農用大棚網自動收卷機的設計

郭德偉，李 麗，俞利賓，王鴻鈞，張文斌

(紅河學院 a.工學院；b.商學院，云南 蒙自 661199)

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農用大棚網自動收卷機的設計

郭德偉a，李 麗b，俞利賓a，王鴻鈞a，張文斌a

(紅河學院 a.工學院；b.商學院，云南 蒙自 661199)

目前，三七類藥材的種植過程中，大棚網的收卷主要依靠手工完成，不僅費時費力，而且在收卷過程中很容易將大棚網弄壞，因而設計了一種新型的農用大棚網自動收卷機。該機采用電機帶動輥軸對大棚網進行自動卷收，結合梯形機架和輔助支架，使得大棚網在卷裹過程中受力均勻；同時，組合式輥軸的設計更增加了設備攜帶的靈活性，實現了戶外大棚網的自動收卷。實際測試結果表明：該機解決了目前戶外作業時卷收大棚網費時費力且易損壞大棚網的問題，對于提高收卷效率和大棚網的循環使用發揮了極大作用，值得進一步推廣普及。

大棚網；自動收卷機；輥軸；直流電機

0 引言

大棚屬于現代農業的主要生產設施，利用大棚生產農作物的方式被稱為設施農業。大棚與外界自然環境有一定程度的隔絕，溫濕度等作物生長要素與棚外存在較大差異且易于人為控制，因而大棚內作物的生長較之自然條件具有較大優越性。大棚不僅能避冰雹、抗風抗旱、防霜凍、避免蟲鳥病害，甚至還能生產反季節蔬菜瓜果，調節市場供應。由于存在諸多優勢，大棚農業倍受人們的追捧，大棚建造規模不斷增加，適用范圍也日益擴大，從普通農作物到經濟作物，甚至中藥材都有應用。因此，大棚在農業生產中的地位和作用越來越強大[1]。

與大棚密不可分的材料是透明薄膜和遮陽網，遮陽網又稱大棚網。透明薄膜相對固定，是一種永久性的構件；而大棚網則要根據作物對生長溫度、光照度的不同要求而經常變換，一天之內可能要變換多次。光線太強時需要蓋上遮陽網，光線太弱則要撤去遮陽網；棚內溫度太高時，除了增加通風量外，還用遮蓋大棚網的做法來輔助降溫。大棚網的幅寬一般為2～3m，生產商多做成一卷卷的形式，使用時展開，不用時卷起以便下次再用[2]。目前，大棚網的撤和蓋都依靠人工完成，勞動強度大，不僅費時費力，尤其在卷網時，不小心還會弄壞，形成破網爛網，嚴重影響了大棚網的循環使用。因此，如能有類似收卷機的設備來對大棚網進行自動收卷，將在很大程度上避免目前人工收卷時的破損和效率低下的問題。

目前，收卷類的機械有很多種：一是建筑方面使用的卷簾門、窗的原理實現的收卷；二是針對車間生產而用，如車間對薄膜、各類網收卷的機械。這些技術雖然都比較成熟，但均采用交流電源供電，且質量與所占體積如果在戶外工作時則不太方便，易受到工作環境的制約。尤其對于云南省的文山、紅河等三七的主要產地，現在幾乎都是采用大棚對三七進行種植，大棚網的收卷在三七的種植過程中較為頻繁。因此，研發一種專門針對戶外作業的農用大棚網自動收卷機，對解決目前大棚網人工收卷時費時、費力的現狀和提高大棚網循環使用率是很有現實意義的[3]。

1 設計方案選擇

為滿足戶外工作的方式，初步擬定了3種方案，選擇較為合理的方案運用在本設計的大棚網自動收卷機中[4]。

1.1 方案1

方案1結構如圖1所示。機架采用3層式的結構設計：第1層用于放置電瓶裝置；第2層用于安裝直流電機，電機安裝時采用普通可調位式的安裝方式；最上一層用于安裝軸承座。輥軸采用伸縮式，初步設計由兩節組成，在搬運時可節省空間，也比較方便。機架的后兩條支架腳與水平地面成90°夾角，前面兩條支架腳與水平地面成75°夾角，可保證整機在運轉過程中不會搖動太大，具有一定的穩定性。

1.機架 2.電瓶裝置 3.傳動輪1 4.直流電機 5.傳動輪2 6.傳動裝置 7.聯軸器 8.輥軸 9.設備輔助支架

1.2 方案2

本方案在方案1的基礎上稍微做了一些調整，由原來3層機架的設計改為了只用2層，將直流電機與電瓶置于同一層。這樣可以將整個設備的高度降低，也降低了整機的重心，收卷機在卷收過程中對機架產生的晃動就會有一定的減少，間接增加了整機工作的穩定性。輥軸由原來的可伸縮兩節式改為整體一節式，避免了制作伸縮部分的費用。當然，在經濟條件允許的范圍內采用伸縮式的輥軸也是可行的。若采用不可拆裝的輥軸，其缺點就是攜帶不太方便，整機的長度稍長。方案2結構如圖2所示。

1.電瓶 2.直流電動機 3.傳動輪1 4.皮帶 5.傳動輪2 6.軸承及軸承座 7.傳動軸 8.聯軸器 9.輥軸 10.設備輔助支架 11.機架

1.3 方案3

本方案在方案2的基礎上又進行了可行性優化。在前面兩個方案中，機架的高度都設計為800mm，加上軸承座的高度，整個設備的總體高度已經超過了900mm。由于機架的高度會影響整個設備運行的性能、安全及可靠性，本方案中將機架調整為700mm。這樣收卷機的整體高度可保證處于800～850mm之間，將收卷機的中心降低，有利于增強卷收機的機械性能。前面兩種方案中軸承座均采用一體式，在本方案中采用分開成對使用，避免一個軸承或軸承座損壞時更換的難度，輔助支架頂端安裝一個滑動軸承支撐輥軸的右端部分；輥軸繼續采用方案1中的兩節式，之前方案中使用的伸縮式改為螺紋聯接或者方形插入。方案3結構如圖3所示。

1.電瓶 2.直流電動機 3.傳動輪1 4.皮帶 5.傳動輪2 6、8.軸承座 7.傳動軸 9.聯軸器 10.輥軸 11.設備輔助支架 12.機架

綜合分析上述3種方案可知：無論是整機尺寸，還是機械性能，得都較前兩種考慮的周全。因此，本設計采用此種結構，并對各零部件進行詳細設計。

2 系統關鍵零部件設計

2.1 電機的選擇

電機是本設計的動力元件，主要為輥軸收卷大棚網提供動力，因此電機功率和類型的選擇至關重要。由于收卷機主要用于戶外作業，電源供給主要依靠蓄電池，因此選用直流電機為動力來源，通過V帶傳動實現輥軸的轉動[5]。由于無刷電動機相比有刷電動機具有壽命較長、維護簡單、噪音低且運轉流暢等特點，結合戶外大棚網收卷的具體工作要求和條件，最終選擇了一臺型號為GC71-048R255的無刷直流電機，其性能參數如表1所示。

表1 電機性能參數

2.2 傳動帶類型選擇

根據該設備的設計性能要求，在卷收遮陽網時，當遇到遮陽網掛住某些物件時，能夠使電機不嚴重超負卡停至燒壞，需要存在打滑情況，因此選擇普通V帶傳動。其特點是帶兩側與輪槽附著較好，當量摩擦因數較大、允許包角小、傳動比較大、中心距較小、預緊力較小，傳動功率可達700kW。對V帶結構要求是曲撓性好、橫向剛度大、承載能力高壽命長，其截面呈梯形，由膠帆布、頂膠、緩沖膠、芯繩、底膠等組成。膠帆布由涂帆布制成，能增強帶的強度，減少帶的磨損；底膠層、頂膠層和緩沖膠由橡膠制成，在膠帶彎曲時，頂膠層受拉，底膠層受壓；芯繩是V帶的骨架層，用來承受縱向拉力[6]。

2.3 帶輪的設計

由于V帶的速度較低，所以在對與之相匹配的帶輪進行選材時并無特殊需求，因此帶輪材料選用灰鑄鐵，即HT150。綜合考慮收卷大棚網所需要的轉速和已經選擇好的電機的功率，選取帶型為Z型。由機械設計手冊可知：取小帶輪直徑φ71mm，結構形式為實心輪；大帶輪直徑φ224mm，結構形式為腹板輪。其中，對帶輪的要求是質量小、分布均勻、工藝性能好，且與帶接觸的工作表面要仔細加工，以減少帶的磨損[7]。小帶輪用普通平鍵安置在直流電動機芯軸上，大帶輪通過平鍵的固定方式安置在傳動軸一端。根據機械設計手冊，對小帶輪和大帶輪的尺寸進行了詳細設計，最終得到的小帶輪和大帶輪的尺寸和結構如圖4所示。

2.4 傳動軸的設計

本設計中，傳動軸主要是將電機的動力通過聯軸器傳遞給輥軸，因此要充分考慮其上各零部件的安裝位置。根據帶輪、聯軸器和軸承的尺寸，最終設計完成的傳動軸如圖5所示。其中，軸上的1～2段用于安置大帶輪，6～7段的右端安置聯軸器，3～4段與5～6段的左邊均用深溝球軸承支撐，軸上布置鍵槽時，同一軸上有多個鍵槽的，需保持鍵槽在同一直線上。

圖4 帶輪結構圖

圖5 傳動軸結構圖

2.5 輥軸的設計

為了使輥軸在卷收過程中不易產生變形，采用鍍鋅、耐腐蝕鋼管作為輥軸材料。輥軸采用兩節聯接，聯接口采用螺紋緊固，但要求電機工作只能選擇正轉或者反轉。當卷收小型網或者對卷收質量要求不高時，也可直接使用一節來完成，此時電機可以同時實現正反轉。

對于輥軸的設計，根據經驗分析并結合單折遮陽網的寬度，選取φ25～φ50mm的鍍鋅不銹鋼管。為了方便聯軸器的制作，安裝聯軸器端的直徑選取φ25mm，輥軸工作部分的有效直徑選取為φ32±0.5mm；兩節間聯接螺紋的有效長度取60mm；安置于機架的輔助端部分長度取60mm；同時，為了保持輥軸處于水平位置，則該段軸的直徑也取為φ25mm。最終設計得到的輥軸其結構如圖6所示。

圖6 輥軸結構圖

輥軸是通過螺紋來聯接的，帶有鍵槽的一節輥軸是連接聯軸器的，沒有鍵槽的一節的直徑25mm端是用輔助支架來做支撐。在安裝時，需注意其順序，避免安裝錯誤。

2.6 機架的設計

目前，市場上農機銷售點的各種小型農用機的機架普遍采用等腰梯形架、直角梯形架及方形架3類。直角梯形架與非直角梯形架相比，穩定性能稍差一些；但設計上相對較美觀，且所占空間相對較少，因而此處選擇梯形機架。將機架設計為兩層式，架頂為1層，用于安置軸承座、電機調速旋鈕、控制器及開關；第2層主要用于安裝電機，也可以在剩余的空間處擱放蓄電池。其三維結構如圖7所示。

圖7 機架三維結構圖

2.7 輔助支架的設計

輔助支架是為了平衡輥軸運行，防止輥軸在卷收大棚網的過程中隨卷收增加質量，此時輥軸與機架呈簡支梁形式，有可能產生變形。因此，輔助支架對收卷機的正常卷收起著重要作用。考慮到輔助支架對輥軸支撐的穩定性，與輥軸的接觸部分設計為U型槽，輔助支架底部設計了多個支撐腳， 同時在機架與輔助支架之間還加裝了一根伸縮連桿以增強其穩定性。其三維結構如圖8所示。

圖8 輔助支架及伸縮連桿三維結構圖

2.8 整機結構及工作原理

農用大棚網自動收卷機主要由機架、電機傳動軸、聯軸器和輥軸等零部件組成，如圖9所示[8]。電機和傳動軸安裝在機架上，傳動軸通過皮帶傳動方式由電機驅動，傳動軸通過聯軸器與輥軸連接傳動，輥軸的另一端安裝在輔助支架上。電機為無級調速直流電機，機架上配裝有蓄電池，輔助支架獨立于機架。輔助支架上有安裝輥軸的環套或者叉口，表面附潤滑劑，以利于輥軸轉動。輥軸由兩段管子以螺紋方式連接而成。

1.機架 2.電池 3.小帶輪 4.傳動帶 5.大帶輪 6.軸承座 7.傳動軸 8.聯軸器 9.輥軸 10.輔助支架 11.伸縮連桿 12.蓄電池

工作原理：使用時，將大棚網端頭用雙面膠粘結在輥軸上，開動電機，讓大棚網慢慢卷裹在輥軸上形成卷筒。當卷筒卷裹到一定粗細時關閉電機，將卷筒連同輥軸一起從傳動軸和輔助支架上卸下，換上另一根棍軸重復相同操作，繼續收卷，直到將需要收卷的大棚網收完。當需要展開鋪蓋時，將大棚網卷筒連同輥軸一起重新裝到輔助支架和機架上并與傳動軸連接，讓電機慢慢反轉，工人拉著展開的棚網即可實施鋪蓋。如果卷筒不是太大，靠棚網的拉力能將其展開的話，可以不與傳動軸連接，用輔助支架和一個臨時叉架臨時承載展開卷筒即可。不論是收卷還是展開，電機的轉速均是可以無極調整，剛開展時棚網與輥軸尚未連接牢固，可以慢卷，待連接牢固后就可以快卷，以提高工作效率。

3 結論

本設計完成了一種農用大棚網自動收卷機的結構設計，以及相應的實物制作和實際大棚網收卷測試，同時獲得了國家專利授權(專利號：ZL2014205181

33.3)。該農用大棚網自動收卷機有如下特點：

1)實現了大棚網收卷過程的機械化和自動化。

2)收卷機結構簡單，操作容易，組裝與拆卸方便快捷，收卷速度快慢隨意，可任意調節。

3)使用直流電機驅動，采用蓄電池提供電源，不依賴電網，拓展了該設備的使用范圍，同時具備節能環保的優點。

4)經過實地對三七大棚網的卷收，效果令人滿意，反映良好。

[1] 百度資料．大棚蔬菜[EB/OL].[2016-01-29].http://baike.baidu.com/link?url=AzCGzHmKuD0KYYrsc9qNHe 2qm5nk-BHZy_mUsYRtOIXL4E3UwzN1s1ekavUmsXJpSzj1 FE77RyY08Sue3E_Yqa.

[2] 百度資料．大棚[EB/OL].[2015-08-29].http://baike.baidu.com/link?url=qaL3TppGIC8UIsbV7rWFWtxHDKvki_a9yE1eZWfYbKDB1YVmfhUgwmdejgXaJPomwaZk8ZJhzkev mzaX7zvfea.

[3] 陳常茂.戶外小型收卷機[D]．蒙自：紅河學院，2014.

[4] 李剛，孫宇.薄膜收卷機設計選型原則研究[J].研究與開發，2011,40(10)：87-89.

[5] 武建文，李德成.小型電動機現代實用設計技術[M]．北京：機械工業出版社，2008.

[6] 王黎欽，陳鐵鳴.機械設計[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2010.

[7] 常德功，樊智敏.帶傳動和鏈傳動設計手冊[M]．北京：化學工業出版社，2009.

[8] 王鴻均，陳常茂，張文斌，等.大棚網收卷機：中國，201420518133.3[P].2015-02-08.Abstract ID:1003-188X(2017)04-0117-EA

Design of Agricultural Greenhouse Network Automatic Rolling Machine

Guo Deweia， Li Lib， Yu Libina， Wang Hongjuna， Zhang Wenbina

(a.College of Engineering; b.College of Bussiness, Honghe University, Mengzi 661199, China)

Focusing on the current planting process, such as panax notoginseng kinds of medicinal materials, rolling the greenhouse network is mainly rely on the manual, which is not only time-consuming, but also very easy to damage the network in the rolling process, it will affect the circulation of the network. Therefore, a novel agricultural greenhouse network automatic rolling machine is designed. This machine adopts the motor to drive the rolling shaft of greenhouse network for automatic rolling and combined with the trapezoidal frame and an auxiliary support, so the network receives uniform stress in the rolling process. And the design of combined roller increases the flexibility of the equipment to carry, so the automatic rolling of greenhouse network can be realized. The practical testing results show that this machine could solve the problem of the current outdoor work furl greenhouse fee laborious and easy to damage the network, it will improve the efficiency of rolling and increase the greenhouse network circulation, and it has great value to popularize.

greenhouse network; automatic rolling machine; roll shaft; DC motor

2016-01-08

云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才項目(2014HB026)；云南省教育廳重點項目(2014Z156)；紅河學院中青年學術帶頭人后備人才項目(2014HB0205)；紅河學院質量工程項目(ZXKC1308)

郭德偉(1978-)，男，云南通海人，副教授，碩士，(E-mail)28659783@qq.com。

張文斌(1981-)，男，云南建水人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail) georgezwb@sohu.com。

S625.3；TS255

A

1003-188X(2017)02-0117-05