劉禹含　張鳳嘉　詹廣強(qiáng)

目前，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，溫室蔬菜大棚越建越多，但在我國(guó)北方地區(qū)，尤其是東北部，冬季大棚積雪影響屋面的透光性和保溫性，不利于喜陽(yáng)植物的生長(zhǎng)，且影響大棚的總體強(qiáng)度和剛度。目前農(nóng)業(yè)大棚除雪多為手工作業(yè)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于一個(gè)150m長(zhǎng)的大棚，除雪工作需要5個(gè)人花費(fèi)3—4h才能完成。除雪時(shí)間較長(zhǎng)，不僅會(huì)造成其他屋面積雪清掃的延遲，還會(huì)影響到溫室草簾的快速卷起，減少了農(nóng)作物正常的光照時(shí)間，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)。更重要的是白天光照時(shí)間短，會(huì)造成晚上棚內(nèi)溫度繼續(xù)降低，蔬菜生長(zhǎng)緩慢或有被凍死的可能，造成直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。

目前溫室大棚的機(jī)械化除雪主要是采用融雪管，在雨槽下安置化雪管，提高大棚內(nèi)溫度融化屋面積雪，這種方法融雪時(shí)間長(zhǎng)、耗能大，并且投資和運(yùn)行費(fèi)用均比較高；整體輸送式大棚屋面除雪裝置，制造成本較高，不適合多個(gè)相鄰大棚屋面的除雪，不易于推廣應(yīng)用，現(xiàn)有的機(jī)械化大棚除雪裝置是利用空氣迅速流動(dòng)原理進(jìn)行除雪，存在效率低、噪音大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍有限。針對(duì)尚未出現(xiàn)高效的大棚除雪裝置的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新型大棚除雪機(jī)，樣機(jī)試驗(yàn)效果良好，為冬季大棚除雪提供了一種有效的低運(yùn)行費(fèi)用除雪設(shè)備。

大棚除雪機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大棚除雪機(jī)的工作原理。新型溫室除雪機(jī)安裝在農(nóng)用行走機(jī)械之上，利用車載液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于清掃溫室屋面積雪，并將其輸送到溫室外側(cè)底部，底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)將從屋面清掃下來的積雪輸送到田間合適位置。

由于新型溫室除雪機(jī)在田間相鄰溫室之間作業(yè)，受實(shí)際作業(yè)環(huán)境限制，因此溫室除雪機(jī)的高度、寬度等都有明確要求，其具體設(shè)計(jì)要求如下：能在田間道路上行駛自如；能將溫室頂部積雪清掃干凈，且能使溫室底部積雪搬運(yùn)到合適位置。

可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)便，整個(gè)除雪過程一人即可完成。

大棚除雪機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)溫室除雪機(jī)的工作原理、功能實(shí)現(xiàn)和控制要求，其主要結(jié)構(gòu)為：頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)、底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)、車體、控制部分、伸縮裝置等。具體組成部分如圖l所示。

1.液壓馬達(dá)；2.毛刷；3.毛刷軸；4.軸承；5.聯(lián)軸器；6.支撐輪；7.毛刷支撐架；8.連接銷；9.壓簾桿

大棚除雪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。溫室除雪機(jī)主要分為兩部分：頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別用來清掃大棚頂部和底部積雪。具體設(shè)計(jì)參數(shù)由大棚整體結(jié)構(gòu)及其所在田間位置而定。

頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖2所示，頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用螺旋分布式硬質(zhì)毛刷，共有五段，每段毛刷固定在各自驅(qū)動(dòng)軸上，軸之間采用聯(lián)軸器相連，保證動(dòng)力傳遞。毛刷支撐架用來支撐毛刷及其驅(qū)動(dòng)軸，毛刷支撐架分為四段，每段之間用銷軸連接。每段清掃機(jī)構(gòu)都作用在支持輪上，為了減少對(duì)溫室屋面的壓力，采用6個(gè)支撐輪。北方地區(qū)冬季溫室屋面上都有草簾覆蓋，為避免除雪過程中，旋轉(zhuǎn)毛刷卷起草簾，采用壓簾桿以防止草簾被卷起。

為減輕頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量和降低能耗。毛刷材料選用中等強(qiáng)度的硬質(zhì)塑料制成，呈細(xì)長(zhǎng)圓柱狀。毛刷軸采用中空鋼管，不僅保證了強(qiáng)度和剛度，而且減輕了重量。毛刷支撐架全部采用高強(qiáng)度鋁合金制成，支撐輪采用復(fù)合橡膠輪。頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)總圖如圖3所示。

底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。溫室除雪機(jī)底部采用異形螺旋清掃機(jī)構(gòu)，用于把積雪輸送到田間合適位置。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

大棚除雪機(jī)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

除雪機(jī)的功能設(shè)計(jì)與研究。為了使除雪機(jī)具有良好的互換性能，可以非常方便的安裝到農(nóng)用行走機(jī)械上進(jìn)行除雪工作，實(shí)現(xiàn)操控可在駕駛室內(nèi)完成，具有簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，小型原動(dòng)機(jī)均可滿足實(shí)際工作需求，采用螺旋分布式硬質(zhì)毛刷，可大面積的清掃積雪，提高工作效率，預(yù)計(jì)除雪機(jī)將實(shí)現(xiàn)以下功能：

頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用螺旋分布式硬質(zhì)毛刷，共有5段，每段毛刷固定在各自驅(qū)動(dòng)軸上，軸之間采用聯(lián)軸器相連，保證動(dòng)力傳遞。毛刷支撐架用來支撐毛刷及其驅(qū)動(dòng)軸，毛刷支撐架分為4段，每段之間用銷軸連接。每段清掃機(jī)構(gòu)都作用在支持輪上，為了減少對(duì)溫室屋面的壓力，采用6個(gè)支撐輪。北方地區(qū)冬季溫室屋面上都有草簾覆蓋，為避免除雪過程中，旋轉(zhuǎn)毛刷卷起草簾，采用壓簾桿以防止草簾被卷起；支撐輪材料選用復(fù)合橡膠輪，支撐輪上安裝壓力傳感器，通過壓力傳感器反饋的信息可以使支撐架形狀更好地與大棚形狀吻合，使除雪面積更大，效果更好；為減輕頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量和降低能耗，毛刷材料選用中等強(qiáng)度的硬質(zhì)塑料制成，呈細(xì)長(zhǎng)圓柱狀。毛刷軸采用中空鋼管，不僅保證了強(qiáng)度和剛度，而且減輕了重量。毛刷支撐架全部采用高強(qiáng)度鋁合金制成；底部執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用異形螺旋清掃機(jī)構(gòu)，用于把積雪輸送到田間合適位置。

為了保證在運(yùn)行中頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)不會(huì)有過大的振動(dòng)，在整體支架的關(guān)鍵處安裝彈簧，起到減震的作用，保護(hù)除雪裝置：采用外接動(dòng)力，可以是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)或者柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，依不同的車體而定，以確保整體靈活性；考慮到是在室外工作，單片機(jī)受外界的因素影響較大，所以，本裝置的控制系統(tǒng)采用西門子的PLC控制系統(tǒng)。

除雪機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)。參照?qǐng)D5、6，大棚除雪機(jī)的安裝支架與拖拉機(jī)鏈接作為牽引動(dòng)力，在安裝支架上裝有支撐穩(wěn)定桿和轉(zhuǎn)動(dòng)銷。轉(zhuǎn)動(dòng)銷連接底部推雪板，支撐穩(wěn)定桿用銷釘一、二連接底部毛刷架，底部毛刷架用擺動(dòng)腿桿帶動(dòng)，在毛刷架一內(nèi)設(shè)有中部電動(dòng)推桿和中部支撐輪，并用銷釘一、二、連接毛刷架二，毛刷架二用銷釘一、二連接頂部毛刷架應(yīng)用電動(dòng)推桿帶動(dòng)。在底部毛刷架上均用萬向軸裝有底部毛刷滾筒、中部毛刷滾筒和頂部毛刷滾筒。毛刷滾筒上裝毛刷。底部毛刷滾筒一段用聯(lián)軸器連接馬達(dá)，作為毛刷滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。在底部推雪板和支撐穩(wěn)定桿之間裝有角度調(diào)節(jié)器，可以調(diào)節(jié)底部推雪板的角度。在底部毛刷架上固定五個(gè)壓簾桿，在除雪時(shí)將草簾壓住，避免草簾被帶起。大棚除雪機(jī)工作時(shí)，用安裝支架裝四輪拖拉機(jī)后部，將除雪機(jī)的毛刷架用電動(dòng)推桿逐步推到大棚的頂端，毛刷滾筒在馬達(dá)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，毛刷滾筒上的毛刷隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，將大棚上的雪掃到地下，底部推雪板將雪隨拖拉機(jī)的前行推至田間合適位置。大棚除雪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性良好，節(jié)省人力物力。圖5大棚除雪機(jī)整體結(jié)構(gòu)主視圖圖6大棚除雪機(jī)整體結(jié)構(gòu)俯視圖

圖5：1.底部推雪板；5.底部毛刷；5-1.底部毛刷滾筒；6.萬向軸；10.中部支撐輪；15.支撐穩(wěn)定桿；17.頂部毛刷；17-1頂部毛刷滾筒；19.中部毛刷；19-1.中部毛刷滾筒；20.大棚

圖6：1.底部推雪板；2.角度調(diào)節(jié)器；3.馬達(dá)；4.聯(lián)軸器；5.底部毛刷；5-1.底部毛刷滾筒；6.萬向軸；7.頂部電動(dòng)推桿；8.銷釘；9.中部電動(dòng)推桿；10.中部支撐輪；11.底部毛刷架；11-1.毛刷架一；11-2.毛刷架二；11-3.頂部毛刷架；12.底部電動(dòng)推桿；13.銷釘二；14.擺動(dòng)推桿；15.支撐穩(wěn)定桿；16.壓簾桿；17.頂部毛刷；17.1.頂部毛刷滾筒；18.安裝支架；19.中部毛刷；19-1.中部毛刷滾筒；20.大棚；21.轉(zhuǎn)動(dòng)銷。

除雪機(jī)研究方法

除雪機(jī)的研究方法主要有系統(tǒng)研究法、虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)法、實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)法，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)法。根據(jù)系統(tǒng)原則，考慮機(jī)械整體結(jié)構(gòu)，綜合研究?jī)?nèi)部外部和各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)幾間相互作用，使整個(gè)系統(tǒng)的功能表現(xiàn)為最佳狀態(tài)；

虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)法。根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案及草圖，利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行各部分結(jié)構(gòu)建模，在軟件中進(jìn)行預(yù)裝配，三維模型建立完成后，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真得到的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，準(zhǔn)確的分析機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性。最后對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)計(jì)機(jī)械在真實(shí)工況下的特征和影響。

實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)法。根據(jù)相似理論，按照一定比例研制一小型樣機(jī)。冬季雪花暫時(shí)用相似材料代替。整個(gè)除雪機(jī)樣機(jī)完全按照實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，由于樣機(jī)空間的限制，其操控在樣機(jī)中用遙控手柄控制，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過樣機(jī)實(shí)際除雪工作，驗(yàn)證理論計(jì)算和分析的合理性。

從理論計(jì)算和樣機(jī)制作對(duì)大棚除雪機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。通過樣機(jī)實(shí)際除雪工作，驗(yàn)證了理論計(jì)算和分析的合理性，可得出以下結(jié)論：所設(shè)計(jì)的溫室除雪機(jī)結(jié)構(gòu)合理，操作簡(jiǎn)便；除雪機(jī)互換性好，可以非常方便地安裝到農(nóng)用行走機(jī)械上進(jìn)行除雪工作。除雪機(jī)工作效率較高，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，小型原動(dòng)機(jī)可滿足實(shí)際工作需求。通過實(shí)際工作和測(cè)試各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明該新型溫室除雪機(jī)除雪效果明顯，除雪效率高，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。