棚室設施覆膜機械的設計與試驗

劉曉東 陳林 張亞振 孟川

1、河北省農林科學院經濟作物研究所 2、河北省農業機械化研究所有限公司

前言

我國從20世紀70年代末開始進行設施蔬菜生產的研究，至今，設施結構、設施類型不斷豐富，保溫蓄熱、結構功能日益完善，促進了設施蔬菜的生產并保障了市場供應。設施結構經歷了竹木結構、混凝土骨架、石膏混合骨架直至鋼架結構，一些設施專用零配件如卡簧槽、卡膜簧、卷膜器等得以開發生產，機械化程度逐漸提高。但諸多的生產細節問題需要農民付出大量的勞動力，其中棚室設施的塑料薄膜覆蓋問題比較突出。首先，更換塑料膜時，覆膜操作受天氣影響較大，一般棚室設施的主膜面積大，寬度在8～12米，棚膜展開后風阻極大，人力無法抗拒，造成只能選擇無風天氣覆膜，時間短、工作量大、強度高；其次，覆膜過程用工多達8～10人，覆膜成本居高不下；再次，人工覆膜操作易破膜，徒手用力拉膜容易將棚膜摳破，降低棚膜的使用年限；最后，人工覆膜平展度不夠，易造成灰塵覆蓋，影響棚室內作物的采光，同時不利于膜上雨雪的清除。

鑒于此，本文設計開發一種適用于棚室、設施覆膜的機械設備——棚室設施覆膜機，以提高覆膜效率和覆膜質量、降低勞動強度和覆膜成本、促進設施農業生產健康發展。

1 覆膜機械的設計原理

1.1 覆膜機械的主要組成部分

棚室設施覆膜機械主要由主機、輔機、雙向支架、轉膜軸等組成。其中，主機指由兩級變速傳統系統、主動箱及其底座、鎖緊裝置、手動搖把等組成；輔機指配合主機輸出軸實現轉膜軸轉動的從動箱及其轉軸等組成；雙向支架是由兩組結構相似、方向相反的兩組架體組成；轉膜軸是一根兩端開有長鍵槽可與兩端主輔機軸連接的鋼管。工作原理如圖1所示，覆膜機械安裝在溫室設施的側墻上，塑料薄膜的一端固定在覆膜機械的轉膜軸上，另一端固定溫室設施的另一側，通過手動搖把轉動轉模軸，拉緊塑料薄膜，完成覆膜。

圖1 覆膜機械工作原理示意

1.2 覆膜機械的省力原理

利用減速增扭、杠桿減力原理，設計了兩級減速傳動齒輪結構和長桿搖把機構。

兩級減速傳動比均為2∶1，總減速比為4∶1，根據減速增扭原理，通過減速齒輪箱能把人力手臂產生的扭矩增大4倍，通俗的講就是實現增力達到4倍。

搖把的搖桿長度越長則越省力，根據便于人員操作的原則，設計手動搖把的動力臂與轉膜軸的阻力臂長度比為20∶1，相比于直接轉動轉膜軸，搖把實現增力20倍。

1.3 覆膜機械的安裝方法

根據棚室和設施的特點，設計便捷式固定卡扣，簡化覆膜機械的安裝流程。將卡扣固定于棚室的側面支架或者設施的側墻，雙向支架通過卡扣與棚室設施固定連接，可拆卸。覆膜機械與雙向支架之間采用滑動方形套管+限位形式安裝，方便裝卸。

2 覆膜機械的關鍵部件設計

2.1 減速齒輪箱設計

減速齒輪箱設計遵循小巧、靈活、成本低的原則，主要考慮其功能性、可靠性。硬齒面開式傳動的承載能力主要取決于齒根彎曲疲勞強度，模數選大些有利于承載能力提高。根據設計目的以及實際操作經驗，以一個成年人的上肢力量為基礎數據，并參考塑料薄膜的抗拉強度來計算校核減速箱的參數。以輸入800N的力,力臂長度（手動搖把長度）為0.24m計算。

減速箱輸入扭矩T1=800N×0.24m=192N·m;

減速箱的減速比i=4∶1；

輸出扭矩T2=T1×i×η；

齒輪傳動的效率與齒輪的類型、加工精度以及潤滑情況都有關，一般情況下圓柱直齒輪傳動的效率為0.9～0.99；本設計中減速箱為兩級圓柱直齒輪傳動，取最低值計算，η=0.9×0.9=0.81；

則輸出扭矩T2=192N·m×4×0.81=622.08N·m；

則計算可知，輸入軸d1≥18.17mm;

輸出軸d2≥26.88mm。

在根據輸入扭矩計算出軸徑的范圍后，再通過覆膜的阻力進行反向驗證。常用大棚塑料膜的厚度0.08～0.15mm之間。查閱文獻及資料[1-2]，農用塑料薄膜的拉伸強度≥16Mpa;則當覆膜寬度為8m時，覆膜能夠產生的最大阻力扭矩T3計算如下。

計算公式：T3=F×L；

取轉膜軸力臂L=0.05m(考慮卷膜后增加的半徑)；

覆膜能夠產生的最大阻力扭矩T3的范圍為T0.08～T0.15。當大棚或設施覆蓋的塑料薄膜厚度為0.08mm時，覆膜能夠產生的最大阻力扭矩為512N·m;參照前面計算，當用800N的力（相當于提起約80kg重物）轉動覆膜機的手動搖把時，產生的輸出扭矩為622.08N·m，將可能會扯壞塑料薄膜。反向推理，塑料薄膜的使用已經過實際檢驗，故常規覆膜操作產生的阻力必然小于其抗拉強度。故此，使用覆膜機時，輸入的力必然低于800N即可完成覆膜作業。當棚室設施覆蓋的塑料薄膜厚度為0.15mm時，覆膜的最大阻力扭矩為960N·m;計算可知扯壞0.15mm塑料薄膜的輸入力約為1234N(輸入扭矩為296N·m)，輸出軸d2≥31.07mm，輸入軸d1≥20.10mm。

因此，考慮安全使用，并結合生產工藝，確定輸入軸d1=27mm，輸出軸d2=31mm。既確保減速齒輪箱的強度能夠滿足使用要求，又盡可能使其結構輕簡。齒輪選取模數2，兩組減速齒輪分別為18齒和36齒，45#鋼材質，調質處理。圖2為減速齒輪箱總裝示意圖，減速齒輪箱整體結構簡單。因轉速較低，運轉時間較短，故采用耐磨套代替軸承，齒輪使用黃油潤滑，可以有效降低制作成本和維護難度，便于在田間地頭使用、推廣。減速箱整體可以和安裝支架快速拆卸，方便在大棚設施之間轉移使用，提高利用率。

圖2 減速齒輪箱總裝示意圖

2.2 安裝支架設計

棚室和溫室設施的結構有差異，考慮到覆膜機的通用性，其安裝支架應兼顧棚室和設施的結構特點。如圖3所示，安裝支架由主支架、旋轉支架、撐桿和卡扣等組成。通過卡扣將主支架固定在棚室的骨架或設施的側墻上，減速齒輪箱安裝在旋轉支架上。兩個安裝支架對稱布置，成對使用。與減速齒輪箱相對的位置安有與減速齒輪箱輸出軸同軸的固定轉軸，在輸出軸和固定轉軸之間安裝轉膜軸。轉膜軸的長度需根據棚室或設施的鋪膜寬度確定。轉膜軸設計有可以固定塑料薄膜的卡槽。

圖3 安裝支架示意圖

3 覆膜機試驗

3.1 覆膜機仿真分析

構建覆膜機的完整三維設計圖，根據理論分析的受力情況，進行整機受力仿真分析。如圖4所示。根據分析結果，初步判斷覆膜機在理論分析的受力條件下能夠滿足使用要求。

圖4 覆膜機受力仿真分析

3.2 現場試驗

選取常規塑料大棚設施進行覆膜試驗，覆膜寬度8m，長度60m。圖5為試驗現場。使用覆膜機只需4名人員即可完成覆膜作業，并且覆膜平整，整體效果較好。覆膜機的手動搖把輸入力矩最大值約為100N·m，輸出扭矩約為360N·m；結合前文計算公式可知，操作人員相當于用提起40kg重物的力量即可完成覆膜機的操作，減速齒輪箱的傳遞效率η為0.9。

圖5 試驗現場

4 效益分析

（1）直接經濟效益。傳統的棚室設施人工覆膜方式人工投入量為平均8人/棟，應用該設備可直接將覆膜人工投入量減少至4人/棟，節約人工50%。按照人均日工資200元計算，可節約成本800元/天，直接經濟效益顯著。

（2）間接經濟效益。該設備的應用，有效解決了刮風天氣人工無法覆膜的問題，一般4～5級風力以下均可正常覆膜作業；同時，覆蓋的棚膜相對人工作業更為平展，降低了薄膜皺縮引發的日光漫反射損失，提高了日光通透率，增強了棚室的采光增溫效果，從而實現增產；另外，機械化操作有效規避了人工覆膜手動拉抻棚膜造成的破膜風險，也降低了人工高處作業因風力帶來的意外傷害風險；此外，采用機械化覆膜可同時固定多棟棚室設施的棚膜，然后由人工有序地進行卡簧、綁壓膜繩等操作，降低勞動強度、提高覆膜效率。

（3）社會效益。該設備的應用，可顯著減低棚室覆膜活動中對技術、人員年齡的要求限制，甚至產生專業棚室覆膜隊，帶動農民就業，有著良好的社會效益前景。

5 結語

針對棚室和設施研制的覆膜機能夠有效節省人工，提高覆膜質量，經濟效益和社會效益顯著，具有推廣價值。當輸入扭矩為100N·m，輸出扭矩為360N·m，能夠完成棚室或設施的覆膜作業。該輸入扭矩在覆膜機的設計參數之內，距離極限值較遠，證明覆膜機輸出軸及輸出軸設計合理，能夠安全使用。