玻璃温室棚顶清洗装置设计与研究

摘要：随着现代农业的不断发展，玻璃温室大棚应用规模不断扩大，其使用年限更长，因此对棚顶适时清洗尤为必要。针对中国情况设计了一种玻璃温室棚顶清洗装置，该装置形状仿温室棚顶，用毛刷辊作为行走轮，采用喷水后毛刷刷洗的方式清洗棚顶，清洗效果较好。经正交试验分析，得到3个主要影响因素，结果表明当行走速度为2.31 m/min、盘刷转速为97 r/min、喷水量为9 L/min时，清洗效率高、效果好。

关键词：玻璃温室；清洗装置；设计；正交试验

中图分类号：S224.9；S237 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）03-0558-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.043

Designing and Testing of the Cleaning Device for Glass Greenhouse Roof

HUANG Feng1， ZHAO Jian1， ZHANG Yuan-shu1， LIU Hong-bo2， KONG Wei-rong2， HE Pei-xiang2

（1.Zunyi Conpany of Guizhou Provincial Tobacco Corporation， Zunyi 563000， Guizhou， China；2.College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China）

Abstract： With the continuous development of modern agriculture， the application of glass greenhouse is expanding and its service life becomes longer. Therefore， it’s necessary to clean glass greenhouses’ roof timely. This article designs a kind of device to clean glass greenhouses’ roof according to our country’s situation. The device adopts brush roll as walking wheels. Its shape imitates glass greenhouse’s roof and its operate mode is scrubbing with brushes after spraying water. After carrying an orthogonal experiment， we get the relationship between cleaning effect and three main influential factors. The results show that when the machine traveling at the speed of 2.31 m/min， brushing at the speed of 97 r/min and spraying water at the quantities of 9 L/min， it performs efficiently with a excellent cleaning function.

Key words： glass greenhouse； cleaning device； design； the orthogonal experiment

溫室是设施农业的重要组成部分。近年来，随着中国政策的大力推动和农产品需求的不断增加，温室产业呈现出前所未有的发展势头，大棚面积迅速扩大，总面积已超过200万hm2，居世界第一[1]。中国温室主要有塑料温室和玻璃温室两种。塑料温室以其成本低、结构简单等优点被广泛应用；玻璃温室因成本较高、结构相对复杂等原因主要应用于科研教学中。随着社会、经济的不断发展，人们环保意识不断提高，玻璃温室以其优异的透光率、良好的保温效果和较长的寿命，正逐渐应用到农业生产中，所占比例不断增加，具有很好的发展前景。

玻璃温室寿命长，但长时间使用，尘土、青苔等覆于玻璃表面，不易被降雨冲洗掉，严重影响温室透光率，进而影响作物产量，使经济效益下降[2]。因此，定期清洗玻璃温室大棚棚顶，提高透光率尤为重要。玻璃温室大棚清洗设备国外早有研究，荷兰等农业发达国家拥有先进的半自动玻璃温室清洗设备，设备行走于天沟，多组毛刷同时转动对天沟两侧棚顶进行清洗，清洗效果好、效率高。中国温室大多安装遮阳网，天沟无法行走，所以在中国不适用。国内关于塑料大棚清洗机械的研究，最典型的一种是利用高压水流冲击装有毛刷的水轮叶片，带动水轮高速旋转，毛刷与水一起冲刷薄膜达到清洗目的[3-8]。该装置结构简单，能解决温室清洗问题，但自动化程度低，操作不便。因此，研究一种适用于中国生产情况且具有较高自动化、较好清洗效果的玻璃温室清洗装置具有现实意义。本研究对玻璃温室大棚清洗装置进行设计及分析研究，探索了转速、正压力、喷水量与清洗效果的关系，为清洗装置的进一步优化设计提供依据。

1 清洗装置的设计

清洗装置的设计要考虑的问题：首先是清洗方法，多种清洗方法相对比，最终采用易实现且高效节水、清洗效果好的旋转盘刷喷水清洗方法；其次是行走方式，因天沟无法行走，故在清洗装置上安装较长的柔性毛刷辊，利用其与棚顶的摩擦在棚顶行走；再次是控制系统，采用无线遥控，方便操作。

1.1 机械结构

玻璃温室应用最多的是“人”字棚顶，清洗装置分左右两边，中间铰接，能与棚顶较好地贴合。清洗装置结构如图1所示。

如图2所示，清洗装置前后各有一长度与机身相当的毛刷辊。工作时，两毛刷辊转动，带动整机在棚顶行走，同时中间清洗毛刷转动刷洗棚顶。装置前后有喷头喷水，前面润湿棚顶便于清洗，后面冲洗刷掉的污垢。由于玻璃温室棚顶每块玻璃间有凸起框架，经过时毛刷转动会受阻，因此，设计毛刷升降机构（图2、图3），当检测到毛刷转动受阻较大时，将毛刷提起一定高度，越过凸起。正常清洗时也可控制毛刷升降，调整毛刷与棚顶间的压力，达到不同的清洗效果。

1.2 控制系统

机械结构需要控制系统协调才能顺利完成清洗工作。所以控制系统的设计也很重要，根据玻璃温室棚顶清洗装置控制系统所需实现的功能，绘制控制系统总体结构，如图4所示。

图4中相应功能的反馈信号由对应的传感器采集反馈，CPU进行处理并做出相应动作。棚顶端部检测模块由安装在清洗装置前后的带有霍尔传感器的触碰杆构成，到达棚顶端部时触碰杆下压，从而使霍尔传感器产生反馈信号。行走同步检测模块通过接近开关传感器感应棚顶金属梁产生反馈信号，CPU根据两侧反馈信号的时间差控制行走电机做出相应动作。其余模块使用相应的传感器，电流检测用电流传感器，位置检测用霍尔传感器。

2 清洗裝置正交试验

对所设计的玻璃温室棚顶清洗装置进行正交试验分析，得到影响因子与清洗效果的关系，找到最优因子水平组合，为清洗装置的进一步优化设计提供依据。

2.1 试验设备和条件

采用的主要设备和条件：①设计的玻璃温室清洗装置样机。②西南大学科研基地的玻璃温室，为标准的Venlo式结构，因较长时间没有清洁，棚顶已覆盖了灰尘和青苔。③TES-1330A型数字照度仪，分辨率0.1 Lux，准确度±3%，取样率2.5次/s。④12 V稳压直流电源，流速可调的供水管，数字万用表。

2.2 试验方案设计

对样机进行试验分析，探索不同因素对清洗效果的影响，为清洗装置的进一步优化设计提供依据。该试验主要看清洗效果，玻璃温室试验平台清洗前平均透光率26.5%，上下波动不大，因此，选取清洗后的透光率为试验指标。通过查阅资料并考察多种影响因素，选取对清洗效果影响较大的行走速度、盘刷转速和喷水量为影响因素。经基础试验确定各因子水平，得到各因素和其水平，如表1所示。三因素三水平试验，选正交表L9（34）进行正交试验分析[9，10]。选择第三列为误差列，分析试验误差。

2.3 试验结果及分析

正交试验结果如表2所示，方差分析结果如表3所示。

由表3方差极差分析结果及水平均值可知，各因素影响对玻璃温室棚顶清洗装置清洗效果的主次顺序为A>B>C，最优组合为A2B3C3。计算最优组合平均值：

U优=各因子优水平平均值之和-（因子个数-1）μ

式中，μ为总平均值。代入数值得到最优组合平均值为87.5，与表2中最优组合A1B3C3得到的清洗后透光率相等，在因素指标分析中得到因素A1与A2对试验指标的影响相差不大，但考虑到行走速度选择A2可以提高清洗效率，所以最优组合选择A2B3C3。

3 小结

本研究设计了一种针对中国玻璃温室棚顶的清洗装置，该清洗装置结构简单，自动化程度高，清洗效果较好。对影响清洗效果的3个主要影响因素进行正交试验分析，通过方差、极差分析以及最优组合平均值的比较，得到因素主次顺序及最优组合。在试验各因素水平组合中，当行走速度为2.31 m/min、盘刷转速为97 r/min、喷水量为9 L/min时，对玻璃温室棚顶的清洗效果最好、效率最高。

参考文献：

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