手持式日光温室塑料棚膜清洗装置的研制与试验

张建平，马胜宾

（辽宁农业职业技术学院，辽宁 营口 115009）

日光温室为我国传统主流温室类型，其整体布局坐北朝南，可较好地保证温室采光性，在我国设施农业中占据重要位置。日光温室与玻璃温室相比，具有整体造价低、质量轻、生产效益好等优势，农民更易接受[1]。日光温室长时间使用，棚面易被灰尘、苔藓等污染，不易冲洗，塑料棚膜（以下简称“棚膜”）透光率下降[5]，影响农作物的健康生长，进而影响作物的产量和品质。专用温室清洗机械安装操作复杂、维护成本较高，并且由于温室结构的差异较大，无法满足现有的温室使用，适用性受到限制。因此，亟需开展经济实用、自动化程度高、操作方便的手持式日光温室棚膜清洗装置的研究，能够满足不同的作业需求，同时做到质优价廉。

目前，国内外针对日光温室棚膜清洗设备的研究不多。国外研究主要针对塑料拱棚、连栋温室以及玻璃温室，均无法适用于日光温室[2]。例如，国外研制出可于棚顶天沟行走、利用两侧毛刷清洗的拱形自动清洗机，还有利用旋转毛刷清洗、用动力吸尘的干燥式温室棚顶清洗机等。在国内，日光温室棚膜清洗主要依靠简易清扫工具、真空或负压吸附清洗装置[3]，而简易清扫工具使用效率低、劳动强度高，真空或负压吸附清洗装置价格昂贵且容易损坏棚膜。

现有的手持式清洗装置多应用于清洗玻璃、地面，难以应用于高度较高、跨度较大的日光温室[4]。针对这一问题，本文在借鉴现有手持式喷水电动毛刷清洗装置性能和技术的基础上，对清洗机构进行改造与试验，设计出一种清洗覆盖面积大、携带方便、安全可靠、作业效率高、劳动强度低的手持式日光温室棚膜清洗机，以期为日光温室棚膜清洗提供技术支持。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构设计

日光温室清洗装置的整体结构设计如图1所示，主要由电机、辊刷轴、喷水机构、手持杆等部分组成。电机为可变频式，总功率120 W，电压AC 220 V，整体表面覆有IP5级别的防水涂层。支撑盘通过螺栓与电机的连接座固定连接，输出轴一端与电机输出端固定，另一端与3个夹角呈120°分布的辊刷轴固定连接，每个辊刷轴安装4个清洗用的辊刷，输出轴和辊刷轴都为铝合金空心轴。清洗装置设计3个喷水管，其输入端从手持杆内穿出，在支撑盘处固定；输出端设置在辊刷轴上方，在供水系统压强的作用下，水穿出喷水管配合辊刷对棚膜进行清洗。喷水管为万向式，可根据工作任务情况进行角度、方向调节。该清洗装置自重6 kg，设计清洗能力为150～250 m2/h。

图1 手持式日光温室塑料棚膜清洗装置结构图

1.2 工作原理

清洗作业时，操作者启动控制开关，动力系统和供水系统通过手持杆内水电并轨线为清洗装置提供动力。电机在动力系统作用下正转，通过输出轴带动辊刷轴旋转，固定在辊刷轴上的辊刷清洗棚膜表面，同时喷水管在供水系统作用下对辊刷实施淋雾式喷水，清洗棚膜所形成的污水沿着棚膜表面流向地面。操作者手持操作清洗装置，根据棚膜清洗的需要可进行横向、纵向移动，进而完成日光温室棚膜的整体清洗。

2 关键部位

2.1 辊刷轴和辊刷

如图2所示，每个辊刷轴设置4个独立的可拆卸式辊刷，辊刷通过固定环联结在辊刷轴上。固定环可防止辊刷在清洗过程中与棚膜表面摩擦出现脱落的现象发生。辊刷可采用防静电的尼龙丝毛或EVA泡棉制成，在不损伤棚膜表面的同时完成对其表面的清洗。因棚膜表面的污渍程度不同，会导致摩擦系数不同，设计辊刷的单独分离设置，可使辊刷轴在转动时各个清洗辊刷因摩擦系数不同而产生独立转速，便于清洗表面污渍程度差异化大的棚膜，既提高了工作效率，又节省了水电能源。根据日光温室棚膜的材质、厚度和表面污渍程度的不同可以更换适合的清洗辊刷。

图2 辊刷和辊刷轴组合结构图

2.2 手持部组合机构

手持部组合机构包括手持杆、水电并轨线和稳固杆。手持杆由三节可伸缩式杆组成，可根据日光温室大棚的矢高进行长度调节；材质为碳纤维和玻璃纤维，以减轻使用者操作疲劳；其内部放置有水电并轨线，并轨线从手持杆末端伸出，与动力系统和供水系统连接。动力系统与供水系统的放置方式为推车行走式，由安装在手持杆握持端的控制开关控制。若一次性需清洗的棚膜面积过大，可选配稳固杆（见图1），以减轻操作者的劳动强度。稳固杆一端通过旋转件与手持杆连接，可通过旋转件对手持杆进行角度调整；另一端固定插入土地，使清洗装置运行更加稳定。

3 清洗性能试验

棚膜清洗试验在辽宁省阜新蒙古族自治县当地农户进行，试验用日光温室的跨度7.2 m、矢高3 m、后墙高2.2 m，棚膜已在自然条件下使用7个月。为验证不同因子对试验的影响，采用两组不同清洗辊刷材质作对比：一组为EVA泡棉材质，另一组为静电尼龙丝毛材质。为保证日光温室棚膜污渍状态接近自然状态，将事先准备的粉尘和水搅拌成混合物，均匀施撒在棚膜表面，待粘附牢固后再进行清洗试验。对供水系统设置3种不同喷水流量参数；对清洗电机变频设置3种不同辊刷轴转速参数；在日光温室内外设置多个采光点，采用DT1334A型高精度数位式照度计测量光照强度，其准确度为±3%rdg±0.5%f.s（＜10 000 Lux），取样率2.0次/s，分辨率0.01 Lux/Fc，光谱准确性f1≦6%。以棚膜透光率作为试验评价指标，进行对比、评价和求证。试验设计如表1所示。

表1 日光温室塑料薄膜透光率的试验设计

将辊刷轴转速和喷水流量作为试验影响因子，在两组不同清洗辊刷材质试验的基础上，按照表1的试验设计进行双因子试验。为保证测量数值的准确可靠，避免出现较大误差，在棚膜清洗前后分别对日光温室棚内外的多个采光点重复进行3次光照强度测量，取其算术平均数。按照国家标准GB/T2410—2008对日光温室棚膜透光率的检测标准定义透光率[6-7]：

式中：Tt为透光率；T1为通过试样的总透射光通量；T2为入射光通量。

根据棚内外光照强度的测量结果，常量代入公式（1）计算出棚膜清洗前后的透光率值，并取差值。从表2的试验结果可以看出，棚膜清洗前后透光率的差值与清洗效果成正比关系，差值越大，清洗效果越好。

为了进一步确定辊刷材质、辊刷轴转速、喷水流量对透光性影响的显著性，采用因子组合均差的方式，研究辊刷轴转速和喷水流量在不同辊刷材质试验中与透光率差值之间的关系和趋势。依据表2的试验结果，取辊刷轴在同一转速、喷水流量在同一流量上透光率差值的算术平均数，同时对EVA泡棉和尼龙丝毛清洗辊刷两种材质因子进行区分，试验结果如图3、图4所示。

表2 不同组合清洗方式对日光温室塑料薄膜透光率的影响

从图3、图4中可以看出：EVA泡棉和尼龙丝毛两种辊刷材质的因子水平趋势类同，但EVA泡棉相对于尼龙丝毛在两种不同因子上透光率差值的数值区分明显，辊刷轴转速因子差值最大达到8.47%，喷水流量因子差值最大达到5.33%。辊刷轴转速的变化对清洗效果影响显著，当转速在74 r/min时，棚膜透光率差值最高；喷水流量达到4.5 L/min以后，由于水流量的增加，使辊刷与棚膜之间摩擦力减小，出现打滑现象，导致棚膜透光率的差值相对喷水流量为3 L/min时略微下降。

图3 辊刷轴转速对棚膜透光率的影响

图4 喷水流量对棚膜透光率的影响

4 结论

经试验验证，本文研究设计的手持式日光温室棚膜清洗装置符合人体力学原理，自动化程度较高，运转流畅，工作性能可靠。通过清洗性能的系列试验结果分析，得出以下结论：辊刷材质采用尼龙丝毛对提升日光温室棚膜透光率的性能方面明显优于EVA泡棉；辊刷轴转速在74 r/min时，日光温室棚膜清洗前后透光率的差值显著；喷水流量分别控制在3.0 L/min和4.5 L/min时，日光温室棚膜清洗前后透光率的差值不显著，而为了节省能源，优先选择喷水流量参数为3.0 L/min；当使用尼龙丝毛材质的辊刷、喷水流量约3.0 L/min、辊刷轴转速约74 r/min时，日光温室棚膜的透光率最高，较清洗前的棚膜透光率提高31.2%，对日光温室棚膜的清洗效果最好，并且能源损耗较低。