溫室大棚卷簾機(jī)力學(xué)分析*

車小偉

（天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅 天水 741000）

溫室大棚為人類提供了新鮮的食材，滿足了人民生活的需要，提高了土地種植的收益，因而在全國各地得到了大量的使用[1]。為了得到保溫效果，采用在塑料大棚或者玻璃大棚的采光面覆蓋保溫被方式以減弱熱量的散發(fā)，從而將白天日光照射得到的熱量保存。溫室大棚保溫被使用卷簾機(jī)作業(yè)大大減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，因而電動(dòng)卷簾機(jī)得到了廣泛使用。在卷簾機(jī)實(shí)際使用中，經(jīng)常出現(xiàn)卷簾機(jī)卷軸斷裂、減速器齒輪折斷等現(xiàn)象，尤其在溫度較低的冬天更易發(fā)生，究其原因主要是保溫被在吸水或結(jié)冰后質(zhì)量明顯增大，導(dǎo)致電動(dòng)卷簾機(jī)負(fù)載超過額定負(fù)荷，從而導(dǎo)致機(jī)械失效情況發(fā)生。國內(nèi)大量學(xué)者研究了卷簾機(jī)設(shè)計(jì)及卷簾機(jī)運(yùn)行過程受力情況分析，如劉剛等設(shè)計(jì)了卷簾機(jī)機(jī)械本體[1]；孫昊等通過實(shí)驗(yàn)的方法測量了卷簾機(jī)的載荷，但對卷簾機(jī)負(fù)載沒有采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀?jì)算。因此，本文對溫室大棚卷簾機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，計(jì)算出不同狀態(tài)下最大拉力值與最大扭矩值，從而為卷簾機(jī)設(shè)計(jì)或選型提供基本理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

溫室大棚卷簾機(jī)根據(jù)電動(dòng)機(jī)位置不同，可分為后置卷繩上拉式卷簾機(jī)和棚面自走式卷簾機(jī)兩大類[2]；棚面自走式卷簾機(jī)又可分為側(cè)置卷軸上推式卷簾機(jī)和側(cè)置卷軸上推式兩類。其中，側(cè)置卷軸上推式卷簾機(jī)因其占用面積少、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)被大量用于大棚長度較小的場合，但其容易發(fā)生卷軸斷裂或減速器傳動(dòng)齒輪失效的情況。側(cè)置卷軸上推式卷簾機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該裝置主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷軸、支撐桿等構(gòu)成。其中，卷軸通過減速器與電動(dòng)機(jī)連接，支撐桿1 下端鉸接于地面，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一端插入支撐桿2 構(gòu)成移動(dòng)副。減速器常采用減速比大、質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊并具有自鎖功能減速器，如蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)減速器，以防止在斷電或意外停機(jī)的情況下卷軸與保溫被在重力作用下向下滑動(dòng)發(fā)生意外事故。為了降低卷簾機(jī)生產(chǎn)成本，支撐桿1、支撐桿2 以及卷軸均采用價(jià)格低廉的普通鋼管制成。工作時(shí)，如果電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)卷軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將已展開的保溫被卷至卷軸上，同時(shí)卷軸向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)保溫被收納；反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)，卷軸向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)保溫被鋪開作業(yè)。

圖1 側(cè)置式溫室大棚卷簾機(jī)示意圖

2 力學(xué)分析

2.1 模型建立

溫室大棚在不同工況下，其受力情況不同，而當(dāng)保溫被吸水后其質(zhì)量將明顯增加，也是在這種情況下容易出現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)裝置失效現(xiàn)象，因此，本文只研究保溫被吸水后受力情況。為了進(jìn)行力學(xué)分析，需要對大棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，現(xiàn)做基本假設(shè)：將溫室大棚斷面近似為四分之一橢圓面；卷軸為剛性軸，并且在工作過程中沒有跑偏現(xiàn)象，即卷軸垂直于斷面運(yùn)動(dòng)；載荷為均布載荷，均勻分布于軸上。

（3）論文請用A4紙打印，并請?zhí)峁╇娮影妫òl(fā)送電子郵件,郵件名稱請標(biāo)注“2019年第二屆微生物制劑在釀酒生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)論文”投稿）；

圖2 模型示意圖

根據(jù)上述基于假設(shè)，在軸的某一剖面建立直角坐標(biāo)系進(jìn)行分析，其中橢圓的參數(shù)方程為

L為大棚長度；

b為橢圓短軸長度，單位為m，對應(yīng)于大棚的高度；

結(jié)合交叉學(xué)科 水文學(xué)及水資源（高校本科專業(yè)一般稱為水文與水資源工程專業(yè)）是水利工程一級學(xué)科下的二級學(xué)科，內(nèi)容主要包括水文、水資源、水生態(tài)和水環(huán)境四大方面。在很多知識點(diǎn)上，如土壤水文、蒸散發(fā)計(jì)算、水環(huán)境監(jiān)測與分析、流域產(chǎn)匯流計(jì)算等，與土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)水土工程、資源環(huán)境科學(xué)、系統(tǒng)工程等存在交叉研究。同時(shí)，隨著科技的進(jìn)步，水文研究方法也在不斷擴(kuò)展，遙感水文也是現(xiàn)代水文學(xué)的一個(gè)重要方面，采用遙感手段和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行水文監(jiān)測與分析也是一項(xiàng)基本技能。為此，可以設(shè)計(jì)部分學(xué)科交叉的內(nèi)容供有興趣進(jìn)行拓展訓(xùn)練的學(xué)生選擇，一般建議結(jié)合指導(dǎo)教師所從事的生產(chǎn)、科研項(xiàng)目進(jìn)行自由選題。

由于蘆埠港河重新通航，原來確定的采砂船舶集中停泊點(diǎn)已不適合繼續(xù)使用。經(jīng)報(bào)請市政府批準(zhǔn)后，確定將采砂船舶集中停泊點(diǎn)位置移到蘆埠港閘北200 m處，并重新豎立標(biāo)志牌。在新確定的停泊點(diǎn)加裝監(jiān)控設(shè)備，以便隨時(shí)了解停泊情況。如采砂船只不經(jīng)許可擅自離開，監(jiān)控設(shè)備錄像資料可作為證據(jù)材料。制訂《采砂船舶集中停泊點(diǎn)管理制度》，加強(qiáng)對采砂船的統(tǒng)一管理。定期召開江陰籍采砂船主座談會(huì)，不斷開展說服教育工作，盡可能勸誡江陰籍采砂船主改行從事其他合法經(jīng)營活動(dòng)。

T為橢圓參數(shù)方程的參變量。

Lt為已卷起大棚 的長度：

式中：m0為卷簾機(jī)在低部時(shí)總質(zhì)量；

ρ為保溫被干密度；

(2)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足。軌枕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致脫模強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，從而導(dǎo)致軌枕擋肩出現(xiàn)裂紋。但軌枕脫膜前均需試驗(yàn)室下發(fā)脫模通知單，待脫模強(qiáng)度達(dá)到要求后方可進(jìn)行脫模作業(yè)，不存在養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足的情況。

μ為保溫被吸水率，定義為（濕重量-干重量）/干重量*100%[3]；

式中：a為橢圓長軸長度，單位為m，對應(yīng)于大棚的寬度；

H為保溫被厚度；

入冬了，來暖氣了?；叵肫鹨郧澳莻€(gè)零食不如現(xiàn)在豐富的年代，家里大人放在暖氣上烘烤的蘋果干、山楂干、地瓜干和胡蘿卜干等，就成了孩子們的零食。在暖氣旁邊玩邊吃，也成了多少人的童年回憶。其實(shí)除了它們，暖氣還能做出各種各樣好吃的。

對于任一點(diǎn)，其卷軸上質(zhì)量m為

側(cè)面兩支撐桿之間為移動(dòng)副連接，其底部鉸接于地面支座，所以其主要起限位作用，受力很小，可忽略不計(jì)。由于大棚卷簾機(jī)整個(gè)工作過程為5～10 min，其運(yùn)行平穩(wěn)，運(yùn)行過程中加速度小，忽略慣性力影響[4]，則其切線斜率k 為

因此，保溫被拉力與水平線夾角計(jì)算公式為：

2.2 受力分析

將卷簾機(jī)、卷軸及已纏繞至卷軸上的保溫被當(dāng)成一整體，其作為一個(gè)整體，卷軸在保溫被拉力Ft、大棚表面支撐力Fn和重力G以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩TM作用下力學(xué)平衡，建立力學(xué)平衡方程得：

①素填土層，呈松散狀，壓縮性高，承載力較低，分布較均勻，未經(jīng)過處理，不能直接作為擬建建筑物的天然地基淺基礎(chǔ)的持力層；

式中，R為拉力Ft至重心的距離，因保溫被螺旋形纏繞于卷軸上，為了將問題簡化，將其截面近似為圓，則其半徑為

將（1）～（6）式聯(lián)合求解得出拉力、扭矩計(jì)算方程：

橘紅是被迫走的，她并不想離開濱湖。楊琳說，橘紅和她分手告別時(shí)，流了眼淚。何牦只要站在臨湖廣場這個(gè)昔日的碼頭上，仿佛就看了橘紅流著兩串長長的淚水，依依不舍走向四層客輪。濱湖是她的傷心之地，為何還這樣依依不舍？對濱湖她有什么不舍？一定是為了他，為了他這個(gè)不爭氣的膽小男人。橘紅早預(yù)料到這一走難能相見。

3 編程計(jì)算

3.1 程序編寫

分別求出Ft與TM的最大值用于大棚設(shè)計(jì)校核，而Lt計(jì)算表達(dá)式中積分無解析解，因而無法用解析法求最大值，本文使用MATLAB 軟件編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算方法求最大值。MATLAB程序主要部分如下。

t=0:0.01:pi/2;

s=size(t)

A0=pi*d*d/4;

ft=inline((a*a*sin(tao)*sin(tao)+b*b*cos(tao)*cos(tao))^0.5)

for N=1:s(2)

當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了一些英語流行歌曲，初步建立起了記憶曲庫之后，教師可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，播放一些學(xué)過的歌曲的片段，讓學(xué)生猜出其歌名，說出其演唱歌手。還可以在推薦學(xué)生進(jìn)行泛聽的曲目里選擇一些歌曲片段，采取搶答游戲的形式，讓學(xué)生識別其歌名，檢驗(yàn)其學(xué)習(xí)效果，活躍課堂氣氛。

Lt(N)=quad(ft，0，t(N));

其次，要敢于擔(dān)當(dāng)，善于擔(dān)當(dāng)。要將人民擁護(hù)不擁護(hù)、贊成不贊成、高興不高興、答應(yīng)不答應(yīng)作為工作的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。習(xí)近平總書記號召各級領(lǐng)導(dǎo)干部要學(xué)習(xí)焦裕祿“敢叫日月?lián)Q新天”的精神，始終做到心中有黨、心中有民、心中有責(zé)、心中有戒。黨的十九大給我們制定了任務(wù)書、路線圖和時(shí)間表，我們要不忘初心、牢記使命，將實(shí)現(xiàn)個(gè)人夢想與實(shí)現(xiàn)國家的發(fā)展戰(zhàn)略同頻，用奮斗書寫歷史，用奮斗書寫幸福。

end

thetat=pi+atan(K)

(4)常見的管道連接方式有3種：①絲扣連接；②法蘭連接；③卡箍連接。選擇配件時(shí)，其接口應(yīng)當(dāng)與管道的連接方式相匹配，特殊情況下可采用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換管件，例如將絲扣連接轉(zhuǎn)為法蘭連接的管件。

K=-b/a*cot(t)

mt=m0+miu*rho*L*h*Lt

G=mt*g

syms tao

R=((A0+h*Lt)/pi).^0.5

Ft=G.*sin(thetat)

T=Ft.*R

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

本文選用現(xiàn)在較為常用的針刺氈保溫被為例計(jì)算，其吸水率因不同的環(huán)境有差異，在下雨和下雪情況下，1 h 內(nèi)其吸水率約為127%、108%[5]，而在溫度較低有結(jié)冰現(xiàn)象時(shí)，其吸水率更高，約為200%[6]。因此，本文分別以吸水率μ為0%（完全干燥），100%（下雨或下雪），200%（結(jié)冰）分別計(jì)算，計(jì)算過程主要參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算所用主要參數(shù)取值及意義

通過運(yùn)行計(jì)算程序，得出干、濕、結(jié)冰三種情況下卷簾機(jī)在不同位置對應(yīng)的拉力及電機(jī)扭矩曲線，如圖3所示。

由計(jì)算結(jié)果可知。

1）對于側(cè)置棚面自走式卷簾機(jī)，其保溫被拉力及電動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩都由小變大再變小，在中部出現(xiàn)最大值，與文獻(xiàn)1的實(shí)際測量結(jié)果一致。

公路工程項(xiàng)目施工周期長、涉及范圍廣、資金回籠慢，施工工種眾多，這無形中增加了公路工程全過程造價(jià)管理難度。PPP模式下，私人投資者最為關(guān)注的是投資收益，對投資估算的要求更加精確，所以，建設(shè)方案既要適應(yīng)宏觀政策，更要讓私人投資者滿意于項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的控制。PPP模式下公路工程施工成本如果根據(jù)定額等標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，則會(huì)高出常規(guī)的施工成本[2]，因?yàn)槎~中并不包含新工藝、新技術(shù)等成本。

2）不同吸水率μ對應(yīng)的卷簾機(jī)受力情況差異較大，μ分別取1、2、3時(shí)，對應(yīng)的最大拉力依次為2.277 5 kN、3.326 5 kN、4.3769 kN，μ越大，相同位置對應(yīng)的拉力值越大，μ=3 時(shí)的最大拉力是μ=1時(shí)的1.92倍，相差較大。

圖3 不同吸水率對應(yīng)的拉力及扭矩曲線

3）不同吸水率μ對應(yīng)的最大拉力出現(xiàn)位置不同，μ分別取1、2、3 時(shí)，對應(yīng)的最大拉力對應(yīng)角度依次為42.971 8°，44.117 8°，44.690 7°，但相差較小。

4）同一吸水率μ對應(yīng)的最大拉力與最大扭矩出現(xiàn)位置不同，如μ=1 時(shí)，最大拉力對應(yīng)角度為42.97°，而最大扭矩對應(yīng)角度為57.30°，相差較大。

4 結(jié)論

本文通過對溫室大棚卷簾機(jī)的受力情況建立數(shù)學(xué)模型并使用MATLAB 編程計(jì)算不同吸水率對應(yīng)的保溫被受力及卷軸受力情況，通過計(jì)算可知，同一吸水率情況下最大扭矩與最大拉力出現(xiàn)位置不同，不吸水率對應(yīng)的拉力與扭矩差異較明顯，因此，為分析不同吸水率對應(yīng)的保溫被受力及卷軸受力，為溫室大棚卷簾機(jī)設(shè)計(jì)與選型奠定了基礎(chǔ)。雖然本文是將溫室大棚斷面近似為四分之一橢圓得出，但是對不同形狀的大棚分析過程相似，所以計(jì)算結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。