新型大棚掃雪機的整體設計研究

郝志勇，劉 偉

（遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧 阜新 123000）

在北方地區，冬季溫室積雪影響屋面的透光性、保溫性[1]，不利于喜陽植物的生長，且影響溫室的總體強度和剛度。目前農業溫室除雪多為手工作業，據相關數據顯示，對于一個100多米長的溫室，除雪工作需要4個人花費3～4 h才能完成。除雪時間較長，一方面會造成其他屋面積雪清掃的延遲，另一方面影響到溫室草簾的快速卷起，減少了農作物正常的光照時間[2]，影響農作物生長。對于小雪或薄雪，手工作業基本可以應對；若突遇大雪、暴雪，手工清掃屋面上的積雪，勞動強度大、除雪效率低、除雪時間較長，溫室有被壓塌的危險。目前溫室屋面除雪有的采用熱水融雪管[3]，但是投資和運行費用均比較高；整體輸送式溫室屋面除雪裝置，制造成本較高，不適合多個相鄰溫室屋面的除雪，不易于推廣應用，現有的機械化溫室除雪裝置有利用空氣迅速流動原理進行除雪[4]，存在效率低、噪音大、機械結構復雜等缺點，應用范圍有限。針對目前尚未出現高效的溫室除雪裝置，本文設計了一新型溫室除雪機，樣機試驗效果良好，可為溫室屋面除雪提供一種有效的低運行費用除雪設備[5]。

1 大棚掃雪機工作原理及結構組成

1.1 大棚掃雪機的工作原理

新型大棚掃雪機安裝在農用行走機械之上，利用車載液壓馬達驅動頂部執行機構和底部執行機構進行工作。頂部執行機構用于清掃溫室屋面積雪，并將其輸送到溫室外側底部，底部執行機構將從屋面清掃下來的積雪輸送到田間合適位置[6]。

由于新型溫室除雪機在田間相鄰溫室之間作業，受實際作業環境限制，因此溫室除雪機的高度、寬度等都有明確要求，其具體設計要求如下：①能在田間道路上行駛自如；②能將溫室頂部積雪清掃干凈，且能使溫室底部積雪搬運到合適位置；③可實現全自動化，操作簡便，整個除雪過程一人即可完成。

1.2 大棚掃雪機的結構組成

根據溫室除雪機的工作原理、功能實現和控制要求，其主要組成部分為：頂部執行機構、底部執行機構、車體、控制部分、伸縮裝置等。具體組成部分如圖1所示。

圖1 大棚掃雪機組成Fig.1 Block diagram of the greenhouse snow blower

2 大棚掃雪機結構的設計

大棚掃雪機主要分為兩部分，分別用來清掃溫室頂部和底部積雪。具體設計參數由溫室結構及其所在田間位置而定。

2.1 頂部執行機構設計

如圖2所示，頂部執行機構采用螺旋分布式硬質毛刷，共有五段，每段毛刷固定在各自驅動軸上，軸之間采用聯軸器相連，保證動力傳遞。毛刷支撐架用來支撐毛刷及其驅動軸，毛刷支撐架分為四段，每段之間用銷軸連接。每段清掃機構都作用在支持輪上，為了減少對溫室屋面的壓力，采用6個支撐輪。北方地區冬季溫室屋面上都有草簾覆蓋，為避免除雪過程中，旋轉毛刷卷起草簾，采用壓簾桿以防止草簾被卷起。為減輕頂部執行機構重量和降低能耗。毛刷材料選用中等強度的硬質塑料制成，呈細長圓柱狀。毛刷軸采用中空鋼管，不僅保證了強度和剛度，而且減輕了重量。毛刷支撐架全部采用高強度鋁合金制成，支撐輪采用復合橡膠輪。

圖2 頂部執行機構Fig.2 Top executive body diagram

如圖3所示，為了適應不同大棚曲面的弧度，特意在每個毛刷支撐架上安裝有液壓缸，通過液壓缸的動作來調整每段毛刷支撐架的位置，以適應不同大棚的弧度。

圖3 頂部執行機構Fig.3 General map top executive body

2.2 底部執行機構設計

溫室除雪機底部采用異形螺旋清掃機構，用于把積雪輸送到田間合適位置。其結構見圖4。

圖4 底部執行機構Fig.4 General map bottom executive body

2.3 整體結構組成

溫室除雪機整體結構分為兩種：即活動安裝和固定安裝。活動安裝將執行機構固定在農用行走機械上；固定安裝根據溫室結構重新設計行走機構，并與其他執行機構組合成一體。下面限于篇幅，只給出活動安裝結構示意見圖5、6。

圖5 活動安裝整機結構Fig.5 Schematicdiagramofthewholeinstallationactivities

圖6 活動安裝樣機整體模型Fig.6 Prototype model of the whole installation activities

3 掃雪機功耗計算

3.1 頂部執行機構功率計算

3.1.1 克服毛刷和草簾間摩擦力所需功率[7]

毛刷與溫室屋面擠壓力可用下式表示：

式中，d－毛刷直徑（m）；Rm－滾刷半徑（m）；I－毛刷自由長度（m）；E－毛刷彈性模量（Pa）；J－毛刷斷面慣性矩（m4）；h－毛刷變形量（m）；ZB－工作毛刷數量。

圖7 毛刷除雪工作原理Fig.7 Operating principle snow brush

式中，所以工作毛刷數量ZB可按下面公式選取。

式中，B－刷滾清掃寬度（m）；v－機器工作速度（m·s－1）；vm－刷滾圓周速度（m·s－1）。

毛刷和溫室表面的摩擦力為f=μ1N。

式中，μ1為毛刷與溫室屋面草簾間摩擦系數。

克服毛刷和溫室草簾間摩擦力所需功率為P1。

式中，η－摩擦損失效率。

3.1.2 毛刷變形消耗功率P2計算

式中，φ-摩擦角；

n－刷滾轉速。

3.1.3 克服空氣阻力所消耗功率

克服空氣阻力所消耗功率P3由下式確定。

根據以上分析和實際條件，確定其中的設計變量為：d=0.01 m，Rm=0.4 m，I=0.15 m，E=7×1010Pa，J=4.91×10－14m4，h=0.01 m，B=7 m，v=0.56 m·s－1，vm=16.76 m·s－1，n=75 r·min－1，μ1=0.5，η=0.8。

根據以上參數，由給出的公式可以計算出以下參數值：

ZB=149 592，β=0.22，β1=0.086，N=9.5 N，f=4.75 N，P1=1.6 kW，P2=0.76 kW，P3=0.016 kW。

驅動頂部執行機構所需的功率為P：

P=P1+P2+P3=1.6+0.76+0.016=2.38 kW

3.2 底部執行機構功率計算

3.2.1 螺旋機構參數計算[8]

根據實際工作需要設計螺旋機構，其主要參數如圖8所示。

圖8 螺旋機構結構Fig.8 Screw mechanisn structure diagram

螺旋面展開圖圓環內徑dl：

螺旋面展開圖圓環外徑Dl：

展開圓環切除部分的圓心角αl：

其中，d-螺旋軸直徑（mm）。

根據實際情況和工作需要，設計參數為：D=400 mm，d=25 mm，s=340 mm其中螺旋葉片厚度為2 mm。

由此計算可得：dl=145.91 mm，Dl=505 mm，αl=64.28。

3.2.2 螺旋機構輸送量的確定[7]

螺旋機構輸送量可按公式（10）計算。

式中，Q－輸送量（t·h－1）；ψ－物料填充系數；β0－傾斜系數；k－螺距與直徑比例系數；r－物料容重（t·m－3）；n－轉速（r·min－1）；D－螺旋直徑（m）。

通過查手冊，各個變量取以下值：ψ=0.45，β0=0.75，k=0.89，r=0.5，n=71，D=0.4，經計算可得Q=23.49 t·h－1。

3.2.3 螺旋機構消耗功率計算

P1－克服運行阻力所需的功率（kW）；L－輸送長度（m）；Q－輸送機的輸送量（t·h－1）；μ－雪運行阻力系數，取1.5。取L=4～6 m算得，P1=1.87 kW。

因此驅動底部執行機構所需功率為：P=P1+P2=0.12+1.87=1.99 kW。

4 控制系統

除雪機整體采用電液控制系統。頂部執行機構由液壓馬達驅動毛刷軸旋轉，由電動推桿控制頂部機構的工作位置；底部工作機構由液壓馬達驅動，利用油缸控制其實際工作位置。整個除雪機的操控都在駕駛室內完成。

5 樣機驗證試驗

根據相似理論，按照一定比例研制了一小型樣機。冬季雪花暫時用相似材料替代。整個除雪機樣機完全按照實際要求進行設計和加工，由于樣機空間的限制，其操控在樣機中用遙控手柄進行控制。

圖9 除雪機準備狀態Fig.9 Snow machine readiness

圖10 除雪機工作狀態Fig.10 Snow machine working condition

圖11 溫室掃雪后Fig.11 Greenhouse after snow

6 結 論

從理論計算和樣機制作對溫室除雪機工作原理、結構性能進行了分析和試驗。通過樣機實際除雪工作，驗證理論計算和分析的合理性，可得出以下結論：

a.溫室除雪機結構合理，操作簡便。

b.除雪機互換性好，可以方便地安裝到農用行走機械上進行除雪工作。

c.除雪機工作效率較高，驅動系統簡單，小型原動機可滿足實際工作需求。

d.通過實際工作和測試各種試驗數據，證明該新型溫室除雪機除雪效果明顯，除雪效率高，具有實際應用價值。

[1]王健,王鋼,林敬東.我國除雪機械現狀及發展趨勢[J].呼倫貝爾學院學報,2005(2):123－125.

[2]王有為,牟樂,陸程.淺談我國除雪機械的發展及在除雪工作中的應用[J].北方交通,2009(7):45－48.

[3]周增產,王綱,田真,等.整體輸送式溫室屋面除雪裝置[J].農業機械學報,2005(5):79－83.

[4]劉佩軍.中國東北地區農業機械化發展研究[D].長春:吉林大學,2007(5):36－40.

[5]余克強,王雙喜.我國溫室屋面除雪的研究現狀與趨勢[J].農機化研究,2011(7):28－36.

[6]于海業,馬成林,陳曉光.發達國家溫室設施自動化研究的現狀[J].農業工程學報.1997,S1:

[7]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2008.

[8]孫恒,陳作模,葛文杰.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9]蔣亦元.現代大規模農業機械化將使東北農村糧食生產產生巨變的認識[J].東北農業大學學報,2011,42(2):1－4.