棚室設(shè)施覆膜機(jī)械的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉曉東 陳林 張亞振 孟川

1、河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所 2、河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司

前言

我國(guó)從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始進(jìn)行設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的研究，至今，設(shè)施結(jié)構(gòu)、設(shè)施類型不斷豐富，保溫蓄熱、結(jié)構(gòu)功能日益完善，促進(jìn)了設(shè)施蔬菜的生產(chǎn)并保障了市場(chǎng)供應(yīng)。設(shè)施結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了竹木結(jié)構(gòu)、混凝土骨架、石膏混合骨架直至鋼架結(jié)構(gòu)，一些設(shè)施專用零配件如卡簧槽、卡膜簧、卷膜器等得以開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，機(jī)械化程度逐漸提高。但諸多的生產(chǎn)細(xì)節(jié)問(wèn)題需要農(nóng)民付出大量的勞動(dòng)力，其中棚室設(shè)施的塑料薄膜覆蓋問(wèn)題比較突出。首先，更換塑料膜時(shí)，覆膜操作受天氣影響較大，一般棚室設(shè)施的主膜面積大，寬度在8～12米，棚膜展開(kāi)后風(fēng)阻極大，人力無(wú)法抗拒，造成只能選擇無(wú)風(fēng)天氣覆膜，時(shí)間短、工作量大、強(qiáng)度高；其次，覆膜過(guò)程用工多達(dá)8～10人，覆膜成本居高不下；再次，人工覆膜操作易破膜，徒手用力拉膜容易將棚膜摳破，降低棚膜的使用年限；最后，人工覆膜平展度不夠，易造成灰塵覆蓋，影響棚室內(nèi)作物的采光，同時(shí)不利于膜上雨雪的清除。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種適用于棚室、設(shè)施覆膜的機(jī)械設(shè)備——棚室設(shè)施覆膜機(jī)，以提高覆膜效率和覆膜質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和覆膜成本、促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)健康發(fā)展。

1 覆膜機(jī)械的設(shè)計(jì)原理

1.1 覆膜機(jī)械的主要組成部分

棚室設(shè)施覆膜機(jī)械主要由主機(jī)、輔機(jī)、雙向支架、轉(zhuǎn)膜軸等組成。其中，主機(jī)指由兩級(jí)變速傳統(tǒng)系統(tǒng)、主動(dòng)箱及其底座、鎖緊裝置、手動(dòng)搖把等組成；輔機(jī)指配合主機(jī)輸出軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)的從動(dòng)箱及其轉(zhuǎn)軸等組成；雙向支架是由兩組結(jié)構(gòu)相似、方向相反的兩組架體組成；轉(zhuǎn)膜軸是一根兩端開(kāi)有長(zhǎng)鍵槽可與兩端主輔機(jī)軸連接的鋼管。工作原理如圖1所示，覆膜機(jī)械安裝在溫室設(shè)施的側(cè)墻上，塑料薄膜的一端固定在覆膜機(jī)械的轉(zhuǎn)膜軸上，另一端固定溫室設(shè)施的另一側(cè)，通過(guò)手動(dòng)搖把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)模軸，拉緊塑料薄膜，完成覆膜。

圖1 覆膜機(jī)械工作原理示意

1.2 覆膜機(jī)械的省力原理

利用減速增扭、杠桿減力原理，設(shè)計(jì)了兩級(jí)減速傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)桿搖把機(jī)構(gòu)。

兩級(jí)減速傳動(dòng)比均為2∶1，總減速比為4∶1，根據(jù)減速增扭原理，通過(guò)減速齒輪箱能把人力手臂產(chǎn)生的扭矩增大4倍，通俗的講就是實(shí)現(xiàn)增力達(dá)到4倍。

搖把的搖桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)則越省力，根據(jù)便于人員操作的原則，設(shè)計(jì)手動(dòng)搖把的動(dòng)力臂與轉(zhuǎn)膜軸的阻力臂長(zhǎng)度比為20∶1，相比于直接轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)膜軸，搖把實(shí)現(xiàn)增力20倍。

1.3 覆膜機(jī)械的安裝方法

根據(jù)棚室和設(shè)施的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)便捷式固定卡扣，簡(jiǎn)化覆膜機(jī)械的安裝流程。將卡扣固定于棚室的側(cè)面支架或者設(shè)施的側(cè)墻，雙向支架通過(guò)卡扣與棚室設(shè)施固定連接，可拆卸。覆膜機(jī)械與雙向支架之間采用滑動(dòng)方形套管+限位形式安裝，方便裝卸。

2 覆膜機(jī)械的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 減速齒輪箱設(shè)計(jì)

減速齒輪箱設(shè)計(jì)遵循小巧、靈活、成本低的原則，主要考慮其功能性、可靠性。硬齒面開(kāi)式傳動(dòng)的承載能力主要取決于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，模數(shù)選大些有利于承載能力提高。根據(jù)設(shè)計(jì)目的以及實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，以一個(gè)成年人的上肢力量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并參考塑料薄膜的抗拉強(qiáng)度來(lái)計(jì)算校核減速箱的參數(shù)。以輸入800N的力,力臂長(zhǎng)度（手動(dòng)搖把長(zhǎng)度）為0.24m計(jì)算。

減速箱輸入扭矩T1=800N×0.24m=192N·m;

減速箱的減速比i=4∶1；

輸出扭矩T2=T1×i×η；

齒輪傳動(dòng)的效率與齒輪的類型、加工精度以及潤(rùn)滑情況都有關(guān)，一般情況下圓柱直齒輪傳動(dòng)的效率為0.9～0.99；本設(shè)計(jì)中減速箱為兩級(jí)圓柱直齒輪傳動(dòng)，取最低值計(jì)算，η=0.9×0.9=0.81；

則輸出扭矩T2=192N·m×4×0.81=622.08N·m；

則計(jì)算可知，輸入軸d1≥18.17mm;

輸出軸d2≥26.88mm。

在根據(jù)輸入扭矩計(jì)算出軸徑的范圍后，再通過(guò)覆膜的阻力進(jìn)行反向驗(yàn)證。常用大棚塑料膜的厚度0.08～0.15mm之間。查閱文獻(xiàn)及資料[1-2]，農(nóng)用塑料薄膜的拉伸強(qiáng)度≥16Mpa;則當(dāng)覆膜寬度為8m時(shí)，覆膜能夠產(chǎn)生的最大阻力扭矩T3計(jì)算如下。

計(jì)算公式：T3=F×L；

取轉(zhuǎn)膜軸力臂L=0.05m(考慮卷膜后增加的半徑)；

覆膜能夠產(chǎn)生的最大阻力扭矩T3的范圍為T(mén)0.08～T0.15。當(dāng)大棚或設(shè)施覆蓋的塑料薄膜厚度為0.08mm時(shí)，覆膜能夠產(chǎn)生的最大阻力扭矩為512N·m;參照前面計(jì)算，當(dāng)用800N的力（相當(dāng)于提起約80kg重物）轉(zhuǎn)動(dòng)覆膜機(jī)的手動(dòng)搖把時(shí)，產(chǎn)生的輸出扭矩為622.08N·m，將可能會(huì)扯壞塑料薄膜。反向推理，塑料薄膜的使用已經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，故常規(guī)覆膜操作產(chǎn)生的阻力必然小于其抗拉強(qiáng)度。故此，使用覆膜機(jī)時(shí)，輸入的力必然低于800N即可完成覆膜作業(yè)。當(dāng)棚室設(shè)施覆蓋的塑料薄膜厚度為0.15mm時(shí)，覆膜的最大阻力扭矩為960N·m;計(jì)算可知扯壞0.15mm塑料薄膜的輸入力約為1234N(輸入扭矩為296N·m)，輸出軸d2≥31.07mm，輸入軸d1≥20.10mm。

因此，考慮安全使用，并結(jié)合生產(chǎn)工藝，確定輸入軸d1=27mm，輸出軸d2=31mm。既確保減速齒輪箱的強(qiáng)度能夠滿足使用要求，又盡可能使其結(jié)構(gòu)輕簡(jiǎn)。齒輪選取模數(shù)2，兩組減速齒輪分別為18齒和36齒，45#鋼材質(zhì)，調(diào)質(zhì)處理。圖2為減速齒輪箱總裝示意圖，減速齒輪箱整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因轉(zhuǎn)速較低，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較短，故采用耐磨套代替軸承，齒輪使用黃油潤(rùn)滑，可以有效降低制作成本和維護(hù)難度，便于在田間地頭使用、推廣。減速箱整體可以和安裝支架快速拆卸，方便在大棚設(shè)施之間轉(zhuǎn)移使用，提高利用率。

圖2 減速齒輪箱總裝示意圖

2.2 安裝支架設(shè)計(jì)

棚室和溫室設(shè)施的結(jié)構(gòu)有差異，考慮到覆膜機(jī)的通用性，其安裝支架應(yīng)兼顧棚室和設(shè)施的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如圖3所示，安裝支架由主支架、旋轉(zhuǎn)支架、撐桿和卡扣等組成。通過(guò)卡扣將主支架固定在棚室的骨架或設(shè)施的側(cè)墻上，減速齒輪箱安裝在旋轉(zhuǎn)支架上。兩個(gè)安裝支架對(duì)稱布置，成對(duì)使用。與減速齒輪箱相對(duì)的位置安有與減速齒輪箱輸出軸同軸的固定轉(zhuǎn)軸，在輸出軸和固定轉(zhuǎn)軸之間安裝轉(zhuǎn)膜軸。轉(zhuǎn)膜軸的長(zhǎng)度需根據(jù)棚室或設(shè)施的鋪膜寬度確定。轉(zhuǎn)膜軸設(shè)計(jì)有可以固定塑料薄膜的卡槽。

圖3 安裝支架示意圖

3 覆膜機(jī)試驗(yàn)

3.1 覆膜機(jī)仿真分析

構(gòu)建覆膜機(jī)的完整三維設(shè)計(jì)圖，根據(jù)理論分析的受力情況，進(jìn)行整機(jī)受力仿真分析。如圖4所示。根據(jù)分析結(jié)果，初步判斷覆膜機(jī)在理論分析的受力條件下能夠滿足使用要求。

圖4 覆膜機(jī)受力仿真分析

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選取常規(guī)塑料大棚設(shè)施進(jìn)行覆膜試驗(yàn)，覆膜寬度8m，長(zhǎng)度60m。圖5為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。使用覆膜機(jī)只需4名人員即可完成覆膜作業(yè)，并且覆膜平整，整體效果較好。覆膜機(jī)的手動(dòng)搖把輸入力矩最大值約為100N·m，輸出扭矩約為360N·m；結(jié)合前文計(jì)算公式可知，操作人員相當(dāng)于用提起40kg重物的力量即可完成覆膜機(jī)的操作，減速齒輪箱的傳遞效率η為0.9。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4 效益分析

（1）直接經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的棚室設(shè)施人工覆膜方式人工投入量為平均8人/棟，應(yīng)用該設(shè)備可直接將覆膜人工投入量減少至4人/棟，節(jié)約人工50%。按照人均日工資200元計(jì)算，可節(jié)約成本800元/天，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）間接經(jīng)濟(jì)效益。該設(shè)備的應(yīng)用，有效解決了刮風(fēng)天氣人工無(wú)法覆膜的問(wèn)題，一般4～5級(jí)風(fēng)力以下均可正常覆膜作業(yè)；同時(shí)，覆蓋的棚膜相對(duì)人工作業(yè)更為平展，降低了薄膜皺縮引發(fā)的日光漫反射損失，提高了日光通透率，增強(qiáng)了棚室的采光增溫效果，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)；另外，機(jī)械化操作有效規(guī)避了人工覆膜手動(dòng)拉抻棚膜造成的破膜風(fēng)險(xiǎn)，也降低了人工高處作業(yè)因風(fēng)力帶來(lái)的意外傷害風(fēng)險(xiǎn)；此外，采用機(jī)械化覆膜可同時(shí)固定多棟棚室設(shè)施的棚膜，然后由人工有序地進(jìn)行卡簧、綁壓膜繩等操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高覆膜效率。

（3）社會(huì)效益。該設(shè)備的應(yīng)用，可顯著減低棚室覆膜活動(dòng)中對(duì)技術(shù)、人員年齡的要求限制，甚至產(chǎn)生專業(yè)棚室覆膜隊(duì)，帶動(dòng)農(nóng)民就業(yè)，有著良好的社會(huì)效益前景。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)棚室和設(shè)施研制的覆膜機(jī)能夠有效節(jié)省人工，提高覆膜質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，具有推廣價(jià)值。當(dāng)輸入扭矩為100N·m，輸出扭矩為360N·m，能夠完成棚室或設(shè)施的覆膜作業(yè)。該輸入扭矩在覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)之內(nèi)，距離極限值較遠(yuǎn)，證明覆膜機(jī)輸出軸及輸出軸設(shè)計(jì)合理，能夠安全使用。