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(yáng)光板溫室,其中塑料薄膜溫室面積高達(dá)292萬(wàn)hm2,占比為63.5%,亞洲國(guó)家所占的面積最大。據(jù)《2022—2028年中國(guó)溫室大棚行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查及市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)報(bào)告》,中國(guó)溫室大棚以塑料大棚為主,占比高達(dá)65.4%。我國(guó)南方地區(qū)主要使用的是塑料大棚,長(zhǎng)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(zhǎng),并導(dǎo)致溫室大棚的產(chǎn)量過(guò)低,無(wú)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(guó)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(shì)之一。
20世紀(jì)60年代以來(lái),在溫室和大棚建設(shè)及管理方面,一些發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(guó)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(yáng)網(wǎng)的中國(guó)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(guó)有遮陽(yáng)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(duì)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
與荷蘭、以色列等國(guó)家的自動(dòng)化、集約化的連棟溫室清洗裝置不同,中國(guó)溫室頂棚大部分仍由人工進(jìn)行清洗,因此,中國(guó)的溫室自動(dòng)化配套清洗裝置有著不同于其他國(guó)家的獨(dú)特的發(fā)展道路,適用于我國(guó)的溫室清洗裝置也與發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)水的沖洗來(lái)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(zhǎng)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⌒?,將多?jié)清洗裝置鉸接構(gòu)成清洗機(jī)整體。該清洗機(jī)的總長(zhǎng)度是根據(jù)清洗對(duì)象而定制的,單節(jié)清洗裝置無(wú)法伸縮,對(duì)于棚頂弧長(zhǎng)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(duì)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(guò)繞繩輪隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓膜繩的收放過(guò)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(guò)程未實(shí)現(xiàn)清洗過(guò)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(wèn)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(lái)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(lái)當(dāng)作機(jī)器運(yùn)動(dòng)的軌道而無(wú)需安裝新的結(jié)構(gòu),這給清洗機(jī)的安裝和作業(yè)帶來(lái)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(duì)于南方連棟塑料大棚的清洗仍有些不便,無(wú)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(guò)在底座上安裝滾輪和萬(wàn)向輪,實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)構(gòu)的移動(dòng)。通過(guò)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(duì)大棚進(jìn)行沖刷,提高大棚的清潔度。但本裝置未考慮遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)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(lái)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(guò)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(jiǎn)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(wú)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(guò)清洗帶將塑料大棚棚頂表面的灰塵和綠藻等搓擦下來(lái),從而實(shí)現(xiàn)清除棚頂污染物的目的。在清洗帶來(lái)回搓拉的過(guò)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(jiǎn)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。
綜上所述,由于目前,中國(guó)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(jiǎn)潔、易于推廣的方向前進(jìn)。近些年來(lái),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(jí)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(duì)我國(guó)南方普遍使用的帶有遮陽(yáng)網(wǎng)的連棟式塑料溫室棚頂清洗困難的問(wèn)題,通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,針對(duì)國(guó)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(guò)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。