大棚除雪機的設計與研究

劉禹含　張鳳嘉　詹廣強

目前，隨著農業生產的發展，溫室蔬菜大棚越建越多，但在我國北方地區，尤其是東北部，冬季大棚積雪影響屋面的透光性和保溫性，不利于喜陽植物的生長，且影響大棚的總體強度和剛度。目前農業大棚除雪多為手工作業，據相關數據顯示，對于一個150m長的大棚，除雪工作需要5個人花費3—4h才能完成。除雪時間較長，不僅會造成其他屋面積雪清掃的延遲，還會影響到溫室草簾的快速卷起，減少了農作物正常的光照時間，影響農作物生長。更重要的是白天光照時間短，會造成晚上棚內溫度繼續降低，蔬菜生長緩慢或有被凍死的可能，造成直接或間接的經濟損失。

目前溫室大棚的機械化除雪主要是采用融雪管，在雨槽下安置化雪管，提高大棚內溫度融化屋面積雪，這種方法融雪時間長、耗能大，并且投資和運行費用均比較高；整體輸送式大棚屋面除雪裝置，制造成本較高，不適合多個相鄰大棚屋面的除雪，不易于推廣應用，現有的機械化大棚除雪裝置是利用空氣迅速流動原理進行除雪，存在效率低、噪音大、機械結構復雜等缺點，應用范圍有限。針對尚未出現高效的大棚除雪裝置的現狀，設計了一種新型大棚除雪機，樣機試驗效果良好，為冬季大棚除雪提供了一種有效的低運行費用除雪設備。

大棚除雪機的工作原理與結構設計

大棚除雪機的工作原理。新型溫室除雪機安裝在農用行走機械之上，利用車載液壓馬達驅動頂部執行機構和底部執行機構進行工作。頂部執行機構用于清掃溫室屋面積雪，并將其輸送到溫室外側底部，底部執行機構將從屋面清掃下來的積雪輸送到田間合適位置。

由于新型溫室除雪機在田間相鄰溫室之間作業，受實際作業環境限制，因此溫室除雪機的高度、寬度等都有明確要求，其具體設計要求如下：能在田間道路上行駛自如；能將溫室頂部積雪清掃干凈，且能使溫室底部積雪搬運到合適位置。

可實現全自動化，操作簡便，整個除雪過程一人即可完成。

大棚除雪機的整體結構。根據溫室除雪機的工作原理、功能實現和控制要求，其主要結構為：頂部執行機構、底部執行機構、車體、控制部分、伸縮裝置等。具體組成部分如圖l所示。

1.液壓馬達；2.毛刷；3.毛刷軸；4.軸承；5.聯軸器；6.支撐輪；7.毛刷支撐架；8.連接銷；9.壓簾桿

大棚除雪機結構設計。溫室除雪機主要分為兩部分：頂部執行機構和底部執行機構，分別用來清掃大棚頂部和底部積雪。具體設計參數由大棚整體結構及其所在田間位置而定。

頂部執行機構設計。如圖2所示，頂部執行機構采用螺旋分布式硬質毛刷，共有五段，每段毛刷固定在各自驅動軸上，軸之間采用聯軸器相連，保證動力傳遞。毛刷支撐架用來支撐毛刷及其驅動軸，毛刷支撐架分為四段，每段之間用銷軸連接。每段清掃機構都作用在支持輪上，為了減少對溫室屋面的壓力，采用6個支撐輪。北方地區冬季溫室屋面上都有草簾覆蓋，為避免除雪過程中，旋轉毛刷卷起草簾，采用壓簾桿以防止草簾被卷起。

為減輕頂部執行機構重量和降低能耗。毛刷材料選用中等強度的硬質塑料制成，呈細長圓柱狀。毛刷軸采用中空鋼管，不僅保證了強度和剛度，而且減輕了重量。毛刷支撐架全部采用高強度鋁合金制成，支撐輪采用復合橡膠輪。頂部執行機構總圖如圖3所示。

底部執行機構設計。溫室除雪機底部采用異形螺旋清掃機構，用于把積雪輸送到田間合適位置。其結構如圖4所示。

大棚除雪機功能設計與實現

除雪機的功能設計與研究。為了使除雪機具有良好的互換性能，可以非常方便的安裝到農用行走機械上進行除雪工作，實現操控可在駕駛室內完成，具有簡單的驅動系統，小型原動機均可滿足實際工作需求，采用螺旋分布式硬質毛刷，可大面積的清掃積雪，提高工作效率，預計除雪機將實現以下功能：

頂部執行機構采用螺旋分布式硬質毛刷，共有5段，每段毛刷固定在各自驅動軸上，軸之間采用聯軸器相連，保證動力傳遞。毛刷支撐架用來支撐毛刷及其驅動軸，毛刷支撐架分為4段，每段之間用銷軸連接。每段清掃機構都作用在支持輪上，為了減少對溫室屋面的壓力，采用6個支撐輪。北方地區冬季溫室屋面上都有草簾覆蓋，為避免除雪過程中，旋轉毛刷卷起草簾，采用壓簾桿以防止草簾被卷起；支撐輪材料選用復合橡膠輪，支撐輪上安裝壓力傳感器，通過壓力傳感器反饋的信息可以使支撐架形狀更好地與大棚形狀吻合，使除雪面積更大，效果更好；為減輕頂部執行機構重量和降低能耗，毛刷材料選用中等強度的硬質塑料制成，呈細長圓柱狀。毛刷軸采用中空鋼管，不僅保證了強度和剛度，而且減輕了重量。毛刷支撐架全部采用高強度鋁合金制成；底部執行機構采用異形螺旋清掃機構，用于把積雪輸送到田間合適位置。

為了保證在運行中頂部執行機構不會有過大的振動，在整體支架的關鍵處安裝彈簧，起到減震的作用，保護除雪裝置：采用外接動力，可以是液壓馬達驅動或者柴油機驅動，也可以是電動機驅動，依不同的車體而定，以確保整體靈活性；考慮到是在室外工作，單片機受外界的因素影響較大，所以，本裝置的控制系統采用西門子的PLC控制系統。

除雪機的功能實現。參照圖5、6，大棚除雪機的安裝支架與拖拉機鏈接作為牽引動力，在安裝支架上裝有支撐穩定桿和轉動銷。轉動銷連接底部推雪板，支撐穩定桿用銷釘一、二連接底部毛刷架，底部毛刷架用擺動腿桿帶動，在毛刷架一內設有中部電動推桿和中部支撐輪，并用銷釘一、二、連接毛刷架二，毛刷架二用銷釘一、二連接頂部毛刷架應用電動推桿帶動。在底部毛刷架上均用萬向軸裝有底部毛刷滾筒、中部毛刷滾筒和頂部毛刷滾筒。毛刷滾筒上裝毛刷。底部毛刷滾筒一段用聯軸器連接馬達，作為毛刷滾筒的轉動動力。在底部推雪板和支撐穩定桿之間裝有角度調節器，可以調節底部推雪板的角度。在底部毛刷架上固定五個壓簾桿，在除雪時將草簾壓住，避免草簾被帶起。大棚除雪機工作時，用安裝支架裝四輪拖拉機后部，將除雪機的毛刷架用電動推桿逐步推到大棚的頂端，毛刷滾筒在馬達的帶動下旋轉，毛刷滾筒上的毛刷隨之轉動，將大棚上的雪掃到地下，底部推雪板將雪隨拖拉機的前行推至田間合適位置。大棚除雪機結構簡單，經濟性良好，節省人力物力。圖5大棚除雪機整體結構主視圖圖6大棚除雪機整體結構俯視圖

圖5：1.底部推雪板；5.底部毛刷；5-1.底部毛刷滾筒；6.萬向軸；10.中部支撐輪；15.支撐穩定桿；17.頂部毛刷；17-1頂部毛刷滾筒；19.中部毛刷；19-1.中部毛刷滾筒；20.大棚

圖6：1.底部推雪板；2.角度調節器；3.馬達；4.聯軸器；5.底部毛刷；5-1.底部毛刷滾筒；6.萬向軸；7.頂部電動推桿；8.銷釘；9.中部電動推桿；10.中部支撐輪；11.底部毛刷架；11-1.毛刷架一；11-2.毛刷架二；11-3.頂部毛刷架；12.底部電動推桿；13.銷釘二；14.擺動推桿；15.支撐穩定桿；16.壓簾桿；17.頂部毛刷；17.1.頂部毛刷滾筒；18.安裝支架；19.中部毛刷；19-1.中部毛刷滾筒；20.大棚；21.轉動銷。

除雪機研究方法

除雪機的研究方法主要有系統研究法、虛擬樣機設計法、實物樣機試驗法，具體實現過程如下：

系統設計法。根據系統原則，考慮機械整體結構，綜合研究內部外部和各個子系統之間的相互關系，協調各子系統幾間相互作用，使整個系統的功能表現為最佳狀態；

虛擬樣機設計法。根據初步設計方案及草圖，利用三維設計軟件進行各部分結構建模，在軟件中進行預裝配，三維模型建立完成后，對機械系統進行運動仿真，再根據運動仿真得到的數據，對機械系統進行有限元分析，準確的分析機構的結構強度及動態特性。最后對模型進行優化，預計機械在真實工況下的特征和影響。

實物樣機試驗法。根據相似理論，按照一定比例研制一小型樣機。冬季雪花暫時用相似材料代替。整個除雪機樣機完全按照實際要求進行設計和加工，由于樣機空間的限制，其操控在樣機中用遙控手柄控制，進行實驗，通過樣機實際除雪工作，驗證理論計算和分析的合理性。

從理論計算和樣機制作對大棚除雪機工作原理、結構性能進行了分析和試驗。通過樣機實際除雪工作，驗證了理論計算和分析的合理性，可得出以下結論：所設計的溫室除雪機結構合理，操作簡便；除雪機互換性好，可以非常方便地安裝到農用行走機械上進行除雪工作。除雪機工作效率較高，驅動系統簡單，小型原動機可滿足實際工作需求。通過實際工作和測試各種試驗數據，證明該新型溫室除雪機除雪效果明顯，除雪效率高，具有很大的實際應用價值。