王云力，張賽賽，韓小斌，王萬章,朱晨輝，呂志軍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)先鋒科技股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義 563000)

塑料大棚作為廣泛使用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1]。塑料大棚通過改變棚內(nèi)的光照、溫度和濕度等起到保溫栽培的作用，不僅可以跨區(qū)域、跨時令提供種類豐富的農(nóng)產(chǎn)品，還可以為促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、規(guī)范農(nóng)藝技術(shù)以及搶占農(nóng)時提供支撐[2-3]。塑料大棚憑借成本低、易搭建和效益高等特點已得到廣泛的應(yīng)用和推廣，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域占有率逐漸升高，近年來相關(guān)研究多集中于棚內(nèi)氣候[4]、溫度[5]和光性能[6]等條件控制以及傳感器設(shè)計[7]和智能管理系統(tǒng)構(gòu)建[8]等方面。中國塑料大棚多為弓型結(jié)構(gòu)，主體采用鋼管或竹竿制成弓型骨架，然后在其上鋪設(shè)一層塑料薄膜。塑料大棚棚頂較高且面積較大，長時間容易堆積灰塵并滋生綠藻苔蘚等，導(dǎo)致棚頂塑料薄膜透光率降低以及植物光合作用效率下降，進(jìn)而造成塑料大棚內(nèi)作物減產(chǎn)且質(zhì)量降低。若更換塑料薄膜不但成本高而且費時費力，同時更換的塑料薄膜會污染環(huán)境。因此，定期清洗塑料大棚棚頂恢復(fù)塑料薄膜透光率十分重要[9]。

國外對塑料大棚棚頂清洗設(shè)備的研究比較早。荷蘭研發(fā)的半自動和全自動玻璃溫室棚頂清洗機(jī)，配合縱橫的導(dǎo)軌可以完成棚頂縱向自動化清洗和橫向移動，清洗效果明顯，自動化程度高[10]。這些設(shè)備自動化程度雖然高，但是投入大，需要規(guī)劃和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的大棚以及配套的縱橫導(dǎo)軌和噴淋系統(tǒng)。中國塑料大棚目前尚不具備這種條件，而且現(xiàn)有塑料大棚改造成本也很大。在國內(nèi)，現(xiàn)有的棚頂清洗設(shè)備主要應(yīng)用在玻璃溫室上，塑料大棚棚頂清洗設(shè)備還不成熟，導(dǎo)致目前國內(nèi)塑料大棚幾乎都是人工清洗，不僅成本高，而且效率低、效果差。近年來，塑料大棚棚頂清洗機(jī)相關(guān)研究取得一些成果。丁潤鎖等[11]設(shè)計的溫室大棚電動清洗機(jī)實現(xiàn)了溫室大棚頂部的半自動清洗。趙建等[12]設(shè)計的塑料大棚清洗機(jī)由6節(jié)清洗裝置鉸接而成，能夠較好地對大棚仿形。殷坤勤等[13]應(yīng)用無線電遙控技術(shù)，使塑料大棚清洗機(jī)兩端的輔助行走輪與棚頂行走輪同步前進(jìn)。黃峰等[14]參照荷蘭清洗設(shè)備設(shè)計了人字形清洗裝置。陳大軍等[15]通過旋轉(zhuǎn)的毛刷輥在棚頂上沿軌道縱向移動達(dá)到清洗大棚的目的。王坤等[16]則對大棚清洗技術(shù)進(jìn)行分析研究，總結(jié)出國內(nèi)外大棚清洗機(jī)的發(fā)展歷程和技術(shù)特點。然而，這些清洗設(shè)備理論上可行，但實際應(yīng)用中效果一般。有的設(shè)備清洗效果不明顯，需要改造大棚，增設(shè)導(dǎo)軌和噴淋系統(tǒng)；有的設(shè)備體積大，不易翻跨棚頂；有的設(shè)備質(zhì)量大，容易損壞棚頂塑料薄膜且不方便搬運；有的設(shè)備對弓型骨架間距有要求，適應(yīng)性低；有的設(shè)備電池容量不足，作業(yè)時間較短[17]。受這些因素的制約，塑料大棚棚頂清洗機(jī)尚未在中國推廣與應(yīng)用。因此，本研究為解決中國塑料大棚棚頂清洗成本高、適用性差以及操作不便等問題，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、輕便適用的塑料大棚棚頂清洗機(jī)，能夠提高清洗效果和清洗作業(yè)效率，促進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用和市場化推廣。

1 塑料大棚棚頂清洗機(jī)設(shè)計

1.1 塑料大棚棚頂清洗機(jī)設(shè)計原理

本研究設(shè)計的塑料大棚棚頂清洗機(jī)由2套清洗單體(1套主機(jī)和1套副機(jī))及清洗帶組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。主機(jī)和副機(jī)分別分布在塑料大棚兩側(cè)的天溝內(nèi)。清洗帶緊貼在塑料大棚的棚頂，兩端分別連接在主機(jī)和副機(jī)上。清洗帶寬度300 mm，厚度5 mm，由化纖編織網(wǎng)(2 800目)制作而成，該材料制成的清洗帶透水性能良好，且相對粗糙的表面有利于搓擦掉棚頂上的灰塵。作業(yè)時，2名操作人員在天溝上分別把持著主機(jī)和副機(jī)，并同時向前移動，主機(jī)和副機(jī)的纏繞滾保持同步正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時，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。到設(shè)定的時間后，2個纏繞滾同時改變轉(zhuǎn)動方向，即開始反轉(zhuǎn)，此時主機(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，直至移動到設(shè)定的時間后，2個纏繞滾又同時改變轉(zhuǎn)動方向。如此往復(fù)后，塑料大棚棚頂表面的灰塵和綠藻等被清洗帶搓擦下來，從而實現(xiàn)清除棚頂污染物的目的。在清洗帶來回搓拉的過程中，單獨使用普通的PVC軟管或水槍不斷向清洗帶上噴灑清水，使搓拉掉的灰塵順著水流流下來。

注：1.主機(jī)；2.清洗帶；3.塑料大棚；4.副機(jī)；5.天溝。Note:1.Main machine;2.Cleaning belt;3.Plastic greenhouse;4.Assistant machine;5.Gutter.圖1 塑料大棚棚頂清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of plastic greenhouse top cleaning machine

1.2 塑料大棚棚頂清洗機(jī)設(shè)計

本研究設(shè)計的塑料大棚棚頂清洗機(jī)中的主機(jī)和副機(jī)結(jié)構(gòu)一致，作業(yè)開關(guān)只在主機(jī)上，由主機(jī)操控整個設(shè)備。主機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由腳輪、框架、纏繞滾、電機(jī)、控制器、無線收發(fā)器、調(diào)試開關(guān)、電源開關(guān)、提手、作業(yè)開關(guān)、推桿、電池、軸承和清洗帶固定板等組成，如圖2所示。其中，框架采用1.5 mm優(yōu)質(zhì)碳鋼板U型折邊設(shè)計，強(qiáng)度可靠，結(jié)構(gòu)簡單質(zhì)量輕；纏繞滾安裝在框架上，用于固定和調(diào)整清洗帶，并由電機(jī)直接驅(qū)動，定時改變轉(zhuǎn)動方向；控制器控制并協(xié)調(diào)著主機(jī)和副機(jī)的動作邏輯；無線收發(fā)器用于連接主機(jī)和副機(jī)的控制系統(tǒng)并負(fù)責(zé)傳遞指令；清洗帶固定板用于把清洗帶固定在纏繞滾上，操作時先用清洗帶固定板把清洗帶的一端壓在纏繞滾上，然后用螺釘緊固；調(diào)試開關(guān)用于調(diào)試電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，特別是固定好清洗帶后需要使用調(diào)試開關(guān)調(diào)整清洗帶的張緊程度，使清洗帶緊緊貼附在棚頂上。

本研究設(shè)計的塑料大棚棚頂清洗機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。該設(shè)備整機(jī)質(zhì)量輕，方便攜帶。電池采用電壓12 V且容量40 Ah的鋰電池，能夠快速充電，且電池容量可滿足設(shè)備正常作業(yè)4 h。纏繞滾直徑為50 mm，長度320 mm。清洗帶寬度為300 mm，來回搓拉的時間可調(diào)。作業(yè)時，清洗帶緊貼在棚頂上進(jìn)行往復(fù)搓拉，往復(fù)搓拉長度l如公式(1)所示。

表1 塑料大棚棚頂清洗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 Main technical parameters of plastic greenhouse top cleaning machine

l=πdnt

(1)

式中：l為清洗帶往復(fù)搓拉長度；d為纏繞滾直徑；n為纏繞滾轉(zhuǎn)速；t為纏繞滾的工作間隔時間。

影響清洗效果主要因素為單位長度清洗搓拉次數(shù)f。f=7～8 次·m-1能保證清洗質(zhì)量和清洗作業(yè)效率。單位長度清洗搓拉次數(shù)f如公式(2)所示。f與工作間隔時間t和前進(jìn)速度V相關(guān)。

(2)

式中：f為單位長度清洗搓拉次數(shù)；t為主副機(jī)纏繞滾工作間隔時間；V為主副清洗機(jī)前進(jìn)速度。

注：1.腳輪；2.框架；3.纏繞滾；4.電機(jī)；5.控制器；6.無線收發(fā)器；7.調(diào)試開關(guān)；8.電源開關(guān)；9.提手；10.作業(yè)開關(guān)；11.推桿；12.電池；13.軸承；14.清洗帶固定板。Note：1.Wheel;2.Frame;3.Roller;4.Electric motor;5.Controller;6.Wireless transceiver;7.Debug button;8.Power switch;9.Handle;10.Working button;11.Push rod;12.Battery;13.Bearing;14.Cleaning belt fixing plate.圖2 塑料大棚棚頂清洗機(jī)主機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Main machine structure of plastic greenhouse top cleaning machine

1.3 塑料大棚棚頂清洗機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

本研究設(shè)計的塑料大棚棚頂清洗機(jī)控制系統(tǒng)如圖3所示。主機(jī)和副機(jī)各有一套控制器，分別為主控制器和副控制器。主控制器和副控制器均使用PIC18F248單片機(jī)，該單片機(jī)具有指令集小、功耗低、運行速度快、體積小和抗干擾能力強(qiáng)等特性。按下調(diào)試開關(guān)，主控制器和副控制器可分別控制主機(jī)電機(jī)和副機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動時間，以調(diào)整清洗帶的松緊度。作業(yè)時，按下主機(jī)上的作業(yè)開關(guān)，主控制器和副控制器通過無線發(fā)射器和無線接收器傳遞指令，使2個電機(jī)始終保持同步轉(zhuǎn)動和同時換向。無線發(fā)射器和無線接收器均使用DMX512型高速無線收發(fā)器，該無線收發(fā)器具有接收和發(fā)射的雙重功能，采用2.4G國際通用無線頻段，具有高效發(fā)射、高靈敏接收精確控制和抗干擾能力強(qiáng)等特性。無線收發(fā)器和控制器利用串行通信協(xié)議(controller area network，CAN)進(jìn)行通信。

圖3 塑料大棚棚頂清洗機(jī)控制系統(tǒng)Fig.3 Control system of plastic greenhouse top cleaning machine

2 塑料大棚棚頂清洗機(jī)測試試驗

2.1 清洗機(jī)測試試驗設(shè)計

測試試驗于2020-10-12在河南省禹州市雙廟鄉(xiāng)育苗工廠進(jìn)行。進(jìn)行測試的弓型塑料大棚寬度為8 m，高度為3 m，長度為30 m，人可在大棚之間的天溝內(nèi)行走。大棚已使用1 a，離公路約50 m，棚頂表面積塵較多。試驗采用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測光照度。試驗配套有相應(yīng)的噴水裝置，噴水裝置主要包含水源、水箱、水泵、水管和噴頭等簡易設(shè)備，可根據(jù)實際情況而定。本次試驗采用普通PVC軟管，一端接在水龍頭上，一端對著清洗帶噴水。

試驗主要測試單位長度清洗搓拉次數(shù)f對清洗效果和清洗作業(yè)效率的影響。取7種狀態(tài)的f值進(jìn)行測試。為了保證試驗的準(zhǔn)確性，在每種狀態(tài)的f值下測試3次，每次測試區(qū)間長度為2 m。每次清洗測試前，在測試區(qū)間內(nèi)取樣3點并標(biāo)記，然后使用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測3個取樣點處的外部光照度和對應(yīng)的棚內(nèi)光照度，分別取其平均值并記錄。在清洗測試后，再用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測3個取樣點處的棚內(nèi)光照度，取其平均值并記錄。透光率為棚內(nèi)外光照度平均值的比值。同時記錄每次測試的時間，以方便計算作業(yè)效率。清洗作業(yè)效率如公式(3)所示。其中，本次試驗設(shè)定每次作業(yè)長度S為2 m，清洗帶有效長度L為8 m。

(3)

式中：η為清洗作業(yè)效率；S為每次清洗作業(yè)長度；L為清洗帶的有效長度；T為每次清洗作業(yè)完成時間。

2.2 清洗機(jī)清洗試驗結(jié)果

試驗時3個人配合操作，2個人分別把持塑料大棚兩側(cè)的主機(jī)和副機(jī)，勻速向前移動，第3個人手持水管出水端向塑料大棚棚頂正在工作的清洗帶噴灑清水。使用TES-1330A型數(shù)字照度儀檢測試驗前后棚內(nèi)外光照度。每個試驗狀態(tài)重復(fù)試驗3次，試驗結(jié)果如表2所示。隨著單位長度清洗搓拉次數(shù)f增大，清洗效果提高顯著；但當(dāng)透光率達(dá)到臨界值后，清洗效果不再隨著f增大而增大。這是因為在清洗開始階段，塑料大棚棚頂?shù)乃芰媳∧け砻婊覊m較多，隨著f增大塑料薄膜被來回擦拭的次數(shù)增加，其表面浮塵被清除的同時，黏著的塵垢也被摩擦掉。隨著塑料薄膜表面的污染物被清理干凈，透光率已經(jīng)接近塑料薄膜本身的透光性能，便不再隨著f增大而增大。此外，隨著單位長度清洗搓拉次數(shù)f的增大，清洗作業(yè)效率降低。這是因為在設(shè)定主機(jī)和副機(jī)纏繞滾換向間隔時間t后，f增大意味著完成單位長度清洗作業(yè)時間變長，即作業(yè)效率降低。因此，綜合考慮清洗效果和清洗作業(yè)效率，當(dāng)f=8時清洗效果較好，透光率平均值由53.8%提高至85.1%，此時平均清洗作業(yè)效率為11.93 m2·min-1。

表2 塑料大棚棚頂清洗機(jī)的試驗結(jié)果Table 2 Test results of plastic greenhouse top cleaning machine

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，當(dāng)塑料大棚棚頂清洗機(jī)單位長度搓拉次數(shù)f=8時，清洗效果較理想，平均透光率由53.8%提高至85.1%，此時平均清洗作業(yè)效率可達(dá)11.93 m2·min-1。何培祥等[17]研究的塑料大棚清洗機(jī)，在同為3人作業(yè)的情況下清洗作業(yè)效率6.6 m2·min-1。相比之下，本研究的塑料大棚棚頂清洗機(jī)平均作業(yè)效率更高，清洗效果更好。

目前，自動化程度高的塑料大棚棚頂清洗機(jī)都需要導(dǎo)軌[18]。中國現(xiàn)有的塑料大棚幾乎都缺乏該裝置，這也是本研究中塑料大棚棚頂清洗機(jī)仍需要人工操作的原因。如果改造并增加導(dǎo)軌和噴淋系統(tǒng)，不僅成本投入較高，而且長期維護(hù)操作難度較大，不適于推廣應(yīng)用。本研究的塑料大棚棚頂清洗機(jī)針對中國弓型塑料大棚現(xiàn)有狀態(tài)，雖然需要人工參與，但幾乎不需要對塑料大棚進(jìn)行改造即可投入使用，因此可以大大減少成本。此外，中國目前的塑料大棚建造參數(shù)各不相同，現(xiàn)有的清洗設(shè)備在推廣使用時受到限制。李曉賢[19]研究的磁力輪式塑料大棚清洗機(jī)受弓型骨架間距的限制，且要求骨架必須為鋼制。而本研究的塑料大棚棚頂清洗機(jī)在使用時只需要根據(jù)塑料大棚的尺寸調(diào)整清洗帶的長度即可，適用于中國各種建造規(guī)格的塑料大棚。本研究的塑料大棚棚頂清洗機(jī)單體質(zhì)量為10.5 kg，體積小，質(zhì)量輕，方便攜帶，便于各個大棚之間換向和轉(zhuǎn)移。現(xiàn)有的塑料大棚棚頂清洗機(jī)大多體積大，質(zhì)量大，不利于轉(zhuǎn)移，同時有的清洗機(jī)主機(jī)在作業(yè)時取下或放上棚頂時較麻煩[20]。而本研究的塑料大棚棚頂清洗機(jī)在塑料大棚之間轉(zhuǎn)移時，只需把質(zhì)量較輕的清洗帶放在棚頂，然后調(diào)整好松緊度后即可作業(yè)。此外，塑料大棚棚頂塑料薄膜承載力較低，質(zhì)量較大的清洗機(jī)在塑料薄膜上移動時會使塑料薄膜發(fā)生變形，特別是鋼輪經(jīng)過骨架時會產(chǎn)生碾壓痕跡。趙健等[21]設(shè)計的塑料大棚清洗機(jī)需要整個設(shè)備在塑料大棚上沿著縱向桿行走，且履帶輪作用在塑料薄膜上，理論上對塑料薄膜有損傷。而本研究的塑料大棚棚頂清洗機(jī)，只有質(zhì)量很輕的柔性清洗帶在塑料大棚棚頂上作業(yè)，對塑料薄膜幾乎無損傷。本研究的塑料大棚棚頂清洗機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，易于批量生產(chǎn)和市場化推廣。