GDL80 型轨道式大棚卷帘机设计

张义胜，侯心爱，宁新杰，蒋 博

（淄博市农业机械研究所，山东 淄博 255086）

设施农业的发展实现了果蔬的周年供应，满足了我国经济社会的农产品供应需求。随着我国北方地区冬季果蔬温室大棚规模的扩大，一些实用的设施农业生产技术及配套装备得到了应用推广，其中，机械化卷帘技术在我国北方日光温室大棚中得到普遍的推广与应用[1]。卷帘机是日光温室最重要的农业机械，代替人工收放帘工作， 极大地减轻了农户的劳动强度，提高了农户劳动效率[2]。在生产实践中，为了满足北方冬春季节棚内作物的保温需要，通常在外面塑料薄膜上铺一层保温帘。当阳光充足时，拉起保温帘，保证作物接受充分光照，利于作物生长。 如果阳光不足或在夜间，则需铺上保温帘保温。 保温帘每天收放至少1次，人工卷帘劳动强度大、费时费力、效率低，易造成保温帘分布不均。对此，设计一种GDL80 型轨道式大棚卷帘机，以期克服人工卷铺帘的弊端，提高卷帘作业效率。

1 GDL80 型轨道式大棚卷帘机设计

1.1 整体结构

大棚卷帘机结构如图1 所示，由大棚、轨道、悬挂装置、减速机、电机组成。

图1 大棚卷帘机示结构示意图Figure 1 Structureal diagram of the curtain rolling machine for greenhouse

电机、减速机通过悬挂装置悬挂在轨道上，随着减速机输出轴的旋转，完成保温帘的卷放工作，同时带动卷帘机沿着轨道行走。 电动机输出扭矩，通过带传动传至齿轮式减速机输入轴，减速机输出轴将输出的扭矩通过联轴器和法兰盘传至保温帘卷杆，带动保温帘卷杆转动。 通过控制电动机的正反转，完成收帘和放帘作业。

1.2 设计参数

卷帘机设计参数见表1。

表1 整机参数Table 1 Machine parameters

2 主要零部件设计

2.1 悬挂装置

悬挂装置结构如图2 所示， 由减速机固定板、主拉杆、副拉杆、滚轮总成、转套A、转杆、螺母、开口销、垫圈、转轴、螺栓、转套B 组成。

图2 悬挂装置结构示意图Figure 2 Structural diagram of suspension structure

减速机固定板一端与主拉杆、 副拉杆焊接在一起，另一端通过板上6 个孔用螺栓与减速机固定。 转杆和转套A 焊接，转套B 和主拉杆焊接。 卷帘机输出轴转动的同时，保温帘拉动卷帘机移动，带动转杆沿着转套A、转套B 发生转动，从而带动滚轮总成在轨道上发生转动和移动，完成保温帘的卷放。

2.2 滚轮

滚轮总成结构如图3 所示，由滚轮轴、轴承、滚轮组成。

图3 滚轮总成结构示意图Figure 3 Structural diagram of roller assembly

滚轮中间部位加工成圆弧， 与轨道圆管配合，可沿轨道圆管行走。 轨道主梁采用圆钢管制作。 滚轮轴两端轴头与悬挂转杆的转套联结，转杆可以沿着轴头转动。 滚轮轴两端加工成螺纹，拧上螺母后用于固定转套。

2.3 传动装置

传动装置主要由皮带传动装置和减速机组成。电机安装在减速机上方，其动力通过一级皮带减速传到减速机，经减速机内3 对齿轮的减速传动，最后经输出轴输出动力。输出轴通过联轴器与两侧的保温帘卷杆联结，输出轴将动力传给保温帘卷杆，带动保温帘卷杆转动。 随着卷保温帘卷杆的转动，完成保温帘的卷放工作。

减速机结构如图4 所示，由保温帘卷杆、联轴器、Ⅳ轴、Ⅲ轴、Ⅱ轴、齿轮2、动力传动盘、减速机皮带轮、Ⅰ轴、摩擦片Ⅰ、摩擦片Ⅱ、齿轮4、齿轮6、减速机壳体组成。

图4 减速机结构示意图Figure 4 Structural diagram of reducer

在减速机输出轴的两端，对称布置两条保温帘卷杆。 卷杆使用无缝钢管制作，钢性强，不易弯曲。 减速机皮带轮的动力经摩擦片、动力传动盘后传给减速机的输入轴，这样可以有效防止卷帘机过载，起到安全保护的作用。

3 相关参数计算

3.1 电动机选择

按工作要求和工作条件选择Y 系列三相异步电动机，其结构为全封闭自扇冷式，电压为220 V。 电动机的有效功率计算公式为：

式中：P 为电机功率，kW；T 为额定输出扭矩，5 800 N·m；n2为输出轴转速，1.55 r/min；η 为总传动效率，0.85。

由式（1）计算得，P=1.1 kW。

综合考虑电动机和传动装置尺寸，为使传动装置结构紧凑，选用同步转速1 450 r/min 的电动机。 根据电动机的类型、容量和转速，由机械设计手册选定电动机型号为Y90S－4。

3.2 输出转速

减速机输出转速n2计算公式为：

式中：n2为减速机输出转速，r/min；n1为电机转速，1 450 r/min；d1为电机带轮直径，75 mm；d2为减速机带轮直径，192.5 mm；Z1为齿轮轴Ⅰ齿数，12；Z2为齿轮 2 齿数，94；Z3为齿轮轴Ⅱ齿数，9；Z4为齿轮 4齿数，60；Z5为齿轮轴Ⅲ齿数，8；Z6为齿轮 6 齿数，53；μ 为带轮打滑系数，0.05。

由式（2）计算，n2=1.55 r/min。

3.3 保温帘及卷杆总质量

保温帘卷杆采用直径50 mm、 厚度2.5 mm 无缝管制作，保温帘卷杆质量计算公式为：

式中：m1为棉被卷杆质量，kg；r0为卷杆外圆半径，0.025 mm；r1为卷杆内圆半径，0.022 5 mm；s 为卷杆长度，80 m；ρ 为钢材比重，7 800 kg/m3。

由式（3）计算，m1=233 kg。

保温帘厚度按照δ=0.018 mm 计算， 单位面积的密度为1.26 kg/m2，保温帘质量的计算公式为：

式中：m2为保温帘总质量，kg；B 为保温帘宽度，20 m；ρ1为保温帘单位面积密度，1.26 kg/m2。

由式（4）计算，m2=2 016 kg。

保温帘及卷杆总质量m=m1+m2=2 249 kg。

3.4 保温帘卷放时间

忽略保温帘在卷帘过程中的压缩量，保温帘以保温帘卷杆为中心按阿基米德螺旋规律运动。保温帘卷杆每转1 周， 保温帘半径的变化量 （即保温厚度）为δ＝0.018 m。 卷帘轴半径 r0＝0.25 m。

保温帘在某时刻t 时的展开长度：

式中：B(t)为保温帘时刻 t 的展开长度，m；r0为卷帘轴半径，0.025 m；δ 为保温帘厚度，0.018 m；ω 为卷帘轴转速，rad/min。 ω=2πn2=9.739 rad/min。

当 B=20 m 时， 由式 （5） 得到方程式：1.706t2+1.224t-251.327=0。 由此计算得到：t=16.42 min，即卷放帘的时间为16.42 min。

3.5 保温帘半径

保温帘半径的计算公式为：

式中：r 为保温帘半径，m；θ 为保温帘转角，rad。

接近棚顶时保温帘的半径最大，此时保温帘的最大转角为 θ=ωt，计算得到 θ=159.914 rad。

由式（6）得到：r=0.483 m。

3.6 阻力扭矩

保温帘在大棚上滚动过程中（如图5 所示），接近棚顶时保温帘的最大滚动半径为0.483 m。 按照设计规范，大棚面坡度角 β 应大于 30 °，这里按照 30 °计算。 保温帘及卷杆总质量产生对棚面的正压力N 和向下的下滑力F。此时卷帘机所需克服的最大阻力扭矩为[3]：

图5 卷帘机在棚顶示意图Figure 5 Schematic diagram of the curtain rolling machine on the roof

式中：M 为保温帘产生的阻力扭矩，N·m；F 为保温帘产生的下滑力，N；β 为大棚坡度角，30 °。

由式（7）得到：M=5 323 N·m。

由计算结果可以看出，卷帘机的额定输出力矩大于最大阻力矩，设计合理。考虑到雨雪的影响，当工作幅宽80 m、保温帘厚度0.018 m 时，最大卷帘宽度为20 m。 如果增加保温帘的宽度和厚度，需要降低工作幅宽。

4 结论

卷帘机使用环境恶劣，不确定因素多，在设计、生产、安装、使用等方面，质量和安全问题时有发生[4]。本研究设计的GDL80 型轨道式大棚卷帘机于2020 年冬季在山东淄博市临淄区试验基地进行试验，结果表明：该卷帘机的输出转速、输出扭矩、工作幅宽等主要技术参数满足设计要求，可有效完成保温帘的收放工作，提高了卷帘工作效率，降低了劳动强度，延长了保温帘使用寿命。