溫室棚頂清洗機的研究進展.pdf

2022 年 31 期技術 應用 科技創(chuàng)新與應用 Technology Innovation and Application 溫室棚頂清洗機的研究進展 楊臻昊 尹海燕 溫州大學 機電工程學院 浙江 溫州 325000 溫室分為玻璃溫室 塑料薄膜溫室和PC陽光板溫 室 其中塑料薄膜溫室面積高達292萬hm 2 占比為 63 5 亞洲國家所占的面積最大 據(jù) 2022 2028年中 國溫室大棚行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調查及市場分析預測報告 中 國溫室大棚以塑料大棚為主 占比高達65 4 我國南方 地區(qū)主要使用的是塑料大棚 長時間使用后 大棚薄膜上 經常會覆蓋有灰塵 并滋生苔蘚 致使大棚的透光率下 降 影響大棚內作物的健康生長 并導致溫室大棚的產量 過低 無法實現(xiàn)應有的經濟效益和社會效益 因此 有必 要定期清洗大棚棚頂 恢復薄膜透光率 進而提高作物的 產量 國內現(xiàn)在的主流清洗方式仍是人工清洗 但溫室大 棚的跨度大且高度高 人工清洗存在一定的困難 同時也 存在不小的安全隱患 溫室大棚棚頂清洗機的出現(xiàn) 普及 和應用可以顯著提高清洗效率 并有效減少甚至消除人 工清洗時存在的各類安全隱患 此外 溫室大棚棚頂清洗 機也是溫室配套自動化技術的發(fā)展趨勢之一 1 國外研究現(xiàn)狀 20世紀60年代以來 在溫室和大棚建設及管理方 面 一些發(fā)達國家開始發(fā)展設施農業(yè)建設 各自具有獨立 的特色和經驗 荷蘭是設施園藝最發(fā)達的國家 其溫室自 動化程度高 廣泛地應用了工業(yè)自動化控制技術 溫室頂 面清洗全部采用自動化機械清洗 清洗機將以天溝作為 軌道 高壓水作為清洗水 利用毛刷可以高效地將溫室表 面的灰塵清洗干凈 該類清洗機在荷蘭乃至歐洲各國被 廣泛使用 其相關技術在已較為成熟 荷蘭的溫室棚頂清 洗機主要分為2種結構形式 一種是機械結構為 人 字 型 一種是 Y 字型清洗機 該類清洗機清洗效果好 效率 高 但是設備比較笨重 需要配套橫向移動裝置或者大型 起吊設備才能使用 不適合有遮陽網的中國南方的大棚 清潔 如圖1 圖2所示 圖1 Y 字型清洗機 以色列的溫室設備材料 滴灌技術和種植技術均屬 世界一流 利用尼龍旋轉毛刷使溫室棚頂灰塵等附著物 與棚頂脫離 再用真空吸塵原理的機構將雜物吸進集塵 箱 整機懸掛在一個橋式的機架上 機架安裝在溫室旁的 坡道上 該清潔機不具有適用性 若要清洗不同尺寸規(guī)格 摘 要 溫室大棚的定期清洗 可以提高植物光合作用 進而提高溫室內作物產量 該文闡述國內外大棚清洗機的發(fā)展 現(xiàn)狀 為研發(fā)適合我國南方的大棚清洗機的結構設計及創(chuàng)新提供技術支持 關鍵詞 溫室大棚 清洗機 透光率 結構設計 研究現(xiàn)狀 中圖分類號 S625 文獻標志碼 A 文章編號 2095 2945 2022 31 0154 04 Abstract Regular cleaning of greenhouse can improve plant photosynthesis and then increase crop yield in greenhouse This paper describes the development status of greenhouse cleaning machine at home and abroad and provides technical support for the structural design and innovation of greenhouse cleaning machine suitable for the south of our country Keywords greenhouse cleaning machine light transmittance structure design research status 基金項目 國家級創(chuàng)新訓練項目 202110351046 浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃 2021 新苗人才計劃 2021R429036 溫州市科 技計劃項目 N2020001 通信作者 尹海燕 1970 女 博士 副教授 研究方向為智能設施與農業(yè)裝備 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 154 技術 應用 科技創(chuàng)新與應用 Technology Innovation and Application2022年 31期 的溫室 需要制作不同尺寸的連接橋臂 整機體積較大 加工成本較高 不適用于我國有遮陽網的塑料溫室的清 洗 此外其清洗效果并未得到驗證 土耳其研究設計了一種可用于溫室屋頂玻璃清潔的 四足四輪移動機器人 如圖3所示 該機器人由4條腿和 4個輪子組成 其中 4個輪子用于驅動機器人 使其能夠 沿著固定的軌道進行橫向移動 在機器人清潔完畢其所 在軌道所對應的玻璃溫室部分時 機器人可以利用4條 腿 使機器人從一條軌道跨到另一條軌道上 從而實現(xiàn)軌 道之間的切換 進而實現(xiàn)機器人在整個大棚上的自動化 移動 該機器人使用旋轉毛刷和從外部接入機器人的水 清洗玻璃 機器人的運動部分和清洗裝置部分都由電動 機驅動的 電能則由連接到電網的電纜提供 該清潔機器 人適用于支架外露的玻璃溫室的清洗 且電能消耗較大 其仍處于實驗狀態(tài) 清洗效果尚不可知 圖2 人 字型清洗機 圖3 四足四輪移動機器人 2 國內研究現(xiàn)狀 與荷蘭 以色列等國家的自動化 集約化的連棟溫室 清洗裝置不同 中國溫室頂棚大部分仍由人工進行清洗 因此 中國的溫室自動化配套清洗裝置有著不同于其他 國家的獨特的發(fā)展道路 適用于我國的溫室清洗裝置也 與發(fā)達國家有較大的不同 2014年 徐州市泰瑞農業(yè)科技有限公司發(fā)明了一種 導軌式塑料溫室清洗機 首先要在溫室主體上架設可供 移動支架行走的導軌 水泵將儲水罐中的水加壓后從一 排噴頭中噴出 依靠水壓的沖擊達到沖刷棚膜上塵屑的 目的 該清洗機存在的缺點是 架設清洗機需要另加導 軌 而且僅通過水的沖洗來達到清洗的目的會浪費較多 水資源 且不易沖洗掉棚膜上生長的苔蘚和部分頑漬 2016年 朱康熹等設計了一種用于塑料溫室清洗的 清洗機 如圖4所示 清洗機包含8個單節(jié)清洗裝置 由 溫室骨架和棚頂薄膜共同支撐 可與拱形棚頂?shù)幕《茸?然貼合 清洗機采用支架連接行走機構和清洗機構組成 單節(jié)清洗裝置 為了能模仿棚頂?shù)幕⌒?將多節(jié)清洗裝置 鉸接構成清洗機整體 該清洗機的總長度是根據(jù)清洗對 象而定制的 單節(jié)清洗裝置無法伸縮 對于棚頂弧長不一 致的溫室 其工作效果將受到影響甚至不能工作 另外 此裝置缺少給水裝置 對清洗效果將有一定影響 2018年 山東農業(yè)大學的陳天軍等研制成功一種大 棚清洗裝置 如圖5所示 分別為第三代樣機與第四代樣 機 清洗后薄膜透光率可顯著提高 由于是半自動清洗 機 當清洗機完成日光溫室一段清洗作業(yè) 可解開壓膜 繩 卸下整體裝置并搬動至下一段 再系上壓膜繩 通過 繞繩輪隨轉軸轉動來實現(xiàn)壓膜繩的收放過程 進而改變 清洗位置 該機目前還處于實驗階段 而且清洗效率低 在一段大棚清洗結束后 仍需要人工輔助調整清洗裝置 至另一段大棚 此過程未實現(xiàn)清洗過程的全自動化 而且 該機尚存在續(xù)航能力 整機重量及提高效率等問題 2019年 由西南大學研制的溫室大棚清洗機 如圖6 所示 該清洗機利用間隔為1m的磁力輪在大棚棚頂運 動以實現(xiàn)清洗作業(yè)的裝置 磁力輪可以隔著薄膜吸附在 骨架上 來保證清洗機在清洗時不會墜落 漂移等 同時 以大棚已有的結構來當作機器運動的軌道而無需安裝新 的結構 這給清洗機的安裝和作業(yè)帶來了很大的便利 清 洗機可以與不同跨度 不同曲率的大棚配合 極大地增強 了設備的適用性 該清洗機以自身的噴水裝置配合上毛 刷可以做到快速有效地清洗薄膜 清洗效果令人滿意 但 對于南方連棟塑料大棚的清洗仍有些不便 無法實現(xiàn)連 棟大棚之間的自動化移動 2020年 韓波等設計的大棚清洗裝置 該清洗機含 有底座 通過在底座上安裝滾輪和萬向輪 實現(xiàn)清洗機構 的移動 通過可伸縮軟毛刷頂端的彈簧實現(xiàn)毛刷與大棚 棚面的緊密貼合 從而達到全面清洗的目的 而且 本裝 置有第二噴水區(qū) 在清洗完成后會對大棚進行沖刷 提高 155 2022年 31期技術 應用 科技創(chuàng)新與應用 Technology Innovation and Application 圖4 多節(jié)清洗裝置組合 圖5 山東農業(yè)大學大棚清潔裝置 大棚的清潔度 但本裝置未考慮遮陽網對清洗機高度的 限制 也未考慮連棟式大棚的連續(xù)清洗 2021年 易少燕設計了一種農業(yè)大棚清洗裝置 該 清洗裝置由旋轉盤帶動滑塊移動 再由滑塊帶動刷塵裝 置和噴水裝置移動 從而實現(xiàn)水平方向的清潔 該裝置既 可以單獨使用刷塵裝置 來掃除棚頂?shù)幕覊m 也可以將刷 塵裝置和噴水裝置結合使用 達到較好的清潔效果 該清 洗裝置還帶有循環(huán)過濾裝置以提高水資源的利用率 該 裝置適用于獨棟大棚的清洗 操作簡單 但不適用于連棟 式大棚的清洗 圖6 磁力輪式清潔裝置 2022年 王安臻設計了一種塑料大棚棚頂清洗裝 置 該裝置的主要結構為移動構架和拱形析架 其中 移 動構架的底部安裝有多個滾輪 使移動構架能在位于大 棚兩側的軌道上運動 拱形析架則由多個析架單元依次 拼接而成 并采用鉸接固定 且在析架的底部固定有交錯 設置的多個清洗組件 拱形析架在移動構架的帶動下進 行移動 實現(xiàn)清潔功能 該裝置可以調節(jié)拱形析架的拱形 弧度 提高清洗組件和大棚表面的貼合程度 從而提高清 洗效率 但只適用于獨棟大棚的清洗 無法實現(xiàn)連棟式大 棚之間的移動及清洗 2022年 王云力等設計了由2套清洗單體 1套主機 和1套副機 及清洗帶組成的塑料大棚清洗機 其主機和 副機分別布置安裝在塑料大棚兩側的天溝內 而由化纖 編織網制成的清洗帶則緊貼塑料大棚的棚頂 清洗帶的 兩端分別連接在主機和副機上 在使用中 在天溝上分別 持有主機和副機的操作人員 同時向前移動 主機和副機 的纏繞滾保持同向轉動 正轉時 主機上的纏繞滾收緊清 洗帶 副機上的纏繞滾放松纏繞帶 使緊貼棚頂?shù)那逑磶?向主機一側移動 到設定的時間后 2個纏繞滾同時反轉 此時主機上纏繞滾放松清洗帶 副機上的纏繞滾收緊清 洗帶 緊貼棚頂?shù)那逑磶蚋睓C一側移動 直至移動到設 定的時間后 2個纏繞滾又同時改變轉動方向 如此往復 156 技術 應用 科技創(chuàng)新與應用 Technology Innovation and Application2022 年 31 期 及實際使用的科學合理結合 有益于確保國內機電一體 化相關技術的高速發(fā)展進步 與此同時 機械設備相關技 術管理工程師還必須借助相關行業(yè)技術法規(guī)及標準的認 真研究來提升相關機械設備的引用品質 為徹底解決機 械裝置使用不合理 不能夠按照相關技術要求進行周期 性維護及技術參數(shù)選擇不科學等狀況提供有利幫助 進 而可以應用科學合理的使用范圍及相關重要技術參數(shù) 指標充分體現(xiàn)出機械設備的真實運行價值 逐步增加投 入機械設計及加工技術的科研資金 爭取在最短的時間 內達成針對機電一體化相關技術使用品質的提高 對于 國內機械設計制造行業(yè)的健康發(fā)展起到非常關鍵的促進 作用 4 結束語 綜上所述 現(xiàn)階段國內很多機械工程相關項目都朝 向高安全穩(wěn)定性及高品質的方向發(fā)展進步 為了最大限 度地滿足機械設計相關工程技術人員及機械加工與制造 相關技術在當代國民經濟建設過程中的真實需要 機械 加工制造相關企業(yè)在持續(xù)創(chuàng)新升級計算機輔助設計技術 及將機電一體化技術進行完善的同時 還需借助培養(yǎng)機 械設計相關工程技術人員的職業(yè)素養(yǎng) 安全降本理念 從 而能夠最大限度地提升相關機械設備的工作效率 為機 械加工制造相關企業(yè)經濟效益的可持續(xù)發(fā)展打下堅實的 基礎 參考文獻 1 薛小晶 智能控制的價值分析及其在機電一體化系統(tǒng)中的應用 J 中小企業(yè)管理與科技 中旬刊 2021 10 191 193 2 王艷波 田家寶 高利劍 工業(yè)機器人嵌入機電一體化專業(yè)人才培 養(yǎng)方案的研究 J 內燃機與配件 2021 12 225 227 3 陳瓊 呂原君 丁長濤 機電一體化技術專業(yè)群建設的探索與實 踐 基于對接杭州灣及紹興地區(qū)產業(yè)需求的視角 J 南 方職業(yè)教育學刊 2020 10 5 38 45 能夠通過清洗帶將塑料大棚棚頂表面的灰塵和綠藻等搓 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 使用普通的PVC軟管或水槍不斷向清洗 帶上噴灑清水 就能使搓拉掉的灰塵順著水流流走 本裝 置結構簡單且制造成本較低 易于更換 但只適用于較低 的塑料大棚 仍然以人力為主 且未實現(xiàn)塑料大棚的自動 化清洗 3 結論 綜上所述 由于目前 中國的溫室大棚仍以個體戶為 主 且大多數(shù)為塑料大棚 故清洗機的發(fā)展一定是向著更 簡潔 易于推廣的方向前進 近些年來 在農業(yè)自動化浪 潮的推動下 塑料大棚正在向大型化 連棟化的方向發(fā) 展 且還在不斷進行升級改造 隨著機械化 智能化 自動 化技術的廣泛應用 塑料大棚的生產效率將有顯著提升 人工成本也能進一步得到降低 針對我國南方普遍使用 的帶有遮陽網的連棟式塑料溫室棚頂清洗困難的問題 通過分析國內外研究現(xiàn)狀 針對國內現(xiàn)有的普遍使用的 圓弧形的骨架為主的塑料大棚 由于棚頂覆蓋的薄膜不 能作為著力點 因此可以通過將塑料大棚原本的支撐框 架作為清洗機的支撐機構 進而實現(xiàn)大棚薄膜的自動化 清洗 參考文獻 1 李佩原 鄭吉澍 鄧順華 等 溫室棚頂清潔設備研究現(xiàn)狀及展望 J 農業(yè)工程技術 2021 41 1 51 56 61 2 何培祥 汪洋 何家成 等 磁力輪式塑料大棚清洗裝置的設計與 試驗 J 農業(yè)工程學報 2015 31 21 102 108 3 朱康熹 梁永江 徐丹 等null塑料溫室棚頂清洗機的設計 J null江蘇農 業(yè)科學 2016 44 10 404null406null 4 陳大軍 日光溫室薄膜高效清洗機的研制與試驗研究 D 泰安 山 東農業(yè)大學 2019 5 劉月華 韓波 一種農業(yè)大棚清洗裝置 202021613108 5 P 2021 06 18 6 易少燕 一種農業(yè)大棚清洗裝置 202121430025 7 P 2021 12 03 7 nullABUK N Design and walking analysis of proposed four legged glass cleaning robot J Turkish Journal of Engineering 2023 7 2 82 91 8 王云力 張賽賽 韓小斌 等 塑料大棚棚頂清洗機的設計與試驗 J 河南農業(yè)大學學報 2022 56 3 375 380 391 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接153頁 157