基于Unigraphics的电动卷帘大棚设计与模型安装.pdf

农业与技术 农业工程基于 的电动卷帘大棚设计与模型安装李祈康 陈桂林 孔乃民 李超 侯国琴 彭文宇 张银平(山东理工大学农业工程与食品科学学院 山东 淄博)摘 要:进入新世纪以来 国内设施农业迅速发展壮大 设施农业产业面积连年递增 这对于稳定蔬果、园艺等农产品产量 保障农民的持续增收 现代化农业的可持续发展起到了巨大促进作用 本文从设施农业和电动卷帘的意义入手 以山东淄博地区为例 通过理论分析 利用 进行配合模拟 设计出一款电动卷帘大棚模型 同时进行了大棚模型的选型与安装 较为全面地对设施农业电动卷帘大棚的设计进行了阐述 为实地大棚的建造提供了理论依据以及模型案例关键词:设施农业 大棚 电动卷帘中图分类号:文献标识码:/收稿日期:基金项目:“设施农业工程技术”教学案例库建设(项目编号:)作者简介:李祈康()男 硕士在读 研究方向:农业工程与信息技术 通讯作者张银平()女 博士 副教授 研究方向:耕作体系与播种机械 研究内容与技术路线到 年初 我国设施农业面积达 千 占世界设施农业总面积的 以上 其中设施蔬菜占比 这对于稳定蔬果、园艺等农产品产量、保障农民的持续增收、现代化农业的可持续发展起到了巨大促进作用图 技术路线为了进一步了解并发展设施农业现代化装备 本文以山东淄博地区为例 通过理论与实际分析相结合 利用 配合模拟 设计出一款电动卷帘大棚模型 同时进行了大棚模型的选型与安装 技术路线如图 所示 研究内容包括:分析设施农业中卷帘大棚的发展现状 查阅资料 初步确定电动卷帘大棚设计分为理论分析、模型整体设计、卷帘系统设计、控制系统设计 部分 通过对卷帘机构的运动分析 完成关键部件的选型与计算 通过减速电机、继电器、行程开关的相互配合设计出控制系统 通过模型安装与试验验证了设计的可行性 大棚主要参数设计常见温室大棚的主要采光面即为采光前屋面 一般来说 将温室靠墙侧或屋脊处与温室大棚矮侧前边的连线称为采光前屋面 为了设计方便 本温室大棚整体结构采用一斜一立式 取消温室后屋面图 采光屋面角示意图在进行前屋面设计时 以山东淄博为例 基本原则就是要保证在山东淄博地区 冬至日(月 日)正午前后 (一般为:)这段时间内 设计的温室大棚能够获得相对最大采光量 由查询资料与经验得知 选定太阳光线适中时的入射角为 为确定在入射角为时相对应的温室大棚的向阳侧前屋面角 还需要明确当地冬至日:的太阳高度角和方位角 可得计算公式:式中 a表示日光温室的合理前屋面倾角 g表示冬至日:的太阳方位角:坐北朝南温室的屋面角(a)可根据推导出的公式计算:农业工程 农业与技术 式中 表示冬至日:的太阳高度角 太阳高度角是指太阳直射光线与地平面的夹角 计算公式:式中 表示地理纬度 ()表示太阳计算时 表示太阳赤纬角 根据经验公式计算:式中 表示日序数 为计算日距 月 日的天数 一般将水平面上太阳直射光线的投影与正南方的夹角称为太阳方位角g 不同时刻的太阳方位角g计算公式:以山东淄博为例 查阅资料得 淄博在冬至日:左右太阳的高度角为 太阳的方位角为g 计算得出淄博地区日光温室的合理前屋面倾角为 即采光屋面角a 通过查阅资料 日光大棚的方位角应设计为南偏西 大棚跨度为 设计屋脊高度 若有大棚相邻 则两棚之间的合理间距为 考虑时间和经费有限 因此本设计无法做到进行实地大棚设计建造或者完全按照理论大棚长度进行模型安装 在保证设计合理的前提下 大棚高度一般设计为 大棚跨度由高度以及所需采光角决定 为了便于模型设计与安装 将大棚高度按照 的比例进行缩小 设计大棚高度为 已知山东淄博地区的大棚采光屋面角为 由三角函数公式:大棚跨度 大棚高 因此 大棚跨度设计为 大棚模型的宽和高设计合理 为了模型美观与安装方便 将大棚模型的长度设计为 连接支架长 大棚模型总跨度 卷帘系统设计设计卷帘管外径 大内径取到 但为了增大安全系数 因此内径设计为 允许加工和安装时存在 左右的误差稳定性校核:虽然不需要对卷帘管的截面进行校核 但由于卷帘管是 根同时连接到减速电机的输出轴上 因此需要对连接在一起的装配体进行稳定性分析 卷帘管跨在整个大棚上方 可以视为铰支座连接 由于卷帘管在工作时受到的最大的力为减速电机带来的扭力 根据公式其临界扭矩:/式中 为弹性模量 查机械设计手册取 为惯性矩 为卷帘管总长度 ()因此 卷帘管所受的负载扭矩:由上述计算可知 卷帘管受到的临界扭矩远远大于其工作时的负载扭矩 因此可以推断卷帘管部件可以进行稳定的工作 模型整体结构设计大棚模型整体结构如图 所示 侧墙板 上桁架 玻璃纤维杆 上限位开关 弯梁 减速电机 主动杆 从动杆 卷帘管 后墙板 后桁架 下底板 前桁架 下限位开关 连接杆图 电动卷帘大棚模型结构 运动原理大棚模型上下两运动起止点分别有 个行程限位开关 将减速电机接入电源后 电机能够自动带动主动杆运动 并进行旋转卷帘 在运动到上止点时 卷帘完全打开 此时触碰到行程开关 运动停止 同理 当电机反转带动主动杆运动 并进行卷帘 在运动到下止点时 卷帘完全关闭 此时触碰到行程开关 运动停止 运动合理性分析当从动件上的传动角等于零时 驱动力对从动件的有效回转力矩为零 这个位置称为机构的死点位置 也就是机构中从动件与连杆共线的位置 为了避免出现这种情况 设计卷帘系统连杆最大开合角度 连杆最小开合角度 在工作时两连杆间始终存在夹角 不会存在轨迹重合或者连杆连成直线的现象 如图 所示 建模后使用 进行运动模拟可知 卷帘系统可以平滑的在配合内进行移动 因此机构不存在死点位置 控制系统设计为了实现按动起止开关后卷帘分别运动到上下 农业与技术 农业工程个止点时电路断开 且继续按动开关时 卷帘会按照相反的路径进行卷帘或者放帘 仅靠行程限位开关是不够的 需要用到继电器 起到开断、接通 条回路的作用 选用小型电磁继电器 能够满足触点形式为二开二闭 额定电流 工作电流 完全能够满足双回路电路的开断和接通图 卷帘系统运动模拟根据大棚卷帘机的工作过程 帘子的收起和下放可通过电机连接卷轴实现 而单独使用电机显然不能够直接实现电机正、反转的 除此之外 在到达收起和下放的合适位置时 要及时停止作业 以防止旋转过度 造成损坏为实现该大棚卷帘机模型的自动控制功能 本模型设采用电磁继电器来实现电机电源的正负极切换实现电机的正反转 在大棚模型上下 个地方加装行程开关 以实现让电机停止转动 以防止旋转过度具体构成 如图 所示图 自动控制系统构成控制过程:接通电源适配器 将正反转开关打在“中位”打开电源开关 需要将卷帘收起时 将正反转开关打向“上位”电机带动卷帘轴向上卷 等电机触碰到上方的行程开关时 电机停止转动 将正反转开关打在“中位”卷帘收起作业完毕 需要将卷帘下放时 将正反转开关打向“下位”电机带动卷帘轴向下放 等电机触碰到下方的行程开关时 电机停止转动 然后将正反转开关打在“中位”卷帘下放作业完毕 也可以将卷帘停放在中间位置 只要正反转开关打在“中位”电机即刻停止转动 也可以随时启动上卷/下放根据大棚卷帘机的工作原理 本卷帘机模型选用 的 蜗轮蜗杆直流减速电机带动卷轴卷帘转速为 所以选择的电源适配器为 的直流变压器 电磁继电器也选择 直流继电器 要实现电机的正反转 可通过改变电机电源的正负极来实现 因此必须使用两路继电器进行控制 当从继电器输入正向电流时 电动机能够正向转动 当输入反向电流时 电动机反转 控制电路图见图 图 控制电路图 模型安装与试验 大棚整体框架主要联接配合行程开关与开关支座之间使用 螺丝联接 骑马卡同桁架之间使用 螺丝联接 底板和侧板之间、底板和桁架之间、侧板和桁架之间均采用 螺丝联接 卷帘系统主要联接配合主动杆与从动杆之间采用 铰接螺栓联接 主动杆与电机之间采用 内六角螺栓联接 主动杆与联轴器之间为过盈配合 使用热熔胶固定 联轴器与减速电机输出轴之间采用 内六角螺栓固定控制开关连线与连杆之间使用轧带进行梳理固定 灯带的改装为还原实际温室内的光照强度 同时便于模型的美观 采用 条颜色分别为红、绿、蓝(三原色)的 灯带 将 条灯带进行串联接线 安装时分别安装在大棚模型的上、中、下 部分 安装后对部分暴露的接线处、接线盒的缝隙等地方进行修缮 试验大棚模型试验准备见图 将安装好的整机模型放置到空地上 在试验时 要注意以下几点 试验开始前要对整机进行检查 确保各机构 尤其是卷帘系统 上下行程开关的联接稳定 防止因为联接不牢固导致试验失败 保证试验时周围没有与试验无关的人员和物品 以防对试验造成干扰 务必将各连线使用轧带紧固 防止卷帘系统运转时缠绕电线 通电前要确保起止开关处于关闭状态图 大棚模型试验准备 农业工程 农业与技术 大棚模型实际试验见图 试验验证了自动卷帘的可行性 通过试验得出 减速电机和行程限位开关可以相互配合 实现电机能够自动带动主动杆运动并进行旋转卷帘 在运动到上止点时 卷帘完全打开 此时触碰到行程开关 运动停止 同理 当电机反转带动主动杆运动 并进行卷帘 在运动到下止点时 卷帘完全关闭 此时触碰到行程开关 运动停止图 卷帘上下止点安装后灯带后的灯光效果图见图 三原色灯光经钣金件光面反射后呈现出彩虹效果 增加了大棚模型的美观程度图 灯光效果图 总结与展望本文从设施农业和电动卷帘的意义入手 以山东淄博地区为例 系统分析了日光大棚的理论设计参数 计算确定出大棚的主要形状为一立一斜式(取消后屋面)采光屋面角为 日光大棚的方位角应设计为南偏西 大棚跨度为 设计屋脊高度 若有大棚相邻 则两棚之间的合理间距为 因考虑时间和经费有限 因此 在保证设计合理的前提下 尽可能的按 的比例还原现实大棚的设计建造参数 通过材料选择 机械设计 部分关键构件校核等设计出一款电动卷帘大棚模型 通过减速电机、电磁继电器、行程限位开关的配合 实现电机能够自动带动主动杆运动 并进行旋转卷帘在运动到上止点时 卷帘完全打开 此时触碰到行程开关 运动停止 同理 当电机反转带动主动杆运动 并进行卷帘 在运动到下止点时 卷帘完全关闭 此时触碰到行程开关 运动停止本文通过理论分析与大棚模型安装 较为全面的对设施农业电动卷帘大棚的设计进行了阐述 为实地大棚的建造提供了理论依据以及模型案例 但是 设计同样存在以下不足 为了设计计算方便 温室取消了后屋面的设计 导致实际设计同现实大棚结构有所差别 实际设计时需要加上后屋面的设计 因为后屋面不仅能起到隔热保温的作用 还可以进行菌类等喜阴作物的养殖 为了便于模型实物安装 模型已尽可能按比例还原现实温室大棚 但出于现实大棚一般长度都在 以上的考虑 由于设计高度 左右即使按比例缩小 模型也会非常大 因此适当的减短了大棚的长度 由于大棚模型设计时的缺陷 因此安装好后的大棚模型只能实现电动卷帘的功能 并不能完全模拟实际大棚进行作物的种植电动卷帘大棚是设施农业生产必需的机械装备现实生活中电动卷帘比传统人工卷帘操作的方法效率提高十几倍以上 降低了劳动强度 改善了大棚卷帘的操作环境 最重要的是通过缩短卷帘、放帘所消耗的时间 进一步延长了日光照射时间 提高了经济效益 未来 电动卷帘大棚也必将朝着智能化和智慧化方向发展参考文献 李建明.设施农业概论.第 版.北京:化学工业出版社.邱宣怀 郭可谦 吴宗泽 等.机械设计.第 版.北京:高等教育出版社.吴海平 单慧勇 张静 等.设施农业装备.第 版.北京:中国农业大学出版社.白元立.温室大棚机械卷帘技术分析.农机使用与维修():.董同福.寿光市设施农机化技术发展探析.山东农机化():.邢志刚.温室大棚蔬菜自动化卷帘机的设计与使用.安徽农学通报(下半月刊)():.郭恺彬.设施农业中农业机械应用研究.乡村科技 ():.李参.发展设施农业全程机械化栽培技术浅析及建议.农业开发与装备 ():.(责任编辑 常佳琪)