農(nóng)機(jī)化研究 Agriculture Mechanization Research 2021 年 3 月下 24 溫室大棚卷簾機(jī)力學(xué)分析 車小偉 天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院 甘肅 天水 741000 摘 要 溫室大棚保溫被在下雨或結(jié)冰情況下重量明顯增加 會(huì)導(dǎo)致卷簾機(jī)電機(jī)燒毀 減速器齒輪失效 卷軸折斷 保溫被撕爛 等損壞現(xiàn)象發(fā)生 對側(cè)置卷軸上推式卷簾機(jī)運(yùn)行過程建模分析 推導(dǎo)出保溫被拉力和卷軸扭矩計(jì)算公式 使用 MATLAB軟件 編程的數(shù)值分析方法計(jì)算出最大拉力及最大扭矩值及其出現(xiàn)的位置 為卷簾機(jī)減速器設(shè)計(jì) 生產(chǎn) 選型及保溫被材料選擇提供 理論依據(jù) 關(guān)鍵詞 溫室大棚 卷簾機(jī) 受力分析 中圖分類號 TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1672 3872 2021 06 0024 03 溫室大棚為人類提供了新鮮的食材 滿足了人民生活 的需要 提高了土地種植的收益 因而在全國各地得到了大 量的使用 1 為了得到保溫效果 采用在塑料大棚或者玻璃 大棚的采光面覆蓋保溫被方式以減弱熱量的散發(fā) 從而將 白天日光照射得到的熱量保存 溫室大棚保溫被使用卷簾 機(jī)作業(yè)大大減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度 因而電動(dòng)卷簾機(jī)得到了廣 泛使用 在卷簾機(jī)實(shí)際使用中 經(jīng)常出現(xiàn)卷簾機(jī)卷軸斷裂 減速器齒輪折斷等現(xiàn)象 尤其在溫度較低的冬天更易發(fā)生 究其原因主要是保溫被在吸水或結(jié)冰后質(zhì)量明顯增大 導(dǎo) 致電動(dòng)卷簾機(jī)負(fù)載超過額定負(fù)荷 從而導(dǎo)致機(jī)械失效情況 發(fā)生 國內(nèi)大量學(xué)者研究了卷簾機(jī)設(shè)計(jì)及卷簾機(jī)運(yùn)行過程 受力情況分析 如劉剛等設(shè)計(jì)了卷簾機(jī)機(jī)械本體 1 孫昊等 通過實(shí)驗(yàn)的方法測量了卷簾機(jī)的載荷 但對卷簾機(jī)負(fù)載沒有 采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀?jì)算 因此 本文對溫室大棚卷簾機(jī)系統(tǒng)進(jìn) 行建模分析 計(jì)算出不同狀態(tài)下最大拉力值與最大扭矩值 從而為卷簾機(jī)設(shè)計(jì)或選型提供基本理論依據(jù) 1 結(jié)構(gòu)及工作原理 溫室大棚卷簾機(jī)根據(jù)電動(dòng)機(jī)位置不同 可分為后置卷 繩上拉式卷簾機(jī)和棚面自走式卷簾機(jī)兩大類 2 棚面自走式 卷簾機(jī)又可分為側(cè)置卷軸上推式卷簾機(jī)和側(cè)置卷軸上推式 兩類 其中 側(cè)置卷軸上推式卷簾機(jī)因其占用面積少 結(jié)構(gòu) 簡單 成本低等優(yōu)點(diǎn)被大量用于大棚長度較小的場合 但其 容易發(fā)生卷軸斷裂或減速器傳動(dòng)齒輪失效的情況 側(cè)置卷 軸上推式卷簾機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示 該裝置主要由電動(dòng)機(jī) 減速器 卷軸 支撐桿等構(gòu)成 其中 卷軸通過減速器與電 動(dòng)機(jī)連接 支撐桿1下端鉸接于地面 形成轉(zhuǎn)動(dòng)副 另一端 插入支撐桿2構(gòu)成移動(dòng)副 減速器常采用減速比大 質(zhì)量 小 結(jié)構(gòu)緊湊并具有自鎖功能減速器 如蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)減速 器 以防止在斷電或意外停機(jī)的情況下卷軸與保溫被在重 力作用下向下滑動(dòng)發(fā)生意外事故 為了降低卷簾機(jī)生產(chǎn)成 本 支撐桿1 支撐桿2以及卷軸均采用價(jià)格低廉的普通鋼 管制成 工作時(shí) 如果電機(jī)正轉(zhuǎn) 帶動(dòng)卷軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 將 已展開的保溫被卷至卷軸上 同時(shí)卷軸向上運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)保溫 被收納 反之 電機(jī)反轉(zhuǎn) 卷軸向下運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)保溫被鋪開 作業(yè) 2 力學(xué)分析 2 1 模型建立 溫室大棚在不同工況下 其受力情況不同 而當(dāng)保溫 被吸水后其質(zhì)量將明顯增加 也是在這種情況下容易出現(xiàn) 機(jī)械傳動(dòng)裝置失效現(xiàn)象 因此 本文只研究保溫被吸水后受 力情況 為了進(jìn)行力學(xué)分析 需要對大棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化 現(xiàn) 做基本假設(shè) 將溫室大棚斷面近似為四分之一橢圓面 卷軸 為剛性軸 并且在工作過程中沒有跑偏現(xiàn)象 即卷軸垂直于 斷面運(yùn)動(dòng) 載荷為均布載荷 均勻分布于軸上 基金項(xiàng)目 天水師范學(xué)院中青年教師科研資助項(xiàng)目資助 TSA1613 作者簡介 車小偉 1988 男 甘肅天水人 講師 碩士 研究方 向?yàn)闄C(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì) 圖 1 側(cè)置式溫室大棚卷簾機(jī)示意圖 圖 2 模型示意圖 農(nóng)機(jī)化研究 Agriculture Mechanization Research 2021 年 3 月下 25 根據(jù)上述基于假設(shè) 在軸的某一剖面建立直角坐標(biāo)系 進(jìn)行分析 其中橢圓的參數(shù)方程為 cos 0 2 sin xa t t yb t 1 式中 a為橢圓長軸長度 單位為m 對應(yīng)于大棚的寬度 b為橢圓短軸長度 單位為m 對應(yīng)于大棚的高度 T為橢圓參數(shù)方程的參變量 對于任一點(diǎn) 其卷軸上質(zhì)量m為 0 1 t m m LhL 2 式中 m 0 為卷簾機(jī)在低部時(shí)總質(zhì)量 為保溫被干密度 為保溫被吸水率 定義為 濕重量 干重量 干重量 100 3 L為大棚長度 H為保溫被厚度 L t 為已卷起大棚的長度 22 2 22 2 00 sin cos tt t dx dy L dt a t b t dt dt dt 側(cè)面兩支撐桿之間為移動(dòng)副連接 其底部鉸接于地面 支座 所以其主要起限位作用 受力很小 可忽略不計(jì) 由于大棚卷簾機(jī)整個(gè)工作過程為5 10 min 其運(yùn)行平穩(wěn) 運(yùn)行過程中加速度小 忽略慣性力影響 4 則其切線斜率 k為 cos cot sin dy b t b kt dx a t a 3 因此 保溫被拉力與水平線夾角計(jì)算公式為 arctan arctan cot b kt a 4 2 2 受力分析 將卷簾機(jī) 卷軸及已纏繞至卷軸上的保溫被當(dāng)成一整 體 其作為一個(gè)整體 卷軸在保溫被拉力 F t 大棚表面支撐 力 F n 和重力 G以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 T M 作用下力學(xué)平衡 建立力 學(xué)平衡方程得 nt tM FFG FR T 5 式中 R為拉力F t 至重心的距離 因保溫被螺旋形纏繞于卷軸 上 為了將問題簡化 將其截面近似為圓 則其半徑為 0 t R A A h Lt 6 將 1 6 式聯(lián)合求解得出拉力 扭矩計(jì)算方程 7 00 1 sin tt T F R m LhL g A h Lt 8 3 編程計(jì)算 3 1 程序編寫 分別求出 F t 與 T M 的最大值用于大棚設(shè)計(jì)校核 而 L t 計(jì) 算表達(dá)式中積分無解析解 因而無法用解析法求最大值 本文使用MATLAB軟件編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算方法求最大值 MATLAB程序主要部分如下 t 0 0 01 pi 2 s size t syms tao ft inline a a sin tao sin tao b b cos tao cos tao 0 5 for N 1 s 2 Lt N quad ft 0 t N end mt m0 miu rho L h Lt K b a cot t thetat pi atan K G mt g A0 pi d d 4 R A0 h Lt pi 0 5 Ft G sin thetat T Ft R 3 2 計(jì)算結(jié)果分析 本文選用現(xiàn)在較為常用的針刺氈保溫被為例計(jì)算 其 吸水率因不同的環(huán)境有差異 在下雨和下雪情況下 1 h內(nèi) 其吸水率約為127 108 5 而在溫度較低有結(jié)冰現(xiàn)象時(shí) 其吸水率更高 約為200 6 因此 本文分別以吸水率 為 0 完全干燥 100 下雨或下雪 200 結(jié)冰 分別計(jì) 算 計(jì)算過程主要參數(shù)如表1所示 通過運(yùn)行計(jì)算程序 得出干 濕 結(jié)冰三種情況下卷簾 機(jī)在不同位置對應(yīng)的拉力及電機(jī)扭矩曲線 如圖3所示 由計(jì)算結(jié)果可知 1 對于側(cè)置棚面自走式卷簾機(jī) 其保溫被拉力及電動(dòng) 機(jī)負(fù)載扭矩都由小變大再變小 在中部出現(xiàn)最大值 與文獻(xiàn) 1的實(shí)際測量結(jié)果一致 2 不同吸水率 對應(yīng)的卷簾機(jī)受力情況差異較大 分 別取1 2 3時(shí) 對應(yīng)的最大拉力依次為2 277 5 kN 3 326 5 kN 4 3769 kN 越大 相同位置對應(yīng)的拉力值越大 3時(shí)的 最大拉力是 1時(shí)的1 92倍 相差較大 3 不同吸水率 對應(yīng)的最大拉力出現(xiàn)位置不同 分別 符號 取值 單位 意義 a 8 m 大棚寬度 b 3 m 大棚高度 L 50 m 大棚長度 65 kg m 3 保溫被干密度 h 0 0374 m 保溫被厚度 d 0 1 m 卷軸直徑 m 0 50 kg 卷簾機(jī)凈重 表 1 計(jì)算所用主要參數(shù)取值及意義 農(nóng)機(jī)化研究 Agriculture Mechanization Research 2021 年 3 月下 26 取1 2 3時(shí) 對應(yīng)的最大拉力對應(yīng)角度依次為42 971 8 44 117 8 44 690 7 但相差較小 4 同一吸水率 對應(yīng)的最大拉力與最大扭矩出現(xiàn)位置 不同 如 1時(shí) 最大拉力對應(yīng)角度為42 97 而最大扭矩 對應(yīng)角度為57 30 相差較大 4 結(jié)論 本文通過對溫室大棚卷簾機(jī)的受力情況建立數(shù)學(xué)模型 并使用MATLAB編程計(jì)算不同吸水率對應(yīng)的保溫被受力及 卷軸受力情況 通過計(jì)算可知 同一吸水率情況下最大扭 矩與最大拉力出現(xiàn)位置不同 不吸水率對應(yīng)的拉力與扭矩 差異較明顯 因此 為分析不同吸水率對應(yīng)的保溫被受力 及卷軸受力 為溫室大棚卷簾機(jī)設(shè)計(jì)與選型奠定了基礎(chǔ) 雖然本文是將溫室大棚斷面近似為四分之一橢圓得出 但 是對不同形狀的大棚分析過程相似 所以計(jì)算結(jié)果具有一 定的參考價(jià)值 參考文獻(xiàn) 1 劉剛 溫室大棚卷簾機(jī)的設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 2012 11 29 30 34 2 孫昊 滕光 輝 張曉飛 等 日光溫室卷簾機(jī) 荷 載實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與試 驗(yàn) J 農(nóng) 業(yè)工 程學(xué)報(bào) 2 014 3 0 1 13 8 14 5 3 張國祥 傅澤田 張領(lǐng)先 等 中國日光溫室機(jī) 械 卷簾技術(shù)發(fā) 展現(xiàn) 狀 與趨勢 J 農(nóng) 業(yè)工 程學(xué)報(bào) 2 017 3 3 S1 1 10 4 喬正 衛(wèi) 鄒志榮 張 立明 等 4 種日光溫室保 溫 被室內(nèi)的試 驗(yàn) 性 能測試 J 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2008 6 153 158 5 禹夏青 四種日光溫室保溫覆蓋物的保溫效果及性能評價(jià) D 銀 川 寧夏大學(xué) 2 016 6 吳素英 溫室大棚卷簾機(jī)的保養(yǎng)與維修 J 農(nóng)民致富之友 2019 8 114 圖 3 不同吸水率對應(yīng)的拉力及扭矩曲線 式制圖法獲取農(nóng)戶宅基地利用現(xiàn)狀圖 并剖析村域農(nóng)戶宅 基地規(guī)模特征 進(jìn)而采用多元線性回歸對其影響因素進(jìn)行 探析 得出如下主要結(jié)論 1 魚良溪村宅基地總規(guī)模為25 76 hm 2 戶均宅基地面 積為224 01 m 2 有41 48 的農(nóng)戶宅基地面積大于平均值 農(nóng)戶宅基地普遍存在面積超標(biāo)的問題 2 魚良溪村農(nóng)戶宅基地面積普遍集中在100 m 2 300 m 2 占比81 48 有183塊宅基地的面積 300 m 2 比重為 15 91 僅有30塊宅基地的面積在0 100 m 2 范圍區(qū)間 占 比2 61 3 影響農(nóng)戶宅基地面積的農(nóng)戶家庭因素包括家庭總收 入 家庭非農(nóng)就業(yè)率2個(gè)因子 自然地理?xiàng)l件因素包括高程 和坡度 宅基地區(qū)位因素包括與村委會(huì)距離 與道路距離 與河流距離3個(gè)因子 除家庭總收入和高程呈正向作用外 其余影響因子均呈負(fù)向作用 其中 家庭非農(nóng)就業(yè)率對宅基 地面積的影響最大 距河流及距村委會(huì)距離對因變量的影 響作用最弱 參考文獻(xiàn) 1 劉繼來 劉彥隨 李 裕瑞 等 2 0 07 2 015 年中國農(nóng) 村居民點(diǎn)用地與 農(nóng) 村人口時(shí)空耦 合 關(guān)系 J 自然資源學(xué)報(bào) 2 018 3 3 11 18 61 18 71 2 劉亞香 李陽兵 易興 松 等 貴州典型壩子土 地 利用強(qiáng)度空間演變 及景觀 格局響應(yīng) J 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào) 2 017 2 8 11 3 691 370 2 3 陳會(huì) 貴州壩子土地利用功能演變研究 D 貴陽 貴州師范大學(xué) 2020 4 任紅玉 趙宇鸞 李秀彬 等 基于不同分 辨率影 像的山區(qū)耕地細(xì)碎 化評 價(jià)及其尺 度 效 應(yīng) J 地 理研究 2 0 2 0 3 9 6 1 2 8 3 1 2 9 4 5 劉亞香 謝宇軒 李陽兵 等 貴州壩子土 地 利用顯性 和隱性轉(zhuǎn)型實(shí) 證 研究 J 長江流 域資源與環(huán) 境 2 0 2 0 2 9 1 1 2 5 13 6 6 馮應(yīng)斌 丘陵地區(qū)村域居民點(diǎn)演變過程及調(diào)控策略 D 重慶 西 南大學(xué) 2 014 7 朱 亞茹 高峻 邴 振華 等 基于參 與式制圖方法的景觀 服務(wù) 評 估與 空間結(jié)構(gòu)研究 J 地 球信息 科學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 2 0 2 2 5 110 6 1119 8 彭婉婷 劉文倩 蔡文博 等 基于參 與式制圖的城市保護(hù)地生態(tài)系 統(tǒng)文化服務(wù)價(jià)值評價(jià) 以上海共青森林公園為例 J 應(yīng)用生態(tài)學(xué) 報(bào) 2 019 3 0 2 43 9 4 4 8 上接第5頁