GDL80 型軌道式大棚卷簾機設計

張義勝，侯心愛，寧新杰，蔣 博

（淄博市農業機械研究所，山東 淄博 255086）

設施農業的發展實現了果蔬的周年供應，滿足了我國經濟社會的農產品供應需求。隨著我國北方地區冬季果蔬溫室大棚規模的擴大，一些實用的設施農業生產技術及配套裝備得到了應用推廣，其中，機械化卷簾技術在我國北方日光溫室大棚中得到普遍的推廣與應用[1]。卷簾機是日光溫室最重要的農業機械，代替人工收放簾工作， 極大地減輕了農戶的勞動強度，提高了農戶勞動效率[2]。在生產實踐中，為了滿足北方冬春季節棚內作物的保溫需要，通常在外面塑料薄膜上鋪一層保溫簾。當陽光充足時，拉起保溫簾，保證作物接受充分光照，利于作物生長。 如果陽光不足或在夜間，則需鋪上保溫簾保溫。 保溫簾每天收放至少1次，人工卷簾勞動強度大、費時費力、效率低，易造成保溫簾分布不均。對此，設計一種GDL80 型軌道式大棚卷簾機，以期克服人工卷鋪簾的弊端，提高卷簾作業效率。

1 GDL80 型軌道式大棚卷簾機設計

1.1 整體結構

大棚卷簾機結構如圖1 所示，由大棚、軌道、懸掛裝置、減速機、電機組成。

圖1 大棚卷簾機示結構示意圖Figure 1 Structureal diagram of the curtain rolling machine for greenhouse

電機、減速機通過懸掛裝置懸掛在軌道上，隨著減速機輸出軸的旋轉，完成保溫簾的卷放工作，同時帶動卷簾機沿著軌道行走。 電動機輸出扭矩，通過帶傳動傳至齒輪式減速機輸入軸，減速機輸出軸將輸出的扭矩通過聯軸器和法蘭盤傳至保溫簾卷桿，帶動保溫簾卷桿轉動。 通過控制電動機的正反轉，完成收簾和放簾作業。

1.2 設計參數

卷簾機設計參數見表1。

表1 整機參數Table 1 Machine parameters

2 主要零部件設計

2.1 懸掛裝置

懸掛裝置結構如圖2 所示， 由減速機固定板、主拉桿、副拉桿、滾輪總成、轉套A、轉桿、螺母、開口銷、墊圈、轉軸、螺栓、轉套B 組成。

圖2 懸掛裝置結構示意圖Figure 2 Structural diagram of suspension structure

減速機固定板一端與主拉桿、 副拉桿焊接在一起，另一端通過板上6 個孔用螺栓與減速機固定。 轉桿和轉套A 焊接，轉套B 和主拉桿焊接。 卷簾機輸出軸轉動的同時，保溫簾拉動卷簾機移動，帶動轉桿沿著轉套A、轉套B 發生轉動，從而帶動滾輪總成在軌道上發生轉動和移動，完成保溫簾的卷放。

2.2 滾輪

滾輪總成結構如圖3 所示，由滾輪軸、軸承、滾輪組成。

圖3 滾輪總成結構示意圖Figure 3 Structural diagram of roller assembly

滾輪中間部位加工成圓弧， 與軌道圓管配合，可沿軌道圓管行走。 軌道主梁采用圓鋼管制作。 滾輪軸兩端軸頭與懸掛轉桿的轉套聯結，轉桿可以沿著軸頭轉動。 滾輪軸兩端加工成螺紋，擰上螺母后用于固定轉套。

2.3 傳動裝置

傳動裝置主要由皮帶傳動裝置和減速機組成。電機安裝在減速機上方，其動力通過一級皮帶減速傳到減速機，經減速機內3 對齒輪的減速傳動，最后經輸出軸輸出動力。輸出軸通過聯軸器與兩側的保溫簾卷桿聯結，輸出軸將動力傳給保溫簾卷桿，帶動保溫簾卷桿轉動。 隨著卷保溫簾卷桿的轉動，完成保溫簾的卷放工作。

減速機結構如圖4 所示，由保溫簾卷桿、聯軸器、Ⅳ軸、Ⅲ軸、Ⅱ軸、齒輪2、動力傳動盤、減速機皮帶輪、Ⅰ軸、摩擦片Ⅰ、摩擦片Ⅱ、齒輪4、齒輪6、減速機殼體組成。

圖4 減速機結構示意圖Figure 4 Structural diagram of reducer

在減速機輸出軸的兩端，對稱布置兩條保溫簾卷桿。 卷桿使用無縫鋼管制作，鋼性強，不易彎曲。 減速機皮帶輪的動力經摩擦片、動力傳動盤后傳給減速機的輸入軸，這樣可以有效防止卷簾機過載，起到安全保護的作用。

3 相關參數計算

3.1 電動機選擇

按工作要求和工作條件選擇Y 系列三相異步電動機，其結構為全封閉自扇冷式，電壓為220 V。 電動機的有效功率計算公式為：

式中：P 為電機功率，kW；T 為額定輸出扭矩，5 800 N·m；n2為輸出軸轉速，1.55 r/min；η 為總傳動效率，0.85。

由式（1）計算得，P=1.1 kW。

綜合考慮電動機和傳動裝置尺寸，為使傳動裝置結構緊湊，選用同步轉速1 450 r/min 的電動機。 根據電動機的類型、容量和轉速，由機械設計手冊選定電動機型號為Y90S－4。

3.2 輸出轉速

減速機輸出轉速n2計算公式為：

式中：n2為減速機輸出轉速，r/min；n1為電機轉速，1 450 r/min；d1為電機帶輪直徑，75 mm；d2為減速機帶輪直徑，192.5 mm；Z1為齒輪軸Ⅰ齒數，12；Z2為齒輪 2 齒數，94；Z3為齒輪軸Ⅱ齒數，9；Z4為齒輪 4齒數，60；Z5為齒輪軸Ⅲ齒數，8；Z6為齒輪 6 齒數，53；μ 為帶輪打滑系數，0.05。

由式（2）計算，n2=1.55 r/min。

3.3 保溫簾及卷桿總質量

保溫簾卷桿采用直徑50 mm、 厚度2.5 mm 無縫管制作，保溫簾卷桿質量計算公式為：

式中：m1為棉被卷桿質量，kg；r0為卷桿外圓半徑，0.025 mm；r1為卷桿內圓半徑，0.022 5 mm；s 為卷桿長度，80 m；ρ 為鋼材比重，7 800 kg/m3。

由式（3）計算，m1=233 kg。

保溫簾厚度按照δ=0.018 mm 計算， 單位面積的密度為1.26 kg/m2，保溫簾質量的計算公式為：

式中：m2為保溫簾總質量，kg；B 為保溫簾寬度，20 m；ρ1為保溫簾單位面積密度，1.26 kg/m2。

由式（4）計算，m2=2 016 kg。

保溫簾及卷桿總質量m=m1+m2=2 249 kg。

3.4 保溫簾卷放時間

忽略保溫簾在卷簾過程中的壓縮量，保溫簾以保溫簾卷桿為中心按阿基米德螺旋規律運動。保溫簾卷桿每轉1 周， 保溫簾半徑的變化量 （即保溫厚度）為δ＝0.018 m。 卷簾軸半徑 r0＝0.25 m。

保溫簾在某時刻t 時的展開長度：

式中：B(t)為保溫簾時刻 t 的展開長度，m；r0為卷簾軸半徑，0.025 m；δ 為保溫簾厚度，0.018 m；ω 為卷簾軸轉速，rad/min。 ω=2πn2=9.739 rad/min。

當 B=20 m 時， 由式 （5） 得到方程式：1.706t2+1.224t-251.327=0。 由此計算得到：t=16.42 min，即卷放簾的時間為16.42 min。

3.5 保溫簾半徑

保溫簾半徑的計算公式為：

式中：r 為保溫簾半徑，m；θ 為保溫簾轉角，rad。

接近棚頂時保溫簾的半徑最大，此時保溫簾的最大轉角為 θ=ωt，計算得到 θ=159.914 rad。

由式（6）得到：r=0.483 m。

3.6 阻力扭矩

保溫簾在大棚上滾動過程中（如圖5 所示），接近棚頂時保溫簾的最大滾動半徑為0.483 m。 按照設計規范，大棚面坡度角 β 應大于 30 °，這里按照 30 °計算。 保溫簾及卷桿總質量產生對棚面的正壓力N 和向下的下滑力F。此時卷簾機所需克服的最大阻力扭矩為[3]：

圖5 卷簾機在棚頂示意圖Figure 5 Schematic diagram of the curtain rolling machine on the roof

式中：M 為保溫簾產生的阻力扭矩，N·m；F 為保溫簾產生的下滑力，N；β 為大棚坡度角，30 °。

由式（7）得到：M=5 323 N·m。

由計算結果可以看出，卷簾機的額定輸出力矩大于最大阻力矩，設計合理。考慮到雨雪的影響，當工作幅寬80 m、保溫簾厚度0.018 m 時，最大卷簾寬度為20 m。 如果增加保溫簾的寬度和厚度，需要降低工作幅寬。

4 結論

卷簾機使用環境惡劣，不確定因素多，在設計、生產、安裝、使用等方面，質量和安全問題時有發生[4]。本研究設計的GDL80 型軌道式大棚卷簾機于2020 年冬季在山東淄博市臨淄區試驗基地進行試驗，結果表明：該卷簾機的輸出轉速、輸出扭矩、工作幅寬等主要技術參數滿足設計要求，可有效完成保溫簾的收放工作，提高了卷簾工作效率，降低了勞動強度，延長了保溫簾使用壽命。