玻璃溫室棚頂清洗裝置設計與研究

黃峰++趙建++張遠淑++劉宏博++孔維蓉++何培祥

摘要：隨著現代農業的不斷發展，玻璃溫室大棚應用規模不斷擴大，其使用年限更長，因此對棚頂適時清洗尤為必要。針對中國情況設計了一種玻璃溫室棚頂清洗裝置，該裝置形狀仿溫室棚頂，用毛刷輥作為行走輪，采用噴水后毛刷刷洗的方式清洗棚頂，清洗效果較好。經正交試驗分析，得到3個主要影響因素，結果表明當行走速度為2.31 m/min、盤刷轉速為97 r/min、噴水量為9 L/min時，清洗效率高、效果好。

關鍵詞：玻璃溫室；清洗裝置；設計；正交試驗

中圖分類號：S224.9；S237 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）03-0558-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.043

Designing and Testing of the Cleaning Device for Glass Greenhouse Roof

HUANG Feng1， ZHAO Jian1， ZHANG Yuan-shu1， LIU Hong-bo2， KONG Wei-rong2， HE Pei-xiang2

（1.Zunyi Conpany of Guizhou Provincial Tobacco Corporation， Zunyi 563000， Guizhou， China；2.College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China）

Abstract： With the continuous development of modern agriculture， the application of glass greenhouse is expanding and its service life becomes longer. Therefore， its necessary to clean glass greenhouses roof timely. This article designs a kind of device to clean glass greenhouses roof according to our countrys situation. The device adopts brush roll as walking wheels. Its shape imitates glass greenhouses roof and its operate mode is scrubbing with brushes after spraying water. After carrying an orthogonal experiment， we get the relationship between cleaning effect and three main influential factors. The results show that when the machine traveling at the speed of 2.31 m/min， brushing at the speed of 97 r/min and spraying water at the quantities of 9 L/min， it performs efficiently with a excellent cleaning function.

Key words： glass greenhouse； cleaning device； design； the orthogonal experiment

溫室是設施農業的重要組成部分。近年來，隨著中國政策的大力推動和農產品需求的不斷增加，溫室產業呈現出前所未有的發展勢頭，大棚面積迅速擴大，總面積已超過200萬hm2，居世界第一[1]。中國溫室主要有塑料溫室和玻璃溫室兩種。塑料溫室以其成本低、結構簡單等優點被廣泛應用；玻璃溫室因成本較高、結構相對復雜等原因主要應用于科研教學中。隨著社會、經濟的不斷發展，人們環保意識不斷提高，玻璃溫室以其優異的透光率、良好的保溫效果和較長的壽命，正逐漸應用到農業生產中，所占比例不斷增加，具有很好的發展前景。

玻璃溫室壽命長，但長時間使用，塵土、青苔等覆于玻璃表面，不易被降雨沖洗掉，嚴重影響溫室透光率，進而影響作物產量，使經濟效益下降[2]。因此，定期清洗玻璃溫室大棚棚頂，提高透光率尤為重要。玻璃溫室大棚清洗設備國外早有研究，荷蘭等農業發達國家擁有先進的半自動玻璃溫室清洗設備，設備行走于天溝，多組毛刷同時轉動對天溝兩側棚頂進行清洗，清洗效果好、效率高。中國溫室大多安裝遮陽網，天溝無法行走，所以在中國不適用。國內關于塑料大棚清洗機械的研究，最典型的一種是利用高壓水流沖擊裝有毛刷的水輪葉片，帶動水輪高速旋轉，毛刷與水一起沖刷薄膜達到清洗目的[3-8]。該裝置結構簡單，能解決溫室清洗問題，但自動化程度低，操作不便。因此，研究一種適用于中國生產情況且具有較高自動化、較好清洗效果的玻璃溫室清洗裝置具有現實意義。本研究對玻璃溫室大棚清洗裝置進行設計及分析研究，探索了轉速、正壓力、噴水量與清洗效果的關系，為清洗裝置的進一步優化設計提供依據。

1 清洗裝置的設計

清洗裝置的設計要考慮的問題：首先是清洗方法，多種清洗方法相對比，最終采用易實現且高效節水、清洗效果好的旋轉盤刷噴水清洗方法；其次是行走方式，因天溝無法行走，故在清洗裝置上安裝較長的柔性毛刷輥，利用其與棚頂的摩擦在棚頂行走；再次是控制系統，采用無線遙控，方便操作。

1.1 機械結構

玻璃溫室應用最多的是“人”字棚頂，清洗裝置分左右兩邊，中間鉸接，能與棚頂較好地貼合。清洗裝置結構如圖1所示。

如圖2所示，清洗裝置前后各有一長度與機身相當的毛刷輥。工作時，兩毛刷輥轉動，帶動整機在棚頂行走，同時中間清洗毛刷轉動刷洗棚頂。裝置前后有噴頭噴水，前面潤濕棚頂便于清洗，后面沖洗刷掉的污垢。由于玻璃溫室棚頂每塊玻璃間有凸起框架，經過時毛刷轉動會受阻，因此，設計毛刷升降機構（圖2、圖3），當檢測到毛刷轉動受阻較大時，將毛刷提起一定高度，越過凸起。正常清洗時也可控制毛刷升降，調整毛刷與棚頂間的壓力，達到不同的清洗效果。

1.2 控制系統

機械結構需要控制系統協調才能順利完成清洗工作。所以控制系統的設計也很重要，根據玻璃溫室棚頂清洗裝置控制系統所需實現的功能，繪制控制系統總體結構，如圖4所示。

圖4中相應功能的反饋信號由對應的傳感器采集反饋，CPU進行處理并做出相應動作。棚頂端部檢測模塊由安裝在清洗裝置前后的帶有霍爾傳感器的觸碰桿構成，到達棚頂端部時觸碰桿下壓，從而使霍爾傳感器產生反饋信號。行走同步檢測模塊通過接近開關傳感器感應棚頂金屬梁產生反饋信號，CPU根據兩側反饋信號的時間差控制行走電機做出相應動作。其余模塊使用相應的傳感器，電流檢測用電流傳感器，位置檢測用霍爾傳感器。

2 清洗裝置正交試驗

對所設計的玻璃溫室棚頂清洗裝置進行正交試驗分析，得到影響因子與清洗效果的關系，找到最優因子水平組合，為清洗裝置的進一步優化設計提供依據。

2.1 試驗設備和條件

采用的主要設備和條件：①設計的玻璃溫室清洗裝置樣機。②西南大學科研基地的玻璃溫室，為標準的Venlo式結構，因較長時間沒有清潔，棚頂已覆蓋了灰塵和青苔。③TES-1330A型數字照度儀，分辨率0.1 Lux，準確度±3%，取樣率2.5次/s。④12 V穩壓直流電源，流速可調的供水管，數字萬用表。

2.2 試驗方案設計

對樣機進行試驗分析，探索不同因素對清洗效果的影響，為清洗裝置的進一步優化設計提供依據。該試驗主要看清洗效果，玻璃溫室試驗平臺清洗前平均透光率26.5%，上下波動不大，因此，選取清洗后的透光率為試驗指標。通過查閱資料并考察多種影響因素，選取對清洗效果影響較大的行走速度、盤刷轉速和噴水量為影響因素。經基礎試驗確定各因子水平，得到各因素和其水平，如表1所示。三因素三水平試驗，選正交表L9（34）進行正交試驗分析[9，10]。選擇第三列為誤差列，分析試驗誤差。

2.3 試驗結果及分析

正交試驗結果如表2所示，方差分析結果如表3所示。

由表3方差極差分析結果及水平均值可知，各因素影響對玻璃溫室棚頂清洗裝置清洗效果的主次順序為A>B>C，最優組合為A2B3C3。計算最優組合平均值：

U優=各因子優水平平均值之和-（因子個數-1）μ

式中，μ為總平均值。代入數值得到最優組合平均值為87.5，與表2中最優組合A1B3C3得到的清洗后透光率相等，在因素指標分析中得到因素A1與A2對試驗指標的影響相差不大，但考慮到行走速度選擇A2可以提高清洗效率，所以最優組合選擇A2B3C3。

3 小結

本研究設計了一種針對中國玻璃溫室棚頂的清洗裝置，該清洗裝置結構簡單，自動化程度高，清洗效果較好。對影響清洗效果的3個主要影響因素進行正交試驗分析，通過方差、極差分析以及最優組合平均值的比較，得到因素主次順序及最優組合。在試驗各因素水平組合中，當行走速度為2.31 m/min、盤刷轉速為97 r/min、噴水量為9 L/min時，對玻璃溫室棚頂的清洗效果最好、效率最高。

參考文獻：

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