，控制升降机构高度，调节盘刷和玻璃表面之间的正压力，提高清洗干净程度。

5结论

综上所述，笔者综合国内外玻璃温室顶棚清洗机的研究现状，参考国内玻璃温室的结构和尺寸，对玻璃温室顶棚自动清洗机进行硬件和软件设计，进一步提高其自动化程度以及清洗效果，确保清洗机具有以下三个优点：1）节省动力源。将采用单侧清洗部分结构仅一个电机驱动多个圆盘刷，一个推杆电机完成清洗结构的升降功能，来调整刷子和玻璃间的正压力。2）自动化程度高。可实现跨屋脊清洗，通过伸缩装置进入平移小车，实现在各屋脊间的平移。3）适应性强。采用拼接式结构，可根据实际跨度调整圆盘刷数量。同时，清洗机软件系统的强化，对玻璃温室实现自动化清洗，进一步提高玻璃的透光率，提高植物光合作用的效率，促进植物生长并增加其产量，从而为我国实现农业现代化贡献积极力量。

作者：陈玉梅 单位：浙江东方职业技术学院