大棚除雪机的设计与研究

来源:环球市场信息导报
关键字:除雪
发布时间:2013-09-29 14:38

　　为了冬季北方地区温室屋面除雪积雪压塌温室这一问题，设计了一种大棚除雪机，并对其除雪机构、输送机构及功率消耗进行了设计和研究。研究表明，采用硬质毛刷和螺旋机构制成的除雪机，适合清扫屋面的较厚积雪，减小了除雪过程中的阻力，降低了农民的劳动强度。

　　1 引言

　　目前，随着农业生产的发展，温室蔬菜大棚越建越多，但在我国北方地区，尤其是东北部，冬季大棚积雪影响屋面的透光性和保温性[1]，不利于喜阳植物的生长，且影响大棚的总体强度和刚度。目前农业大棚除雪多为手工作业，据相关数据显示，对于一个150m长的大棚，除雪工作需要5个人花费3-4h才能完成。除雪时间较长，不仅会造成其他屋面积雪清扫的延迟，还会影响到温室草帘的快速卷起，减少了农作物正常的光照时间，影响农作物生长[2]。更重要的是白天光照时间短，会造成晚上棚内温度继续降低，蔬菜生长缓慢或有被冻死的可能，造成直接或间接的经济损失。

　　目前温室大棚的机械化除雪主要是采用融雪管[3] ，在雨槽下安置化雪管，提高大棚内温度融化屋面积雪，这种方法融雪时间长、耗能大，并且投资和运行费用均比较高；整体输送式大棚屋面除雪装置，制造成本较高，不适合多个相邻大棚屋面的除雪，不易于推广应用，现有的机械化大棚除雪装置是利用空气迅速流动原理进行除雪[4]，存在效率低、噪音大、机械结构复杂等缺点，应用范围有限。针对尚未出现高效的大棚除雪装置的现状，设计了一种新型大棚除雪机，样机试验效果良好，为冬季大棚除雪提供了一种有效的低运行费用除雪设备[5]。

　　2 大棚除雪机的工作原理与结构设计

　　2.1 大棚除雪机的工作原理

　　新型温室除雪机安装在农用行走机械之上，利用车载液压马达驱动顶部执行机构和底部执行机构进行工作。顶部执行机构用于清扫温室屋面积雪，并将其输送到温室外侧底部，底部执行机构将从屋面清扫下来的积雪输送到田间合适位置[6]。

　　由于新型温室除雪机在田间相邻温室之间作业，受实际作业环境限制，因此温室除雪机的高度、宽度等都有明确要求，其具体设计要求如下：

　　（1）能在田间道路上行驶自如；

　　（2）能将温室顶部积雪清扫干净，且能使温室底部积雪搬运到合适位置。

　　（3）可实现全自动化，操作简便，整个除雪过程一人即可完成。

　　2.2 大棚除雪机的整体结构

　　根据温室除雪机的工作原理、功能实现和控制要求，其主要结构为：顶部执行机构、底部执行机构、车体、控制部分、伸缩装置等。具体组成部分如图1所示。

　　图1 整机结构示意图

　　2.3 大棚除雪机结构设计

　　温室除雪机主要分为两部分：顶部执行机构和底部执行机构，分别用来清扫大棚顶部和底部积雪。具体设计参数由大棚整体结构及其所在田间位置而定。

　　2.3.1 顶部执行机构设计

　　如图2所示，顶部执行机构采用螺旋分布式硬质毛刷，共有五段，每段毛刷固定在各自驱动轴上，轴之间采用联轴器相连，保证动力传递。毛刷支撑架用来支撑毛刷及其驱动轴，毛刷支撑架分为四段，每段之间用销轴连接。每段清扫机构都作用在支持轮上，为了减少对温室屋面的压力，采用6个支撑轮。北方地区冬季温室屋面上都有草帘覆盖，为避免除雪过程中，旋转毛刷卷起草帘，采用压帘杆以防止草帘被卷起。

　　为减轻顶部执行机构重量和降低能耗。毛刷材料选用中等强度的硬质塑料制成，呈细长圆柱状。毛刷轴采用中空钢管，不仅保证了强度和刚度，而且减轻了重量。毛刷支撑架全部采用高强度铝合金制成，支撑轮采用复合橡胶轮。顶部执行机构总图如图3所示。

　　图2 顶部执行机构简图

　　1.液压马达 2.毛刷 3.毛刷轴 4. 轴承 5.联轴器 6.支撑轮 7.毛刷支撑架 8. 连接销 9.压帘杆

　　图3 顶部执行机构总图

　　2.3.2 底部执行机构设计

　　温室除雪机底部采用异形螺旋清扫机构，用于把积雪输送到田间合适位置。其结构如图4所示。

　　图4 底部执行机构总图

　　3 大棚除雪机功能设计与实现

　　3.1 除雪机的功能设计与研究

　　为了使除雪机具有良好的互换性能，可以非常方便的安装到农用行走机械上进行除雪工作，实现操控可在驾驶室内完成，具有简单的驱动系统，小型原动机均可满足实际工作需求，采用螺旋分布式硬质毛刷，可大面积的清扫积雪，提高工作效率，预计除雪机将实现以下功能：

　　（1）顶部执行机构采用螺旋分布式硬质毛刷，共有5段，每段毛刷固定在各自驱动轴上，轴之间采用联轴器相连，保证动力传递。毛刷支撑架用来支撑毛刷及其驱动轴，毛刷支撑架分为4段，每段之间用销轴连接。每段清扫机构都作用在支持轮上，为了减少对温室屋面的压力，采用6个支撑轮。北方地区冬季温室屋面上都有草帘覆盖，为避免除雪过程中，旋转毛刷卷起草帘，采用压帘杆以防止草帘被卷起；

　　（2）支撑轮材料选用复合橡胶轮，支撑轮上安装压力传感器，通过压力传感器反馈的信息可以使支撑架形状更好地与大棚形状吻合，使除雪面积更大，效果更好；

　　（3）为减轻顶部执行机构重量和降低能耗，毛刷材料选用中等强度的硬质塑料制成，呈细长圆柱状。毛刷轴采用中空钢管，不仅保证了强度和刚度，而且减轻了重量。毛刷支撑架全部采用高强度铝合金制成；

　　（4）底部执行机构采用异形螺旋清扫机构，用于把积雪输送到田间合适位置。

　　（5）为了保证在运行中顶部执行机构不会有过大的振动，在整体支架的关键处安装弹簧，起到减震的作用，保护除雪装置；

　　（6）采用外接动力，可以是液压马达驱动或者柴油机驱动，也可以是电动机驱动，依不同的车体而定，以确保整体灵活性；

　　（7）考虑到是在室外工作，单片机受外界的因素影响较大，所以，本装置的控制系统采用西门子的PLC控制系统。

　　3.2 除雪机的功能实现

　　参照图5、6，大棚除雪机的安装支架与拖拉机链接作为牵引动力，在安装支架上装有支撑稳定杆和转动销。转动销连接底部推雪板，支撑稳定杆用销钉一、二连接底部毛刷架，底部毛刷架用摆动腿杆带动，在毛刷架一内设有中部电动推杆和中部支撑轮，并用销钉一、二、连接毛刷架二，毛刷架二用销钉一、二连接顶部毛刷架应用电动推杆带动。在底部毛刷架上均用万向轴装有底部毛刷滚筒、中部毛刷滚筒和顶部毛刷滚筒。毛刷滚筒上装毛刷。底部毛刷滚筒一段用联轴器连接马达，作为毛刷滚筒的转动动力。在底部推雪板和支撑稳定杆之间装有角度调节器，可以调节底部推雪板的角度。在底部毛刷架上固定五个压帘杆，在除雪时将草帘压住，避免草帘被带起。大棚除雪机工作时，用安装支架装四轮拖拉机后部，将除雪机的毛刷架用电动推杆逐步推到大棚的顶端，毛刷滚筒在马达的带动下旋转，毛刷滚筒上的毛刷随之转动，将大棚上的雪扫到地下，底部推雪板将雪随拖拉机的前行推至田间合适位置。大棚除雪机结构简单，经济性良好，节省人力物力。

　　图5 大棚除雪机整体结构主视图

　　1.底部推雪板 5.底部毛刷 5-1.底部毛刷滚筒 6.万向轴 10。中部支撑轮 15.支撑稳定杆 17.顶部毛刷 17-1顶部毛刷滚筒 19.中部毛刷 19-1中部毛刷滚筒 20.大棚

　　图6 大棚除雪机整体结构俯视图

　　1.底部推雪板 2.角度调节器 3.马达 4.联轴器 5.底部毛刷 5-1.底部毛刷滚筒 6.万向轴 7.顶部电动推杆 8.销钉 9.中部电动推杆 10.中部支撑轮 11.底部毛刷架 11-1.毛刷架一 11-2.毛刷架二 11-3.顶部毛刷架 12.底部电动推杆 13.销钉二 14.摆动推杆 15.支撑稳定杆 16.压帘杆 17.顶部毛刷 17-1。顶部毛刷滚筒 18.安装支架 19.中部毛刷 19-1.中部毛刷滚筒 20.大棚 21.转动销。

　　4 除雪机研究方法

　　除雪机的研究方法主要有：系统研究法、虚拟样机设计法、实物样机试验法，具体实现过程如下：

　　（1）系统设计法

　　根据系统原则，考虑机械整体结构，综合研究内部外部和各个子系统之间的相互关系，协调各子系统几间相互作用，使整个系统的功能表现为最佳状态；

　　（2）虚拟样机设计法

　　根据初步设计方案及草图，利用三维设计软件进行各部分结构建模，在软件中进行预装配，三维模型建立完成后，对机械系统进行运动仿真，再根据运动仿真得到的数据，对机械系统进行有限元分析，准确的分析机构的结构强度及动态特性。最后对模型进行优化，预计机械在真实工况下的特征和影响。

　　（3）实物样机试验法

　　根据相似理论，按照一定比例研制一小型样机。冬季雪花暂时用相似材料代替。整个除雪机样机完全按照实际要求进行设计和加工，由于样机空间的限制，其操控在样机中用遥控手柄控制，进行实验，通过样机实际除雪工作，验证理论计算和分析的合理性。

　　5 结论

　　从理论计算和样机制作对大棚除雪机工作原理、结构性能进行了分析和试验。通过样机实际除雪工作，验证了理论计算和分析的合理性，可得出以下结论：

　　（1）所设计的温室除雪机结构合理，操作简便；

　　（2）除雪机互换性好，可以非常方便地安装到农用行走机械上进行除雪工作。