棚室设施覆膜机械的设计与试验

2022-12-26刘晓东陈林张亚振孟川

河北农机 2022年10期

刘晓东陈林张亚振孟川

1、河北省农林科学院经济作物研究所 2、河北省农业机械化研究所有限公司

前言

我国从20世纪70年代末开始进行设施蔬菜生产的研究，至今，设施结构、设施类型不断丰富，保温蓄热、结构功能日益完善，促进了设施蔬菜的生产并保障了市场供应。设施结构经历了竹木结构、混凝土骨架、石膏混合骨架直至钢架结构，一些设施专用零配件如卡簧槽、卡膜簧、卷膜器等得以开发生产，机械化程度逐渐提高。但诸多的生产细节问题需要农民付出大量的劳动力，其中棚室设施的塑料薄膜覆盖问题比较突出。首先，更换塑料膜时，覆膜操作受天气影响较大，一般棚室设施的主膜面积大，宽度在8～12米，棚膜展开后风阻极大，人力无法抗拒，造成只能选择无风天气覆膜，时间短、工作量大、强度高；其次，覆膜过程用工多达8～10人，覆膜成本居高不下；再次，人工覆膜操作易破膜，徒手用力拉膜容易将棚膜抠破，降低棚膜的使用年限；最后，人工覆膜平展度不够，易造成灰尘覆盖，影响棚室内作物的采光，同时不利于膜上雨雪的清除。

鉴于此，本文设计开发一种适用于棚室、设施覆膜的机械设备——棚室设施覆膜机，以提高覆膜效率和覆膜质量、降低劳动强度和覆膜成本、促进设施农业生产健康发展。

1 覆膜机械的设计原理

1.1 覆膜机械的主要组成部分

棚室设施覆膜机械主要由主机、辅机、双向支架、转膜轴等组成。其中，主机指由两级变速传统系统、主动箱及其底座、锁紧装置、手动摇把等组成；辅机指配合主机输出轴实现转膜轴转动的从动箱及其转轴等组成；双向支架是由两组结构相似、方向相反的两组架体组成；转膜轴是一根两端开有长键槽可与两端主辅机轴连接的钢管。工作原理如图1所示，覆膜机械安装在温室设施的侧墙上，塑料薄膜的一端固定在覆膜机械的转膜轴上，另一端固定温室设施的另一侧，通过手动摇把转动转模轴，拉紧塑料薄膜，完成覆膜。

图1 覆膜机械工作原理示意

1.2 覆膜机械的省力原理

利用减速增扭、杠杆减力原理，设计了两级减速传动齿轮结构和长杆摇把机构。

两级减速传动比均为2∶1，总减速比为4∶1，根据减速增扭原理，通过减速齿轮箱能把人力手臂产生的扭矩增大4倍，通俗的讲就是实现增力达到4倍。

摇把的摇杆长度越长则越省力，根据便于人员操作的原则，设计手动摇把的动力臂与转膜轴的阻力臂长度比为20∶1，相比于直接转动转膜轴，摇把实现增力20倍。

1.3 覆膜机械的安装方法

根据棚室和设施的特点，设计便捷式固定卡扣，简化覆膜机械的安装流程。将卡扣固定于棚室的侧面支架或者设施的侧墙，双向支架通过卡扣与棚室设施固定连接，可拆卸。覆膜机械与双向支架之间采用滑动方形套管+限位形式安装，方便装卸。

2 覆膜机械的关键部件设计

2.1 减速齿轮箱设计

减速齿轮箱设计遵循小巧、灵活、成本低的原则，主要考虑其功能性、可靠性。硬齿面开式传动的承载能力主要取决于齿根弯曲疲劳强度，模数选大些有利于承载能力提高。根据设计目的以及实际操作经验，以一个成年人的上肢力量为基础数据，并参考塑料薄膜的抗拉强度来计算校核减速箱的参数。以输入800N的力,力臂长度（手动摇把长度）为0.24m计算。

减速箱输入扭矩T1=800N×0.24m=192N·m;

减速箱的减速比i=4∶1；

输出扭矩T2=T1×i×η；

齿轮传动的效率与齿轮的类型、加工精度以及润滑情况都有关，一般情况下圆柱直齿轮传动的效率为0.9～0.99；本设计中减速箱为两级圆柱直齿轮传动，取最低值计算，η=0.9×0.9=0.81；

则输出扭矩T2=192N·m×4×0.81=622.08N·m；

则计算可知，输入轴d1≥18.17mm;

输出轴d2≥26.88mm。

在根据输入扭矩计算出轴径的范围后，再通过覆膜的阻力进行反向验证。常用大棚塑料膜的厚度0.08～0.15mm之间。查阅文献及资料[1-2]，农用塑料薄膜的拉伸强度≥16Mpa;则当覆膜宽度为8m时，覆膜能够产生的最大阻力扭矩T3计算如下。

计算公式：T3=F×L；

取转膜轴力臂L=0.05m(考虑卷膜后增加的半径)；

覆膜能够产生的最大阻力扭矩T3的范围为T0.08～T0.15。当大棚或设施覆盖的塑料薄膜厚度为0.08mm时，覆膜能够产生的最大阻力扭矩为512N·m;参照前面计算，当用800N的力（相当于提起约80kg重物）转动覆膜机的手动摇把时，产生的输出扭矩为622.08N·m，将可能会扯坏塑料薄膜。反向推理，塑料薄膜的使用已经过实际检验，故常规覆膜操作产生的阻力必然小于其抗拉强度。故此，使用覆膜机时，输入的力必然低于800N即可完成覆膜作业。当棚室设施覆盖的塑料薄膜厚度为0.15mm时，覆膜的最大阻力扭矩为960N·m;计算可知扯坏0.15mm塑料薄膜的输入力约为1234N(输入扭矩为296N·m)，输出轴d2≥31.07mm，输入轴d1≥20.10mm。

因此，考虑安全使用，并结合生产工艺，确定输入轴d1=27mm，输出轴d2=31mm。既确保减速齿轮箱的强度能够满足使用要求，又尽可能使其结构轻简。齿轮选取模数2，两组减速齿轮分别为18齿和36齿，45#钢材质，调质处理。图2为减速齿轮箱总装示意图，减速齿轮箱整体结构简单。因转速较低，运转时间较短，故采用耐磨套代替轴承，齿轮使用黄油润滑，可以有效降低制作成本和维护难度，便于在田间地头使用、推广。减速箱整体可以和安装支架快速拆卸，方便在大棚设施之间转移使用，提高利用率。

图2 减速齿轮箱总装示意图

2.2 安装支架设计

棚室和温室设施的结构有差异，考虑到覆膜机的通用性，其安装支架应兼顾棚室和设施的结构特点。如图3所示，安装支架由主支架、旋转支架、撑杆和卡扣等组成。通过卡扣将主支架固定在棚室的骨架或设施的侧墙上，减速齿轮箱安装在旋转支架上。两个安装支架对称布置，成对使用。与减速齿轮箱相对的位置安有与减速齿轮箱输出轴同轴的固定转轴，在输出轴和固定转轴之间安装转膜轴。转膜轴的长度需根据棚室或设施的铺膜宽度确定。转膜轴设计有可以固定塑料薄膜的卡槽。

图3 安装支架示意图

3 覆膜机试验

3.1 覆膜机仿真分析

构建覆膜机的完整三维设计图，根据理论分析的受力情况，进行整机受力仿真分析。如图4所示。根据分析结果，初步判断覆膜机在理论分析的受力条件下能够满足使用要求。

图4 覆膜机受力仿真分析

3.2 现场试验

选取常规塑料大棚设施进行覆膜试验，覆膜宽度8m，长度60m。图5为试验现场。使用覆膜机只需4名人员即可完成覆膜作业，并且覆膜平整，整体效果较好。覆膜机的手动摇把输入力矩最大值约为100N·m，输出扭矩约为360N·m；结合前文计算公式可知，操作人员相当于用提起40kg重物的力量即可完成覆膜机的操作，减速齿轮箱的传递效率η为0.9。

图5 试验现场

4 效益分析

（1）直接经济效益。传统的棚室设施人工覆膜方式人工投入量为平均8人/栋，应用该设备可直接将覆膜人工投入量减少至4人/栋，节约人工50%。按照人均日工资200元计算，可节约成本800元/天，直接经济效益显著。

（2）间接经济效益。该设备的应用，有效解决了刮风天气人工无法覆膜的问题，一般4～5级风力以下均可正常覆膜作业；同时，覆盖的棚膜相对人工作业更为平展，降低了薄膜皱缩引发的日光漫反射损失，提高了日光通透率，增强了棚室的采光增温效果，从而实现增产；另外，机械化操作有效规避了人工覆膜手动拉抻棚膜造成的破膜风险，也降低了人工高处作业因风力带来的意外伤害风险；此外，采用机械化覆膜可同时固定多栋棚室设施的棚膜，然后由人工有序地进行卡簧、绑压膜绳等操作，降低劳动强度、提高覆膜效率。

（3）社会效益。该设备的应用，可显著减低棚室覆膜活动中对技术、人员年龄的要求限制，甚至产生专业棚室覆膜队，带动农民就业，有着良好的社会效益前景。