文洛型溫室棚頂清洗機(jī)的研制與試驗(yàn)

李天華，董廣勝，施國(guó)英※，張觀山，王德倫，李廣華，李超群

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2. 泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，泰安 271000；3. 山東華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司，青州 262500）

0 引言

連棟溫室溫室作為中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1-2]，其面積已超過(guò)106hm2[3]。使用中其頂部易附著灰塵甚至滋生青苔[4-5]，造成透光率下降，從而妨礙作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，因此需要定期對(duì)棚頂清洗，以確保其充足的透光率。

國(guó)外對(duì)溫室清洗設(shè)備的研究起步較早，配套已經(jīng)具有較高的技術(shù)水平，其中以軌道式清洗機(jī)居多。荷蘭Van der Waay 公司生產(chǎn)的連棟溫室清洗機(jī)[6]，以鄰近兩行天溝為行走路徑，具備四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用滾刷對(duì)玻璃表面進(jìn)行清洗；MANOR等[7]設(shè)計(jì)的清洗機(jī)采用了騎跨橋結(jié)構(gòu)安裝在相鄰天溝之上，利用滾刷在騎跨橋上移動(dòng)進(jìn)行清洗，配套吸塵系統(tǒng)將灰塵儲(chǔ)存于兩側(cè)的收集容器內(nèi)；SEEMUANG[8]設(shè)計(jì)了一種塑料大棚清洗機(jī)，在溫室頂部與天溝位置安裝軌道，利用刮板對(duì)棚面進(jìn)行清潔，使用時(shí)需預(yù)先對(duì)棚面進(jìn)行噴淋，操作相對(duì)繁瑣；?ABUK等[9-10]設(shè)計(jì)了小型溫室清洗機(jī)器人，作業(yè)效率低，無(wú)法在文洛型連棟溫室上應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)溫室清洗設(shè)備的研究涵蓋了單棟溫室[11-14]與連棟溫室2 種類型，但絕大多數(shù)處于試驗(yàn)階段?？拙S蓉等[15-16]研發(fā)的玻璃溫室棚頂清洗機(jī)，采用毛刷輥沿玻璃表面行走的方式；何培祥等[17-21]設(shè)計(jì)的清洗機(jī)利用龍骨支架與棚面的支撐進(jìn)行清洗作業(yè)。此類清洗機(jī)僅適用于短距離試驗(yàn)，對(duì)于長(zhǎng)距離作業(yè)，拖拽電纜或水管將產(chǎn)生巨大的阻力，采用電池供電和水箱供水方式，續(xù)航能力將存在極大短板。此外，對(duì)于換行機(jī)構(gòu)欠缺研究，仍依賴人工輔助換行。為確保清洗效果，上述清洗機(jī)設(shè)計(jì)的清洗速度較低，不能滿足大面積連棟溫室作業(yè)要求。王云力等[22]設(shè)計(jì)的塑料大棚棚頂清洗機(jī)，采用清洗帶對(duì)棚面進(jìn)行清洗，但需人工在天溝中扶持操作清洗單體，其自動(dòng)化程度較低；陳玉梅等[23]設(shè)計(jì)了一種玻璃溫室清洗機(jī)，使用仿真方法進(jìn)行了相關(guān)分析，但尚未制造樣機(jī)驗(yàn)證清洗效果。

綜上所述，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有解決文洛型溫室高效智能清洗問(wèn)題，清洗設(shè)備仍以荷蘭進(jìn)口為主，購(gòu)置、維護(hù)價(jià)格高，關(guān)鍵核心技術(shù)存在“卡脖子”問(wèn)題。鑒于此，本文研究了一種文洛型溫室棚頂智能高效清洗機(jī)及配套換行清洗平臺(tái)，通過(guò)多傳感器融合實(shí)現(xiàn)了清洗機(jī)精準(zhǔn)換行對(duì)軌、障礙物檢測(cè)與可靠啟停；設(shè)計(jì)專用卷線裝置滿足了線纜收放與清洗機(jī)往返的同步控制。對(duì)研制樣機(jī)進(jìn)行了關(guān)鍵性能參數(shù)驗(yàn)證與清洗效果試驗(yàn)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化替代。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

文洛型溫室清洗系統(tǒng)包括清洗機(jī)與換行平臺(tái)。清洗機(jī)主要包括行走驅(qū)動(dòng)裝置、均勻卷線裝置、輥刷清洗裝置及控制系統(tǒng)等；換行平臺(tái)主要包括行進(jìn)裝置、導(dǎo)軌收放裝置、供水裝置及控制系統(tǒng)等。清洗機(jī)與換行平臺(tái)三維模型如圖1 所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 清洗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of cleaning machine

圖1 清洗機(jī)與換行平臺(tái)三維模型Fig.1 3D model of cleaning machine and line changing platform

1.2 工作過(guò)程

在開(kāi)始清洗前調(diào)整換行平臺(tái)使小導(dǎo)軌與天溝對(duì)齊，在清洗機(jī)組態(tài)屏上設(shè)置清洗行數(shù)、速度擋位等參數(shù)，點(diǎn)擊自動(dòng)運(yùn)行按鈕進(jìn)入自動(dòng)清洗模式。換行平臺(tái)放下小導(dǎo)軌，清洗機(jī)駛?cè)胩鞙蟽?nèi)，均勻卷線裝置隨清洗機(jī)的行進(jìn)同步放線。當(dāng)清洗機(jī)行進(jìn)到設(shè)定距離后開(kāi)始減速，并在到達(dá)天溝末端時(shí)停機(jī)并發(fā)出聲光報(bào)警提示。隨后清洗機(jī)返程，均勻卷線裝置隨清洗機(jī)的行進(jìn)同步收線。清洗機(jī)行進(jìn)到設(shè)定距離時(shí)，將減速運(yùn)行，直至清洗機(jī)返回?fù)Q行平臺(tái)后停機(jī)等待。換行平臺(tái)將小導(dǎo)軌收起后進(jìn)行換行操作，當(dāng)自動(dòng)對(duì)齊下一行天溝后，小導(dǎo)軌放下。清洗機(jī)駛?cè)胄滦欣^續(xù)清洗，直到作業(yè)完成。

2 清洗機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 行走驅(qū)動(dòng)裝置

本研究設(shè)計(jì)的清洗機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置適用于12 m 跨度、4 m 開(kāi)間[24]的文洛型連棟溫室。該裝置采用人字形設(shè)計(jì)，在相鄰兩行天溝內(nèi)行走，如圖2 所示。該裝置左右輪距為4 000 mm，前后輪距為1 500 mm。騎跨機(jī)架與支撐機(jī)架由外徑33 mm、壁厚2.5 mm 的無(wú)焊縫鐵管焊接而成。車(chē)輪直徑為400 mm，厚度為12 mm，外圈覆有橡膠層，即增加了與天溝的摩擦系數(shù)，又減少了對(duì)天溝的磨損。布線槽采用80 mm×60 mm 的方管，兩端連接驅(qū)動(dòng)倉(cāng)與卷線輪支架，方便布線且增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖2 行走驅(qū)動(dòng)裝置Fig.2 Traveling drive device

為確保四輪驅(qū)動(dòng)的一致性，提出了一種同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用單電機(jī)與減速器、萬(wàn)向節(jié)相結(jié)合的動(dòng)力傳遞方式。該系統(tǒng)的工作原理如下：與電機(jī)直接相連的減速器輸出端與單輸入三輸出減速器相連，經(jīng)聯(lián)軸器和中間軸將動(dòng)能傳遞給后端的單輸入雙輸出減速器，聯(lián)軸器連接的2個(gè)減速器的4個(gè)輸出端利用萬(wàn)向節(jié)改變傳動(dòng)方向，再經(jīng)伸縮傳動(dòng)軸與萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)能傳遞到4個(gè)行走輪。由此組成的四輪同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有效避免了車(chē)輪因潮濕等因素導(dǎo)致的打滑跑偏問(wèn)題，增加了行進(jìn)的平穩(wěn)性。

式中Ff為靜摩擦力，N；Fj為加速阻力，N；Fi為坡度阻力，N；Fw為空氣阻力，N。

其中，

式中μ1為軌道與車(chē)輪接觸摩擦系數(shù)，取0.3；m為整機(jī)滿載質(zhì)量，取700 kg；g為重力加速度，取10 N/kg；a為清洗機(jī)加速度，取0.1 m/s2；α0為天溝坡度，因天溝的建造一般較為標(biāo)準(zhǔn)，坡度較小，取2°；K為空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；V為清洗機(jī)運(yùn)行速度，取0.25 m/s；CD為空氣阻力系數(shù)；A0為清洗機(jī)迎風(fēng)面積，m2。

因清洗機(jī)運(yùn)行速度較低且迎風(fēng)面積較小，故忽略空氣阻力對(duì)清洗機(jī)行進(jìn)的影響，經(jīng)計(jì)算，總阻力為2 414.3 N。

式中r0為清洗機(jī)車(chē)輪半徑，取0.2 m。計(jì)算得為運(yùn)動(dòng)阻力矩482.9 N·m。

所選電機(jī)的扭矩與功率應(yīng)滿足下式：

式中T0為清洗機(jī)三相異步電機(jī)扭矩，N·m；為行走驅(qū)動(dòng)裝置的總減速比；P0為電機(jī)功率，kW；n0為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

為達(dá)到預(yù)期的行走速度，選定行走裝置的總減速比為196，電機(jī)采用2 極三相異步電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 840 r/min。經(jīng)計(jì)算，電機(jī)扭矩T0＞2.46 N·m，電機(jī)功率P0＞731.6 W?？紤]到多級(jí)傳動(dòng)過(guò)程中的功率損失，選取電機(jī)時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)余量。

2.2 均勻卷線裝置

為有效管理電纜與水管的收放，設(shè)計(jì)了均勻卷線裝置，如圖3 所示。

圖3 均勻卷線裝置Fig.3 Uniform winding device

該裝置由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)輸出軸經(jīng)一級(jí)減速器后，通過(guò)假雙排鏈輪進(jìn)行動(dòng)力傳遞。一條鏈條驅(qū)動(dòng)卷線輪，另一條鏈條驅(qū)動(dòng)均線減速器。均線減速器的輸出端小鏈輪帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條上的撥銷撥動(dòng)引線器在光軸上左右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了在收卷線的同時(shí)對(duì)電纜進(jìn)行均勻排布。

2.2.1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

均勻卷線裝置的關(guān)鍵參數(shù)包括卷線輪擋圈直徑、繞線圈寬度及均線減速器速比。

參考國(guó)內(nèi)外溫室的建造情況，清洗距離最遠(yuǎn)取300 m。按照J(rèn)B/T 8 137.1-2013 中裝盤(pán)容量的計(jì)算式：

式中L0為電纜或水管的長(zhǎng)度，取300 m；p0為卷線輪可纏繞電纜或水管層數(shù)；n為繞線圈每層的繞線圈數(shù)；d1為卷線輪擋圈直徑，mm；d2為繞線圈直徑，mm；l為繞線圈寬度，mm；δ為卷線輪裝載有效系數(shù)，其值根據(jù)實(shí)際情況確定，本文取1；D0為電纜或水管外徑，取14 mm；t為卷線輪的裝盤(pán)余量，其最小取值范圍為1.3D0～1.5D0，取21 mm。

根據(jù)GB/T 12 706.1-2008 中彎曲半徑的要求，設(shè)計(jì)繞線圈直徑d2為600 mm。繞線圈寬度l取電纜或水管外徑的25 倍，即350 mm。由式（9）計(jì)算得，p0取整后為6，d1為810 mm。

卷線輪鏈輪與均線器鏈輪均由假雙排鏈輪驅(qū)動(dòng)，速比i1為

式中z1為卷線輪鏈輪齒數(shù)，z2為均線器鏈輪齒數(shù)。為實(shí)現(xiàn)卷線裝置均勻卷線，需滿足當(dāng)卷線輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N0為25 時(shí)，帶銷鏈條移動(dòng)距離l0為350 mm，經(jīng)過(guò)節(jié)距數(shù)量n2為

式中p為節(jié)距，鏈條選用06B 型滾子鏈，取9.525 mm。用于驅(qū)動(dòng)帶銷鏈條的小鏈輪需旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n3為

式中z3為驅(qū)動(dòng)帶銷鏈條的小鏈輪齒數(shù)。則均線減速器速比i2為

選取卷線輪鏈輪齒數(shù)z1為50，均線器鏈輪齒數(shù)z2為25，小鏈輪齒數(shù)z1為10。經(jīng)計(jì)算，均線減速器速比i2為3.3。

2.2.2 卷線過(guò)程優(yōu)化分析

在收卷線的過(guò)程中，隨著一個(gè)均線周期的結(jié)束，繞線半徑將增加或減少一個(gè)電纜或水管的直徑。為保證均勻卷線裝置收放線線速度與清洗機(jī)行進(jìn)速度相匹配。收放線時(shí)的線速度應(yīng)滿足

式中vr為收放線線速度，m/s；I為卷線裝置總減速比；R0為實(shí)時(shí)卷線半徑，m；ω0為卷線電機(jī)角速度，rad/s。

采用光電傳感器獲取卷線半徑r，并計(jì)算實(shí)時(shí)卷線半徑R0為

式中r為繞線圈半徑，m；kn為由傳感器檢測(cè)所得的卷線層數(shù)。

按照上述方案對(duì)卷線電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)行進(jìn)速度時(shí)，需考慮線材的抗拉強(qiáng)度，電纜與水管不能長(zhǎng)距離保持拉直的狀態(tài)。為保護(hù)電纜與水管，在控制程序中加入速度補(bǔ)償，達(dá)到使電纜與水管在清洗機(jī)開(kāi)始清洗后緩慢落入天溝的效果。

2.3 輥刷清洗裝置

輥刷清洗裝置如圖4 所示，輥刷支架由直徑33.5 mm的鋼管焊接而成，在頂部焊接帶有外絲的鐵質(zhì)接頭作為入水口；懸吊裝置的上端通過(guò)調(diào)節(jié)手柄調(diào)整支架懸掛高度，改變輥刷角度；支架下端采用扁帶進(jìn)行懸掛，利用收緊器進(jìn)行高度調(diào)節(jié)；支架兩側(cè)鐵管下表面均設(shè)有4個(gè)位于中上部直徑為1.5 mm 的開(kāi)孔，完成對(duì)棚頂沖洗；支架下部末端設(shè)計(jì)有放水結(jié)構(gòu)，用于排放管內(nèi)剩水。

圖4 輥刷清洗裝置Fig.4 Roller brush cleaning device

2.3.1 輥刷清洗過(guò)程分析

為確保刷毛與溫室棚頂有充分接觸，對(duì)兩者的相關(guān)作用進(jìn)行分析，如圖5 所示。為方便展示，每組刷毛用一條線表示，圖中刷毛組數(shù)只為分析，并不代表實(shí)際組數(shù)。刷毛對(duì)棚面的清洗過(guò)程分為3個(gè)關(guān)鍵階段。首先是刷毛與棚面剛接觸時(shí)，即發(fā)生形變的瞬間，如圖點(diǎn)C位置。其次是刷毛與棚面接觸的階段，對(duì)應(yīng)圖中線段AC所表示的區(qū)間。在這個(gè)階段，刷毛與棚面的接觸區(qū)間角度為2θ。最后是刷毛剛離開(kāi)棚面時(shí)，恢復(fù)到未變形狀態(tài)，如圖點(diǎn)A位置。

圖5 輥刷與棚面接觸示意圖Fig.5 Schematic diagram of the contact between the roller brush and the shed surface

為實(shí)現(xiàn)輥刷對(duì)棚面的充分清洗，設(shè)計(jì)清洗機(jī)在經(jīng)過(guò)兩者接觸范圍區(qū)間長(zhǎng)度時(shí)，輥刷至少旋轉(zhuǎn)1 周，則有：

式中S為輥刷與棚面的接觸距離，對(duì)應(yīng)圖5 線段AC的長(zhǎng)度，m；t0為輥刷清洗S距離的時(shí)間，s。

對(duì)輥刷進(jìn)行調(diào)整，使毛刷最大形變量為15 mm，由此計(jì)算得S約為0.194 m，t0約為0.776 s，ω取12.6 rad/s，則ωt0值約為3.1π，大于2π，滿足設(shè)計(jì)要求，可取得良好得清洗效果。實(shí)際采用的輥刷共有32 組刷毛，α為11.25°，接觸區(qū)間角度為

計(jì)算得2θ值約為35.22°，清洗時(shí)至少有3 組刷毛與薄膜接觸。

2.3.2 輥刷驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

棚面對(duì)輥刷的作用力Fn為[26]

式中E為輥刷毛刷的彈性模量，取1.4×109Pa[27]；J為輥刷刷毛的截面慣性矩，m4；D為刷毛直徑，取0.001 m；N為與棚面接觸的輥刷刷毛數(shù)量；Nm為輥刷實(shí)際刷毛總數(shù)量，取32 000；L1為刷毛實(shí)際長(zhǎng)度，取0.1 m；Yk為刷毛旋轉(zhuǎn)到最大變形處時(shí)在棚面垂直方向的長(zhǎng)度，取0.085 m；kβ為積分系數(shù)，取0.6。

輥刷驅(qū)動(dòng)力矩M為[28]

式中μ2為輥刷與棚面的摩擦系數(shù)，取0.3。

故驅(qū)動(dòng)輥刷轉(zhuǎn)動(dòng)所需功率P1為

式中k0為負(fù)載系數(shù)，取3。經(jīng)計(jì)算，P1為151.2 W，在選取輥刷電機(jī)時(shí)需留有必要余量。

2.4 輔助換行平臺(tái)

在溫室山墻側(cè)安裝50 mm×50 mm 的方管作為換行平臺(tái)的運(yùn)行軌道，在屋脊處安裝鐵管與小鐵板組成的屋脊標(biāo)志桿。換行平臺(tái)的主動(dòng)輪壓在軌道上運(yùn)行，兩側(cè)有滾針軸承組成的限位輪，確保主動(dòng)輪在軌運(yùn)行；從動(dòng)輪為實(shí)心橡膠輪，用以輔助支撐。平臺(tái)對(duì)軌系統(tǒng)由編碼器與接近開(kāi)關(guān)組成，編碼器用于移動(dòng)速度控制，接近開(kāi)關(guān)用于平臺(tái)中心與屋脊標(biāo)志桿對(duì)齊停機(jī)。換行過(guò)程中換行平臺(tái)先收起小導(dǎo)軌后逐漸加速至最高擋速度（0.229 m/s），在距目標(biāo)位置約1 m 處開(kāi)始減速，以中擋速度（0.092 m/s）繼續(xù)運(yùn)行，在距目標(biāo)位置約0.2 m 處，換行平臺(tái)繼續(xù)減速并減至最低擋速度（0.046 m/s），隨后以最低擋速度運(yùn)行，直到接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到屋脊標(biāo)志桿后停機(jī)并再次放下小導(dǎo)軌。溫室山墻軌道、屋脊標(biāo)志桿及換行平臺(tái)實(shí)物如圖6 所示。

圖6 溫室山墻軌道、屋脊標(biāo)志桿及換行平臺(tái)實(shí)物Fig.6 Physical objects of greenhouse gable track,ridge marker post,and transfer platform

換行平臺(tái)對(duì)外置電纜與水管進(jìn)行牽引。其中水管經(jīng)電磁閥接入換行平臺(tái)的水箱中，水箱下部的放水口使用不銹鋼波紋管與水泵入水口相連接。水泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，將水泵出到連接清洗機(jī)的高壓水管中，高壓水管經(jīng)換行平臺(tái)后端圍欄固定后引入清洗機(jī)的卷線裝置。水箱外殼上部與中部安裝有非接觸式液位傳感器，當(dāng)水箱液位低于一半時(shí)，電磁閥自動(dòng)打開(kāi)為水箱進(jìn)行補(bǔ)水，直到水滿時(shí)電磁閥關(guān)閉。供水裝置實(shí)物如圖7 所示。

圖7 供水裝置實(shí)物Fig.7 Physical water supply device

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一套基于多傳感器感知的安全冗余清洗機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖8 所示。PLC 一體機(jī)通過(guò)行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等傳感器，采集天窗開(kāi)啟狀態(tài)、卷線狀態(tài)等信號(hào)并進(jìn)行處理，控制變頻器及交流接觸器等實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)的有序驅(qū)動(dòng)。

圖8 清洗機(jī)控制系統(tǒng)組成Fig.8 Cleaning machine control system composition

3.1 硬件組成

3.1.1 運(yùn)行檢測(cè)系統(tǒng)

1）發(fā)車(chē)檢測(cè)發(fā)車(chē)檢測(cè)采用方形激光傳感器BX-552，檢測(cè)距離最大為300 mm，NPN（negative-positive-negative）輸出型，安裝在清洗機(jī)前進(jìn)運(yùn)行方向一側(cè)的支撐架豎板上（圖9a）。清洗機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)此信號(hào)得到小導(dǎo)軌的收放狀態(tài)并與換行平臺(tái)配合工作。

圖9 運(yùn)行檢測(cè)傳感器Fig.9 Operation detection sensors

2）邊緣檢測(cè)

邊緣檢測(cè)采用可調(diào)滾輪轉(zhuǎn)臂式行程開(kāi)關(guān)LXK3-20S/T，安裝在清洗機(jī)支撐架單側(cè)前后的豎板上（如圖9b）。用來(lái)分別檢測(cè)天溝盡頭進(jìn)行停機(jī)換向及換行平臺(tái)上的豎板而停機(jī)。

3）卷線輪計(jì)數(shù)

卷線輪計(jì)數(shù)采用NPN 型接近開(kāi)關(guān)CDJ10-I2A18AN，檢測(cè)距離8 mm，安裝在卷線輪的一側(cè)（如圖9c）。用以獲得清洗機(jī)與換行平臺(tái)的距離及卷線輪平均轉(zhuǎn)速。

3.1.2 安全防護(hù)系統(tǒng)

1）天窗防撞檢測(cè)

天窗防撞檢測(cè)采用行程開(kāi)關(guān)LXJM8108，加裝雙層支架，中間穿入碳素桿并固定（如圖10a）。當(dāng)清洗機(jī)行進(jìn)時(shí)遇到開(kāi)啟的天窗，碳素桿將被撥動(dòng)，從而觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，清洗機(jī)將緊急停機(jī)并進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖10 安全防護(hù)傳感器Fig.10 Safety protection sensors

2）防脫軌檢測(cè)

防脫軌檢測(cè)采用行程開(kāi)關(guān)LXK3-20S/J，安裝于換行平臺(tái)兩側(cè)距離邊緣50 cm 處（如圖10b），用于檢測(cè)換行平臺(tái)移動(dòng)軌道邊緣，避免在手動(dòng)模式及自動(dòng)模式下因操作不當(dāng)或參數(shù)設(shè)置失誤而導(dǎo)致的脫軌現(xiàn)象。

3.1.3 電機(jī)選型與驅(qū)動(dòng)

清洗機(jī)所用電機(jī)包括行走、卷線及清洗電機(jī)。經(jīng)過(guò)前期分析計(jì)算結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)所用電機(jī)進(jìn)行了合理選型，得到如下選型結(jié)果：行走用三相異步電機(jī)1 臺(tái)，額定功率750 W，額定轉(zhuǎn)速2 840 r/min；卷線用三相異步電機(jī)2 臺(tái)，額定功率380 W，額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min；天溝刷用三相異步電機(jī)1 臺(tái)，額定功率120 W，額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min；輥刷用三相異步電機(jī)2 臺(tái)，額定功率190 W，額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min。行走與卷線電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，與PLC 一體機(jī)由RS485 通信，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能；天溝刷與輥刷電機(jī)使用交流接觸器進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換控制。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

清洗機(jī)控制器為中達(dá)優(yōu)控PLC 一體機(jī)，型號(hào)為MM-40MR-12MT-700-ES-E。在Windows10 操作系統(tǒng)下進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。PLC 開(kāi)發(fā)軟件采用WPLsoft，使用梯形圖編程，程序設(shè)計(jì)流程如圖11 所示。人機(jī)交互界面采用中達(dá)優(yōu)控的YK builder 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，根據(jù)PLC 程序所需的控制接口設(shè)計(jì)功能選擇、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式和參數(shù)設(shè)置等界面。部分界面如圖12 所示。

圖11 控制流程圖Fig.11 Control flow chart

圖12 部分人機(jī)交互界面Fig.12 Part of human-computer interaction interfaces

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 樣機(jī)制作與試驗(yàn)棚搭建

2022 年3 月在山東華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司完成了樣機(jī)加工與試驗(yàn)棚的建造?？紤]到安全與空間等因素，試驗(yàn)棚高2 m，棚長(zhǎng)8 m，共2 小跨，南北走向。試驗(yàn)樣機(jī)與試驗(yàn)棚如圖13 所示。

圖13 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.13 Prototype test

4.2 樣機(jī)性能試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1）最大運(yùn)行速度

試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定清洗機(jī)為0.265 m/s 的最大運(yùn)行速度。因試驗(yàn)棚較短，且清洗機(jī)在運(yùn)行時(shí)存在加速與減速的過(guò)程，因此取中間3 m 的區(qū)域作為最大運(yùn)行速度的采集區(qū)域，用黃色膠帶進(jìn)行區(qū)間標(biāo)記，并用秒表計(jì)時(shí)，進(jìn)行5次試驗(yàn)，計(jì)算5 次速度，取平均值。

2）停機(jī)余量

停機(jī)余量指標(biāo)對(duì)于清洗機(jī)在天溝運(yùn)行期間的安全性具有重要影響。在試驗(yàn)中，設(shè)定清洗機(jī)速度為0.265 m/s的最高速度，當(dāng)清洗機(jī)運(yùn)行到天溝盡頭時(shí)，邊緣傳感器觸發(fā)，清洗機(jī)自動(dòng)停機(jī)。此時(shí)，測(cè)量清洗機(jī)支架邊緣與天溝末端攔截豎板之間的距離，該距離被定義為清洗機(jī)的停機(jī)余量。進(jìn)行5 次試驗(yàn)，取平均值。

3）平臺(tái)換行時(shí)間

由于換行平臺(tái)在啟動(dòng)與停止時(shí)移動(dòng)速度較慢，使用肉眼觀測(cè)計(jì)時(shí)可能導(dǎo)致較大誤差，因此采用PLC 結(jié)合傳感器進(jìn)行程序計(jì)時(shí)的方式以獲取換行過(guò)程時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)，將清洗機(jī)停靠于換行平臺(tái)，進(jìn)行5 次試驗(yàn)，取平均值。

4）平臺(tái)對(duì)齊誤差

換行平臺(tái)與天溝的對(duì)齊程度決定了清洗機(jī)能否順利駛?cè)胩鞙线M(jìn)行清洗作業(yè)。試驗(yàn)時(shí)，將標(biāo)尺固定在天溝內(nèi)，在小導(dǎo)軌邊緣位置固定上用于標(biāo)定中心位置的貼紙，運(yùn)行自動(dòng)換行程序，記錄小導(dǎo)軌中心線在天溝內(nèi)標(biāo)尺的位置，得到其與天溝中心線的偏差值，測(cè)試5 次，取平均值。

4.2.2 樣機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

樣機(jī)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 樣機(jī)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of prototype performance parameters

測(cè)試發(fā)現(xiàn)清洗機(jī)停機(jī)過(guò)程可分為2個(gè)階段，一是停機(jī)后由于慣性向前滑動(dòng)，二是停止前晃動(dòng)幾次。2個(gè)階段清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)幅度均很小?；蝿?dòng)的原因是4 根可伸縮傳動(dòng)軸插接處存在一定的機(jī)械間隙，對(duì)清洗機(jī)安全停機(jī)并無(wú)影響；清洗機(jī)在停機(jī)后與天溝邊緣留有的安全距離足以避免發(fā)生碰撞事故，符合安全設(shè)計(jì)的要求。前期測(cè)試表明，換行平臺(tái)對(duì)齊誤差在10 mm 以內(nèi)均可確保清洗機(jī)順利通過(guò)小導(dǎo)軌進(jìn)出天溝，當(dāng)前對(duì)齊誤差試驗(yàn)平均值遠(yuǎn)小于此值，符合對(duì)軌精度的設(shè)計(jì)要求。清洗機(jī)最高運(yùn)行速度可達(dá)0.265 m/s，此性能參數(shù)與國(guó)外主流產(chǎn)品持平；換行時(shí)間為22.84 s，小于國(guó)外主流產(chǎn)品40 s 換行時(shí)間。

4.3 清洗效果試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)材料與方法

將試驗(yàn)棚的2 跨溫室分為A、B 兩組，A 組清洗、B 組不清洗。在每間溫室內(nèi)2、4、6 m 處的棚頂支撐龍骨上側(cè)距天溝約30 cm 處各放置1 臺(tái)HOBO Pendant UA-002-64 型光照強(qiáng)度傳感器。傳感器位置距離薄膜5 cm 左右，減少了散射光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。具體現(xiàn)場(chǎng)布置如圖14 所示。

圖14 光照強(qiáng)度傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置位置Fig.14 Site layout location of light intensity sensors

兼顧清洗效率與行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)期可靠工作功率要求，設(shè)定清洗機(jī)行進(jìn)速度為0.25 m/s、輥刷轉(zhuǎn)速為120 r/min、水泵流量為34 L/min 時(shí)進(jìn)行清洗效果試驗(yàn)。于2022 年10 月28 日07:00 對(duì)溫室A 清洗，隨后設(shè)定傳感器每隔1 h 采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。薄膜透光率T為[29]

式中It為透過(guò)薄膜的光照強(qiáng)度，lx，本試驗(yàn)中為溫室內(nèi)部傳感器采集的光照強(qiáng)度；Io為入射的平行光的強(qiáng)度，lx，本試驗(yàn)中為溫室外同高度傳感器采集的光照強(qiáng)度。

4.3.2 清洗試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)所得光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖15 所示，當(dāng)天晴間多云。

圖15 清洗效果試驗(yàn)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)Fig.15 Light intensity data for cleaning effect tests

在08:00 時(shí)，溫室B 的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)過(guò)低，原因是此時(shí)的太陽(yáng)高度角較低，溫室A 屋脊遮擋了光線。16:00以后，太陽(yáng)高度角較小，被附近的建筑物所遮擋，因此采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)在16:00 以后明顯降低且各組別相差較小。因09:00—15:00 區(qū)間在一天中光照最強(qiáng)，數(shù)據(jù)更具有代表性[11]，故選取此區(qū)間內(nèi)的光照強(qiáng)度用于計(jì)算1 d 的平均透光率。由編號(hào)4、5、6 光強(qiáng)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算的平均透光率分別64.8%、69.9%、70.8%，由編號(hào)1、2、3 光強(qiáng)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算的平均透光率分別為87.3%、89.2%、85.0%。由以上平均透光率數(shù)據(jù)可知，未經(jīng)清洗的溫室B，其平均透光率在68%左右，經(jīng)過(guò)清洗可提高到86%左右，提高約18個(gè)百分點(diǎn)，透光率提升明顯。

5 結(jié)論

針對(duì)國(guó)內(nèi)文洛型溫室頂部清洗機(jī)依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種文洛型溫室全電動(dòng)清洗機(jī)。為保證行走裝置驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了單電機(jī)四輪同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、線纜與水管長(zhǎng)距離有序收放卷線裝置；對(duì)毛刷與棚面的接觸過(guò)程進(jìn)行分析，優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)參數(shù)；設(shè)計(jì)了基于多傳感器融合的清洗、換行可靠檢測(cè)與控制系統(tǒng)。研制了清洗與換行樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

1）清洗機(jī)最高運(yùn)行速度為0.265 m/s，停機(jī)余量為28.4 mm，換行時(shí)間為22.84 s，對(duì)齊誤差為1.6 mm，關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品要求。

2）以薄膜透光率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行了清洗效果試驗(yàn)，結(jié)果表明，在行進(jìn)速度0.25 m/s，輥刷轉(zhuǎn)速120 r/min，水泵流量34 L/min 的條件下，未經(jīng)清洗透光率約68%的薄膜清洗后可達(dá)到86%左右，清洗效果明顯。