新型大棚掃雪機(jī)的整體設(shè)計(jì)研究

郝志勇，劉 偉

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

在北方地區(qū)，冬季溫室積雪影響屋面的透光性、保溫性[1]，不利于喜陽植物的生長，且影響溫室的總體強(qiáng)度和剛度。目前農(nóng)業(yè)溫室除雪多為手工作業(yè)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于一個(gè)100多米長的溫室，除雪工作需要4個(gè)人花費(fèi)3～4 h才能完成。除雪時(shí)間較長，一方面會(huì)造成其他屋面積雪清掃的延遲，另一方面影響到溫室草簾的快速卷起，減少了農(nóng)作物正常的光照時(shí)間[2]，影響農(nóng)作物生長。對(duì)于小雪或薄雪，手工作業(yè)基本可以應(yīng)對(duì)；若突遇大雪、暴雪，手工清掃屋面上的積雪，勞動(dòng)強(qiáng)度大、除雪效率低、除雪時(shí)間較長，溫室有被壓塌的危險(xiǎn)。目前溫室屋面除雪有的采用熱水融雪管[3]，但是投資和運(yùn)行費(fèi)用均比較高；整體輸送式溫室屋面除雪裝置，制造成本較高，不適合多個(gè)相鄰溫室屋面的除雪，不易于推廣應(yīng)用，現(xiàn)有的機(jī)械化溫室除雪裝置有利用空氣迅速流動(dòng)原理進(jìn)行除雪[4]，存在效率低、噪音大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍有限。針對(duì)目前尚未出現(xiàn)高效的溫室除雪裝置，本文設(shè)計(jì)了一新型溫室除雪機(jī)，樣機(jī)試驗(yàn)效果良好，可為溫室屋面除雪提供一種有效的低運(yùn)行費(fèi)用除雪設(shè)備[5]。

1 大棚掃雪機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 大棚掃雪機(jī)的工作原理

新型大棚掃雪機(jī)安裝在農(nóng)用行走機(jī)械之上，利用車載液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于清掃溫室屋面積雪，并將其輸送到溫室外側(cè)底部，底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)將從屋面清掃下來的積雪輸送到田間合適位置[6]。

由于新型溫室除雪機(jī)在田間相鄰溫室之間作業(yè)，受實(shí)際作業(yè)環(huán)境限制，因此溫室除雪機(jī)的高度、寬度等都有明確要求，其具體設(shè)計(jì)要求如下：①能在田間道路上行駛自如；②能將溫室頂部積雪清掃干凈，且能使溫室底部積雪搬運(yùn)到合適位置；③可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，操作簡便，整個(gè)除雪過程一人即可完成。

1.2 大棚掃雪機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)溫室除雪機(jī)的工作原理、功能實(shí)現(xiàn)和控制要求，其主要組成部分為：頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)、底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)、車體、控制部分、伸縮裝置等。具體組成部分如圖1所示。

圖1 大棚掃雪機(jī)組成Fig.1 Block diagram of the greenhouse snow blower

2 大棚掃雪機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

大棚掃雪機(jī)主要分為兩部分，分別用來清掃溫室頂部和底部積雪。具體設(shè)計(jì)參數(shù)由溫室結(jié)構(gòu)及其所在田間位置而定。

2.1 頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用螺旋分布式硬質(zhì)毛刷，共有五段，每段毛刷固定在各自驅(qū)動(dòng)軸上，軸之間采用聯(lián)軸器相連，保證動(dòng)力傳遞。毛刷支撐架用來支撐毛刷及其驅(qū)動(dòng)軸，毛刷支撐架分為四段，每段之間用銷軸連接。每段清掃機(jī)構(gòu)都作用在支持輪上，為了減少對(duì)溫室屋面的壓力，采用6個(gè)支撐輪。北方地區(qū)冬季溫室屋面上都有草簾覆蓋，為避免除雪過程中，旋轉(zhuǎn)毛刷卷起草簾，采用壓簾桿以防止草簾被卷起。為減輕頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量和降低能耗。毛刷材料選用中等強(qiáng)度的硬質(zhì)塑料制成，呈細(xì)長圓柱狀。毛刷軸采用中空鋼管，不僅保證了強(qiáng)度和剛度，而且減輕了重量。毛刷支撐架全部采用高強(qiáng)度鋁合金制成，支撐輪采用復(fù)合橡膠輪。

圖2 頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.2 Top executive body diagram

如圖3所示，為了適應(yīng)不同大棚曲面的弧度，特意在每個(gè)毛刷支撐架上安裝有液壓缸，通過液壓缸的動(dòng)作來調(diào)整每段毛刷支撐架的位置，以適應(yīng)不同大棚的弧度。

圖3 頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.3 General map top executive body

2.2 底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室除雪機(jī)底部采用異形螺旋清掃機(jī)構(gòu)，用于把積雪輸送到田間合適位置。其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.4 General map bottom executive body

2.3 整體結(jié)構(gòu)組成

溫室除雪機(jī)整體結(jié)構(gòu)分為兩種：即活動(dòng)安裝和固定安裝?；顒?dòng)安裝將執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在農(nóng)用行走機(jī)械上；固定安裝根據(jù)溫室結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)，并與其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合成一體。下面限于篇幅，只給出活動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)示意見圖5、6。

圖5 活動(dòng)安裝整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematicdiagramofthewholeinstallationactivities

圖6 活動(dòng)安裝樣機(jī)整體模型Fig.6 Prototype model of the whole installation activities

3 掃雪機(jī)功耗計(jì)算

3.1 頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率計(jì)算

3.1.1 克服毛刷和草簾間摩擦力所需功率[7]

毛刷與溫室屋面擠壓力可用下式表示：

式中，d－毛刷直徑（m）；Rm－滾刷半徑（m）；I－毛刷自由長度（m）；E－毛刷彈性模量（Pa）；J－毛刷斷面慣性矩（m4）；h－毛刷變形量（m）；ZB－工作毛刷數(shù)量。

圖7 毛刷除雪工作原理Fig.7 Operating principle snow brush

式中，所以工作毛刷數(shù)量ZB可按下面公式選取。

式中，B－刷滾清掃寬度（m）；v－機(jī)器工作速度（m·s－1）；vm－刷滾圓周速度（m·s－1）。

毛刷和溫室表面的摩擦力為f=μ1N。

式中，μ1為毛刷與溫室屋面草簾間摩擦系數(shù)。

克服毛刷和溫室草簾間摩擦力所需功率為P1。

式中，η－摩擦損失效率。

3.1.2 毛刷變形消耗功率P2計(jì)算

式中，φ-摩擦角；

n－刷滾轉(zhuǎn)速。

3.1.3 克服空氣阻力所消耗功率

克服空氣阻力所消耗功率P3由下式確定。

根據(jù)以上分析和實(shí)際條件，確定其中的設(shè)計(jì)變量為：d=0.01 m，Rm=0.4 m，I=0.15 m，E=7×1010Pa，J=4.91×10－14m4，h=0.01 m，B=7 m，v=0.56 m·s－1，vm=16.76 m·s－1，n=75 r·min－1，μ1=0.5，η=0.8。

根據(jù)以上參數(shù)，由給出的公式可以計(jì)算出以下參數(shù)值：

ZB=149 592，β=0.22，β1=0.086，N=9.5 N，f=4.75 N，P1=1.6 kW，P2=0.76 kW，P3=0.016 kW。

驅(qū)動(dòng)頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的功率為P：

P=P1+P2+P3=1.6+0.76+0.016=2.38 kW

3.2 底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率計(jì)算

3.2.1 螺旋機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算[8]

根據(jù)實(shí)際工作需要設(shè)計(jì)螺旋機(jī)構(gòu)，其主要參數(shù)如圖8所示。

圖8 螺旋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.8 Screw mechanisn structure diagram

螺旋面展開圖圓環(huán)內(nèi)徑dl：

螺旋面展開圖圓環(huán)外徑Dl：

展開圓環(huán)切除部分的圓心角αl：

其中，d-螺旋軸直徑（mm）。

根據(jù)實(shí)際情況和工作需要，設(shè)計(jì)參數(shù)為：D=400 mm，d=25 mm，s=340 mm其中螺旋葉片厚度為2 mm。

由此計(jì)算可得：dl=145.91 mm，Dl=505 mm，αl=64.28。

3.2.2 螺旋機(jī)構(gòu)輸送量的確定[7]

螺旋機(jī)構(gòu)輸送量可按公式（10）計(jì)算。

式中，Q－輸送量（t·h－1）；ψ－物料填充系數(shù)；β0－傾斜系數(shù)；k－螺距與直徑比例系數(shù)；r－物料容重（t·m－3）；n－轉(zhuǎn)速（r·min－1）；D－螺旋直徑（m）。

通過查手冊(cè)，各個(gè)變量取以下值：ψ=0.45，β0=0.75，k=0.89，r=0.5，n=71，D=0.4，經(jīng)計(jì)算可得Q=23.49 t·h－1。

3.2.3 螺旋機(jī)構(gòu)消耗功率計(jì)算

P1－克服運(yùn)行阻力所需的功率（kW）；L－輸送長度（m）；Q－輸送機(jī)的輸送量（t·h－1）；μ－雪運(yùn)行阻力系數(shù)，取1.5。取L=4～6 m算得，P1=1.87 kW。

因此驅(qū)動(dòng)底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需功率為：P=P1+P2=0.12+1.87=1.99 kW。

4 控制系統(tǒng)

除雪機(jī)整體采用電液控制系統(tǒng)。頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)毛刷軸旋轉(zhuǎn)，由電動(dòng)推桿控制頂部機(jī)構(gòu)的工作位置；底部工作機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，利用油缸控制其實(shí)際工作位置。整個(gè)除雪機(jī)的操控都在駕駛室內(nèi)完成。

5 樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)相似理論，按照一定比例研制了一小型樣機(jī)。冬季雪花暫時(shí)用相似材料替代。整個(gè)除雪機(jī)樣機(jī)完全按照實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，由于樣機(jī)空間的限制，其操控在樣機(jī)中用遙控手柄進(jìn)行控制。

圖9 除雪機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)Fig.9 Snow machine readiness

圖10 除雪機(jī)工作狀態(tài)Fig.10 Snow machine working condition

圖11 溫室掃雪后Fig.11 Greenhouse after snow

6 結(jié) 論

從理論計(jì)算和樣機(jī)制作對(duì)溫室除雪機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。通過樣機(jī)實(shí)際除雪工作，驗(yàn)證理論計(jì)算和分析的合理性，可得出以下結(jié)論：

a.溫室除雪機(jī)結(jié)構(gòu)合理，操作簡便。

b.除雪機(jī)互換性好，可以方便地安裝到農(nóng)用行走機(jī)械上進(jìn)行除雪工作。

c.除雪機(jī)工作效率較高，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡單，小型原動(dòng)機(jī)可滿足實(shí)際工作需求。

d.通過實(shí)際工作和測試各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明該新型溫室除雪機(jī)除雪效果明顯，除雪效率高，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]王健,王鋼,林敬東.我國除雪機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào),2005(2):123－125.

[2]王有為,牟樂,陸程.淺談我國除雪機(jī)械的發(fā)展及在除雪工作中的應(yīng)用[J].北方交通,2009(7):45－48.

[3]周增產(chǎn),王綱,田真,等.整體輸送式溫室屋面除雪裝置[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005(5):79－83.

[4]劉佩軍.中國東北地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展研究[D].長春:吉林大學(xué),2007(5):36－40.

[5]余克強(qiáng),王雙喜.我國溫室屋面除雪的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011(7):28－36.

[6]于海業(yè),馬成林,陳曉光.發(fā)達(dá)國家溫室設(shè)施自動(dòng)化研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).1997,S1:

[7]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[8]孫恒,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9]蔣亦元.現(xiàn)代大規(guī)模農(nóng)業(yè)機(jī)械化將使東北農(nóng)村糧食生產(chǎn)產(chǎn)生巨變的認(rèn)識(shí)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,42(2):1－4.