黃峰++趙建++張遠淑++劉宏博++孔維蓉++何培祥

摘要：隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，玻璃溫室大棚應(yīng)用規(guī)模不斷擴大，其使用年限更長，因此對棚頂適時清洗尤為必要。針對中國情況設(shè)計了一種玻璃溫室棚頂清洗裝置，該裝置形狀仿溫室棚頂，用毛刷輥作為行走輪，采用噴水后毛刷刷洗的方式清洗棚頂，清洗效果較好。經(jīng)正交試驗分析，得到3個主要影響因素，結(jié)果表明當(dāng)行走速度為2.31 m/min、盤刷轉(zhuǎn)速為97 r/min、噴水量為9 L/min時，清洗效率高、效果好。

關(guān)鍵詞：玻璃溫室；清洗裝置；設(shè)計；正交試驗

中圖分類號：S224.9；S237 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）03-0558-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.043

Designing and Testing of the Cleaning Device for Glass Greenhouse Roof

HUANG Feng1， ZHAO Jian1， ZHANG Yuan-shu1， LIU Hong-bo2， KONG Wei-rong2， HE Pei-xiang2

（1.Zunyi Conpany of Guizhou Provincial Tobacco Corporation， Zunyi 563000， Guizhou， China；2.College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China）

Abstract： With the continuous development of modern agriculture， the application of glass greenhouse is expanding and its service life becomes longer. Therefore， its necessary to clean glass greenhouses roof timely. This article designs a kind of device to clean glass greenhouses roof according to our countrys situation. The device adopts brush roll as walking wheels. Its shape imitates glass greenhouses roof and its operate mode is scrubbing with brushes after spraying water. After carrying an orthogonal experiment， we get the relationship between cleaning effect and three main influential factors. The results show that when the machine traveling at the speed of 2.31 m/min， brushing at the speed of 97 r/min and spraying water at the quantities of 9 L/min， it performs efficiently with a excellent cleaning function.

Key words： glass greenhouse； cleaning device； design； the orthogonal experiment

溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分。近年來，隨著中國政策的大力推動和農(nóng)產(chǎn)品需求的不斷增加，溫室產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出前所未有的發(fā)展勢頭，大棚面積迅速擴大，總面積已超過200萬hm2，居世界第一[1]。中國溫室主要有塑料溫室和玻璃溫室兩種。塑料溫室以其成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用；玻璃溫室因成本較高、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜等原因主要應(yīng)用于科研教學(xué)中。隨著社會、經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們環(huán)保意識不斷提高，玻璃溫室以其優(yōu)異的透光率、良好的保溫效果和較長的壽命，正逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，所占比例不斷增加，具有很好的發(fā)展前景。

玻璃溫室壽命長，但長時間使用，塵土、青苔等覆于玻璃表面，不易被降雨沖洗掉，嚴重影響溫室透光率，進而影響作物產(chǎn)量，使經(jīng)濟效益下降[2]。因此，定期清洗玻璃溫室大棚棚頂，提高透光率尤為重要。玻璃溫室大棚清洗設(shè)備國外早有研究，荷蘭等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家擁有先進的半自動玻璃溫室清洗設(shè)備，設(shè)備行走于天溝，多組毛刷同時轉(zhuǎn)動對天溝兩側(cè)棚頂進行清洗，清洗效果好、效率高。中國溫室大多安裝遮陽網(wǎng)，天溝無法行走，所以在中國不適用。國內(nèi)關(guān)于塑料大棚清洗機械的研究，最典型的一種是利用高壓水流沖擊裝有毛刷的水輪葉片，帶動水輪高速旋轉(zhuǎn)，毛刷與水一起沖刷薄膜達到清洗目的[3-8]。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，能解決溫室清洗問題，但自動化程度低，操作不便。因此，研究一種適用于中國生產(chǎn)情況且具有較高自動化、較好清洗效果的玻璃溫室清洗裝置具有現(xiàn)實意義。本研究對玻璃溫室大棚清洗裝置進行設(shè)計及分析研究，探索了轉(zhuǎn)速、正壓力、噴水量與清洗效果的關(guān)系，為清洗裝置的進一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 清洗裝置的設(shè)計

清洗裝置的設(shè)計要考慮的問題：首先是清洗方法，多種清洗方法相對比，最終采用易實現(xiàn)且高效節(jié)水、清洗效果好的旋轉(zhuǎn)盤刷噴水清洗方法；其次是行走方式，因天溝無法行走，故在清洗裝置上安裝較長的柔性毛刷輥，利用其與棚頂?shù)哪Σ猎谂镯斝凶?；再次是控制系統(tǒng)，采用無線遙控，方便操作。

1.1 機械結(jié)構(gòu)

玻璃溫室應(yīng)用最多的是“人”字棚頂，清洗裝置分左右兩邊，中間鉸接，能與棚頂較好地貼合。清洗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖2所示，清洗裝置前后各有一長度與機身相當(dāng)?shù)拿⑤?。工作時，兩毛刷輥轉(zhuǎn)動，帶動整機在棚頂行走，同時中間清洗毛刷轉(zhuǎn)動刷洗棚頂。裝置前后有噴頭噴水，前面潤濕棚頂便于清洗，后面沖洗刷掉的污垢。由于玻璃溫室棚頂每塊玻璃間有凸起框架，經(jīng)過時毛刷轉(zhuǎn)動會受阻，因此，設(shè)計毛刷升降機構(gòu)（圖2、圖3），當(dāng)檢測到毛刷轉(zhuǎn)動受阻較大時，將毛刷提起一定高度，越過凸起。正常清洗時也可控制毛刷升降，調(diào)整毛刷與棚頂間的壓力，達到不同的清洗效果。

1.2 控制系統(tǒng)

機械結(jié)構(gòu)需要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)才能順利完成清洗工作。所以控制系統(tǒng)的設(shè)計也很重要，根據(jù)玻璃溫室棚頂清洗裝置控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能，繪制控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4中相應(yīng)功能的反饋信號由對應(yīng)的傳感器采集反饋，CPU進行處理并做出相應(yīng)動作。棚頂端部檢測模塊由安裝在清洗裝置前后的帶有霍爾傳感器的觸碰桿構(gòu)成，到達棚頂端部時觸碰桿下壓，從而使霍爾傳感器產(chǎn)生反饋信號。行走同步檢測模塊通過接近開關(guān)傳感器感應(yīng)棚頂金屬梁產(chǎn)生反饋信號，CPU根據(jù)兩側(cè)反饋信號的時間差控制行走電機做出相應(yīng)動作。其余模塊使用相應(yīng)的傳感器，電流檢測用電流傳感器，位置檢測用霍爾傳感器。

2 清洗裝置正交試驗

對所設(shè)計的玻璃溫室棚頂清洗裝置進行正交試驗分析，得到影響因子與清洗效果的關(guān)系，找到最優(yōu)因子水平組合，為清洗裝置的進一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2.1 試驗設(shè)備和條件

采用的主要設(shè)備和條件：①設(shè)計的玻璃溫室清洗裝置樣機。②西南大學(xué)科研基地的玻璃溫室，為標(biāo)準(zhǔn)的Venlo式結(jié)構(gòu)，因較長時間沒有清潔，棚頂已覆蓋了灰塵和青苔。③TES-1330A型數(shù)字照度儀，分辨率0.1 Lux，準(zhǔn)確度±3%，取樣率2.5次/s。④12 V穩(wěn)壓直流電源，流速可調(diào)的供水管，數(shù)字萬用表。

2.2 試驗方案設(shè)計

對樣機進行試驗分析，探索不同因素對清洗效果的影響，為清洗裝置的進一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。該試驗主要看清洗效果，玻璃溫室試驗平臺清洗前平均透光率26.5%，上下波動不大，因此，選取清洗后的透光率為試驗指標(biāo)。通過查閱資料并考察多種影響因素，選取對清洗效果影響較大的行走速度、盤刷轉(zhuǎn)速和噴水量為影響因素。經(jīng)基礎(chǔ)試驗確定各因子水平，得到各因素和其水平，如表1所示。三因素三水平試驗，選正交表L9（34）進行正交試驗分析[9，10]。選擇第三列為誤差列，分析試驗誤差。

2.3 試驗結(jié)果及分析

正交試驗結(jié)果如表2所示，方差分析結(jié)果如表3所示。

由表3方差極差分析結(jié)果及水平均值可知，各因素影響對玻璃溫室棚頂清洗裝置清洗效果的主次順序為A>B>C，最優(yōu)組合為A2B3C3。計算最優(yōu)組合平均值：

U優(yōu)=各因子優(yōu)水平平均值之和-（因子個數(shù)-1）μ

式中，μ為總平均值。代入數(shù)值得到最優(yōu)組合平均值為87.5，與表2中最優(yōu)組合A1B3C3得到的清洗后透光率相等，在因素指標(biāo)分析中得到因素A1與A2對試驗指標(biāo)的影響相差不大，但考慮到行走速度選擇A2可以提高清洗效率，所以最優(yōu)組合選擇A2B3C3。

3 小結(jié)

本研究設(shè)計了一種針對中國玻璃溫室棚頂?shù)那逑囱b置，該清洗裝置結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，清洗效果較好。對影響清洗效果的3個主要影響因素進行正交試驗分析，通過方差、極差分析以及最優(yōu)組合平均值的比較，得到因素主次順序及最優(yōu)組合。在試驗各因素水平組合中，當(dāng)行走速度為2.31 m/min、盤刷轉(zhuǎn)速為97 r/min、噴水量為9 L/min時，對玻璃溫室棚頂?shù)那逑葱Ч詈?、效率最高?/p>

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