溫室棚頂清洗機(jī)的研究進(jìn)展

楊臻昊，尹海燕

（溫州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 溫州 325000）

溫室分為玻璃溫室、塑料薄膜溫室和PC陽光板溫室，其中塑料薄膜溫室面積高達(dá)292萬hm2，占比為63.5%，亞洲國家所占的面積最大。據(jù)《2022—2028年中國溫室大棚行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查及市場分析預(yù)測報(bào)告》，中國溫室大棚以塑料大棚為主，占比高達(dá)65.4%。我國南方地區(qū)主要使用的是塑料大棚，長時(shí)間使用后，大棚薄膜上經(jīng)常會(huì)覆蓋有灰塵，并滋生苔蘚，致使大棚的透光率下降，影響大棚內(nèi)作物的健康生長，并導(dǎo)致溫室大棚的產(chǎn)量過低，無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，有必要定期清洗大棚棚頂，恢復(fù)薄膜透光率，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量。國內(nèi)現(xiàn)在的主流清洗方式仍是人工清洗，但溫室大棚的跨度大且高度高，人工清洗存在一定的困難，同時(shí)也存在不小的安全隱患。溫室大棚棚頂清洗機(jī)的出現(xiàn)、普及和應(yīng)用可以顯著提高清洗效率，并有效減少甚至消除人工清洗時(shí)存在的各類安全隱患。此外，溫室大棚棚頂清洗機(jī)也是溫室配套自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以來，在溫室和大棚建設(shè)及管理方面，一些發(fā)達(dá)國家開始發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)，各自具有獨(dú)立的特色和經(jīng)驗(yàn)。荷蘭是設(shè)施園藝最發(fā)達(dá)的國家，其溫室自動(dòng)化程度高，廣泛地應(yīng)用了工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)。溫室頂面清洗全部采用自動(dòng)化機(jī)械清洗，清洗機(jī)將以天溝作為軌道，高壓水作為清洗水，利用毛刷可以高效地將溫室表面的灰塵清洗干凈，該類清洗機(jī)在荷蘭乃至歐洲各國被廣泛使用，其相關(guān)技術(shù)在已較為成熟。荷蘭的溫室棚頂清洗機(jī)主要分為2種結(jié)構(gòu)形式，一種是機(jī)械結(jié)構(gòu)為“人”字型，一種是“Y”字型清洗機(jī)，該類清洗機(jī)清洗效果好、效率高，但是設(shè)備比較笨重，需要配套橫向移動(dòng)裝置或者大型起吊設(shè)備才能使用，不適合有遮陽網(wǎng)的中國南方的大棚清潔，如圖1—圖2所示。

圖1 “Y”字型清洗機(jī)

圖2 “人”字型清洗機(jī)

以色列的溫室設(shè)備材料、滴灌技術(shù)和種植技術(shù)均屬世界一流。利用尼龍旋轉(zhuǎn)毛刷使溫室棚頂灰塵等附著物與棚頂脫離，再用真空吸塵原理的機(jī)構(gòu)將雜物吸進(jìn)集塵箱，整機(jī)懸掛在一個(gè)橋式的機(jī)架上，機(jī)架安裝在溫室旁的坡道上。該清潔機(jī)不具有適用性，若要清洗不同尺寸規(guī)格的溫室，需要制作不同尺寸的連接橋臂，整機(jī)體積較大，加工成本較高，不適用于我國有遮陽網(wǎng)的塑料溫室的清洗，此外其清洗效果并未得到驗(yàn)證。

土耳其研究設(shè)計(jì)了一種可用于溫室屋頂玻璃清潔的四足四輪移動(dòng)機(jī)器人，如圖3所示。該機(jī)器人由4條腿和4個(gè)輪子組成。其中，4個(gè)輪子用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，使其能夠沿著固定的軌道進(jìn)行橫向移動(dòng)，在機(jī)器人清潔完畢其所在軌道所對應(yīng)的玻璃溫室部分時(shí)，機(jī)器人可以利用4條腿，使機(jī)器人從一條軌道跨到另一條軌道上，從而實(shí)現(xiàn)軌道之間的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在整個(gè)大棚上的自動(dòng)化移動(dòng)。該機(jī)器人使用旋轉(zhuǎn)毛刷和從外部接入機(jī)器人的水清洗玻璃。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分和清洗裝置部分都由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，電能則由連接到電網(wǎng)的電纜提供。該清潔機(jī)器人適用于支架外露的玻璃溫室的清洗，且電能消耗較大，其仍處于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，清洗效果尚不可知。

圖3 四足四輪移動(dòng)機(jī)器人

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與荷蘭、以色列等國家的自動(dòng)化、集約化的連棟溫室清洗裝置不同，中國溫室頂棚大部分仍由人工進(jìn)行清洗，因此，中國的溫室自動(dòng)化配套清洗裝置有著不同于其他國家的獨(dú)特的發(fā)展道路，適用于我國的溫室清洗裝置也與發(fā)達(dá)國家有較大的不同。

2014年，徐州市泰瑞農(nóng)業(yè)科技有限公司發(fā)明了一種導(dǎo)軌式塑料溫室清洗機(jī)，首先要在溫室主體上架設(shè)可供移動(dòng)支架行走的導(dǎo)軌，水泵將儲(chǔ)水罐中的水加壓后從一排噴頭中噴出，依靠水壓的沖擊達(dá)到?jīng)_刷棚膜上塵屑的目的。該清洗機(jī)存在的缺點(diǎn)是：架設(shè)清洗機(jī)需要另加導(dǎo)軌，而且僅通過水的沖洗來達(dá)到清洗的目的會(huì)浪費(fèi)較多水資源，且不易沖洗掉棚膜上生長的苔蘚和部分頑漬。

2016年，朱康熹等設(shè)計(jì)了一種用于塑料溫室清洗的清洗機(jī)，如圖4所示，清洗機(jī)包含8個(gè)單節(jié)清洗裝置，由溫室骨架和棚頂薄膜共同支撐，可與拱形棚頂?shù)幕《茸匀毁N合，清洗機(jī)采用支架連接行走機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)組成單節(jié)清洗裝置，為了能模仿棚頂?shù)幕⌒危瑢⒍喙?jié)清洗裝置鉸接構(gòu)成清洗機(jī)整體。該清洗機(jī)的總長度是根據(jù)清洗對象而定制的，單節(jié)清洗裝置無法伸縮，對于棚頂弧長不一致的溫室，其工作效果將受到影響甚至不能工作，另外，此裝置缺少給水裝置，對清洗效果將有一定影響。

圖4 多節(jié)清洗裝置組合

2018年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳天軍等研制成功一種大棚清洗裝置，如圖5所示，分別為第三代樣機(jī)與第四代樣機(jī)。清洗后薄膜透光率可顯著提高，由于是半自動(dòng)清洗機(jī)，當(dāng)清洗機(jī)完成日光溫室一段清洗作業(yè)，可解開壓膜繩，卸下整體裝置并搬動(dòng)至下一段，再系上壓膜繩，通過繞繩輪隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)壓膜繩的收放過程，進(jìn)而改變清洗位置，該機(jī)目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，而且清洗效率低，在一段大棚清洗結(jié)束后，仍需要人工輔助調(diào)整清洗裝置至另一段大棚，此過程未實(shí)現(xiàn)清洗過程的全自動(dòng)化，而且該機(jī)尚存在續(xù)航能力，整機(jī)重量及提高效率等問題。

圖5 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)大棚清潔裝置

2019年，由西南大學(xué)研制的溫室大棚清洗機(jī)，如圖6所示，該清洗機(jī)利用間隔為1 m的磁力輪在大棚棚頂運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)的裝置。磁力輪可以隔著薄膜吸附在骨架上，來保證清洗機(jī)在清洗時(shí)不會(huì)墜落、漂移等，同時(shí)以大棚已有的結(jié)構(gòu)來當(dāng)作機(jī)器運(yùn)動(dòng)的軌道而無需安裝新的結(jié)構(gòu)，這給清洗機(jī)的安裝和作業(yè)帶來了很大的便利。清洗機(jī)可以與不同跨度、不同曲率的大棚配合，極大地增強(qiáng)了設(shè)備的適用性。該清洗機(jī)以自身的噴水裝置配合上毛刷可以做到快速有效地清洗薄膜，清洗效果令人滿意。但對于南方連棟塑料大棚的清洗仍有些不便，無法實(shí)現(xiàn)連棟大棚之間的自動(dòng)化移動(dòng)。

圖6 磁力輪式清潔裝置

2020年，韓波等設(shè)計(jì)的大棚清洗裝置，該清洗機(jī)含有底座，通過在底座上安裝滾輪和萬向輪，實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)構(gòu)的移動(dòng)。通過可伸縮軟毛刷頂端的彈簧實(shí)現(xiàn)毛刷與大棚棚面的緊密貼合，從而達(dá)到全面清洗的目的。而且，本裝置有第二噴水區(qū)，在清洗完成后會(huì)對大棚進(jìn)行沖刷，提高大棚的清潔度。但本裝置未考慮遮陽網(wǎng)對清洗機(jī)高度的限制，也未考慮連棟式大棚的連續(xù)清洗。

2021年，易少燕設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)大棚清洗裝置，該清洗裝置由旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，再由滑塊帶動(dòng)刷塵裝置和噴水裝置移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水平方向的清潔。該裝置既可以單獨(dú)使用刷塵裝置，來掃除棚頂?shù)幕覊m，也可以將刷塵裝置和噴水裝置結(jié)合使用，達(dá)到較好的清潔效果。該清洗裝置還帶有循環(huán)過濾裝置以提高水資源的利用率。該裝置適用于獨(dú)棟大棚的清洗，操作簡單，但不適用于連棟式大棚的清洗。

2022年，王安臻設(shè)計(jì)了一種塑料大棚棚頂清洗裝置，該裝置的主要結(jié)構(gòu)為移動(dòng)構(gòu)架和拱形析架。其中，移動(dòng)構(gòu)架的底部安裝有多個(gè)滾輪，使移動(dòng)構(gòu)架能在位于大棚兩側(cè)的軌道上運(yùn)動(dòng)。拱形析架則由多個(gè)析架單元依次拼接而成，并采用鉸接固定，且在析架的底部固定有交錯(cuò)設(shè)置的多個(gè)清洗組件。拱形析架在移動(dòng)構(gòu)架的帶動(dòng)下進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清潔功能。該裝置可以調(diào)節(jié)拱形析架的拱形弧度，提高清洗組件和大棚表面的貼合程度，從而提高清洗效率，但只適用于獨(dú)棟大棚的清洗，無法實(shí)現(xiàn)連棟式大棚之間的移動(dòng)及清洗。

2022年，王云力等設(shè)計(jì)了由2套清洗單體（1套主機(jī)和1套副機(jī)）及清洗帶組成的塑料大棚清洗機(jī)。其主機(jī)和副機(jī)分別布置安裝在塑料大棚兩側(cè)的天溝內(nèi)，而由化纖編織網(wǎng)制成的清洗帶則緊貼塑料大棚的棚頂，清洗帶的兩端分別連接在主機(jī)和副機(jī)上。在使用中，在天溝上分別持有主機(jī)和副機(jī)的操作人員，同時(shí)向前移動(dòng)，主機(jī)和副機(jī)的纏繞滾保持同向轉(zhuǎn)動(dòng)。正轉(zhuǎn)時(shí)，主機(jī)上的纏繞滾收緊清洗帶，副機(jī)上的纏繞滾放松纏繞帶，使緊貼棚頂?shù)那逑磶蛑鳈C(jī)一側(cè)移動(dòng)。到設(shè)定的時(shí)間后，2個(gè)纏繞滾同時(shí)反轉(zhuǎn)，此時(shí)主機(jī)上纏繞滾放松清洗帶，副機(jī)上的纏繞滾收緊清洗帶，緊貼棚頂?shù)那逑磶蚋睓C(jī)一側(cè)移動(dòng)，直至移動(dòng)到設(shè)定的時(shí)間后，2個(gè)纏繞滾又同時(shí)改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。如此往復(fù)，能夠通過清洗帶將塑料大棚棚頂表面的灰塵和綠藻等搓擦下來，從而實(shí)現(xiàn)清除棚頂污染物的目的。在清洗帶來回搓拉的過程中，使用普通的PVC軟管或水槍不斷向清洗帶上噴灑清水，就能使搓拉掉的灰塵順著水流流走。本裝置結(jié)構(gòu)簡單且制造成本較低，易于更換，但只適用于較低的塑料大棚，仍然以人力為主，且未實(shí)現(xiàn)塑料大棚的自動(dòng)化清洗。

3 結(jié)論

綜上所述，由于目前，中國的溫室大棚仍以個(gè)體戶為主，且大多數(shù)為塑料大棚，故清洗機(jī)的發(fā)展一定是向著更簡潔、易于推廣的方向前進(jìn)。近些年來，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化浪潮的推動(dòng)下，塑料大棚正在向大型化、連棟化的方向發(fā)展，且還在不斷進(jìn)行升級改造。隨著機(jī)械化、智能化、自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，塑料大棚的生產(chǎn)效率將有顯著提升，人工成本也能進(jìn)一步得到降低。針對我國南方普遍使用的帶有遮陽網(wǎng)的連棟式塑料溫室棚頂清洗困難的問題，通過分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對國內(nèi)現(xiàn)有的普遍使用的圓弧形的骨架為主的塑料大棚，由于棚頂覆蓋的薄膜不能作為著力點(diǎn)，因此可以通過將塑料大棚原本的支撐框架作為清洗機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大棚薄膜的自動(dòng)化清洗。