日光溫室薄膜清洗機設(shè)計及清洗效果試驗

李天華，陳大軍，魏 珉，施國英※，張觀山，周 凱

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安271018；2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室，泰安271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，泰安271018；4.農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測實驗站，泰安271018）

0 引 言

中國大中拱棚以上的設(shè)施面積達(dá)370萬hm2，占世界設(shè)施園藝面積的80%[1]。溫室的發(fā)展與推廣給農(nóng)戶帶來了較大的經(jīng)濟效益，一定程度上提高了農(nóng)戶收入水平[2-3]。然而，溫室使用過程中薄膜表面會附著較多塵土，對溫室透光性產(chǎn)生影響，從而影響棚內(nèi)作物生長和發(fā)育，因此有必要對溫室表面進行清洗[4-5]。

國外對溫室清洗裝置研究起步較早、初期投入較大，因而現(xiàn)階段技術(shù)水平較高[6]。荷蘭已各投入使用一種玻璃溫室清洗裝置與連棟塑料溫室清洗裝置[7-8]，通過借助棚頂天溝作為行走支撐，清洗效果較好、效率較高。泰國研制了一款塑料拱棚清洗機[9]，采用接觸摩擦式清潔方法，通過連桿機構(gòu)驅(qū)動刮片上下振動來擦除灰塵，整體裝置結(jié)構(gòu)體積較小、移動輕便。由于國內(nèi)日光溫室由南至北坡度較大，為非對稱結(jié)構(gòu)，因此面向連棟溫室與對稱拱棚的清洗裝置在工作原理與結(jié)構(gòu)上并不適用于日光溫室。國內(nèi)廣西大學(xué)與長江大學(xué)先后研制了手持式塑料大棚清洗機[10-13],其主要缺點是清洗接觸面小，且只能清洗薄膜周邊，清洗效率低。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的智能型溫室清洗機[14]與掃地機器人類似，使用時需要用繩子拴著，靠操作人員收放繩子和來回走動實現(xiàn)對薄膜不同位置的清洗，清洗均勻性差且效率較低。西南大學(xué)研究團隊研制的塑料大棚清洗裝置與磁力輪式清洗裝置[15-17]，雖提高了薄膜清洗效率，但面向的仍然是對稱結(jié)構(gòu)的塑料拱棚，利用裝置的對稱性使其能留在棚的頂部工作，顯然這種結(jié)構(gòu)也無法適用于日光溫室。

綜上所述，國內(nèi)外現(xiàn)有連棟溫室及拱棚的薄膜清洗裝置并不適用于國內(nèi)日光溫室的薄膜清洗。本文提出一種可沿日光溫室南北方向自動爬升與降落，東西方向借助移動平臺行走方便的日光溫室薄膜專用清洗裝置，并開展了不同工作參數(shù)對清洗效果影響的試驗研究，得到了參數(shù)合理設(shè)置范圍。

1 整體結(jié)構(gòu)與作業(yè)流程

1.1 整體結(jié)構(gòu)

整機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由清洗與移動2 部分組成，兩者均獨立于溫室存在，對溫室跨度、高度、坡面角等參數(shù)無要求。清洗部件作為日光溫室清洗機的核心，在清洗電機的正轉(zhuǎn)作用下一方面高速轉(zhuǎn)動清洗軸帶動清洗毛刷旋轉(zhuǎn)完成薄膜表面清潔；另一方面通過減速機構(gòu)帶動爬升軸旋轉(zhuǎn)，從而將壓膜繩繞在軸上實現(xiàn)整個清洗部件的爬升。位于清洗部件頂部的噴水管向清洗毛刷前方噴水，上升時濕潤薄膜，下降時沖洗薄膜，在保證提高清洗效果的同時保證洗后薄膜潔凈度。行走部件用來對整個清洗部件實現(xiàn)東西向的移動，減輕移位作業(yè)勞動強度。在清洗部件完成沿棚面方向的一次往返清洗后，將落到行走部件上，在行走電機的控制下移到相鄰的下一個清洗位置。

圖1 清洗機整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Cleaning machine structure

1.2 作業(yè)流程

手動模式下，清洗機完全由人工控制完成溫室清洗；自動模式下，清洗機依靠控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動清洗。具體清洗作業(yè)流程如下：

1）清洗機定位。將溫室清洗機移動至待清洗溫室一端，即東西方向起始位置。

2）解繩、系繩。從溫室底部解下壓膜繩并系在清洗部件轉(zhuǎn)軸上，通過調(diào)節(jié)壓膜繩長度，使清洗部分基本水平。

3）模式選擇。手動模式：直接采用變頻器控制清洗電機運動、采用控制開關(guān)控制水泵啟停。自動模式：通過手動球閥調(diào)節(jié)水流量；通過觸摸屏設(shè)定清洗部件爬升速度、往返次數(shù)以及整機移動速度。

4）清洗。完成該段溫室清洗后，清洗部件駛進放置平臺。

5）解繩。解下壓膜繩，準(zhǔn)備移位，以進行下一段清洗。

6）移位。從當(dāng)前清洗位置移動至下一段待清洗位置。

2 清洗部件設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型

清洗部件機械結(jié)構(gòu)組成包括：清洗電機、2 組減速器、清潔毛刷、轉(zhuǎn)軸、支撐滾筒、連接支架以及噴水泵。清洗電機通過法蘭直接與第一組減速器相連，其兩側(cè)輸出軸直接與清潔毛刷轉(zhuǎn)軸相連，帶動毛刷轉(zhuǎn)動；第一組減速器前端輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與第二組減速器輸入軸相連接而完成動力傳遞，第二組減速器輸出軸直接與轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動繞繩輪實現(xiàn)拉繩的收放，最終改變清洗機運動位置，以滿足日光溫室塑料薄膜不同位置的清洗需求。

清洗部件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。清洗支架及加固橫梁均采用直徑30 mm鍍鋅鋼管，由于行走部件車體采用長6 m的角鐵和鋼管制作，且清洗水桶占用車體長度約1 m，因此為保證清洗部件穩(wěn)定、可靠地放置在行走部分上，同時保證清洗機換溫室清洗時，移動及轉(zhuǎn)向靈活方便，其長度定為5 m。清洗電機與2 個減速器及聯(lián)軸器連接后的長度決定了清洗部件的寬度為0.5 m。

圖2 清洗部件結(jié)構(gòu)Fig.2 Cleaning component structure

按照材質(zhì)輕、不吸水及不傷薄膜的要求，毛刷材料為市售尼龍繩，剪裁為30 cm 長，捆綁在清洗軸上制成毛刷。4 個滾筒用來支撐清洗部件沿溫室龍骨升降，為減小對薄膜損傷，在外表面附著一層厚度為30 mm 的不吸水發(fā)泡棉，內(nèi)部用管徑為90 mm、壁厚為12 mm的PPR管支撐，單個支撐滾筒長40 cm，如圖3 所示。清洗電機采用額定功率為250 W、額定轉(zhuǎn)速為1440 r/min 的三相異步交流電動機。第一、第二減速器減速比分別為10、50。

圖3 支撐滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Supporting drum structure

2.2 受力分析及牽引方式

清洗機清洗部件作業(yè)過程中受力分析如圖4所示。

以清洗部件為研究對象，以支撐滾筒圓心連線為x軸，過點O 作垂線為y 軸，建立Oxy 坐標(biāo)系，假設(shè)清洗部件勻速升降，得出如下公式：

由力矩平衡公式M(O)=0 有：

圖4 清洗部件作業(yè)過程受力圖Fig.4 Force analysis of cleaning component during operation

根據(jù)實際測得清洗部件總質(zhì)量約57.2 kg，溫室最大傾斜角度為75°，帶入式（1）可得T 為541 N；由式（2）～式（3）可得，F(xiàn)1為48 N，F(xiàn)2為97 N。

當(dāng)清洗部件運行至溫室頂部位置時，此時溫室斜面角度θ為20°，則T為192 N、F1為175 N、F2為351 N。

綜上，拉力T 取值192～541 N；F1取值48 N～175 N；F2取值97～351 N。市面上多數(shù)壓膜繩拉力均大于1 000 N，因此采用溫室原有壓膜繩作為牽引繩滿足拉力要求。

圖5為壓膜繩牽引清洗部件的俯視圖，結(jié)合壓膜繩的老化程度，用戶可選擇2 繩與4 繩牽引方式。在2 繩牽引時，若壓膜繩對稱系于滾筒外側(cè)，可稱為外側(cè)系繩；若對稱系于外部滾筒內(nèi)側(cè)，可稱為內(nèi)側(cè)系繩。在壓膜繩安全工作的前提下，2繩牽引方式可提高解繩系繩效率。

圖5 清洗部件作業(yè)俯視圖Fig.5 Top view of cleaning component during operation

3 行走部件設(shè)計

如圖6 所示，行走部件主要包括：行走底盤、電機驅(qū)動橋、支撐輪、導(dǎo)向輪、扶手以及清洗部件放置平臺。行走底盤安裝有導(dǎo)向輪，保證行走部件運動走直。底盤上端面還安裝有清洗部件放置平臺，采用偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保清洗裝置移位時，行走部件遠(yuǎn)離薄膜；清洗部件駛?cè)敕胖闷脚_時，行走部件貼合溫室龍骨而確保平穩(wěn)運行，提高作業(yè)安全性。其中，行走底盤長6 m，寬0.6 m；放置平臺長5 m，寬0.8 m。可通過觸摸屏設(shè)置移動速度及平移次數(shù)，默認(rèn)移動速度0.8 m/s，在檢測到放置于導(dǎo)向?qū)к壣系男〈盆F后，停止移動。

圖6 行走部件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Walking part structure

行走部件正常運行時，最大負(fù)載為行走部件與清洗部件質(zhì)量之和，最大驅(qū)動功率為：

式中P 為行走部件最大驅(qū)動功率，W；M 為行走部件與清洗部件質(zhì)量之和，kg；μ 為輪胎與水泥地面接觸摩擦系數(shù)，根據(jù)輪胎不同負(fù)載及制動下的摩擦系數(shù)[18]，這里取值0.3；g為重力加速度,取10 N/kg；v為行走速度，m/s。

根據(jù)實際用料計算，底部行走底盤自重約為30 kg，水桶盛滿水為60 kg，清洗部件約為60 kg，根據(jù)所設(shè)計最大行走速度為1 m/s，最終確定P=450 W，考慮電機損耗，選用附帶后橋的48 V、550 W直流無刷電機作為行走電機。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)清洗裝置平穩(wěn)運行，達(dá)到溫室清洗半自動化作業(yè)需要，清洗機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，主要完成對清洗電機、潛水泵以及行走電機的工作狀態(tài)控制，系統(tǒng)硬件主要包括：STC12C5A60S2 單片機、干簧管[19-20]、E3Z-LS61-TB型光電開關(guān)[21-24]、XCE-145型行程開關(guān)[25]以及S500A型5寸液晶觸摸屏[26]等。

單片機作為控制系統(tǒng)核心，用于控制清洗電機、行走電機以及潛水泵工作狀態(tài)；通過光電開關(guān)實現(xiàn)清洗部件上下限位置檢測、運用行程開關(guān)使清洗電機在運動到下限位置時自動斷電，利用變頻器實現(xiàn)清洗電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；通過干簧管實現(xiàn)行走部分移位定點檢測；通過人機交互接口，完成清洗機功能模塊參數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)通電后通過觸摸屏選擇手動或者自動工作模式，并進行參數(shù)設(shè)定。自動模式下，當(dāng)清洗部件爬升至接近于溫室頂部卷膜桿時，光電開關(guān)動作，單片機通過變頻器控制清洗電機反轉(zhuǎn)，清洗部件下降；當(dāng)清洗部件下降到行走部分所安裝的行程開關(guān)位置時，清洗電機斷電，完成一次上下往復(fù)清洗作業(yè)。若沒達(dá)到清洗次數(shù)，清洗電機直接進入下次清洗。若清洗次數(shù)達(dá)到所設(shè)定的值，清洗電機停止動作，由操作人員完成解繩、系繩并啟動移位，進行下一段清洗。整個溫室清洗完畢，進行聲光報警提醒工作人員。

5 樣機清洗性能試驗

5.1 試驗對象及方法

為驗證清洗機清潔效果及作業(yè)過程穩(wěn)定性，于2018年8 月至2019 年1 月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新園進行樣機調(diào)試、試驗，如圖7 所示。試驗日光溫室為磚墻結(jié)構(gòu)，東西長40 m，南北跨度10 m，脊高5 m；溫室薄膜為2018年9 月中旬更換的新薄膜。為滿足不同試驗階段需要，試驗中共用了6號、8號和11號3座溫室。

圖7 樣機清洗試驗Fig.7 Cleaning test of prototype

將溫室沿東西向均勻劃分為8 段，在每段南北向中部位置吊1 根1.6 m 長的木棍，方便操作；溫室外部直立放置1 根1.6 m 長的木棍。為提高測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，每根木棍上端面均放置2 組HOBO Pendant UA-002-64 型光照傳感器（共18 組），溫室內(nèi)部傳感器距離薄膜表面25 cm，可有效避免不同分區(qū)散射光影響。各傳感器每隔15 min采集1次光照強度。傳感器布置如圖8所示。

圖8 傳感器布置Fig.8 Placement of sensor

試驗以薄膜透光率為試驗指標(biāo)，為避免薄膜和天氣差異對試驗結(jié)果產(chǎn)生干擾，文中結(jié)果均為同天、同棟溫室所采集的試驗數(shù)據(jù)。

5.2 刷毛接觸長度試驗

溫室薄膜在龍骨和壓膜繩的共同作用下，從龍骨到壓膜繩表面逐漸降低，下降程度與薄膜已使用時間和壓膜繩松緊有關(guān)，本試驗中薄膜使用時間3 個月，經(jīng)實際測量，3座溫室壓膜繩與龍骨高度差在1.7～2.1 cm 之間。若刷毛與薄膜不能很好接觸勢必影響清洗效果，若接觸過于緊密則增大電機扭矩及與薄膜的摩擦，影響薄膜使用壽命。因此本試驗的目的在于確定刷毛與薄膜之間的合理接觸長度，其定義為在距龍骨25 cm 處清洗毛刷直徑的減小值。

2018年12月16日在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新園11號棚進行試驗，其中清洗水壓0.08 MPa、流量3.5 L/min、爬升轉(zhuǎn)速30 r/min、毛刷轉(zhuǎn)速150 r/min，刷毛接觸長度分別為1 和3 cm 進行試驗。在刷毛長度為1 cm 時，在壓膜繩附近由于刷毛太短不能形成有效清洗。將接觸長度增加至3 cm 后，壓膜繩處的接觸長度均大于1.8 cm，保證了與薄膜的良好接觸，同時接觸刷毛相對蓬松，不至于與薄膜間存在過大摩擦。因此，在后續(xù)試驗中刷毛與薄膜的接觸長度均定為3 cm。

5.3 毛刷轉(zhuǎn)速對清洗效果的影響

在相同刷毛接觸長度（3 cm）及不噴水試驗條件下，研究毛刷轉(zhuǎn)速對薄膜清洗效果的影響，于2018 年12 月18 日對6 號溫室進行清洗，試驗參數(shù)設(shè)置及平均透光率如表1所示；圖9為不同時刻下各轉(zhuǎn)速清潔條件下的薄膜透光率。

從表1及圖9可看出：毛刷轉(zhuǎn)速為50 r/min時清洗機清洗效果較差，薄膜平均透光率提高較小；在100和150 r/min時薄膜平均透光率均有一定提高，分別為1 和2.1 個百分點；在200、250 和300 r/min 時，薄膜平均透光率變化不大，僅提高0.2 個百分點；在350 r/min 時，由于爬升過快影響了清洗效果，透光率開始下降。

表1 試驗參數(shù)及結(jié)果Table 1 Test parameters and results

圖9 不同毛刷轉(zhuǎn)速下薄膜透光率Fig.9 Transparency of film under different brush speeds

因此，在150～300 r/min 速度范圍內(nèi)，毛刷轉(zhuǎn)速改變對薄膜清洗效果影響較小，且為最佳清洗轉(zhuǎn)速區(qū)間。由于毛刷轉(zhuǎn)速與爬升轉(zhuǎn)速減速比為5:1，因此對應(yīng)爬升轉(zhuǎn)速為30～60 r/min，與爬升軸周長相乘得到爬升速度范圍為2.8～5.6 m/min。

5.4 水壓與流量對清洗效果的影響

在相同轉(zhuǎn)速（爬升轉(zhuǎn)速為30 r/min、毛刷轉(zhuǎn)速為150 r/min）、相同刷毛接觸長度（3 cm）下研究水壓與流量對薄膜清洗效果的影響。2018 年12 月21 日對8 號溫室進行清洗試驗。清洗試驗作業(yè)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗參數(shù)Table 2 Operational parameters of test

根據(jù)不同清洗條件下采集的室內(nèi)外光照強度求得不同時刻薄膜透光率如圖10所示。

由于每天09:00—15:00光照最強，對應(yīng)試驗數(shù)據(jù)更具代表性，因此可用該段時間內(nèi)的平均光照強度來計算不同清洗條件下薄膜平均透光率，并代表薄膜清洗效果。表3為該時間段內(nèi)光照原始數(shù)據(jù)與對應(yīng)的薄膜平均透光率。

由圖10 及表3 可知：不同水壓與流量對薄膜清洗效果有顯著影響，從薄膜瞬時透光率看，試驗3 與試驗5 最大相差5 個百分點，與試驗7 最大相差7 個百分點；而平均透光率分別相差4 和5 個百分點。在水壓與流量相對較少時（試驗1、2、3），由于薄膜上的頑固污漬難以清洗，因此全程清洗效果好于單程清洗，瞬時透光率最大可提高4 個百分點，平均透光率提高2 個百分點；且上升與下降單程噴水基本無差別。試驗5 與試驗7 在整個試驗時間內(nèi)薄膜透光率相近，最大瞬時透光率相差2 個百分點，平均透光率相差1個百分點。因此可以認(rèn)為在水壓0.05MPa，對應(yīng)流量2 L/min時，全程清洗下，薄膜上的污漬已被清洗干凈，壓力與流量的繼續(xù)增加基本不再影響透光率。試驗6與試驗7的最大瞬時透光率相差不足2個百分點，平均透光率相差1%。因此可以認(rèn)為在壓力0.08 MPa，流量3.5 L/min上時，單程噴水清洗已將薄膜洗凈。試驗6與試驗7薄膜透光率最高均可達(dá)90%，相比試驗8 未清洗薄膜可提高15個百分點；試驗期間09:00—15:00 時間段的平均透光率分別提高11和12個百分點。

圖10 不同清洗條件下薄膜透光率Fig.10 Transparency of film under different conditions

表3 8號溫室不同方案下不同時段光照強度Table 3 illumination Intensity of No.8 greenhouse under different plans in different periods

6 結(jié)論

1）針對日光溫室結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種半自動日光溫室薄膜清洗機，主要包括清洗部件與行走部分，解決日光溫室薄膜清洗困難、清洗不徹底的問題，實現(xiàn)溫室半自動化清洗，減輕勞動強度。提出了清洗部件上下清洗溫室的作業(yè)方法，明確了清洗部件牽引方式；通過對行走部分加裝放置平臺，并采用偏心輪機構(gòu)設(shè)計，保證了清洗部件移至行走部分及離開行走部分再次開始清洗時的平穩(wěn)性。

2）進行了薄膜清洗性能試驗，分析了不同清洗參數(shù)對清洗效果的影響。結(jié)果表明：清洗刷毛長度對使用3個月的薄膜可定為3 cm；清洗毛刷合理轉(zhuǎn)速區(qū)間為150～300 r/min；單程清洗時，水壓0.08 MPa、流量3.5 L/min，雙程清洗水壓0.05 MPa、流量2 L/min時即可滿足洗凈要求。

3）在自然條件下使用3 個月的新薄膜，清洗后薄膜瞬時透光率最高可達(dá)90%，相比未清洗薄膜可提高15 個百分點，試驗期間09:00—15:00 時間段的平均透光率可提高12%，且室外光照越強透光率提高越明顯。