手持式日光溫室塑料棚膜清洗裝置的研制與試驗

張建平，馬勝賓

（遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115009）

日光溫室為我國傳統(tǒng)主流溫室類型，其整體布局坐北朝南，可較好地保證溫室采光性，在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中占據(jù)重要位置。日光溫室與玻璃溫室相比，具有整體造價低、質(zhì)量輕、生產(chǎn)效益好等優(yōu)勢，農(nóng)民更易接受[1]。日光溫室長時間使用，棚面易被灰塵、苔蘚等污染，不易沖洗，塑料棚膜（以下簡稱“棚膜”）透光率下降[5]，影響農(nóng)作物的健康生長，進而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。專用溫室清洗機械安裝操作復(fù)雜、維護成本較高，并且由于溫室結(jié)構(gòu)的差異較大，無法滿足現(xiàn)有的溫室使用，適用性受到限制。因此，亟需開展經(jīng)濟實用、自動化程度高、操作方便的手持式日光溫室棚膜清洗裝置的研究，能夠滿足不同的作業(yè)需求，同時做到質(zhì)優(yōu)價廉。

目前，國內(nèi)外針對日光溫室棚膜清洗設(shè)備的研究不多。國外研究主要針對塑料拱棚、連棟溫室以及玻璃溫室，均無法適用于日光溫室[2]。例如，國外研制出可于棚頂天溝行走、利用兩側(cè)毛刷清洗的拱形自動清洗機，還有利用旋轉(zhuǎn)毛刷清洗、用動力吸塵的干燥式溫室棚頂清洗機等。在國內(nèi)，日光溫室棚膜清洗主要依靠簡易清掃工具、真空或負(fù)壓吸附清洗裝置[3]，而簡易清掃工具使用效率低、勞動強度高，真空或負(fù)壓吸附清洗裝置價格昂貴且容易損壞棚膜。

現(xiàn)有的手持式清洗裝置多應(yīng)用于清洗玻璃、地面，難以應(yīng)用于高度較高、跨度較大的日光溫室[4]。針對這一問題，本文在借鑒現(xiàn)有手持式噴水電動毛刷清洗裝置性能和技術(shù)的基礎(chǔ)上，對清洗機構(gòu)進行改造與試驗，設(shè)計出一種清洗覆蓋面積大、攜帶方便、安全可靠、作業(yè)效率高、勞動強度低的手持式日光溫室棚膜清洗機，以期為日光溫室棚膜清洗提供技術(shù)支持。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

日光溫室清洗裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由電機、輥刷軸、噴水機構(gòu)、手持桿等部分組成。電機為可變頻式，總功率120 W，電壓AC 220 V，整體表面覆有IP5級別的防水涂層。支撐盤通過螺栓與電機的連接座固定連接，輸出軸一端與電機輸出端固定，另一端與3個夾角呈120°分布的輥刷軸固定連接，每個輥刷軸安裝4個清洗用的輥刷，輸出軸和輥刷軸都為鋁合金空心軸。清洗裝置設(shè)計3個噴水管，其輸入端從手持桿內(nèi)穿出，在支撐盤處固定；輸出端設(shè)置在輥刷軸上方，在供水系統(tǒng)壓強的作用下，水穿出噴水管配合輥刷對棚膜進行清洗。噴水管為萬向式，可根據(jù)工作任務(wù)情況進行角度、方向調(diào)節(jié)。該清洗裝置自重6 kg，設(shè)計清洗能力為150～250 m2/h。

圖1 手持式日光溫室塑料棚膜清洗裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

清洗作業(yè)時，操作者啟動控制開關(guān)，動力系統(tǒng)和供水系統(tǒng)通過手持桿內(nèi)水電并軌線為清洗裝置提供動力。電機在動力系統(tǒng)作用下正轉(zhuǎn)，通過輸出軸帶動輥刷軸旋轉(zhuǎn)，固定在輥刷軸上的輥刷清洗棚膜表面，同時噴水管在供水系統(tǒng)作用下對輥刷實施淋霧式噴水，清洗棚膜所形成的污水沿著棚膜表面流向地面。操作者手持操作清洗裝置，根據(jù)棚膜清洗的需要可進行橫向、縱向移動，進而完成日光溫室棚膜的整體清洗。

2 關(guān)鍵部位

2.1 輥刷軸和輥刷

如圖2所示，每個輥刷軸設(shè)置4個獨立的可拆卸式輥刷，輥刷通過固定環(huán)聯(lián)結(jié)在輥刷軸上。固定環(huán)可防止輥刷在清洗過程中與棚膜表面摩擦出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象發(fā)生。輥刷可采用防靜電的尼龍絲毛或EVA泡棉制成，在不損傷棚膜表面的同時完成對其表面的清洗。因棚膜表面的污漬程度不同，會導(dǎo)致摩擦系數(shù)不同，設(shè)計輥刷的單獨分離設(shè)置，可使輥刷軸在轉(zhuǎn)動時各個清洗輥刷因摩擦系數(shù)不同而產(chǎn)生獨立轉(zhuǎn)速，便于清洗表面污漬程度差異化大的棚膜，既提高了工作效率，又節(jié)省了水電能源。根據(jù)日光溫室棚膜的材質(zhì)、厚度和表面污漬程度的不同可以更換適合的清洗輥刷。

圖2 輥刷和輥刷軸組合結(jié)構(gòu)圖

2.2 手持部組合機構(gòu)

手持部組合機構(gòu)包括手持桿、水電并軌線和穩(wěn)固桿。手持桿由三節(jié)可伸縮式桿組成，可根據(jù)日光溫室大棚的矢高進行長度調(diào)節(jié)；材質(zhì)為碳纖維和玻璃纖維，以減輕使用者操作疲勞；其內(nèi)部放置有水電并軌線，并軌線從手持桿末端伸出，與動力系統(tǒng)和供水系統(tǒng)連接。動力系統(tǒng)與供水系統(tǒng)的放置方式為推車行走式，由安裝在手持桿握持端的控制開關(guān)控制。若一次性需清洗的棚膜面積過大，可選配穩(wěn)固桿（見圖1），以減輕操作者的勞動強度。穩(wěn)固桿一端通過旋轉(zhuǎn)件與手持桿連接，可通過旋轉(zhuǎn)件對手持桿進行角度調(diào)整；另一端固定插入土地，使清洗裝置運行更加穩(wěn)定。

3 清洗性能試驗

棚膜清洗試驗在遼寧省阜新蒙古族自治縣當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶進行，試驗用日光溫室的跨度7.2 m、矢高3 m、后墻高2.2 m，棚膜已在自然條件下使用7個月。為驗證不同因子對試驗的影響，采用兩組不同清洗輥刷材質(zhì)作對比：一組為EVA泡棉材質(zhì)，另一組為靜電尼龍絲毛材質(zhì)。為保證日光溫室棚膜污漬狀態(tài)接近自然狀態(tài)，將事先準(zhǔn)備的粉塵和水?dāng)嚢璩苫旌衔铮鶆蚴┤鲈谂锬け砻?，待粘附牢固后再進行清洗試驗。對供水系統(tǒng)設(shè)置3種不同噴水流量參數(shù)；對清洗電機變頻設(shè)置3種不同輥刷軸轉(zhuǎn)速參數(shù)；在日光溫室內(nèi)外設(shè)置多個采光點，采用DT1334A型高精度數(shù)位式照度計測量光照強度，其準(zhǔn)確度為±3%rdg±0.5%f.s（＜10 000 Lux），取樣率2.0次/s，分辨率0.01 Lux/Fc，光譜準(zhǔn)確性f1≦6%。以棚膜透光率作為試驗評價指標(biāo)，進行對比、評價和求證。試驗設(shè)計如表1所示。

表1 日光溫室塑料薄膜透光率的試驗設(shè)計

將輥刷軸轉(zhuǎn)速和噴水流量作為試驗影響因子，在兩組不同清洗輥刷材質(zhì)試驗的基礎(chǔ)上，按照表1的試驗設(shè)計進行雙因子試驗。為保證測量數(shù)值的準(zhǔn)確可靠，避免出現(xiàn)較大誤差，在棚膜清洗前后分別對日光溫室棚內(nèi)外的多個采光點重復(fù)進行3次光照強度測量，取其算術(shù)平均數(shù)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2410—2008對日光溫室棚膜透光率的檢測標(biāo)準(zhǔn)定義透光率[6-7]：

式中：Tt為透光率；T1為通過試樣的總透射光通量；T2為入射光通量。

根據(jù)棚內(nèi)外光照強度的測量結(jié)果，常量代入公式（1）計算出棚膜清洗前后的透光率值，并取差值。從表2的試驗結(jié)果可以看出，棚膜清洗前后透光率的差值與清洗效果成正比關(guān)系，差值越大，清洗效果越好。

為了進一步確定輥刷材質(zhì)、輥刷軸轉(zhuǎn)速、噴水流量對透光性影響的顯著性，采用因子組合均差的方式，研究輥刷軸轉(zhuǎn)速和噴水流量在不同輥刷材質(zhì)試驗中與透光率差值之間的關(guān)系和趨勢。依據(jù)表2的試驗結(jié)果，取輥刷軸在同一轉(zhuǎn)速、噴水流量在同一流量上透光率差值的算術(shù)平均數(shù)，同時對EVA泡棉和尼龍絲毛清洗輥刷兩種材質(zhì)因子進行區(qū)分，試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

表2 不同組合清洗方式對日光溫室塑料薄膜透光率的影響

從圖3、圖4中可以看出：EVA泡棉和尼龍絲毛兩種輥刷材質(zhì)的因子水平趨勢類同，但EVA泡棉相對于尼龍絲毛在兩種不同因子上透光率差值的數(shù)值區(qū)分明顯，輥刷軸轉(zhuǎn)速因子差值最大達(dá)到8.47%，噴水流量因子差值最大達(dá)到5.33%。輥刷軸轉(zhuǎn)速的變化對清洗效果影響顯著，當(dāng)轉(zhuǎn)速在74 r/min時，棚膜透光率差值最高；噴水流量達(dá)到4.5 L/min以后，由于水流量的增加，使輥刷與棚膜之間摩擦力減小，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致棚膜透光率的差值相對噴水流量為3 L/min時略微下降。

圖3 輥刷軸轉(zhuǎn)速對棚膜透光率的影響

圖4 噴水流量對棚膜透光率的影響

4 結(jié)論

經(jīng)試驗驗證，本文研究設(shè)計的手持式日光溫室棚膜清洗裝置符合人體力學(xué)原理，自動化程度較高，運轉(zhuǎn)流暢，工作性能可靠。通過清洗性能的系列試驗結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：輥刷材質(zhì)采用尼龍絲毛對提升日光溫室棚膜透光率的性能方面明顯優(yōu)于EVA泡棉；輥刷軸轉(zhuǎn)速在74 r/min時，日光溫室棚膜清洗前后透光率的差值顯著；噴水流量分別控制在3.0 L/min和4.5 L/min時，日光溫室棚膜清洗前后透光率的差值不顯著，而為了節(jié)省能源，優(yōu)先選擇噴水流量參數(shù)為3.0 L/min；當(dāng)使用尼龍絲毛材質(zhì)的輥刷、噴水流量約3.0 L/min、輥刷軸轉(zhuǎn)速約74 r/min時，日光溫室棚膜的透光率最高，較清洗前的棚膜透光率提高31.2%，對日光溫室棚膜的清洗效果最好，并且能源損耗較低。