玻璃溫室棚頂清洗裝置設(shè)計(jì)與研究

黃峰++趙建++張遠(yuǎn)淑++劉宏博++孔維蓉++何培祥

摘要：隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，玻璃溫室大棚應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，其使用年限更長(zhǎng)，因此對(duì)棚頂適時(shí)清洗尤為必要。針對(duì)中國(guó)情況設(shè)計(jì)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?zhàn)鳛樾凶咻?，采用噴水后毛刷刷洗的方式清洗棚頂，清洗效果較好。經(jīng)正交試驗(yàn)分析，得到3個(gè)主要影響因素，結(jié)果表明當(dāng)行走速度為2.31 m/min、盤刷轉(zhuǎn)速為97 r/min、噴水量為9 L/min時(shí)，清洗效率高、效果好。

關(guān)鍵詞：玻璃溫室；清洗裝置；設(shè)計(jì)；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S224.9；S237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分。近年來，隨著中國(guó)政策的大力推動(dòng)和農(nóng)產(chǎn)品需求的不斷增加，溫室產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出前所未有的發(fā)展勢(shì)頭，大棚面積迅速擴(kuò)大，總面積已超過200萬hm2，居世界第一[1]。中國(guó)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用；玻璃溫室因成本較高、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜等原因主要應(yīng)用于科研教學(xué)中。隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)不斷提高，玻璃溫室以其優(yōu)異的透光率、良好的保溫效果和較長(zhǎng)的壽命，正逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，所占比例不斷增加，具有很好的發(fā)展前景。

玻璃溫室壽命長(zhǎng)，但長(zhǎng)時(shí)間使用，塵土、青苔等覆于玻璃表面，不易被降雨沖洗掉，嚴(yán)重影響溫室透光率，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量，使經(jīng)濟(jì)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(shè)備國(guó)外早有研究，荷蘭等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有先進(jìn)的半自動(dòng)玻璃溫室清洗設(shè)備，設(shè)備行走于天溝，多組毛刷同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)天溝兩側(cè)棚頂進(jìn)行清洗，清洗效果好、效率高。中國(guó)溫室大多安裝遮陽(yáng)網(wǎng)，天溝無法行走，所以在中國(guó)不適用。國(guó)內(nèi)關(guān)于塑料大棚清洗機(jī)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(dòng)水輪高速旋轉(zhuǎn)，毛刷與水一起沖刷薄膜達(dá)到清洗目的[3-8]。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能解決溫室清洗問題，但自動(dòng)化程度低，操作不便。因此，研究一種適用于中國(guó)生產(chǎn)情況且具有較高自動(dòng)化、較好清洗效果的玻璃溫室清洗裝置具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究對(duì)玻璃溫室大棚清洗裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析研究，探索了轉(zhuǎn)速、正壓力、噴水量與清洗效果的關(guān)系，為清洗裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 清洗裝置的設(shè)計(jì)

清洗裝置的設(shè)計(jì)要考慮的問題：首先是清洗方法，多種清洗方法相對(duì)比，最終采用易實(shí)現(xiàn)且高效節(jié)水、清洗效果好的旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)的柔性毛刷輥，利用其與棚頂?shù)哪Σ猎谂镯斝凶?；再次是控制系統(tǒng)，采用無線遙控，方便操作。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

玻璃溫室應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖2所示，清洗裝置前后各有一長(zhǎng)度與機(jī)身相當(dāng)?shù)拿⑤?。工作時(shí)，兩毛刷輥轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整機(jī)在棚頂行走，同時(shí)中間清洗毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)刷洗棚頂。裝置前后有噴頭噴水，前面潤(rùn)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(jīng)過時(shí)毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)受阻，因此，設(shè)計(jì)毛刷升降機(jī)構(gòu)（圖2、圖3），當(dāng)檢測(cè)到毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)受阻較大時(shí)，將毛刷提起一定高度，越過凸起。正常清洗時(shí)也可控制毛刷升降，調(diào)整毛刷與棚頂間的壓力，達(dá)到不同的清洗效果。

1.2 控制系統(tǒng)

機(jī)械結(jié)構(gòu)需要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)才能順利完成清洗工作。所以控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也很重要，根據(jù)玻璃溫室棚頂清洗裝置控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，繪制控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4中相應(yīng)功能的反饋信號(hào)由對(duì)應(yīng)的傳感器采集反饋，CPU進(jìn)行處理并做出相應(yīng)動(dòng)作。棚頂端部檢測(cè)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(gòu)成，到達(dá)棚頂端部時(shí)觸碰桿下壓，從而使霍爾傳感器產(chǎn)生反饋信號(hào)。行走同步檢測(cè)模塊通過接近開關(guān)傳感器感應(yīng)棚頂金屬梁產(chǎn)生反饋信號(hào)，CPU根據(jù)兩側(cè)反饋信號(hào)的時(shí)間差控制行走電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。其余模塊使用相應(yīng)的傳感器，電流檢測(cè)用電流傳感器，位置檢測(cè)用霍爾傳感器。

2 清洗裝置正交試驗(yàn)

對(duì)所設(shè)計(jì)的玻璃溫室棚頂清洗裝置進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，得到影響因子與清洗效果的關(guān)系，找到最優(yōu)因子水平組合，為清洗裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和條件

采用的主要設(shè)備和條件：①設(shè)計(jì)的玻璃溫室清洗裝置樣機(jī)。②西南大學(xué)科研基地的玻璃溫室，為標(biāo)準(zhǔn)的Venlo式結(jié)構(gòu)，因較長(zhǎng)時(shí)間沒有清潔，棚頂已覆蓋了灰塵和青苔。③TES-1330A型數(shù)字照度儀，分辨率0.1 Lux，準(zhǔn)確度±3%，取樣率2.5次/s。④12 V穩(wěn)壓直流電源，流速可調(diào)的供水管，數(shù)字萬用表。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，探索不同因素對(duì)清洗效果的影響，為清洗裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。該試驗(yàn)主要看清洗效果，玻璃溫室試驗(yàn)平臺(tái)清洗前平均透光率26.5%，上下波動(dòng)不大，因此，選取清洗后的透光率為試驗(yàn)指標(biāo)。通過查閱資料并考察多種影響因素，選取對(duì)清洗效果影響較大的行走速度、盤刷轉(zhuǎn)速和噴水量為影響因素。經(jīng)基礎(chǔ)試驗(yàn)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(yàn)，選正交表L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)分析[9，10]。選擇第三列為誤差列，分析試驗(yàn)誤差。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，方差分析結(jié)果如表3所示。

由表3方差極差分析結(jié)果及水平均值可知，各因素影響對(duì)玻璃溫室棚頂清洗裝置清洗效果的主次順序?yàn)锳>B>C，最優(yōu)組合為A2B3C3。計(jì)算最優(yōu)組合平均值：

U優(yōu)=各因子優(yōu)水平平均值之和-（因子個(gè)數(shù)-1）μ

式中，μ為總平均值。代入數(shù)值得到最優(yōu)組合平均值為87.5，與表2中最優(yōu)組合A1B3C3得到的清洗后透光率相等，在因素指標(biāo)分析中得到因素A1與A2對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(yōu)組合選擇A2B3C3。

3 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了一種針對(duì)中國(guó)玻璃溫室棚頂?shù)那逑囱b置，該清洗裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，清洗效果較好。對(duì)影響清洗效果的3個(gè)主要影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，通過方差、極差分析以及最優(yōu)組合平均值的比較，得到因素主次順序及最優(yōu)組合。在試驗(yàn)各因素水平組合中，當(dāng)行走速度為2.31 m/min、盤刷轉(zhuǎn)速為97 r/min、噴水量為9 L/min時(shí)，對(duì)玻璃溫室棚頂?shù)那逑葱Ч詈谩⑿首罡摺?/p>

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