温室棚顶清洁设备研究现状及展望＊

2021-04-20李佩原郑吉澍邓顺华龙翰威重庆市农业科学院重庆401329

农业工程技术 2021年1期

李佩原，郑吉澍，邓顺华，龙翰威（重庆市农业科学院，重庆 401329）

植物生长离不开光照，光照作为制约作物栽培的重要因素，直接影响作物的生长、果实的产量和品质。因此温室设施的棚顶透光率在温室发展过程中起着至关重要的作用。但温室棚顶上覆盖灰尘，还会生长大量的苔藓，造成温室棚顶透光率下降，影响温室生产。所以必须通过定期对温室棚顶进行清洗或更换覆盖材料来维持温室棚顶的透光率。然而国内的温室棚顶结构含开窗通风系统、外遮阳系统及顶部外喷淋系统等，结构比较复杂，且为轻钢骨架，载荷较小，人工清洗成本高，清洗效率低，且危险系数大。为了保证温室棚顶的透光率，降低温室的清洗成本，温室棚顶清洗设备必将是温室发展中重要的配套温室设施设备之一。文章主要阐述国内外各种温室棚顶清洗设备的结构、原理和方法，分析温室棚顶清洗设备的发展现状，并提出温室棚顶清洗设备发展的一些建议。

国外温室棚顶清洁设备的发展现状

国外对温室棚顶清洁设备的研究比较早，在20 世纪中后期日本、荷兰、以色列等国家就已经开始研发温室棚顶清洁设备。随着科技及制造业的高速发展，温室棚顶清洗设备也在向着集成化、自动化方向进行研究开发。荷兰等设施农业发达的国家已经有适用于自己国家设施温室的棚顶清洗设备。

以色列的无水式温室棚顶清洁机，主要由刷辊、电机、负压吸尘配件组成，利用刷辊的旋转使温室表面的尘土脱落，再配合负压吸尘系统完成脱落尘土的清理。但该设备比较笨重，容易加速温室棚顶的损坏。

荷兰的温室棚顶清洁设备主要分为两种结构形式，一种是机械结构为“人”字型，横跨一个开间，把开间两侧的天沟作为设备的行走轨道，在温室棚顶上的连接架上配置相应的清洗刷辊，结合水进行温室棚顶清洁作业，该类装置配有载人平台，可人工对机械未清洗干净的部分利用高压水枪进行二次清洗，如图1 所示。另一种机械结构为“Y”型，以两个开间之间的天沟作为行走轨道，行走装置左右分别装有单排或多排清洗刷辊（或刷盘），拖拽高压水管进行清洗作业，同时配备载人作业平台进行操作及补充作业（图2）。以上两种类型的设备清洗效率高，清洗效果好，但是设备比较笨重，需要配套棚头横向移动装置或者大型起吊设备才能使用。并且只能在未安装遮阳网，天沟承重能力强，且天沟中未有其他障碍物的玻璃温室使用，对于天沟单薄、安装有外遮阳系统的温室不适用。

图1 荷兰的“人字型”温室棚顶清洁设备

图2 荷兰的“Y”型温室棚顶清洁设备

国内温室棚顶清洁设备发展现状

目前，中国温室棚顶清洁设备的研究还处于初期阶段，市场未见成熟的产品，其中2006年北京京鹏环球温室工程技术有限公司的田真、朱永文等设计了一款温室屋顶电动清洗机[1]。该设备由带有电动行走机构的骨架车身、利用液压传动机构控制的清洗单元、喷水单元、供水管路、电缆收放用装置等组成，如图3 所示。设备可以在温室屋面行走，毛刷辊旋转配合喷水单元进行温室顶部清洗，还设有天窗下沿清洗小滚刷。该设备可对温室顶部屋面实现快速高效地清洗，节省人力物力。但是该设备带有绕线轮盘和绕管轮盘，结构体积较大，无法翻跨屋脊和天沟，需要在端头配备横向移动机构，无法清洗带有外遮阳网的温室棚顶。

图3 温室屋顶电动清洗机

图4 清洁机模型

2007 年河北农业大学机电工学院的周娟设计温室大棚智能清洁机[2]，该机由旋转毛刷、吸尘机构、行走机构组成，如图4 所示。设备由3 只轮子组成行走机构带动设备在温室棚顶行走，利用2 只高速旋转的毛刷把棚膜上灰尘及青苔刷掉，再用电机带动风扇使吸尘仓产生负压，对棚顶灰尘和杂物进行处理清理，该清洁机尘仓具有满仓报警功能、电源电压检测功能以及可以通过无线遥控器进行清洗机控制作业。该设备体积小、质量轻，能够在温室室顶外表面行走，具有吸尘功能，能够实现全区透明覆盖物的清洁。但是该设备的小巧限制了设备的续航，无法进行长时间清洗，影响清洁效率，且无法自主翻越温室棚顶及跨越温室天沟，需要人工进行配合。

2012 山东省农业科学院蔬菜研究所刘波、吴雄研发的连栋温室屋面自动喷淋清洗装置[3]，该设备由喷枪杆、喷头、行进电机、输水软管、水管、水泵、水池和行进轨道构成，如图5 所示。利用行走电机带动设备在轨道上行走，行走机构上安装喷淋系统对温室棚顶进行自动喷淋清洗。该连栋温室屋面自动喷淋清洗装置可以快速、高效地进行连栋温室屋面的高效清洁，但依靠顶棚喷淋进行清洗，需水量较大，且现有温室改造不易，维护成本较高。

图5 连栋温室屋面自动喷淋清洗装置结构示意图

图6 玻璃温室大棚棚顶清洗装置结构示意图

2013 年西南大学的何培祥等发明了一种玻璃温室大棚棚顶清洗装置[4]，该设备由主悬架、毛刷辊、清洗电机、带喷头的喷水管、行走大轮、辅助小轮组成，如图6 所示。该设备搭配上供水、供电机构利用行走大轮及辅助小轮行走，带动毛刷辊结合喷水装置进行温室棚顶清洗，能高效地清洗玻璃温室大棚棚顶，但不能自主翻跨温室屋脊和天沟，需在温室端头配合横向辅助机构或人工进行移动。

2015 年西南大学的孔维荣，设计了一款可以对安装有外遮阳网系统的Venlo 型玻璃温室棚顶进行清洗的装置[5]，该设备由毛刷辊支撑杆、毛刷辊驱动电机、毛刷辊、圆盘刷、圆盘刷驱动电机、主悬架、喷水管支撑杆、喷水管、供水管、铰链构成，如图7 所示。该设备利用电机驱动毛刷辊旋转作为设备的动力行走机构，毛刷辊上带喷头的喷水管进行湿润和冲洗，结合电机驱动的圆盘刷进行棚顶刷洗。该设备还可以自身携带供水水箱和供电电瓶工作，也可以拖拽电线和水管进行工作，作业方式灵活。但不能自主翻跨温室屋脊和天沟，需在温室端头配合横向辅助机构或人工进行移动；且温室棚顶天窗会对该设备行走轮产生阻碍。

图7 Venlo 型璃温室棚顶进行清洗的装置结构示意图

图8 玻璃温室棚顶自动清洗机结构示意图

2016 年西南大学工程技术学院的李济霖等研制了一款玻璃温室棚顶自动清洗机[6]，该设备由清洗机构、行走机构和控制部分3 大部分组成，如图8 所示。该设备利用双履带行走小车作为行走动力机构，带动清洗机构在温室棚顶进行清洗作业。该设备采用快速接口连接方式，设备可快速组装与拆卸，根据棚顶的尺寸进行调节以适应多种规格的温室棚顶清洁，且自动化程度较高。

2017 年常州环际商贸有限公司的苏洪泉、王文新、史玉玲发明一种玻璃温室棚顶清洗装置[7]，该设备由支撑架、毛刷辊、毛布辊、冲水毛刷器、供水器、喷水管、升降杆、铰链、支架等组成，如图9 所示。该设备利用供水器供水，水流冲击毛刷器旋转将棚顶的脏物清扫，同时电机驱动毛刷辊、毛布辊推动清洗装置行走，经毛刷辊和毛布辊的协同擦拭，完成对温室大棚棚顶上的灰尘、青苔等附着物的清洁工作。该设备可以和地面上的供水、供电、移动机构一起工作，也可以自身携带供水水箱和供电电瓶工作，能高效率地清洁屋脊型玻璃温室棚顶的灰尘和青苔等附着物，但是毛刷辊和毛布辊作为行走装置，无法躲避温室棚顶天窗，会对清洗效果产生较大的影响。

图9 玻璃温室棚顶清洗装置结构示意图

图10 现代化农业种植温室外屋顶自动清洗系统结构示意图

2018 年湖北永耕农业有限公司的张志祥发明一种现代化农业种植温室外屋顶自动清洗系统[8]，该系统由机架、电控箱、太阳能光伏板、蓄电池、支架、电机、转轮、水泵、毛刷、转辊、水箱等组成，如图10 所示。该设备利用太阳能作为设备的能量来源，电机连接驱动轴辊带动设备行走，电机的正转和反转带动毛刷往复运动，结合水泵、出水管对棚顶玻璃进行清洗。该设备太阳能光伏板将太阳能转换为电能为电机和水泵提供电能，有效利用太阳能，节能环保。但是设备配套部件多，不适合在连栋温室表面进行清洗。

2019 年中国农业大学烟台研究院的祝国强、李建伟、战颖等人发明一种连栋温室顶部玻璃清洗装置[9]，该装置由驱动装置、清洗装置、蓄电池、控制器等组成，如图11 所示。利用双轴电机和行走轮组成行走机构，机箱底部安装水箱，清洗机构加装硅胶材质刮板，通过刮板辅助清洗毛刷对温室顶棚上的灰尘进行清洗。该清洗设备的硅胶刮板可以辅助清洗毛刷进行温室棚顶清洁作业，有效提高清洗效果。但是温室的顶部开窗会影响设备在温室顶部的行走轨迹。

图11 连栋温室顶部玻璃清洗装置结构示意图

图12 温室屋面清洗机结构示意图

2019 年青岛蓝天温室有限公司的陈大富、杜紫龙、吴俊霖发明一种温室屋面清洗机[10]。设备由驱动电机、清洗盘刷、喷头、卷线器、卷管器及供水装置等组成，如图12 所示。清洗车架为了适应温室棚顶的外遮阳系统，采用“弓形”设计，该设备还包括转移车和转移轨道仓架等辅助设备，清洗车通过随行轨道移动至转移轨道上，转移轨道运送相邻温室开间端头，使用随行轨道使清洗车行走至温室棚顶，完成清洗设备在棚头的横向移动。该设备可以对国内带有遮阳网系统的温室进行清洗，但是需要在原有温室遮阳网立柱上增加轨道，且要考虑遮阳网立柱上的轨道载荷，改造成本高。

2013 年西南大学的何培祥等发明了一种温室大棚棚顶清洗设备[11]，该设备由可移动式工作平台、钢绳、带喷头的喷水管、高压供水系统、控制器总成以及竖直设置的支撑悬架组成，如图13所示。利用地面可移动平台带动顶部的高压喷水管移动，用高压水流进行温室棚顶清洗。该设备能够对大跨度大棚棚顶进行清洗，有设备需要直接跨过温室棚顶作业，设备不适用于清洗有外遮阳系统的连栋温室。

图13 温室大棚棚顶清洗设备结构示意图

图14 手扶式塑料温室棚顶清洗机结构示意图

2016 年贵州省烟草公司遵义市公司和西南大学的张长华、温明霞、何培祥等发明一种手扶式塑料温室棚顶清洗机[12]，该设备由行走装置柔性抹布、喷水管、喷水管扶手、行走轮、惰轮、驱动卷筒、电机、支架等组成，如图14 所示。利用天沟作为清洗机行走轨道，两人分别于棚顶两侧推动小车向前行走，两小车之间的驱动卷筒缠绕柔性抹布进行棚顶清洗，支架上的水管对抹布后方的杂物及灰尘冲洗到天沟之中。该设备可以高效地清洗塑料温室棚顶，不适用于清洗有外遮阳系统的连栋温室。

2019 年蔡超文设计了一种农业温室大棚清洗装置[13]，该装置由骨架和安装在骨架上的清洗雨刷组成，骨架包括外主杆、内主杆、外压杆、内压杆和立杆等，如图15 所示。该设备顶部设置有纵向分布的内主杆及横向分布的内压杆；外主杆内部空心，表面有水孔及喷头。每根内压杆上对应安装外压杆，外压杆上有槽轨道，移动杆上安装有清洗雨刷，且两端滑动连接相邻槽轨道上，引水管一端安装有伸缩杆，伸缩杆端部安装有清洗海绵球。

图15 一种农业温室大棚清洗装置结构示意图

图16 磁力轮式塑料温室棚顶清洗机结构示意图

图17 日光温室薄膜高效清洗机结构示意图

2019 年西南大学工程技术学院的李晓贤研发了一种磁力轮式塑料温室棚顶清洗机[14]，该设备圆盘清洗毛刷、右端俯仰摆动支架、机架、左端横向滑动支架、辅助轮、磁力轮、电机、供水管组件等组成，如图16 所示。该设备利用磁力轮作为驱动轮，吸附在温室两侧的拱形钢骨架上行走，清洗机构采用8 个相邻且并排彼此相切的圆形毛刷组成，完成温室顶部刷洗。该设备重量较轻，体积较小，方便搬运。

2017 年山东农业大学的李天华、侯加林、徐效伟等人发明一种日光温室薄膜高效清洗机[15]，该设备由支撑行走装置、轴辊、行走架、底座、支架、导轨、左右卷绳轮、左右牵引支架、正反转电机、清洗轴、喷水管、毛刷等组成，如图17 所示。该设备利用辊轮带动辊刷轴在日光温室上进行正反向移动，电机驱动沿温室长度方向清洗轴辊刷转动结合喷水管进行温室薄膜表面灰尘的清扫及冲洗。该设备可以通过改变清洗轴的位置，实现对温室薄膜由上至下的全方位清洁。

图18 可换棚的自走式日光温室薄膜清洗装置结构示意图

2018 年山东农业大学的肖伟、陈大军、高东升等发明一种可换棚的自走式日光温室薄膜清洗装置[16]，该设备由前后轨道、可移动支撑座、移动梁、清洗装置等组成，如图16 所示。通过在地面设置可移动轨道，在轨道上移动固定有清洗设备的移动梁进行日光温室棚顶清洗。该设备成本低、可换棚作业的自走式日光温室薄膜清洗装置。设备体积较大，需要在建设温室前充分考虑清洗设备的移动轨迹。

国内温室棚顶清洁设备存在问题

清洗机行走障碍多国内大部分连栋温室棚顶有遮阳网系统、温室顶部通风系统等结构，目前大部分温室清洗设备未充分考虑温室顶部开窗、遮阳网系统对清洗设备行走可能造成的阻碍。

清洁设备体积大转运不方便目前大部分连栋温室棚顶清洁设备参考荷兰清洁设备依靠温室天沟作为轨道进行移动清洗或者是在遮阳网立柱上加装轨道进行清洗，这类设备清洗效果好，但是体积大，质量重，只能在温室棚头进行横向移动，且需要配置相应的移动平台，造价高，对温室外棚头地面要求高，根据现在温室发展情况推广难度大。

自动化程度低温室趋于大规模发展，人工清洗已无法满足现在温室的需求，但是现有的温室棚顶清洁设备受给水管道、电源线缆及温室棚顶差异结构等限制，需要专业工人配合完成温室棚顶清洗，未实现无人化自动清洗。

需水量大环境不友好现有的温室棚顶清洁设备需要利用高压水冲刷配合辊刷或者圆盘刷进行棚顶清洁，一般温室为保证生产，每年需要清洗棚顶3～4 次，需水量约为0.25～2 L/m2[17-18]，目前中国拥有日光温室577455.69 hm2，连栋温室54338.46 hm2[19]，每年用于清洗的用水量很大，造成水资源浪费。