文洛型温室棚顶清洗机的研制与试验.pdf

文洛型温室棚顶清洗机的研制与试验李天华1，董广胜1，施国英1，张观山1，王德伦2，李广华3，李超群1（1.山东农业大学机械与电子工程学院，泰安271018；2.泰安市质量技术检验检测研究院，泰安271000；3.山东华龙农业装备股份有限公司，青州262500）摘要：针对国内文洛型温室棚顶清洗机械缺乏，人工清洗费时费力的问题，该研究设计了一种棚顶电动清洗机与配套换行作业平台，以实现对文洛型温室的自动清洗。为保证清洗机四轮行走的一致性，设计一种单电机两级减速同步驱动装置；针对电缆与水管收放过程中易发生堆积的问题，设计均匀卷线装置，对收放线过程进行分析，明确卷线半径与线速度的对应关系，优化卷线控制流程，满足了线缆、水管收放与清洗机往返同步的要求；为保证清洗辊刷对棚顶进行均匀可靠清洗，对刷毛与棚顶的接触过程进行了优化分析。样机性能测试表明，清洗最高行进速度为 0.265m/s，停机余量为 28.4mm；辅助换行平均时间为 22.84s，平台与屋顶对轨平均误差为 1.6mm。以薄膜透光率为指标，对清洗机的清洗效果进行试验，结果表明，在行进速度为 0.25m/s、辊刷转速 120r/min、水泵流量 34L/min 的情况下，透光率为 68%的薄膜经过清洗可提高到 86%，清洗效果明显。该清洗机可以满足文洛型温室棚顶的清洗作业要求，对改善室内温光环境，提高果实产量与品质具有重要意义。关键词：温室；试验；清洗机；均匀卷线；透光率；自动换行doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202303124中图分类号：S24文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-12-0180-09李天华，董广胜，施国英，等.文洛型温室棚顶清洗机的研制与试验J.农业工程学报，2023，39（12）：180-188.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303124http:/www.tcsae.orgLITianhua,DONGGuangsheng,SHIGuoying,etal.DevelopmentandtestofVenlogreenhouseroofcleaningmachineJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(12):180-188.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303124http:/www.tcsae.org0引言连栋温室温室作为中国设施农业的重要组成部分1-2，其面积已超过 106hm23。使用中其顶部易附着灰尘甚至滋生青苔4-5，造成透光率下降，从而妨碍作物正常生长发育，因此需要定期对棚顶清洗，以确保其充足的透光率。国外对温室清洗设备的研究起步较早，配套已经具有较高的技术水平，其中以轨道式清洗机居多。荷兰VanderWaay 公司生产的连栋温室清洗机6，以邻近两行天沟为行走路径，具备四轮驱动系统，使用滚刷对玻璃表面进行清洗；MANOR 等7设计的清洗机采用了骑跨桥结构安装在相邻天沟之上，利用滚刷在骑跨桥上移动进行清洗，配套吸尘系统将灰尘储存于两侧的收集容器内；SEEMUANG8设计了一种塑料大棚清洗机，在温室顶部与天沟位置安装轨道，利用刮板对棚面进行清洁，使用时需预先对棚面进行喷淋，操作相对繁琐；ABUK等9-10设计了小型温室清洗机器人，作业效率低，无法在文洛型连栋温室上应用。近年来，国内学者对温室清洗设备的研究涵盖了单栋温室11-14与连栋温室 2 种类型，但绝大多数处于试验阶段。孔维蓉等15-16研发的玻璃温室棚顶清洗机，采用毛刷辊沿玻璃表面行走的方式；何培祥等17-21设计的清洗机利用龙骨支架与棚面的支撑进行清洗作业。此类清洗机仅适用于短距离试验，对于长距离作业，拖拽电缆或水管将产生巨大的阻力，采用电池供电和水箱供水方式，续航能力将存在极大短板。此外，对于换行机构欠缺研究，仍依赖人工辅助换行。为确保清洗效果，上述清洗机设计的清洗速度较低，不能满足大面积连栋温室作业要求。王云力等22设计的塑料大棚棚顶清洗机，采用清洗带对棚面进行清洗，但需人工在天沟中扶持操作清洗单体，其自动化程度较低；陈玉梅等23设计了一种玻璃温室清洗机，使用仿真方法进行了相关分析，但尚未制造样机验证清洗效果。综上所述，国内尚没有解决文洛型温室高效智能清洗问题，清洗设备仍以荷兰进口为主，购置、维护价格高，关键核心技术存在“卡脖子”问题。鉴于此，本文研究了一种文洛型温室棚顶智能高效清洗机及配套换行清洗平台，通过多传感器融合实现了清洗机精准换行对轨、障碍物检测与可靠启停；设计专用卷线装置满足了线缆收放与清洗机往返的同步控制。对研制样机进行了关键性能参数验证与清洗效果试验，以期实现对进口产品的国产化替代。收稿日期：2023-03-19修订日期：2023-05-08基金项目：山东省重大科技创新工程项目（2019JZZY020620）；山东省蔬菜产业技术体系项目（SDAIT-05-11）作者简介：李天华，博士，教授，博士生导师，研究方向为智能农机装备。Email：通信作者：施国英，高级实验师，研究方向为设施机械与农机装备。Email：第39卷第12期农 业 工 程 学 报Vol.39No.121802023年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJune20231总体结构及工作过程1.1总体结构文洛型温室清洗系统包括清洗机与换行平台。清洗机主要包括行走驱动装置、均匀卷线装置、辊刷清洗装置及控制系统等；换行平台主要包括行进装置、导轨收放装置、供水装置及控制系统等。清洗机与换行平台三维模型如图 1 所示，相关技术参数如表 1 所示。12345678910111213151614a.清洗机三维模型a.3D model of cleaning machineb.换行平台三维模型b.3D model of line changing platform1.驱动舱2.控制器3.机架4.均匀卷线装置5.天沟刷6.天窗防护机构7.辊刷8.换行平台控制箱9.水箱10.对轨机构11.平台轨道12.护栏13.从动轮14.小导轨15.小导轨收放装置16.行进装置1.Driving cabin 2.Controller 3.Body frame 4.Uniform winding device5.Gutterbrush6.Sunroofprotectionmechanism7.Rollerbrush8.Controlboxofnewlineplatform9.Waterbox10.Alignmentmechanism11.Platformtrack12.Guardrail 13.Driven wheel 14.Small guide rail 15.Small guide railretractingandreleasingdevice16.Traveldevice图 1清洗机与换行平台三维模型Fig.13Dmodelofcleaningmachineandlinechangingplatform表1清洗机主要技术参数Table1Maintechnicalparametersofcleaningmachine参数Parameters数值Values整机尺寸（长宽高）Overallsize(lengthwidthheight)/mmmmmm457026502040行进速度Travelspeed/(ms1)0.265整机质量Operatingweight/kg650最大功率Maximumpower/kW2额定电压Ratedvoltage/V380额定频率Ratedfrequency/Hz50电缆规格Cablespecification/mm231.5辊刷可调角度Adjustableangleofrollerbrush/16231.2工作过程在开始清洗前调整换行平台使小导轨与天沟对齐，在清洗机组态屏上设置清洗行数、速度挡位等参数，点击自动运行按钮进入自动清洗模式。换行平台放下小导轨，清洗机驶入天沟内，均匀卷线装置随清洗机的行进同步放线。当清洗机行进到设定距离后开始减速，并在到达天沟末端时停机并发出声光报警提示。随后清洗机返程，均匀卷线装置随清洗机的行进同步收线。清洗机行进到设定距离时，将减速运行，直至清洗机返回换行平台后停机等待。换行平台将小导轨收起后进行换行操作，当自动对齐下一行天沟后，小导轨放下。清洗机驶入新行继续清洗，直到作业完成。2清洗机关键机构设计2.1行走驱动装置本研究设计的清洗机行走驱动装置适用于 12m 跨度、4m 开间24的文洛型连栋温室。该装置采用人字形设计，在相邻两行天沟内行走，如图 2 所示。该装置左右轮距为 4000mm，前后轮距为 1500mm。骑跨机架与支撑机架由外径 33mm、壁厚 2.5mm 的无焊缝铁管焊接而成。车轮直径为 400mm，厚度为 12mm，外圈覆有橡胶层，即增加了与天沟的摩擦系数，又减少了对天沟的磨损。布线槽采用 80mm60mm 的方管，两端连接驱动仓与卷线轮支架，方便布线且增加了结构强度。75643218910131412111.车轮2.卷线轮支架3.布线槽4.单输入三输出减速器5.单输入单输出减速器6.三相异步电机7.驱动仓8.脚踏板9.骑跨机架10.单输入双输出减速器11.联轴器12.万向节13.伸缩传动轴14.支撑机架1.Wheel2.Windingwheelbracket3.Wirecasing4.Single-inputthree-outputreducer5.Single-inputsingle-outputreducer6.Three-phaseasynchronousmotor7.Drivebin8.Footrest9.Straddleframe10.Single-inputdouble-outputreducer11.Coupling12.Cardanjoint13.Telescopicdriveshaft14.Supportframe图 2行走驱动装置Fig.2Travelingdrivedevice为确保四轮驱动的一致性，提出了一种同步驱动系统，采用单电机与减速器、万向节相结合的动力传递方式。该系统的工作原理如下：与电机直接相连的减速器输出端与单输入三输出减速器相连，经联轴器和中间轴将动能传递给后端的单输入双输出减速器，联轴器连接的 2 个减速器的 4 个输出端利用万向节改变传动方向，再经伸缩传动轴与万向节将动能传递到 4 个行走轮。由此组成的四轮同步驱动系统，有效避免了车轮因潮湿等因素导致的打滑跑偏问题，增加了行进的平稳性。F清洗机行进时克服的总阻力25为F=Ff+Fj+Fi+Fw（1）式中 Ff为静摩擦力，N；Fj为加速阻力，N；Fi为坡度阻力，N；Fw为空气阻力，N。其中，Ff=1mg（2）Fj=ma（3）第12期李天华等：文洛型温室棚顶清洗机的研制与试验181Fi=mgsin0（4）Fw=KV=V3CDA02（5）式中 1为轨道与车轮接触摩擦系数，取 0.3；m 为整机满载质量，取 700kg；g 为重力加速度，取 10N/kg；a为清洗机加速度，取 0.1m/s2；0为天沟坡度，因天沟的建造一般较为标准，坡度较小，取 2；K 为空气阻力系数；为空气密度，kg/m3；V 为清洗机运行速度，取0.25m/s；CD为空气阻力系数；A0为清洗机迎风面积，m2。因清洗机运行速度较低且迎风面积较小，故忽略空气阻力对清洗机行进的影响，经计算，总阻力为 2414.3N。M清洗机总运动阻力矩为M=Fr0（6）式中 r0为清洗机车轮半径，取 0.2m。计算得为运动阻力矩 482.9Nm。所选电机的扭矩与功率应满足下式：T0Mi（7）P0=T0n09 550（8）i式中 T0为清洗机三相异步电机扭矩，Nm；为行走驱动装置的总减速比；P0为电机功率，kW；n0为电机转速，r/min。为达到预期的行走速度，选定行走装置的总减速比为 196，电机采用 2 极三相异步电机，电机转速为2840r/min。经计算，电机扭矩 T02.46Nm，电机功率P0731.6W。考虑到多级传动过程中的功率损失，选取电机时应留有适当余量。2.2均匀卷线装置为有效管理电缆与水管的收放，设计了均匀卷线装置，如图 3 所示。1234567891112101.卷线轮挡圈2.卷线轮支架3.三相异步电机4.传动系统5.卷线轮中心轴6.绕线圈7.卷线限位轮8.均线减速器9.光轴10.引线器11.拨销12.引线器支架1.Winding wheel retaining ring 2.Winding wheel bracket 3.Three-phaseasynchronous motor 4.Drive system 5.Winding wheel central shaft 6.Coilwinding 7.Winding limit wheel 8.Uniform winding reducer 9.Optic axis10.Wireguide11.Pin12.Leaderbracket图 3均匀卷线装置Fig.3Uniformwindingdevice该装置由三相异步电机驱动，电机输出轴经一级减速器后，通过假双排链轮进行动力传递。一条链条驱动卷线轮，另一条链条驱动均线减速器。均线减速器的输出端小链轮带动链条转动，链条上的拨销拨动引线器在光轴上左右移动，从而实现了在收卷线的同时对电缆进行均匀排布。2.2.1关键参数设计均匀卷线装置的关键参数包括卷线轮挡圈直径、绕线圈宽度及均线减速器速比。参考国内外温室的建造情况，清洗距离最远取 300m。按照 JB/T8137.1-2013 中装盘容量的计算式：L0=p0n(d2+p0D0)1 000（9）其中，p0=d1d22t2D0（10）n=lD0（11）式中 L0为电缆或水管的长度，取 300m；p0为卷线轮可缠绕电缆或水管层数；n 为绕线圈每层的绕线圈数；d1为卷线轮挡圈直径，mm；d2为绕线圈直径，mm；l 为绕线圈宽度，mm；为卷线轮装载有效系数，其值根据实际情况确定，本文取1；D0为电缆或水管外径，取14mm；t 为卷线轮的装盘余量，其最小取值范围为 1.3D01.5D0，取 21mm。根据 GB/T12706.1-2008 中弯曲半径的要求，设计绕线圈直径 d2为 600mm。绕线圈宽度 l 取电缆或水管外径的 25 倍，即 350mm。由式（9）计算得，p0取整后为 6，d1为 810mm。卷线轮链轮与均线器链轮均由假双排链轮驱动，速比 i1为i1=z1z2（12）式中 z1为卷线轮链轮齿数，z2为均线器链轮齿数。为实现卷线装置均匀卷线，需满足当卷线轮旋转圈数 N0为25 时，带销链条移动距离 l0为 350mm，经过节距数量n2为n2=l0p（13）式中 p 为节距，链条选用 06B 型滚子链，取 9.525mm。用于驱动带销链条的小链轮需旋转圈数 n3为n3=n2z3（14）式中 z3为驱动带销链条的小链轮齿数。则均线减速器速比 i2为i2=N0i1n3（15）选取卷线轮链轮齿数 z1为 50，均线器链轮齿数 z2为 25，小链轮齿数 z1为 10。经计算，均线减速器速比i2为 3.3。2.2.2卷线过程优化分析在收卷线的过程中，随着一个均线周期的结束，绕线半径将增加或减少一个电缆或水管的直径。为保证均182农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年匀卷线装置收放线线速度与清洗机行进速度相匹配。收放线时的线速度应满足vr=0R0I（16）式中 vr为收放线线速度，m/s；I 为卷线装置总减速比；R0为实时卷线半径，m；0为卷线电机角速度，rad/s。采用光电传感器获取卷线半径 r，并计算实时卷线半径 R0为R0=r+knD0（17）式中 r 为绕线圈半径，m；kn为由传感器检测所得的卷线层数。按照上述方案对卷线电机转速进行调整以适应行进速度时，需考虑线材的抗拉强度，电缆与水管不能长距离保持拉直的状态。为保护电缆与水管，在控制程序中加入速度补偿，达到使电缆与水管在清洗机开始清洗后缓慢落入天沟的效果。2.3辊刷清洗装置辊刷清洗装置如图 4 所示，辊刷支架由直径 33.5mm的钢管焊接而成，在顶部焊接带有外丝的铁质接头作为入水口；悬吊装置的上端通过调节手柄调整支架悬挂高度，改变辊刷角度；支架下端采用扁带进行悬挂，利用收紧器进行高度调节；支架两侧铁管下表面均设有 4 个位于中上部直径为 1.5mm 的开孔，完成对棚顶冲洗；支架下部末端设计有放水结构，用于排放管内剩水。123456789101.调节手柄2.悬吊装置3.入水口4.尼龙辊刷5.挡泥板6.侧边固定板7.放水口8.传动装置9.三相异步电机10.辊刷支架1.Adjustinghandle2.Suspensiondevice3.Waterinlet4.Nylonrollerbrush5.Mudguard6.Sidefixingplate7.Wateroutlet8.Transmission9.Three-phaseasynchronousmotor10.Rollerbrushbracket图 4辊刷清洗装置Fig.4Rollerbrushcleaningdevice2.3.1辊刷清洗过程分析为确保刷毛与温室棚顶有充分接触，对两者的相关作用进行分析，如图 5 所示。为方便展示，每组刷毛用一条线表示，图中刷毛组数只为分析，并不代表实际组数。刷毛对棚面的清洗过程分为 3 个关键阶段。首先是刷毛与棚面刚接触时，即发生形变的瞬间，如图点 C 位置。其次是刷毛与棚面接触的阶段，对应图中线段 AC所表示的区间。在这个阶段，刷毛与棚面的接触区间角度为 2。最后是刷毛刚离开棚面时，恢复到未变形状态，如图点 A 位置。为实现辊刷对棚面的充分清洗，设计清洗机在经过两者接触范围区间长度时，辊刷至少旋转 1 周，则有：t02（18）t0=SV（19）S=2R2L2（20）式中 S 为辊刷与棚面的接触距离，对应图 5 线段 AC 的长度，m；t0为辊刷清洗 S 距离的时间，s。ABOCRL注：A 为刷毛离开棚面的瞬间点；B 为刷毛与棚面接触最大形变点；C 为刷毛刚接触棚面的瞬间点；O 为辊刷横截面圆心；为两组刷毛的相距角度，（）；为刷毛与棚面接触角的一半；为辊刷旋转角速度，rads1；R 为辊刷半径，m；L 为刷毛最大形变点距离辊刷横截面圆心距离，m，此时 R-L 为毛刷最大形变量。Note:Aisthesightpointwherethebristlesleavetheshed;Bisthemaximumdeformationpointofbristlesincontactwiththeshedsurface;Cisthemomentwhenthebristlesjusttouchtheshedsurface;Oisthecenterofthecrosssectionoftherollerbrush;isthedistanceanglebetweentwogroupsofbristles,（）;ishalfofthecontactanglebetweenbristlesandshedsurface;istherotationangularspeedofrollerbrush,rads1;Ristheradiusoftherollerbrush,m;Listhedistancefromthemaximumdeformationpointofthebristletothecenterofthecrosssectionoftherollerbrush,m,andR-Listhemaximumdeformationvariableofthebrush.图 5辊刷与棚面接触示意图Fig.5Schematicdiagramofthecontactbetweentherollerbrushandtheshedsurface对辊刷进行调整，使毛刷最大形变量为 15mm，由此计算得 S 约为 0.194m，t0约为 0.776s，取 12.6rad/s，则 t0值约为 3.1，大于 2，满足设计要求，可取得良好得清洗效果。实际采用的辊刷共有 32 组刷毛，为11.25，接触区间角度为2=2arccosLR（21）计算得 2 值约为 35.22，清洗时至少有 3 组刷毛与薄膜接触。2.3.2辊刷驱动参数计算棚面对辊刷的作用力 Fn为26Fn=0.691EJNL16Yk8k（22）其中，J=D464（23）N=2Nm360（24）式中 E 为辊刷毛刷的弹性模量，取 1.4109Pa27；J 为辊刷刷毛的截面惯性矩，m4；D 为刷毛直径，取 0.001m；N 为与棚面接触的辊刷刷毛数量；Nm为辊刷实际刷毛总数量，取 32000；L1为刷毛实际长度，取 0.1m；Yk为刷毛旋转到最大变形处时在棚面垂直方向的长度，取0.085m；k为积分系数，取 0.6。辊刷驱动力矩 M 为28M=2FnR（25）式中 2为辊刷与棚面的摩擦系数，取 0.3。第12期李天华等：文洛型温室棚顶清洗机的研制与试验183故驱动辊刷转动所需功率 P1为P1=k0M（26）式中 k0为负载系数，取 3。经计算，P1为 151.2W，在选取辊刷电机时需留有必要余量。2.4辅助换行平台在温室山墙侧安装 50mm50mm 的方管作为换行平台的运行轨道，在屋脊处安装铁管与小铁板组成的屋脊标志杆。换行平台的主动轮压在轨道上运行，两侧有滚针轴承组成的限位轮，确保主动轮在轨运行；从动轮为实心橡胶轮，用以辅助支撑。平台对轨系统由编码器与接近开关组成，编码器用于移动速度控制，接近开关用于平台中心与屋脊标志杆对齐停机。换行过程中换行平台先收起小导轨后逐渐加速至最高挡速度（0.229m/s），在距目标位置约1m 处开始减速，以中挡速度（0.092m/s）继续运行，在距目标位置约 0.2m 处，换行平台继续减速并减至最低挡速度（0.046m/s），随后以最低挡速度运行，直到接近开关检测到屋脊标志杆后停机并再次放下小导轨。温室山墙轨道、屋脊标志杆及换行平台实物如图 6 所示。屋脊标志杆Ridge marker post温室山墙轨道Greenhouse gable track外置电缆与水管External cables and water pipes图 6温室山墙轨道、屋脊标志杆及换行平台实物Fig.6Physicalobjectsofgreenhousegabletrack,ridgemarkerpost,andtransferplatform换行平台对外置电缆与水管进行牵引。其中水管经电磁阀接入换行平台的水箱中，水箱下部的放水口使用不锈钢波纹管与水泵入水口相连接。水泵由变频器驱动，将水泵出到连接清洗机的高压水管中，高压水管经换行平台后端围栏固定后引入清洗机的卷线装置。水箱外壳上部与中部安装有非接触式液位传感器，当水箱液位低于一半时，电磁阀自动打开为水箱进行补水，直到水满时电磁阀关闭。供水装置实物如图 7 所示。电磁阀Electromagnetic valve液位传感器Liquid level sensors水泵Water pump水箱Water tank图 7供水装置实物Fig.7Physicalwatersupplydevice3控制系统设计本文设计了一套基于多传感器感知的安全冗余清洗机控制系统，系统组成如图 8 所示。PLC 一体机通过行程开关、接近开关等传感器，采集天窗开启状态、卷线状态等信号并进行处理，控制变频器及交流接触器等实现对各电机的有序驱动。PLC变频器Frequency transformer接近开关Proximity switch行程开关Travel switch光电开关Photoelectric switch交流接触器AC contactor行走用三相异步电机Three-phase asynchronousmotor for traveling卷线用三相异步电机Three-phase asynchronousmotor for winding清洗用三相异步电机Three-phase asynchronousmotor for cleaning驱动DriveRS485中间继电器Intermediate relay前后边缘信号Front and rear edge signal卷线信号Winding signal天窗开启信号Sunroof opening signal发车检测信号Departure detection signal行程开关Travel switchRS485变频器Frequency transformer驱动Drive驱动Drive图 8清洗机控制系统组成Fig.8Cleaningmachinecontrolsystemcomposition3.1硬件组成3.1.1运行检测系统1）发车检测发车检测采用方形激光传感器 BX-552，检测距离最大为 300mm，NPN（negative-positive-negative）输出型，安装在清洗机前进运行方向一侧的支撑架竖板上（图 9a）。清洗机控制系统根据此信号得到小导轨的收放状态并与换行平台配合工作。a.发车检测传感器a.Departure detectionsensorb.边缘检测传感器b.Edge detectionsensorc.卷线轮计数传感器c.Winding wheelcounting sensor卷线轮Reel挡圈Retaining ring接近开关Proximity switch支架竖板Support riser光电开关Photoelectric switch行程开关Travel switch支架竖板Support riser图 9运行检测传感器Fig.9Operationdetectionsensors2）边缘检测边缘检测采用可调滚轮转臂式行程开关 LXK3-20S/T，安装在清洗机支撑架单侧前后的竖板上（如图 9b）。用来分别检测天沟尽头进行停机换向及换行平台上的竖板而停机。3）卷线轮计数卷线轮计数采用 NPN 型接近开关 CDJ10-I2A18AN，检测距离 8mm，安装在卷线轮的一侧（如图 9c）。用以获得清洗机与换行平台的距离及卷线轮平均转速。3.1.2安全防护系统1）天窗防撞检测天窗防撞检测采用行程开关 LXJM8108，加装双层184农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年支架，中间穿入碳素杆并固定（如图 10a）。当清洗机行进时遇到开启的天窗，碳素杆将被拨动，从而触发行程开关，清洗机将紧急停机并进行声光报警。a.天窗防撞传感器a.Sunroof anti-collision sensorb.防脱轨传感器b.Anti-derailment sensor双层支架Double layersupport行程开关Travel switch碳素杆Carbon rod轨道挡板Track baffle行程开关Travelswitch图 10安全防护传感器Fig.10Safetyprotectionsensors2）防脱轨检测防脱轨检测采用行程开关 LXK3-20S/J，安装于换行平台两侧距离边缘 50cm 处（如图 10b），用于检测换行平台移动轨道边缘，避免在手动模式及自动模式下因操作不当或参数设置失误而导致的脱轨现象。3.1.3电机选型与驱动清洗机所用电机包括行走、卷线及清洗电机。经过前期分析计算结合工程经验对所用电机进行了合理选型，得到如下选型结果：行走用三相异步电机 1 台，额定功率 750W，额定转速 2840r/min；卷线用三相异步电机2 台，额定功率 380W，额定转速 1400r/min；天沟刷用三相异步电机1 台，额定功率120W，额定转速1400r/min；辊刷用三相异步电机 2 台，额定功率 190W，额定转速1400r/min。行走与卷线电机由变频器驱动，与 PLC 一体机由 RS485 通信，以实现电机正反转控制及调速功能；天沟刷与辊刷电机使用交流接触器进行正反转切换控制。3.2软件设计清洗机控制器为中达优控 PLC 一体机，型号为 MM-40MR-12MT-700-ES-E。在 Windows10 操作系统下进行软件的开发与调试。PLC 开发软件采用 WPLsoft，使用梯形图编程，程序设计流程如图 11 所示。人机交互界面采用中达优控的 YKbuilder 进行开发，根据 PLC 程序所需的控制接口设计功能选择、手动模式、自动模式和参数设置等界面。部分界面如图 12 所示。4样机试验4.1样机制作与试验棚搭建2022 年 3 月在山东华龙农业装备股份有限公司完成了样机加工与试验棚的建造。考虑到安全与空间等因素，试验棚高 2m，棚长 8m，共 2 小跨，南北走向。试验样机与试验棚如图 13 所示。4.2样机性能试验4.2.1试验内容与方法1）最大运行速度试验时，设定清洗机为 0.265m/s 的最大运行速度。因试验棚较短，且清洗机在运行时存在加速与减速的过程，因此取中间 3m 的区域作为最大运行速度的采集区域，用黄色胶带进行区间标记，并用秒表计时，进行 5次试验，计算 5 次速度，取平均值。开始停机并进行声光报警，等待小导轨收起结束发车检测传感器符合运行条件？前进运行，控制各电机启动，根据卷线信号进行各电机状态调整前边缘传感器触发？停机声光报警，随后返程清洗运行，控制各电机启动，根据卷线信号进行各电机速度调整后边缘传感器触发？清洗行数达到设定值？Y按需使用参数设置、手动模式。完成后点击自动模式按钮进入自动运行模式天窗检测，若触发则停机等待报警，解除后恢复运行N天窗检测，若触发则停机等待报警，解除后恢复运行YNYNYN图 11控制流程图Fig.11Controlflowcharta.参数设置界面a.Parameter setting interfaceb.手动模式界面b.Manual mode interface图 12部分人机交互界面Fig.12Partofhuman-computerinteractioninterfaces图 13样机试验Fig.13Prototypetest2）停机余量停机余量指标对于清洗机在天沟运行期间的安全性具有重要影响。在试验中，设定清洗机速度为 0.265m/s的最高速度，当清洗机运行到天沟尽头时，边缘传感器触发，清洗机自动停机。此时，测量清洗机支架边缘与天沟末端拦截竖板之间的距离，该距离被定义为清洗机的停机余量。进行 5 次试验，取平均值。3）平台换行时间第12期李天华等：文洛型温室棚顶清洗机的研制与试验185由于换行平台在启动与停止时移动速度较慢，使用肉眼观测计时可能导致较大误差，因此采用 PLC 结合传感器进行程序计时的方式以获取换行过程时间。试验时，将清洗机停靠于换行平台，进行 5 次试验，取平均值。4）平台对齐误差换行平台与天沟的对齐程度决定了清洗机能否顺利驶入天沟进行清洗作业。试验时，将标尺固定在天沟内，在小导轨边缘位置固定上用于标定中心位置的贴纸，运行自动换行程序，记录小导轨中心线在天沟内标尺的位置，得到其与天沟中心线的偏差值，测试 5 次，取平均值。4.2.2样机性能试验结果分析样机性能参数测试结果见表 2。表2样机性能参数测试结果Table2Testresultsofprototypeperformanceparameters试验组别Testgroup运行速度Runningspeed/(ms1)停机余量Shutdownmargin/mm换行时间Linebreaktime/s对齐误差Alignmenterror/mm10.2652822.9220.2662822.8130.2652922.8240.2642822.9250.2662922.81平均值Averagevalue0.26528.422.841.6测试发现清洗机停机过程可分为 2 个阶段，一是停机后由于惯性向前滑动，二是停止前晃动几次。2 个阶段清洗机运动幅度均很小。晃动的原因是 4 根可伸缩传动轴插接处存在一定的机械间隙，对清洗机安全停机并无影响；清洗机在停机后与天沟边缘留有的安全距离足以避免发生碰撞事故，符合安全设计的要求。前期测试表明，换行平台对齐误差在 10mm 以内均可确保清洗机顺利通过小导轨进出天沟，当前对齐误差试验平均值远小于此值，符合对轨精度的设计要求。清洗机最高运行速度可达 0.265m/s，此性能参数与国外主流产品持平；换行时间为 22.84s，小于国外主流产品 40s 换行时间。4.3清洗效果试验4.3.1试验材料与方法将试验棚的 2 跨温室分为 A、B 两组，A 组清洗、B 组不清洗。在每间温室内 2、4、6m 处的棚顶支撑龙骨上侧距天沟约 30cm 处各放置 1 台 HOBOPendantUA-002-64 型光照强度传感器。传感器位置距离薄膜 5cm 左右，减少了散射光对测量结果的影响。具体现场布置如图 14 所示。兼顾清洗效率与行走驱动电机长期可靠工作功率要求，设定清洗机行进速度为 0.25m/s、辊刷转速为120r/min、水泵流量为 34L/min 时进行清洗效果试验。于 2022 年 10 月 28 日 07:00 对温室 A 清洗，随后设定传感器每隔 1h 采集光照强度数据。薄膜透光率 T 为29T=ItIo（27）式中 It为透过薄膜的光照强度，lx，本试验中为温室内部传感器采集的光照强度；Io为入射的平行光的强度，lx，本试验中为温室外同高度传感器采集的光照强度。a.内部布置位置a.Internal layout locationb.外部布置位置b.External layout location图 14光照强度传感器现场布置位置Fig.14Sitelayoutlocationoflightintensitysensors4.3.2清洗试验结果分析试验所得光照强度数据如图 15 所示，当天晴间多云。08:0010:0012:0014:0016:0018:00020 00040 00060 00080 000100 000120 000光照强度Light intensity/lx时刻Time 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6编号No.注：编号 0 为棚外同高度对照组光照强度数据；编号 13 为被清洗的温室 A 光照强度数据；编号 46 为未被清洗的温室 B 光照强度数据。Note:No.0isthelightintensitydataofthecontrolgroupatthesameheightoutside the shed;No.1to 3refer to the light intensity data of the cleanedgreenhouseA;No.4to6refertothelightintensitydataofgreenhouseBthathasnotbeencleaned.图 15清洗效果试验的光照强度数据Fig.15Lightintensitydataforcleaningeffecttests在 08:00 时，温室 B 的光照强度数据过低，原因是此时的太阳高度角较低，温室 A 屋脊遮挡了光线。16:00以后，太阳高度角较小，被附近的建筑物所遮挡，因此采集到的光照强度数据在 16:00 以后明显降低且各组别相差较小。因 09:0015:00 区间在一天中光照最强，数据更具有代表性11，故选取此区间内的光照强度用于计算 1d的平均透光率。由编号 4、5、6 光强传感器数据计算的平均透光率分别 64.8%、69.9%、70.8%，由编号1、2、3 光强传感器数据计算的平均透光率分别为 87.3%、89.2%、85.0%。由以上平均透光率数据可知，未经清洗